多小区时分复用无线系统波束成型方法
【专利摘要】本发明公开了一种多小区时分复用无线系统波束成型方法，其包括以下步骤：对时分复用系统下的信道误差进行分析建模，构建估计误差和延时误差同时存在的综合信道误差模型；基于此误差模型，选取平均均方误差性能指标作为优化目标；构建基于博弈论的框架，小区间不做任何的信息交互而进行本地的优化；把以上思想结合起来，构造具有鲁棒性和完全分布式的以最小化平均均方误差为目标波束成型算法；所述的时分复用系统下的信道误差模型具体为：由非理想上行探测信号引起的估计误差和由于信道估计和算法计算产生的延时误差。本发明能够抑制多小区多用户通信系统中的小区间干扰，同时有效抑制实际时分复用无线系统内的信道状态信息误差对性能的影响。
【专利说明】多小区时分复用无线系统波束成型方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种成型方法，特别是涉及一种多小区时分复用(TDD，TimeDuplicated Division,时分复用)无线系统波束成型方法。
【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ΙΤΠΜΤ — 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。多小区协作是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(OFDMA)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]对于多天线无线系统而言，传统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。所以需要采用信息交互开销和计算开销比较少的分布式的案，每个基站通过交互得至蜞它小区信息，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。分布式框架下算法迭代的收敛性与收敛速度也是需要考虑的问题。
[0005]此外传统的波束成型算法大多假设系统进行理想的CSI (Channel StateInformation，信道状态信息)估计，即估计到的CSI与实际CSI相比不存在任何误差。而在实际的TDD系统中存在着的估计误差和延时误差，传统的算法在实际系统中会有严重的性能下降。所以如何克服CSI误差对算法性能的影响也是需要考虑的一个因素。
[0006]现有技术中公开了G.Scutari, S.Barbarossa, and D.P.Palomar 的研究成果“TheMIMO Iterative Water-filling Algorithm (ΜΙΜΟ 系统中的迭代注水算法)”，in IEEETrans.Signal Process., vol.57, n0.5, pp.1917-1935，MAY2009,提出 了一种基于博弈论思想的波束成型算法，各个基站把用户收到的小区间干扰当作有色的加性噪声，小区间不传递任何CSI和其他信令。每个小区在求解优化问题时采用著名的注水算法，作者把注水算子当作矩阵投影来理解，推导了算法能够收敛的充分性条件。
[0007]D.H.N.Nguyen and Τ.Le-Ngoc 的文献“Multiuser Downlink Beamforming inMult1-cell Wireless Systems:A Game Theoretical Approach (多小区多用户无线系统中下行波束成型算法:一种基于博弈轮的解决方案)”，in IEEE Trans.Signal Process.,vol.59, n0.7, pp.3326-3338，July2011，它采用了与上面研究成果相同的思想，实现了不需要信息交互的博弈论框架。基于文献的分析，系统在这种框架下没有达到帕累托最优，所以算法性能还有提高的空间。为了提高算法的性能，文献还提出了一种干扰惩罚的机制(Interference Pricing),把算法性能提升到靠近系统最优解的水平。文献同样分析了算法的收敛条件。
[0008]考虑CSI误差对系统的影响，B.Dai, ff.Xu, and C.Zhao的研究成果“Optimal MMSEbeamforming for multiuser downlink with delayed CSI feedback using codebooks(带有延迟的码本CSI反馈的多小区通信系统中的最优MMSE下行波束成型算法)”in Proc.1EEEGlobecom, Houston, USA, Dec.2011，考虑了延时误差和反馈量化误差同时存在的信道，对非理想信道进行了建模。基于非理想信道模型，文献设计了单小区下的鲁棒性波束成型问题，并且得到了鲁棒性问题的最优解。通过仿真，文献证明了提出的算法与传统波束成型算法相比能够有效的克服两种误差带来的性能损失。
[0009]基于以上系统需求和已有成果的分析，设计既能够有效抑制TDD系统信道误差，又能够实现不需要信息交互的分布式框架，同时还能够适应TDD系统的通信特点的波束成型算法，从实用性上来考虑，具有重要意义。
【发明内容】
