CN110299937A - 一种上行mimo-noma无线通信系统波束成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种上行MIMO‑NOMA无线通信系统波束成形方法，该方法适用于多小区多用户MIMO‑NOMA无线通信系统上行波束成形，该方法包括以下几个步骤：对于最大化系统总速率问题应用拉格朗日对偶转换和二次转换得到拉格朗日辅助因子以及二次转换辅助向量的表达式；对于转换后的凸优化问题，应用拉格朗日乘子法，得到波束成形向量的表达式；以最大系统总速率为目标，应用迭代运算得到每个用户的波束成形向量。与传统的上行功率分配方法相比，本方法能够得到较好的系统总速率，且应用NOMA的系统性能优于应用正交多址接入系统的性能。

Description

一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成形方法
技术领域
本发明涉及无线移动通信领域通信信号传输方法，具体涉及一种上行多入多出非正交多址(MIMO-NOMA)无线通信系统的波束成形的方法。
背景技术
非正交多址接入技术(Non-Orthogonal Multiple Access；NOMA)被认为是第五代移动通信的关键技术。非正交多址接入技术的基本思想是在发射端使用叠加编码，使多个用户的信息在同样的时间、频率资源上传输；在接受端采用串行干扰自消除技术(Successive Interference Cancellation；SIC)进行解码。多输入多输出技术(Multiple-Input Multiple-Output；MIMO)可以同时传输多个数据流，MIMO技术与NOMA系统联合可以进一步提高系统传输速率和频谱利用率。由于NOMA使用串行干扰自消除技术解调时利用的是用户之间的功率差异，所以MIMO-NOMA系统的功率分配和波束成形技术受到广泛的关注。目前已经有很多专家学者对下行MIMO-NOMA功率分配和波束成形方法做了研究，并且证明了NOMA系统性能优于正交多址接入系统。值得一提的是，上行非正交多址接入技术波束成形技术比较困难，目前对上行波束成形方法的研究微乎其微，所以找到一种上行链路波束成形方法极为重要。
经对现有技术的文献检索发现，H.Wang等人在《IEEE Communications Letters,May.2018,vol.22,no.5,pp.1106-1109.(IEEE通信快报，2018年五月，第22卷，第5期，第1106-1109页)》上发表了题为“A Novel Power Minimization Precoding Scheme forMIMO-NOMA Uplink Systems(一种新的MIMO-NOMA上行链路系统功率最小化预编码方案)”一文，该文在已经分好NOMA簇的基础上，提出了一种基于消除簇间干扰的预编码方法，证明了应用该方法的功率消耗低于应用正交多址接入方法的功率消耗。但是，该方法仅仅考虑单小区，不适用于多小区。另检索发现，C.W.Sung and Y.Fu在《2016IEEE 83rd VehicularTechnology Conference(VTC Spring),2016,pp.1-5.(2016年IEEE第83届车载技术大会，2016年，1-56页)》上发表了题为“A Game-Theoretic Analysis of Uplink Power Controlfor a Non-Orthogonal Multiple Access System with Two Interfering Cells(具有两个小区的非正交多址接入系统的上行功率控制的博弈分析)”一文，该文对应用博弈方法对多小区NOMA系统的功率分配问题进行研究，构造了分布式功率控制方法，保证收敛到纳什均衡，且在满足一定条件下该均衡在功率消耗上是最优的。但是遗憾的是该研究只考虑了两个用户的情况，且只用于单天线NOMA的场景。另检索发现，H.Wang等人在《IEEECommunications Letters,Dec.2018,vol.22,no.12,pp.1-6(IEEE通信快报，2018年十二月，第20卷，第12期，第1-6页)》上发表了题为“Precoding Design for Two-Cell MIMO-NOMA Uplink With CoMP Reception(具有协作多点传输的双小区MIMO-NOMA上行链路预编码设计)”，该文以最小功率消耗为目标，提出了一种波束成形方案，对共用同一频率的NOMA用户的预编码矩阵进行联合设计，证明了应用该方法的系统性能优于平均功率和正交多址接入的系统性能。
