專利名稱：一種多輸入多輸出多播波束賦形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多輸入多輸出(MIMO)寬帶無線和移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及單用 戶組MIMO多播下行鏈路的波束賦形方法，適用于諸如802. IlruTD-HSPA+及TD-LTE等新一 代寬帶無線和移動(dòng)通信系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)所采用的全向天線或固定波束天線傳輸模式不同，如何在MIMO多播業(yè)務(wù) 中有效設(shè)計(jì)波束賦形向量以改善無線頻譜資源利用率已經(jīng)引起業(yè)界廣泛關(guān)注。特別是設(shè)計(jì) 和尋找有效的MIMO多播傳輸策略以保證多播用戶的公平性一直以來是相關(guān)領(lǐng)域的主要研 究內(nèi)容。MIMO多播業(yè)務(wù)可以理解為在一配置M根發(fā)送天線的基站覆蓋范圍內(nèi)，至少存在一 個(gè)接收用戶組合，該基站向其中的所有用戶在同一時(shí)間內(nèi)提供同一數(shù)據(jù)流。從這個(gè)意義上 來說，對于MIMO多播業(yè)務(wù)，組內(nèi)用戶之間一般不存在相互干擾，只需考慮不同用戶組間干 擾。近年來，多用戶組MIMO多播技術(shù)和單一用戶組MIMO多播技術(shù)均已經(jīng)在許多文 獻(xiàn)中加以探討。其主要技術(shù)挑戰(zhàn)在于，對于發(fā)送功率受限的基站，如何優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)送端 波束賦形向量，才能夠最大化提升用戶組內(nèi)最差信噪比(SNR)所對應(yīng)用戶的SNR或信道 容量。該問題被業(yè)內(nèi)稱為最大化最小SNR發(fā)送端波束賦形問題?！秶H電氣與電子工程 師協(xié)會(huì)-信號處理匯刊》2006年刊載的《物理層多播波束賦形》(Transmitbeamforming for physical-layer multicasting. IEEE Transactions on Signal Processing, vol.54, pp. 2239-2251，June 2006)中指出，上述問題實(shí)質(zhì)上是一個(gè)非確定性多項(xiàng)式難題 (NP-hard)。求解該非凸優(yōu)化問題，目前廣泛采用近似處理方法，該方法源自劍橋大學(xué)出版 社 2004年出版文獻(xiàn)《凸優(yōu)化》(Convex Optimization. Cambridge University Press, 2004) 的半定松弛法(SDR)，即，松弛原非凸優(yōu)化問題的所有非凸約束條件，將原問題轉(zhuǎn)化為新的 凸優(yōu)化問題進(jìn)行求解。顯然，對于原問題來說，這一舉措必然導(dǎo)致新優(yōu)化問題的解實(shí)際上不 可及，往往成為原問題的性能上界。為了使新優(yōu)化問題的解滿足原非凸約束條件，通常還應(yīng) 結(jié)合隨機(jī)化技術(shù)以保證波束賦形協(xié)方差矩陣是秩1的。分析可知，現(xiàn)有的常規(guī)SDR隨機(jī)化方法獲取波束賦形向量存在一定的局限性和不 足之處。首先，該方法實(shí)質(zhì)上沿用內(nèi)點(diǎn)法，其算法效率和運(yùn)行速度較慢，從而難以在現(xiàn)有通 信系統(tǒng)或?qū)Ｓ糜布脚_上有效實(shí)現(xiàn)。其次，基于SDR隨機(jī)化方法所獲得的波束賦形向量在 許多場景中與最優(yōu)解性能差距較大，其設(shè)計(jì)性能仍有較大提升空間。為了有效改善上述現(xiàn) 狀，滿足新型寬帶無線和移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際需求，有必要設(shè)計(jì)獲取MIMO多播波束賦形向 量新方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種多輸入多輸出(MIMO)多播波束賦形方法，以改善現(xiàn)有 SDR隨機(jī)化方法在獲取波束賦形向量過程中所存在的運(yùn)算量較大、性能較差，無法有效應(yīng)用