[0010]本发明所要解决的技术问题是提供一种多小区时分复用无线系统波束成型方法，其减小系统开销以及抑制CSI误差,每个小区以整个小区的AMSE (Average Mean SquareEiror，平均均方误差)为优化目标，以本小区的发送功率为约束条件。基于博弈论的思想，每个小区把小区间干扰当作背景噪声来处理，这样小区间不需要进行数据交换，可以以分布式方式实现整个系统的发送波束设计，具备较高的可实现性。并且算法能够收以一定的概率收敛，系统能够在保证每个基站以最大功率进行信号发送并且无信息交互的前提下，每个小区用户AMSE的和最小，系统的容量达到最大。
[0011]本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:一种多小区时分复用无线系统波束成型方法，其特征在于，其包括以下步骤:对时分复用系统下的信道误差进行了分析建模，构建了估计误差和延时误差同时存在的综合信道误差模型；基于此误差模型，选取了平均均方误差性能指标作为优化目标；构建了基于博弈论的框架，小区间不做任何的信息交互而进行本地的优化；把以上思想结合起来，构造了具有鲁棒性和完全分布式的以最小化平均均方误差为目标波束成型算法；所述的时分复用系统下的信道误差模型具体为:由非理想上行探测信号引起的估计误差和由于信道估计和算法计算产生的延时误差；所述的基于博弈论的框架具体为:用户在接受到信号时只识别有用信号和小区内干扰，把小区间干扰当作背景噪声；通过干扰估计得到小区间干扰与噪声的功率和，结合本小区的信道状态信息构建本地优化问题并求解。
[0012]优选地，所述时分复用系统下的信道误差包括估计误差和延时误差，由于信道具有互异性，基站通过用户进行上行探测信号可以得到下行的信道；由于探测信号序列有限，基于最小均方误差的信道状态信息估计会产生估计误差；另外，由于下行传输与上行探测信号之间存在延迟，时分复用系统也会出现延时误差；结合两种误差，给出符合时分复用系统特征的综合误差模型
【权利要求】
1.一种多小区时分复用无线系统波束成型方法，其特征在于，其包括以下步骤:对时分复用系统下的信道误差进行了分析建模，构建了估计误差和延时误差同时存在的综合信道误差模型；基于此误差模型，选取了平均均方误差性能指标作为优化目标；构建了基于博弈论的框架，小区间不做任何的信息交互而进行本地的优化；把以上思想结合起来，构造了具有鲁棒性和完全分布式的以最小化平均均方误差为目标波束成型算法；所述的时分复用系统下的信道误差模型具体为:由非理想上行探测信号引起的估计误差和由于信道估计和算法计算产生的延时误差；所述的基于博弈论的框架具体为:用户在接受到信号时只识别有用信号和小区内干扰，把小区间干扰当作背景噪声；通过干扰估计得到小区间干扰与噪声的功率和，结合本小区的信道状态信息构建本地优化问题并求解。
2.如权利要求1所述的多小区时分复用无线系统波束成型方法，其特征在于，所述时分复用系统下的信道误差包括估计误差和延时误差，由于信道具有互异性，基站通过用户进行上行探测信号可以得到下行的信道；由于探测信号序列有限，基于最小均方误差的信道状态信息估计会产生估计误差；另外，由于下行传输与上行探测信号之间存在延迟，时分复用系统也会出现延时误差；结合两种误差，给出符合时分复用系统特征的综合误差模型h
3.如权利要求2所述的多小区时分复用无线系统波束成型方法，其特征在于，所述平均均方误差性能指标为用户接受到的信号与期望信号之间误差的均方值，具体形式为:
4.如权利要求1所述的多小区时分复用无线系统波束成型方法，其特征在于，所述小区间干扰与噪声的功率和的形式为
5.如权利要求1所述的多小区时分复用无线系统波束成型方法，其特征在于，所述基于博弈论的框架具体为 G=(Λ，(BJqe Λ, {tq(Uq, U_q)}qe Λ) ；BS 的集合 A = {1，2，...，Q}表示博弈的参与者；由BS-q的发送功率约束定义的BS-q的发送策略的可行域
6.如权利要求1所述的多小区时分复用无线系统波束成型方法，其特征在于，所述平均均方误差性能指标为优化目标，设计本地优化问题，设计的优化问题具体为:
7.如权利要求6所述的多小区时分复用无线系统波束成型方法，其特征在于，所述系统的平衡点等价于博弈论框架的纳什均衡，它表示各个参与者同时采取问题的最优解，任何一个参与者单方面调整策略只会让自身的收益恶化；具体表示为如果存在一个策略集合
8.如权利要求6所述的多小区时分复用无线系统波束成型方法，其特征在于，所述本地优化问题用著名的Lagrange函数法配合等价代换求解得到本地优化问题的闭式解，闭式解为 K=仏,其中
9.如权利要求1所述的多小区时分复用无线系统波束成型方法，其特征在于，所述目标波束成型算法按照以下规则进行: 步骤一，各个基站初始化，为各自的预编码矩阵设定初始值；设定迭代停止条件； 步骤二，基站按顺序进行如下操作:进行信道状态信息估计，测定用户和系统的信道状态信息误差参数σ2，A91 ‘和Ts，构建所述的信道误差综合模型；测定用户受到的小区间干扰并假设其为背景噪声，设计本小区的优化问题并求解其闭式解，更新自己的波束成型矩阵；步骤三，判定是否满足迭代停止条件；如满足，停止迭代，输出结果，如不满足，则返回步骤二。
【文档编号】H04W24/02GK103595453SQ201310526283
【公开日】2014年2月19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