一種基于3d-mimo系統(tǒng)帶噪信道系數(shù)的角度域稀疏波束成形算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于3D-MIM0空間信道信息在角度域的 稀疏特性，針對帶噪信道在角度域上進(jìn)行3D波束成形優(yōu)化設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多輸入多輸出（Multiple-I噸utMultiple-〇u1:put,MIM0)是現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡(luò)中 一項重要的技術(shù)，尤其是在多用戶MIM0系統(tǒng)中，基站通過波束成形技術(shù)能夠在同一頻譜資 源上同時服務(wù)多個用戶，從而提高系統(tǒng)吞吐量。多用戶MIM0系統(tǒng)中存在的關(guān)鍵問題是用戶 間干擾，通常在基站端通過波束成形預(yù)編碼來完全消除或按某種準(zhǔn)則減小用戶間干擾。比 較經(jīng)典的預(yù)編碼方法包括迫零狂巧W，塊對角化炬D)w，最大信漏噪比（SLNR)?等算法。 其中，一種優(yōu)化波束成形方法能夠在滿足各個用戶服務(wù)質(zhì)量的要求下，最小化基站的 發(fā)射能量。
[0003] 上述的波束成形預(yù)編碼設(shè)計常常假設(shè)發(fā)射端已知完美的信道狀態(tài)信息（CSI)。但 在實際無線通信系統(tǒng)中，由于各種原因（例如估計誤差、量化誤差、較短的信道相關(guān)時間 等），信號發(fā)射端得到的信道狀態(tài)信息往往存在一定誤差噪聲。信道狀態(tài)信息的不準(zhǔn)確會導(dǎo) 致上述波束成形預(yù)編碼算法性能的嚴(yán)重?fù)p失。因此，目前有很多文章就基于帶噪信道 的魯椿波束成形算法進(jìn)行了研究。該些研究的主要思想是將各種魯椿優(yōu)化理論bHiU的結(jié) 果應(yīng)用到波束成形設(shè)計中來。然而該些方法往往會將魯椿的波束成形設(shè)計問題轉(zhuǎn)換成一種 半無限（有限的約束變量，無限的約束條件）的優(yōu)化問題，帶來較高的求解計算復(fù)雜度。
[0004] 近年來，3D-MIM0概念越來越受到主流通信系統(tǒng)的重視。3D-MIM0系統(tǒng)充分考慮信 號在S維空間的傳播特性，相對于傳統(tǒng)2D-MIM0系統(tǒng)引入垂直維度空間自由度，大大提高 多用戶的空間區(qū)分度。由于3D-MIM0系統(tǒng)在基站端采用2D天線陣列（均勻面陣、圓陣、L形 陣等），能夠同時在水平和垂直維度上區(qū)分空間信號的傳播方向，3D-MIM0信道系數(shù)在角度 域上往往存在較強的稀疏特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的目的在于提供一種求解計算復(fù)雜度較低的，基于3D-MIM0系統(tǒng)帶噪信道 系數(shù)的角度域稀疏波束成形算法。
[0006] 本發(fā)明提出的基于3D-MIM0系統(tǒng)帶噪信道系數(shù)的角度域稀疏波束成形算法，具體 步驟為：針對單小區(qū)MU-MIM0下行信道系統(tǒng)，將3D波束成形問題建模為最小化基站發(fā)射功 率的優(yōu)化模型（該種優(yōu)化方法對于理想信道狀態(tài)信息的依賴非常強）；然后將原問題通過 角度域變換轉(zhuǎn)換為角度域上的等價優(yōu)化問題；再利用3D-MIM0信道的角度域稀疏特性，在 波束成形優(yōu)化問題中添加角度域預(yù)編碼的li范數(shù)懲罰項，使得到的角度域預(yù)編碼滿足一定 的稀疏性，更加逼近真實的最優(yōu)角度域預(yù)編碼的解，從而使系統(tǒng)性能得到提升；最后，把該 優(yōu)化問題通過變量替換轉(zhuǎn)換為二階錐規(guī)劃問題，再用凸優(yōu)化工具求解。
[0007] 該方法的運算復(fù)雜度相較于傳統(tǒng)的半無限優(yōu)化問題大幅降低。同時，仿真結(jié)果表 明本發(fā)明的方法在較大信道噪聲誤差場景下的系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于非魯椿波束成形算法。
