多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法，其包括以下步骤：每个基站基于其他小区内部的信号干扰噪声比条件设计优化目标中的惩罚项，在最小化本基站发送功率的同时限制本小区的波束成形矩阵，使其在其他小区的信号干扰噪声比限制条件的内部；在解决每个基站的分布式问题时，基站仅把本小区内用户的信号干扰噪声比要求作为限制条件；同时，基站使用最优化中的内点法，将其他小区内用户的信号干扰噪声比要求转化成问题的目标函数内的一个惩罚项。本发明面对实际通信系统中对可用性的需求，能够以分布式方式实现整个系统的发送波束设计。
【专利说明】多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种波束成形实现方法，特别是涉及一种多个小区无线多入单出 (MISO, Multi-Input Single-Output)系统的波束成形实现方法。
【背景技术】
[0002] 以LTE (Long Term Evolution,长期演进）为代表的3G演进型系统实现了移动通 信在3G之后的一次阶段性变革。为了进一步满足ITU MT- Advanced的要求，同时也作为 LTE技术的演进，3GPP通过了 LTE-Advanced(LTE-A)作为4G标准的一个提案。多小区ΜΜ0 是LTE-A关键技术之一。同时，为满足系统高速率及高频谱利用率要求，LTE-A下行采用正 交频分多址（0FDMA)的接入方式。这样在两小区的结合边缘处，信道频率可能相同，因而在 小区边缘处的用户对邻小区将会产生很强的干扰。这导致的结果就是如果需要保证用户的 通信量，整个小区发送功率会严重上升；如果需要保证较低的发送功率，小区的吞吐量会大 幅下降。因此小区间干扰抑制是LTE-A系统研究的关键课题之一。
[0003] 当前多小区干扰抑制的一个热点就是调整天线的分配波束成形，它的设计目的在 于调整天线的分配，即确定每个用户在每个子载波上传输的时候应该怎样配置发射天线以 及基站应该怎样配置接收天线，使发送波束在最大限度上与接收天线相正交。波束成形技 术就是多个基站合作来降低小区间干扰
[0004] 现有技术中公开了 Chan-Byoung Chae，Mazzarese D.，Inoue T. and Heath R. W 的文 献"Coordinated beamforming for the multiuser ΜΙΜΟ broadcast channel with limited feed forward (多小区ΜΙΜ0广播信道中的有限反馈联合波束成形）" in IEEE Trans, on Signal Processing，vol. 56, no. 12, pp: 6044 - 6056, Dec. 2008,提出了一种协调波束成形算 法（CBF)，需要用户反馈限制使用或者推荐使用的预编码矩阵标识（PMI :Precoding Matrix Indicator)信息给基站，邻近小区不得使用强干扰PMI。用户反馈推荐使用PMI的情况下， 用户反馈给其服务小区的是邻近小区对其造成最小干扰的PMI子集，邻近的小区使用这个 子集中的PMI来使干扰最小化。
[0005] Hayssam Dahrouj and Wei Yu 的文献"Coordinated Beamforming for the Multi-cell Multi-Antenna Wireless System (多小区多天线无线通信系统中的联 合波束成形），'，in IEEE Transaction on Wireless Communications，vol. 9，No. 5， pp. 1748-1759MAY2010,它采用了虚拟对偶的方式，把下行波束成形问题转化成虚拟上行问 题，基于MMSE (Minimum Mean Square Error)准则得到虚拟上行的接收矢量，再返回下行计 算波束的功率分配问题，得到了系统整体最优解。算法并不是完全分布式的。
[0006] Antti Tolli, Harri Pennanen and Petri Komulainen 的文献"Decentralized Minimum Power Multi-Cell Beamforming with Limited Backhaul Signaling，'in IEEE Transaction on wireless Communications，vol. 10，N〇. 2，pp. 570-580FEB2011，米用对偶分 解的方法将总问题拆分成分布式的子问题，每个基站设置本基站对其他小区用户干扰之和 的上限值，叫做本小区的"干扰容限"。每个小区基站根据本小区的干扰容限和通过信息交 换得到的其他小区的干扰容限计算计算自己的波束成形策略。
[0007] 对于多天线无线系统而言，一种方案把所有信息汇总到一个中央处理（CP)计算整 个系统的最优化问题，但由于X2接口的带宽和处理器的计算能力受限，这种方案比较难实 现。所以需要采用分布式的方案，每个基站通过交互得到其它小区信息，再根据本地的信 息，计算本小区的最优化问题，以迭代的方式得到系统的解。所以分布式框架具有较高可行 性。另外迭代的收敛性与收敛速度也是需要考虑的问题。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是提供一种多个小区无线多入单出系统的波束成形 实现方法，其面对实际通信系统中对可用性的需求，能够以分布式方式实现整个系统的发 送波束设计。并且最后算法能够收敛至全局最优解，系统能够在保证每个用户的服务质量 的前提下以所需的最小的功率消耗运行。
[0009] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种多个小区无线多入单出 系统的波束成形实现方法，其特征在于，所述多个小区无线多入单出系统的波束成形实现 方法包括以下步骤：每个基站基于其他小区内部的信号干扰噪声比条件设计优化目标中的 惩罚项，在最小化本基站发送功率的同时限制本小区的波束成形矩阵，使其在其他小区的 信号干扰噪声比限制条件的内部；在解决每个基站的分布式问题时，基站仅把本小区内用 户的信号干扰噪声比要求作为限制条件；同时，基站使用最优化中的内点法，将其他小区内 用户的信号干扰噪声比要求转化成问题的目标函数内的一个惩罚项；这样基站在最小化自 身发送功率的同时抑制了小区用户间的互相干扰，从而使系统以保证用户信号干扰噪声比 为前提使总功率保持在最低程度。
