一种分布式多用户下行mimo鲁棒波束成形方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多入多出（MIMO, multiple input multiple output)通信系统，特别 涉及多用户下行MIM0鲁棒波束成形优化设计。
【背景技术】
[0002] MM0技术，因其能有效提高频谱效率与传输速率等优势，已广泛应用于现代通信 系统中，如多小区多用户蜂窝移动通信系统等。然而，在MM0下行系统中，多个用户与BS 在同一时频资源上进行通信，用户之间不可避免地存在相互干扰，故为了解决此类问题并 消除干扰，一般选择波束成形技术应用于BS端。
[0003] 早期波束成形方法均假设BS能够获得理想CSI。但是在实际通信应用中，BS无 法获取理想CSI。如在时分双工（TDD, time division duplexing)系统中，BS对信道估计 获得CSI会产生信道估计误差；而在频分双工（FDD, frequency division duplexing)系 统中，BS获取CSI的方式是通过用户端的信道估计和有限反馈，其中有限反馈会带来量化 误差，而信道反馈过程会引起延时误差。因此移动用户反馈到BS的CSI中往往同时存在估 计、量化和延时误差，而基于此种非理想CSI的信道条件下，多用户下行鲁棒波束成形设计 成为了目前的研究热点。
[0004] 从现有的中外大量文献调研中发现，虽然存在一些对MM0下行用户的鲁棒波束 成形设计，但是均基于理性CSI信道条件。此外，现有的文献中也已有相关研究基于有限反 馈信道下的多用户下行多入单出（MISO, multiple input single output)鲁棒波束成形问 题或者是考虑存在延时误差的CSI下，基于有限反馈信道的多用户下行MIS0鲁棒波束成形 问题，但上述所提研究也均是假设信道估计是理想的，即没有信道估计误差。而在实际FDD 通信系统中，信道估计误差不可避免，且对移动通信系统性能具有十分重要的影响。
[0005] 基于此，本发明考虑在同时存在估计、量化和延时误差的非理想CSI条件下，以BS 发射功率作为约束条件，丽SE作为优化函数，根据凸优化理论，建立基于信号泄露的丽SE 的目标函数，推导出一种分布式下行MIM0鲁棒波束成形的方法，从而有效提升系统性能。
【发明内容】
[0006] 发明目的：在多用户MIM0通信系统中，基于非理想CSI条件下提出一种分布式多 用户下行MIM0波束成形设计方法。该方法充分考虑信道量化、延时和估计三个因素对波束 成形矩阵的影响，基于信号泄露的MMSE准则设计波束成形矩阵，最后推导出分布式系统最 优波束成形矩阵及其闭式解。
[0007] 本发明的技术方案：
[0008] 非理想CSI :估计、量化与延时误差。
[0009] 系统模型为多用户下行MM0系统，其中BS在同一时频资源上为K个用户服务，BS 配置M根发送天线，每个用户配置N根接收天线，如图1所示。
[0010] 第k个用户接收到的信号可以表示为：
[0011]
【主权项】
1. 本发明提出一种分布式多用户下行MIMO鲁棒波束成形方法，具体为：针对多入 多出（MIMO,multipleinputmultipleoutput)频分双工（FDD,frequencydivision duplexing)系统的移动通信实际应用中，移动用户反馈到基站（BS,basestation)的信道 状态信息（CSI,channelstateinformation)同时存在估计、量化和延时误差，并基于这种 信道条件，提出基于信号泄露的最小均方误差（MMSE,minimummean-squareerror)的具有 分布式特性的鲁棒波束成形方法。
2. 根据权利要求1所述的一种分布式多用户下行MIMO鲁棒波束成形方法，其特征在 于： 针对多用户MM0通信系统中，BS无法获取理想CSI时，提出分布式多用户下行MM0波 束成形设计方法； 系统模型为多用户下行MM0系统，其中BS在同一时频资源上为K个用户服务，BS配 置M根发送天线，每个用户配置N根接收天线； 第k个用户接收到的信号可以表示为：
- (1) 其中，GfeCf#表示从BS到用户k的信道矩阵，其元素相互独立且为零均值、单位方 差的复高斯随机变量，heCVxl表示用户k所接收到的高斯加性白噪声向量，其元素相互独 立且为零均值、单位方差的复高斯随机变量，1xeC&Vxl分别为预编码矩阵和 发送信号向量，（?）H表示矩阵的共轭转置； 所有K个用户接收到的信号为：y=Gffx+n(2) 其中，5? = (5^，...，5?!-)7,6=(61，...义)1!，11 = (1111'，...,1|1)7，（〇1表示矩阵的转置。注 意到E[nnH] =l，E[xxH] = 1，设BS发射功率限制为P，则有tr(ffffH)彡P，tr(*)表示矩阵 的迹； 在信道估计、量化和延时误差同时存在的情况下，第n个时刻BS到用户k的信道矩阵Gk「n1建腊为?