3于實(shí)際通信系統(tǒng)的問題。本發(fā)明多輸入多輸出多播波束賦形方法，設(shè)中心基站端配置M根發(fā)送天線，其覆 蓋小區(qū)內(nèi)僅包含單一用戶組，組內(nèi)用戶數(shù)為K，且用戶k配置有Nk根接收天線，對應(yīng)的信道 矩陣Hit e￡，基站端信源信號X，發(fā)送功率P ；其特征在于依次包含以下步驟步驟一、初始設(shè)置迭代次數(shù)η及其最高迭代次數(shù)nmax，使得η e
，其初 始值設(shè)為Xmin ；初始設(shè)置波束賦形向量W(1，隨機(jī)產(chǎn)生并使其滿足約束式I |W(1| I = 1 ；步驟二、在第η次迭代過程中，首先針對組內(nèi)K個(gè)用戶，令用戶編號k = 1，L，K，依 次計(jì)算各用戶信噪比
權(quán)利要求
1. 一種多輸入多輸出多播波束賦形方法，設(shè)中心基站端配置M根發(fā)送天線，其覆蓋小 區(qū)內(nèi)僅包含單一用戶組，組內(nèi)用戶數(shù)為K，且用戶k配置有Nk根接收天線，對應(yīng)的信道矩陣 Hit e￡，基站端信源信號X，發(fā)送功率P ；其特征在于依次包含以下步驟步驟一、初始設(shè)置迭代次數(shù)η及其最高迭代次數(shù)，使得η e
，其初始值設(shè)為 0 ；初始設(shè)置迭代步長λ的上限值λ _和下限值Xmin，使得λ e [λω η, λΜχ]，其初始值設(shè) 為Xmin ；初始設(shè)置波束賦形向量W(1，隨機(jī)產(chǎn)生并使其滿足約束式I |W(1| I = 1 ；步驟二、在第η次迭代過程中，首先針對組內(nèi)K個(gè)用戶，令用戶編號k = 1，L，K，依次計(jì) 算各用戶信噪比wfHfHtW ，選擇其中最小值，記其對應(yīng)編號為第η次迭代用戶序號kn ；步驟三、與第η — 1次迭代用戶序號Iv1相比，判斷第η次迭代用戶序號kn是否發(fā)生改 變?nèi)舭l(fā)生改變，則令迭代步長λ = ；否則，依規(guī)則π η(2*λ，λ_)調(diào)整迭代步長λ ； 步驟四、選取第η次迭代用戶序號kn的用戶信道矩陣H、進(jìn)行奇異值分解，找出其 最大奇異值所對應(yīng)的最大右奇異向量vU乍為第η次迭代參考向量，并利用夾角計(jì)算公式v[ _W /|< _w |計(jì)算出第n次迭代參考向、與第η次迭代波束賦形向量Wn之間的夾角 ；步驟五、利用第η次迭代波束賦形向量Wn更新關(guān)系式(l-々w +/LeAvitn，獲得第η+1次 迭代波束賦形向量wn+1，利用歸一化關(guān)系式wn+1 =wn+1/| |wn+1|歸一化第n+1次迭代波束賦 形向量Wlrt ；步驟六、判斷迭代次數(shù)η是否已達(dá)最高迭代次數(shù)nmax 若η > nmax不成立，則將第n+1 次迭代波束賦形向量wn+1作為新波束賦形向量，將迭代次數(shù)η更新為n+1并重復(fù)上述步驟 2-6 ；若η > nfflax成立，則停止迭代過程；步驟七、將第nmax次波束賦形向量W J武予最佳波束賦形向量w。pt，然后依關(guān)系式 實(shí)現(xiàn)MIMO多播波束賦形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單用戶組MIMO多播波束賦形方法，特征是采用步長可調(diào)整的迭代搜索，在每一步迭代過程中利用SVD分解組內(nèi)最差信噪比用戶所對應(yīng)信道矩陣并獲取其最大右奇異向量，逐步將波束賦形向量向該向量方向逼近。相比于現(xiàn)有的SDR隨機(jī)化方法，該方法獲取的波束賦形向量可以有效提升信道容量，同時(shí)具有更低的運(yùn)算復(fù)雜度。而且，隨著基站端發(fā)送天線配置數(shù)目增大、組內(nèi)用戶數(shù)目提升，本發(fā)明方法可表現(xiàn)出更為顯著的性能優(yōu)勢，適合在802.11n、TD-HSPA+及TD-LTE等新一代MIMO寬帶無線和移動(dòng)通信系統(tǒng)中實(shí)施。
文檔編號H04B7/06GK102130709SQ20111009922
公開日2011年7月20日 申請日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者戴旭初, 杜柏生, 許小東 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)