另检索发现，陈钦博等人在2018年申请了一项题为“NOMA多天线系统的波束成形优化方法”(公开号:CN109005592A)的专利，该方法借鉴李雅普诺夫算法解决能量因果性，将时间平均优化问题转化成单时隙优化问题，利用最小均方误差和交替优化算法解决目标函数和约束非凸问题，通过迭代得到每个时刻最优的波束成形矩阵，但是该方法需要进行克罗内克积运算，整个波束成形矩阵优化过程中计算复杂度较高。高一辰等人在2017年公布了一项题为“基于动态解码串行干扰自消除接收机的上行NOMA功率分配方法”，该专利提供了一种基于动态解码的串行干扰自消除接收机的上行NOMA功率分配方法,且使用动态调整解码顺序的串行干扰自消除接收机,获得了相比其他上行NOMA更好的服务质量，但是该方法只考虑了单小区的信道模型，侧重于NOMA簇内用户的干扰消除和解调问题，并不适用于多小区。
发明内容
本发明的目的在于针对多小区上行MIMO-NOMA无线通信系统的波束成形问题，提出一种基于多维拉格朗日对偶转换和多维二次转换的波束成形方法。首次利用该方法将非凸的波束成形问题转换成可解的凸优化问题，然后给出一种迭代算法得到每个用户最优的波束成形向量，使得每个用户获得最大传输速率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明是一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成形方法，用于解决多小区MIMO-NOMA无线通信系统上行链路的波束成形问题。本发明技术方案具体包括以下步骤：
步骤一：基站根据接收到的所有用户信息，初始化该小区内各用户的波束成形向量，应用多维拉格朗日对偶转换和多维二次转换得到拉格朗日辅助因子以及二次转换辅助向量的表达式。
每个用户的初始化波束成形向量为Bj,k且满足其中表示第j基站服务的第k用户的波束成形向量，Pmax表各小区内每个用户的最大发射功率。
首先进行多维拉格朗日对偶转换，引入拉格朗日对偶转换因子，得到其用于更新的表达式表示如下：
其中，I代表Nr×Nr维的对角阵，Nr代表基站接受天线的个数，是Bj,k的共轭转置，是Bj,m的共轭转置，分别表示由基站j服务的第k用户和第m用户的波束成形向量；是Bi,k的共轭转置表示由基站i服务的第k用户的波束成形向量；是hj,k的共轭转置，是hj,m的共轭转置分别表示由基站j服务的第k用户和第m用户的信道信息；是hi,k的共轭转置表示由基站i服务的第k用户的信道信息，K表示每个小区的用户数。
其次应用多维二次转换，根据初始波束成形向量、拉格朗日对偶转换因子，引入二次转换辅助向量，得到其用以更新的表达式表示如下：
步骤二：基站应用拉格朗日乘子法，得到波束成形向量的表达式；
对于转换后的波束成形向量求解问题，可以用朗格朗日乘子法进行求解。；引入拉格朗日乘子后可以得到波束程序向量的闭式解，表示为：
其中I代表Nt×Nt维的对角阵，Nt代表用户端发射天线的个数，ηj,k为基站j服务的第k用户的拉格朗日乘子，用来约束基站j服务的第k用户的波束成形向量。
步骤三：基站端以最大系统总速率为目标，应用迭代运算得到每个用户的最优的波束成形向量，并把波束成形向量发送给用户。
本发明首先引入了拉格朗日转换因子和二次转换辅助向量，进而得到波束成形向量的闭式解，最后用迭代运算的方法得到最优的波束成形向量，在每次迭代运算中各个辅助变量都要满足收敛的条件，具体的迭代步骤包括：
(1)、初始化波束成形向量和拉格朗日辅助变量的值；
(2)、根据二次转换辅助向量Yj,k的表达式，更新Yj,k的值；
(3)、根据拉格朗日转换辅助因子γj,k的表达式，更新γj,k的值；
(4)、根据波束成形向量Bj,k的表达式，更新Bj,k的值；
(5)、重复上述步骤，直到每个用户都获得满足功率约束条件的波束成形向量；其中，步骤四中的(4)波束成形向量的约束变量ηj,k是用二分法获得的，以保证每个用户的发射功率不超过最大发射功率，即Pmax为每个用户的最大发射功率。
本发明的有益效果是：本发明实现了如何基于空管航迹大数据完成航班运行态势规律分析的处理分析方法，创新地提出利用大数据手段通过空管航迹数据的采集及预处理手段完成数据准备。基于机器学习算法和分布式计算处理方式，基于改进的K均值聚类算法实现空管航迹数据的挖掘分析，为展开航班运行效能分析、航班轨迹预测的研究提供了理论与实践基础。