[0008] 本發(fā)明方法進(jìn)一步具體描述如下：
[0009] 1、系統(tǒng)模型
[0010] 本發(fā)明考慮由一個基站和K個用戶構(gòu)成的單小區(qū)MU-MIM0下行通信系統(tǒng)?；倦x 地面高度為hes，裝備有面陣天線（其水平天線陣元數(shù)目為Nh，陣元間距為屯;垂直天線陣元 數(shù)目為Ny，陣元間距為cU。用戶離基站的最小水平距離為Rmi。，小區(qū)半徑為Rm"，用戶均勻 分布在小區(qū)范圍內(nèi)。假設(shè)每個用戶的高度均為hue,并且只配備有單根天線。整個系統(tǒng)模型 如圖1所示，其中Nv= 4，Nh=8。
[0011] 1.U3D-MIM0 信道模型
[0012] 本發(fā)明考慮一種簡化的3D-MIM0信道模型，對于圖1所描述的3D-MIM0下行通信 系統(tǒng)，由于基站采用了面陣天線，在建立信道模型時需要考慮信號傳播路徑的俯仰角和方 位角，如圖2所示。其中，0G[0, 31/2]表示俯仰角，4G[0, 31]表示方位角。
[0013] 考慮對于第k個用戶的下行信道。假設(shè)共有L條傳播路徑，第1條徑的水平和垂 直離開角（AngleofD巧arture，AoD)分別為6^/.和定義垂直維度和水平維度的角度 投影分別為
【主權(quán)項】
1. 一種基于3D-MIM0系統(tǒng)帶噪信道系數(shù)的角度域稀疏波束成形算法，其特征在于具體 步驟為： 針對單小區(qū)MU-MMO下行信道系統(tǒng)，將3D波束成形問題建模為最小化基站發(fā)射功率的 優(yōu)化模型； 然后將原問題通過角度域變換轉(zhuǎn)換為角度域上的等價優(yōu)化問題； 再利用3D-MM0信道的角度域稀疏特性，在波束成形優(yōu)化問題中添加角度域預(yù)編碼的 I1范數(shù)懲罰項，使得到的角度域預(yù)編碼滿足一定的稀疏性，更加逼近真實的最優(yōu)角度域預(yù) 編碼的解； 最后，把該優(yōu)化問題通過變量替換轉(zhuǎn)換為二階錐規(guī)劃問題，再用凸優(yōu)化工具求解。
2. 根據(jù)權(quán)利要求所述的角度域稀疏波束成形算法，其特征在于所述將3D波束成形問 題建模為最小化基站發(fā)射功率的優(yōu)化模型，具體過程為： 考慮由一個基站和^個用戶構(gòu)成的單小區(qū)MU-MMO下行通信系統(tǒng)，基站離地面高度為 ^js，裝備有面陣天線，其水平天線陣元數(shù)目為，陣元間距為垂直天線陣元數(shù)目為JVv ，陣元間距為;用戶離基站的最小水平距離為，小區(qū)半徑為J^air用戶均勻分布在小 區(qū)范圍內(nèi)；假設(shè)每個用戶的高度均為，并且只配備有單根天線； 考慮對于第I：個用戶的下行信道，假設(shè)共有￡條傳播路徑，第I條徑的水平和垂直離開 角分別為和定義垂直維度和水平維度的角度投影分別為Ω W = ^c〇s(^) λ 其中和分別為面陣天線陣列的垂直和水 平陣元間距，j為載波波長Je[0,;rl2]表示俯仰角，爹€[0,露]表示方位角；于是用戶龕的 信道系數(shù)表示為： ￡-1 η* = + Σβ^Μ!)%^? ^ I=I (I) 其中，和分別為視距路徑和非視距路徑的路徑損耗因子，與基站到用戶 的距離4有關(guān)名和分別為均勻面陣天線陣列的垂直和水平導(dǎo)向矢量，其表達(dá) 式如下： (2)
在考慮的3D-MM0場景中，假設(shè)主要的傳播路徑是直視路徑（LOS)，即^) >> ,%，其中 I >1;于是信道系數(shù)寫為： 進(jìn)一步將信道系數(shù)改寫成向量形式，表達(dá)式如下： 其中，Wi (4)表示由矩陣▲中的各個列向量依次拼接而成的向量，@代表克羅內(nèi)特積 運算符號；對于下行傳輸場景，所有用戶同時接收到基站發(fā)出的信號，用戶I接收到的信號 為： [ 少免=+ h^w+ IJt (5) 3. I fi ^ ^ 其中，Wjfc e CAVV<1為用戶it的波束成形預(yù)編碼向量，JTi.是用戶i的發(fā)送信號，滿足 Ε[χ;+Xf】=1，％為噪聲并假設(shè)其服從復(fù)高斯分布CAi (Ο,%2)，于是，用戶接收信號 的信干噪比（SINR)表示為： ) } -X1I W?.