将⑶式写成矩阵形式，假设G=(Gp.....，GK)H，得到： G=AH+BS+E+A(4) 其中，H= [Hjn-1]，? ? ?，HK[n-l]]H，E= [Ejn]，? ? ?，EK[n]]H，D=diag(p? ??，pK)， 、.-_
_ 一 -一 -7S= [Sjn-1]，? ? ?，SK[n-l] ]H，
A=DAC，B=DAZ， diag( ?)表示对角矩阵； 分布式波束成形设计： 即在实际通信系统中，BS为每个用户单独设计预编码矩阵；本发明基于信号泄露的MMSE表达式，考虑BS所获得的非理想CSI情况，提出具有鲁棒性的分布式波束成形方法； 将（1)式写成如下形式：
(5) 其中，y'k为用户的有用信号和噪声项，第二项为用户接收到的多用户干扰。在实际通 信系统中，我们希望用户接收到的干扰小，即原始信号Xk与y'k比较接近。基于此思想，并 结合信号泄露的分布式特性，我们定义多用户下行MMO下基于信号泄露的MMSE为：
由此，我们得到基于信号泄露的MMSE鲁棒波束成形设计问题： (7) k=i
其中E<e|H>e(Wk，由下式达到：
问题（7)为凸优化问题，可以利用KKT条件求解，构建拉格朗日方程如下：
(9) (9)式中的l(Wt，@U对Wt，@分别求偏导数：
根据（10)式，可以得到用户k的波束成形矩阵Wk:
由（12)式可知，只要知道W，即可获得Wk的闭式解。为了求出入J2,对（11)式 左乘Wf，并取迹得到：
联立（10)式和（13)式可以得到：4/?2tr(WAHwd=iV,；：又由BS发射功率限制条
烙n4)才仵人n刃才犋刭.
为了求得令 wk= ^w； (16) 其中wk'由（18)式给出，将（16)式代入功率限制条件，可得到
因此分布式系统最优波束成形矩阵为：
3.根据权利要求2所述的一种分布式多用户下行MIMO鲁棒波束成形方法，其特征在 于： 分布式多用户下行MIMO鲁棒波束成形方法具体流程如下，实施对象为小区中第k个用 户， (1) 开始； (2) 在信道估计、量化和延时误差同时存在的情况下，建立第k个用户的信道模型矩 阵，如式（3); (3) 基于信号泄露的丽SE表达式，得到鲁棒波束成形设计问题，如式（7); (4) 利用KKT条件求解，构建拉格朗日方程、求偏导数，得到用户k的波束成形矩阵Wk， 如式（12); (5) 求解入k@2,如式（14); (6) 求解@，如式（17); (7) 根据上述步骤，推导出分布式系统最优波束成形矩阵如式（18); (8) 结束。
【专利摘要】本发明提出一种分布式多用户下行MIMO鲁棒波束成形方法，具体为：针对多用户多入多出频分双工系统的实际移动通信应用中，移动用户反馈到基站BS的信道状态信息CSI同时存在估计、量化和延时误差，基于这种信道条件，提出基于信号泄露的最小均方误差的具有分布式特性的鲁棒波束成形方法。该方法能够应用于更为实用的分布式移动通信系统中，即BS能为单个移动用户独立设计波束成形矩阵，更能满足移动用户对通信服务质量QoS的需求。
【IPC分类】H04B7-06
【公开号】CN104618006
【申请号】CN201510094900
【发明人】廖勇, 周昕, 李瑜锋, 曹杰, 李 东
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年3月3日