一种基于水平和垂直联合优化的3d波束成形方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基于水平和垂直预编码联合优化，利用 三维空间信道信息在基站端进行3D波束成形，从而提高下行系统传输速率的方法。
【背景技术】
[0002] 多用户MM0预编码方法使得我们能够在同一频谱资源上同时服务多个用户。下 行多用户传输通常建模为一个MM0广播信道模型，基站端采用多根天线同时服务多个用 户。为了减小用户间的干扰，通常在基站端对发给各个用户的信号进行联合预编码处理。 比较经典的预编码方法包括迫零（ZF) [1]，块对角化（BD)[2]，最大信漏噪比（SLNR)[3]等算法。 其中，一种基于凸优化的预编码方法[4M6]能够在满足各个用户服务质量的要求下，最小化 基站的发射能量。
[0003] 在传统的蜂窝移动网系统中，基站往往采用的是无源天线，只能选取固定的下倾 角然后根据水平维度的信道信息来调整水平维度的波束方向。然而实际的信号传播信道是 具有三维空间特性的，这就使得2D的MM0预编码技术并不是最优的。如果能够在三维空 间上进行发射波束设计，必然能够带来更强的干扰控制能力，实现系统性能的提升。尤其是 对于类似现代市区环境这样的应用场景，用户在三维空间上分布得很分散，具有可区分的 俯仰角时，在水平维度和垂直维度上联合进行波束成形设计将能够更加充分地利用三维空 间自由度，减小用户间干扰，提升小区和速率。
[0004] 于是，3D-MM0的概念越来越受到主流通信系统的重视。而3D-MM0能够得以实 现的一个核心技术是有源天线系统（Active Antenna System, AAS)。有源天线将射频链路 (功率放大器、收发机）与天线阵元集成在一起。通过这种设计使得每个天线阵元信号的幅 度、相位和时延都能够进行独立的控制 [7]，从而使得更加灵活和智能的波束成形设计成为 可能。而在基站端采用2D (如：面阵、L形阵）或3D (如：球形阵）天线阵列的有源天线，便 能够在水平维度与垂直维度上同时动态调整发送波束方向，即能够进行3D波束成形设计。 文献[8]通过实地测试表明基于AAS的自适应垂直波束成形技术能够显著提升蜂窝移动 通信网络的性能。文献[9]研究了动态垂直波束在干扰避让中的应用策略。文献[10]提 出了多基站根据用户位置协作调整垂直下倾角的方案。文献[11]研究了单小区MU-MIM0 场景采用多个固定下倾角成形多个虚拟垂直小区的系统性能。文献[12]通过使用垂直预 编码码本的方法来进行下倾角的动态调节。文献[13]和[14]推导了 3D信道场景下用户 下倾角分布的概率密度函数，然后分别对单用户和多用户场景设计了统计最优的基站下倾 角。上述文献均表明有效利用垂直维度空间自由度能够带来显著的容量提升，然而它们仅 仅只是将垂直下倾角设计作为传统水平2D波束成形的一种补充，没有将垂直预编码与水 平预编码联合起来进行设计，因此，尚未发挥出3D波束成形技术的最大优势。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于水平和垂直联合优化 的3D波束成形方法。该方法收敛速度块，仿真结果表明采用该方法得到的小区和速率性能 (sum-rate)显著优于其他对比方案。
[0006] 本发明提供一种基于水平和垂直联合优化的3D波束成形方法，其在单小区 MU-MIM0下行广播信道场景下，利用三维空间信道信息，在采用有源天线面阵的基站端进行 3D波束成形时，建立满足用户最小信干噪比约束条件下的最小化基站发射能量的优化模 型，并将优化模型解耦为两个分别关于水平预编码和垂直预编码的优化子问题进行求解。
[0007] 本发明中，通过半定松弛方法将两个分别关于水平预编码和垂直预编码的优化子 问题转化为半定规划问题，再通过凸优化工具进行求解。
[0008] 本发明中，通过交替迭代优化算法对两个分别关于水平预编码和垂直预编码的优 化子问题进行交替迭代优化求解。
[0009] 本发明的具体技术方案介绍如下。
[0010] 1?系统模型
[0011] 1.1天线模型
[0012] 一种在垂直维度波束成形的方法，是在垂直方向上使用多个发射天线阵元，并让 这些天线阵元发送带有一定相移的同一信号，如图1所示。考虑一个全向线性天线阵列，形 成的波束角度与天线阵元之间施加的相移存在关系如下：
[0013]
【主权项】
1. 一种基于水平和垂直联合优化的3D波束成形方法，其特征在于，其在单小区 MU-MIMO下行广播信道场景下，利用三维空间信道信息，在采用有源天线面阵的基站端进行 3D波束成形时，建立满足用户最小信干噪比约束条件下的最小化基站发射能量的优化模 型，并将优化模型解耦为两个关于水平预编码和垂直预编码的优化子问题，然后分别进行 求解。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过半定松弛方法将两个分别关于水平 预编码和垂直预编码的优化子问题转化为半定规划问题，再利用凸优化工具进行求解。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过交替迭代优化算法对两个分别关于 水平预编码和垂直预编码的优化子问题进行交替迭代求解。
4. 根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述水平预编码优化子问题如 下： v 1 1
其中：vk和wk分别表示第k个用户的垂直预编码和水平预编码，pk= | |vk| |2和A 分别表示第k个用户垂直和水平预编码的能量，奴,=产表示基站到用户k 的信道矩阵Hk经过垂直预编码vi后得到的等效水平信道系数，&, 表示基站到 用户k的信道矩阵Hk经过水平预编码w逅得到的等效垂直信道系数，y泖L表示第k个 用户的信干噪比门限，〇k表示第k个用户的噪声能量。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述交替迭代优化算法的步骤如下： (1) 初始化设置预编码初值~(1^1;，(10^=1，2，1，1()，并限定相应预编码能量为
家此时各个用户的SINR为，记迭代次数m= 1 ; (2) 计算等效水平信道系数/^ ，并取SINR门限为 代入优化问题
眸出水平预编码为< : i=l,i*k (3)计算能量放大后的水平预编$
^，并根据 '^和wk，m重新计算各个用户的SINR为Y\,"; ⑷计算等效垂直信道系数心=，并取SINR门限为Y\m，代入优化问题
求解出垂直预编码为<m ; * *
(5) 计算能量放大后的垂直预编码
，，并根据 和wk，m重新计算各个用户的SINR为yk，m; (6) 若用户SINR收敛，则结束算法，将Vtl^PWk，m作为优化输出结果；否则，令m=m+l， 回到步骤（2)，进行下一次迭代过程。
【专利摘要】本发明属于通信技术领域，具体为一种基于水平和垂直联合优化的3D波束成形方法。针对单小区MU-MIMO下行广播信道场景，本发明首先将3D波束形成问题建模为对水平预编码和垂直预编码的联合设计问题并引入一种最小化基站发射功率的优化模型。然后将原问题解耦为两个分别关于水平预编码和垂直预编码的优化子问题，通过半定松弛或交替优化迭代求解。仿真结果表明本文提出的方法能够很快收敛，并且得到的小区和速率(sum-rate)性能显著优于现有技术方案。
【IPC分类】H04B7-06, H04B7-04
【公开号】CN104617994
【申请号】CN201410822225
【发明人】张仕宇, 冯辉, 杨涛, 胡波
【申请人】复旦大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月22日