[0010] 优选地，所述多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法把系统整体的最优 化问题拆分成子最优化问题，分配给各个基站进行计算；整体的最优化问题拆分成的子问 题形式为：
[0011]
【权利要求】
1. 一种多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法，其特征在于，所述多个小区 无线多入单出系统的波束成形实现方法包括以下步骤：每个基站基于其他小区内部的信号 干扰噪声比条件设计优化目标中的惩罚项，在最小化本基站发送功率的同时限制本小区的 波束成形矩阵，使其在其他小区的信号干扰噪声比限制条件的内部；在解决每个基站的分 布式问题时，基站仅把本小区内用户的信号干扰噪声比要求作为限制条件；同时，基站使用 最优化中的内点法，将其他小区内用户的信号干扰噪声比要求转化成问题的目标函数内的 一个惩罚项；这样基站在最小化自身发送功率的同时抑制了小区用户间的互相干扰，从而 使系统以保证用户信号干扰噪声比为前提使总功率保持在最低程度。
2. 如权利要求1所述的多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法，其特征在 于，所述多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法把系统整体的最优化问题拆分成 子最优化问题，分配给各个基站进行计算；整体的最优化问题拆分成的子问题形式为：
3. 如权利要求2所述的多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法，其特征在 于，所述拆分后的子问题的KKT条件与整个系统的最优化问题的KKT条件是等价的关系。
4. 如权利要求3所述的多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法，其特征在 于，所述子最优化问题同时达到最优解时，整个系统达到全局最优解；写成最佳响应的形 式，如果对于所有基站q都有
那么
为整个系统的最优化问题的 最优解。
5. 如权利要求4所述的多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法，其特 征在于，所述子问题以分布式的方式实现，即基站仅根据本小区的信号干扰噪声比要 求，再加上基站间必要的有限的信息交换，就可以就计算本小区的最佳波束成形矩阵， 为了实现分布式的计算方式，基站需要去掉最优化问题中的其他小区的SINR条件：
只保留最优化问题中的本地条件
但是为了保证基站之间不互相干扰，基站的子问题的解仍需要被限制在上面未知的信号干 扰噪声比条件之内。
6. 如权利要求5所述的多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法，其特征在 于，所述多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法为了限制问题的解在未知信号干 扰噪声比条件内，基站使用内点法转化未知条件为惩罚项，具体是指一个基站对上述未知 条件设置障碍函数来把这个最优化问题的解强制限制在条件内部；设置障碍函数之后转化 称为最优化问题为（以基站BS-q为例）：
其中s为一个很小的正数；为障碍函数，当U,趋向未知条件的边界 时，适当设计的障碍函数可以趋近于正无穷；在未知条件内部，由于s很小，目标函数
这样U,的取值被限制在未知条件内部；因此我们可以通过求解 这个最优化问题来得到原来具有未知条件的最优化的近似解；在这里障碍函数设计为
可以作为目标函数中的信号干扰噪声比惩罚项。
7. 如权利要求6所述的多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法，其特征在 于，所述一个基站的惩罚项VbUi)需要根据其他基站交换过来的信息进行构建；由于惩 罚项的结构的复杂性，有限的信息交换不能够精确地构建惩罚项；为了实现系统的可实现 性，可以构建惩罚项的近似。
8. 如权利要求7所述的多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法，其特征在 于，所述一个基站的惩罚项可以使用二阶Taylor近似进行结构简单化，使基站的问题以分 布式的形式构建，具体为
这 样近似之后的最优化问题为：
其中W代表上一时刻各个基站代表上一时刻各个基站的预编码矩阵的集合，其中W,为 基站q上一时刻的预编码矩阵；τ e (〇，1)为泰勒近似的因子，适当的τ值可以保证二 阶Taylor近似对惩罚项描述的准确性，同时也是预编码矩阵更新的步长；这样通过二阶 Taylor近似，在BS-q处未知惩罚项转化成了中的强凸的结构，保证对所有基站q都有唯一 的最优解。
9. 如权利要求8所述的多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法，其特征在 于，所述二阶Taylor近似中nq的具体形式计算为：
所以它可以由本地信息和有限的信息交互来构建，其中包含的信息W,是基站q计算 前的波束成型矩阵，在时分复用系统中
可以根据上行Sounding信号以分布式的方式取 得，不需要小区间的信息交互；所以基站q只需要接收其他小区传输的信息A就进行计算，
的数量是有限的。
10. 如权利要求1所述的多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法，其特征在 于，所述多个小区无线多入单出系统的波束成形实现方法采用基于动态惩罚机制的分布式 迭代算法，基于动态惩罚机制的分布式迭代算法按照如下规则进行： 步骤一，各个基站进行初始化，为各自的预编码矩阵设定初始值。 步骤二，基站根据自己的标号按顺序根据更新各自的据编码矩阵。每个基站更新过预 编码矩阵之后，所有基站的惩罚参数矩阵nq根据新的预编码矩阵进行更新。
【文档编号】H04B7/06GK104052533SQ201310526255
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年10月29日 优先权日:2013年10月29日
【发明者】徐岩松, 何晨, 蒋铃鸽 申请人:上海交通大学