附图说明
图1是本发明所述的多小区MIMO-NOMA系统模型示意图；
图2是本发明所述的上行MIMO-NOMA波束成形方法框架示意图；
图3是本发明所述的上行MIMO-NOMA系统总速率随迭代次数示意图；
图4是本发明所述的上行MIMO-NOMA波束成形方法与其他方法对比示意图；
图5是本发明所述的上行MIMO-NOMA系统各小区总速率随用户最大发射功率变化的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护权限不限于下述的实施例。基于本发明的任何实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
本发明是一种基于多维拉格朗日对偶转换和多维二次转换的上行MIMO-NOMA无线通信系统的波束成形方法；如图1所示，该MIMO-NOMA无线通信系统中有三个小区，每个小区内有一个基站同时服务于多个用户，各基站和用户都是同时采用多天线收发信号且每个小区内各用户的最大发射功率为Pmax。
本实施例通过以下步骤实现：
步骤一：基站根据接收到的所有用户信息，初始化该小区内各用户的波束成形向量，应用多维拉格朗日对偶转换和多维二次转换得到拉格朗日辅助因子以及二次转换辅助向量的表达式。
每个用户的初始化波束成形向量为Bj,k且满足其中表示第j基站服务的第k用户的波束成形向量，Pmax表各小区内每个用户的最大发射功率。
首先进行多维拉格朗日对偶转换，引入拉格朗日对偶转换因子，得到其用于更新的表达式表示如下：
其中，I代表Nr×Nr维的对角阵，Nr代表基站接受天线的个数，是Bj,k的共轭转置，是Bj,m的共轭转置，分别表示由基站j服务的第k用户和第m用户的波束成形向量；是Bi,k的共轭转置表示由基站i服务的第k用户的波束成形向量。是hj,k的共轭转置，是hj,m的共轭转置分别表示由基站j服务的第k用户和第m用户的信道信息；是hi,k的共轭转置表示由基站i服务的第k用户的信道信息，K表示每个小区的用户数。
其次应用多维二次转换，根据初始波束成形向量、拉格朗日对偶转换因子，得到其用以更新的表达式表示如下：
步骤二：基站应用拉格朗日乘子法，得到波束成形向量的表达式；
对于转换后的波束成形向量求解问题，可以用朗格朗日乘子法进行求解；引入拉格朗日乘子后可以得到波束程序向量的闭式解，表示为：
其中I代表Nt×Nt维的对角阵，Nt代表用户端发射天线的个数，ηj,k为基站j服务的第k用户的拉格朗日乘子，用来约束基站j服务的第k用户的波束成形向量。
步骤三：基站以最大系统总速率为目标，应用迭代运算得到每个用户的最优的波束成形向量，并把波束向量发送给用户。
本发明在两步转换过程中分别引入了拉格朗日转换因子和二次转换辅助向量，进而得到波束成形向量的闭式解，最后用迭代运算的方法得到最优的波束成形向量，在每次迭代运算中各个辅助变量都要满足收敛的条件，具体的迭代步骤包括：
(1)、初始化波束成形向量和拉格朗日辅助变量的值；
(2)、根据二次转换辅助向量Yj,k的表达式，更新Yj,k的值；
(3)、根据拉格朗日转换辅助因子γj,k的表达式，更新γj,k的值；
(4)、根据波束成形向量Bj,k的表达式，更新Bj,k的值；
(5)、重复上述步骤，直到每个用户都获得满足功率约束条件的波束成形向量；
其中，步骤四中的(4)波束成形向量的约束变量ηj,k是用二分法获得的，以保证每个用户的发射功率不超过最大发射功率，即Pmax为每个用户的最大发射功率。
本实施例考虑多小区的场景，对各小区所有用户进行联合功率优化，本实施例仿真场景的主要参数如表1所示。
表1仿真场景主要参数
基站覆盖范围 1km
小区数J 3
每个小区用户数K 2
基站接受天线数N<sub>r</sub> 3
移动台发射天线数N<sub>t</sub> 3
噪声功率密度 -176dBm
平均路径损耗 114+38log<sub>10</sub>(d)
阴影衰落标准差 8dB
信道带宽 10MHz
本实施例考虑多个小区的场景，小区内各用户均匀分步在小区覆盖范围内，各小区用户的信道信息如表一所示。
图3是本发明所述的多小区MIMO-NOMA系统速率随迭代次数示意；该图仿真了用户端的最大发射功率为1w、1.5w、2w情况下系统总速率与迭代次数的变化示意图。随着发射功率变大，系统总速率也显著提高；由图可以看出本发明所提出的波束成形方法在经过十次迭代运算就能收敛即获得最优的波束成形向量。