用于表征波束成形預(yù)編碼性能的指標(biāo)是小區(qū)用戶和速率，即各個用戶的傳輸速率之 和，與各個用戶的SINR相關(guān)，其表達(dá)式如下： Rsum = tlQ&2(i +Simk) (7) 在保證每個用戶的信干噪比門限的前提下，建立最小化基站的總發(fā)射功率的波束成形 優(yōu)化模型，優(yōu)化問題如下： W
其中，I為用戶I的SINR門限。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的角度域稀疏波束成形算法，其特征在于所述將原問題通過角 度域變換轉(zhuǎn)換為角度域上的等價優(yōu)化問題，具體過程如下： 對信道系數(shù)進(jìn)行角度域變換，得到3D-MIM0角度域信道系數(shù)如下： H卜UfHA⑶ 其中，Hf € 表示角度域上的信道系數(shù)矩陣，? E cfirK^和 Λτ IM Uh € 0-￥αΧ|^分別為垂直和水平角度域變換矩陣，其表達(dá)式如下：
其中，ITv中的個波束向量之間相互正交，它們共同構(gòu)成了垂直角度空間上的一組正 交基；類似的，IJi中的%個波束向量之間相互正交，它們共同構(gòu)成了水平角度空間上的一 組正交基；下面給出向量形式的等價信道系數(shù)角度域變換： hj = UfIii，其中U = ?*Α ? Uv a" 于是通過變量代換得到優(yōu)化問題（8)在角度域上的等價表達(dá)形式： 1?, 2
其中，W^ = UfiW, 表示角度域的波束成形預(yù)編碼， 表示角度域的 信道系數(shù)向量；其中，角度域變換矩陣11為酉矩陣，具有保范性，優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)一步簡化為 ILiNl2
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的角度域稀疏波束成形算法，其特征在于所述利用3D-MM0信 道的角度域稀疏特性，在波束成形優(yōu)化問題中添加角度域預(yù)編碼的&范數(shù)懲罰項，使得到 的角度域預(yù)編碼滿足一定的稀疏性，具體過程如下： 采用確定邊界的加性噪聲來對帶噪信道進(jìn)行建模，更具體地，發(fā)射端得到的第蠢個用 戶的信道系數(shù)的估計值表示為： + tk <Sk (13) 其中，1ιλ為發(fā)射端到第t個用戶的真實信道系數(shù)，%為對應(yīng)的估計誤差，這里假設(shè)誤差 的能量滿足 IJejt I ^ 為給定的噪聲閾值； 通過角度域變換，得到角度域上的帶噪信道系數(shù)為： I" = UffIl = IiJ+ C^ (14) 其中，= U1Ga，表示角度域上的信道噪聲，由于酉矩陣u具有保范特性，所以 基于帶噪信道的角度域信道波束成形優(yōu)化問題表示為：
I 真實的角度域信道是稀疏的，即3D-MM0信道系數(shù)能量在角度域上只集中在有限的幾 個波束方向上，因此，基于真實的角度域信道系數(shù)求解出的角度域預(yù)編碼IfZ也具有一定 的稀疏性；于是利用其稀疏特性作為先驗，基于帶噪角度域信道系數(shù)的波束成形預(yù)編碼優(yōu) 化設(shè)計問題如下： i=lj^k
上述優(yōu)化問題是在傳統(tǒng)功率優(yōu)化目標(biāo)的基礎(chǔ)上增加了預(yù)編碼的I1范數(shù)懲罰項，從而 最終的角度域預(yù)編碼具有一定的稀疏性;j{為一個正的實數(shù)，用以調(diào)節(jié)Iff的稀疏性強弱。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的角度域稀疏波束成形算法，其特征在于所述把優(yōu)化問題通過 變量替換轉(zhuǎn)換為二階錐規(guī)劃問題，再用凸優(yōu)化工具求解，具體過程如下： 將優(yōu)化問題（16)轉(zhuǎn)換為如下的凸問題： ? . · ?
求解優(yōu)化問題（17)，得到的最優(yōu)解為(Iff)1*1，則原空間的優(yōu)化預(yù)編碼為： Wk = Owak as) 〇
【專利摘要】本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于3D-MIMO系統(tǒng)帶噪信道系數(shù)的角度域稀疏波束成形算法。本發(fā)明針對單小區(qū)MU-MIMO下行信道系統(tǒng)，將3D波束成形問題建模為最小化基站發(fā)射功率的優(yōu)化模型；然后將原問題通過角度域變換轉(zhuǎn)換為角度域上的等價優(yōu)化問題；再利用3D-MIMO信道的角度域稀疏特性，在波束成形優(yōu)化問題中添加角度域預(yù)編碼的 范數(shù)懲罰項，使得到的角度域預(yù)編碼滿足一定的稀疏性，更加逼近真實的最優(yōu)角度域預(yù)編碼的解，從而使系統(tǒng)性能得到提升；最后，把該優(yōu)化問題通過變量替換轉(zhuǎn)換為二階錐規(guī)劃問題，再用凸優(yōu)化工具求解。仿真結(jié)果表明本發(fā)明方法在較大信道噪聲誤差場景下的系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于非魯棒波束成形算法。
【IPC分類】H04B7-06
【公開號】CN104836604
【申請?zhí)枴緾N201510101034
【發(fā)明人】張仕宇, 馮輝, 楊濤, 胡波
【申請人】復(fù)旦大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年3月9日