图4是本发明所述的多小区MIMO-NOMA系统波束成形方法与其他方法对比示意图；该图从上往下分别是本发明提出来的波束成形方法、简化的波束成形方法、正交多址接入方法。其中简化的波束成形是指用户的波束成形向量为全1的向量，即只对用户的功率进行分配，不涉及用户天线之间的功率分配；由图可以看出应用本发明的波束成形系统性能远远高于应用简化波束成形方法和正交接入方法的系统性能。
图5是本发明所述的多小区MIMO-NOMA系统各小区总速率与最大发射功率的示意图；本发明实施时以三个小区进行验证。该图分别显示了各个小区的总速率与发射功率的变化，随着发射功率变高，每个小区的系统速率都有所提高，但是提高的程度却不尽相同；出现该现象的原因是，在设计波束成形向量时考虑了小区间干扰，一个小区内用户波束成形向量的设计同时影响其他小区用户的波束成形向量，而本方法是对各小区用户的波束成形向量联合设计优化的，应用该方法可以使系统的总速率提高，但不能保证每个小区用户速率同时提高。
本发明在多小区多天线上行中首先使用多维拉格朗日转换和多维二次转换方法把非凸问题转换成凸优化问题；另外本发明能够在转换后得到波束成形向量的闭式表达式，使其满足用户最大发射功率要求；本发明还应用迭代运算，保证在每次更新变量时都使用全局最优值更新，在考虑多小区间干扰对波束成形向量联合优化，并在保证最大化系统总速率的前提下得到每个用户的最优的波束成形向量。

Claims (6)

1.一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成形方法，该方法适用于多小区多用户MIMO-NOMA无线通信系统上行波束成形，其特征在于，其操作方法包括以下步骤：
步骤一：基站根据接收到的所有用户信息，针对最大化系统总速率问题应用拉格朗日对偶转换和二次转换得到拉格朗日辅助因子以及二次转换辅助向量的表达式；
步骤二：基站应用拉格朗日乘子法，得到波束成形向量的表达式；
步骤三：基站以最大系统总速率为目标，应用迭代运算得到每个用户的最优的波束成形向量，并把波束向量发送给用户。
2.根据权利要求1所述的一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成形方法，其特征在于，步骤一中求解各辅助变量时系统中存在的小区间干扰和小区内干扰，且信道建模时应该同时包括大尺度衰落和瑞利衰落。
3.根据权利要求1所述的一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成形方法，其特征在于，系统一共存在J个基站且j表示第j个基站，每个基站中的总用户个数为K个且k表示第k个用户，步骤一中基站j服务的第k个用户的波束成形向量为Bj,k，且满足其中Pmax为各个用户的最大发射功率。
4.根据权利要求1所述的一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成形方法，其特征在于，步骤一中使用多维拉格朗日对偶转换和二次转换相结合的方法，得到的两个辅助因子的表达式，进一步包括：
首先进行多维拉格朗日对偶转换，引入拉格朗日对偶转换因子，得到其用于更新的表达式表示如下：
其次应用多维二次转换，根据初始波束成形向量、拉格朗日对偶转换因子，得到其用以更新的表达式表示如下：
5.根据权利要求1所述的一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成形方法，其特征在于，步骤二中波束成形向量的表达式如下：
6.根据权利要求1所述的一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成形方法，其特征在于，步骤三中的迭代运算具体包括：
(1)、初始化波束成形向量和拉格朗日辅助变量的值；
(2)、根据二次转换辅助向量Yj,k的表达式，更新Yj,k的值；
(3)、根据拉格朗日转换辅助因子γj,k的表达式，更新γj,k的值；
(4)、根据波束成形向量Bj,k的表达式，更新Bj,k的值；
(5)、重复上述步骤，直到每个用户都获得满足功率约束条件的波束成形向量；
其中，步骤四中的(4)波束成形向量的约束变量ηj,k是用二分法获得的，以保证每个用户的发射功率不超过最大发射功率，即Pmax为每个用户的最大发射功率。
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