一种适用于时间异步环境下的分布式波束赋形方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，涉及一种在接收信号时间异步环境下，分布式联合多 用户发送波束赋形方法，可用于分布式天线系统中的发送波束赋形设计。
【背景技术】
[0002] 分布式天线系统是指将各个天线单元按照某种规则或者随机的部署在蜂窝网络 小区内的不同地理位置，并通过专用媒质（如光纤、电缆或者微波等）连接到一个中央处 理单元，各分布式天线单元本身仅具有信号的收发功能，所有的信号处理功能由中央处理 单元完成。在分布式天线系统中，多个天线单元同时为小区内的用户提供服务。由于距离 各个天线单元的远近不同，导致用户接收到来自多个天线的信号出现时间异步现象。接收 信号的时间异步会增大多用户之间的同频干扰，同时也会导致用户自身产生很强的码间串 扰，严重影响着用户体验和系统性能。此外，由于用户数据需要通过回程链路在天线单元与 中央处理单元之间进行传输，需要尽量保证发送波束向量具有组稀疏性，以降低系统的回 程链路开销。因此，在具有时间异步特性的分布式天线系统中，为了保障用户的Qos需求和 降低系统的回程链路负荷，合理的联合设计多用户发送波束赋形向量就显得极为重要。
[0003] 目前，已有一些文献研宄了发送波束赋形向量的设计方法，如M.Y. Hong在 IEEE J. Sel. Areas Commun.，2013, 31 (2) :226-240 ((Joint base station clustering and beamformer design for partial coordinated transmission in heterogeneous networks》一文中研宄了异构网络协作传输时的联合基站分簇和波束赋形问题，采用了具 有波束向量结构罚值的效用函数来保证设计的用户波束向量具有组稀疏性。但是该方法追 求最大化系统中所有用户的和速率，并没有考虑到每个用户的QoS需求。J. Zhao在IEEE Trans. Wirel. Commun.，2013,12 (6) :2762-2775 ((Coordinated multipoint transmission with limited backhaul data transfer》一文中研宄了多点协作传输时的联合发送波束赋 形问题，采用了加权1-范数近似方法求解最小化的协作天线数目。但是该方法假设系统可 以满足所有用户的QoS需求。
[0004] 此外，现有分布式波束赋形方法都没有考虑到用户与各天线单元之间的距离差异 会引起接收信号出现时间异步现象，导致方法的实用性较差。本发明针对分布式天线系统 中的接收信号时间异步问题，提出了发送波束赋形设计方法，能够在有效保证用户QoS需 求的同时降低系统的回程链路负荷。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提出一种适用于时间异步环境下的分布式波束赋形方法，通过 联合发送波束赋形向量设计，实现保证用户的QoS需求和降低系统的回程链路负荷。
[0006] 实现本发明的技术关键在于首先利用分段线性近似方法计算用户接收SINR的下 界；然后利用凸优化理论对优化问题进行松弛、求解，并逐步移除系统中的不可行用户；最 后利用权重因子迭代的方法构造具有组稀疏性的发送波束向量。一种适用于时间异步环境 下的分布式波束赋形方法，具体实现步骤包括如下：
[0007] (1)在当前分布式天线系统中构建每个用户的时间异步接收信号，对所有时间异 步接收信号均采用分段线性方法得到每个用户的近似时间异步接收信号后，根据得到的近 似时间异步接收信号计算每个用户近似时间异步接收信号的SINR下界；构造当前分布式 天线系统回程链路负荷最小化的目标函数，并对目标函数进行凸松弛得到凸目标函数；
[0008] (2)根据每个用户近似时间异步接收信号的SINR下界得到每个用户的QoS约束， 对每个用户的QoS约束分别引入辅助变量，对凸目标函数引入与辅助变量相对应的罚项；
[0009] (3)以引入辅助变量后的每个用户的QoS约束和天线发射功率为约束条件，采用 凸优化理论求解引入罚项后的凸目标函数得到引入罚项后的波束向量矩阵；
[0010] (4)根据引入罚项后的的波束向量矩阵计算每个用户近似时间异步接收信号的 SINR下界值，并根据SINR下界值计算每个用户的满意度值；
[0011] (5)根据每个用户的满意度值判断当前分布式天线系统中用户是否全部可行，若 当前分布式天线系统中用户全部可行，执行步骤（6);否则，移除系统中满意度值最小的用 户，更新分布式天线系统，转入步骤（1);
[0012] (6)对凸目标函数引入权重因子，得到加权功率最小化的目标函数；
[0013] (7)以每个用户的QoS约束和天线发射功率为约束条件，采用凸优化理论求解加 权功率最小化的目标函数值和功率加权后的波束向量矩阵，根据加权功率最小化的目标函 数值计算得到加权功率最小化目标函数的相对值；根据功率加权后的波束向量矩阵计算分 布式天线单元对每个用户的波束赋形向量；
[0014] (8)比较加权功率最小化目标函数的相对值与收敛门限的大小，若加权功率最小 化目标函数的相对值大于收敛门限，根据分布式天线单元对每个用户的波束赋形向量更新 权重因子，转入步骤（6);否则，将该分布式天线单元对每个用户的的波束赋形向量作为最 终的分布式天线单元的波束赋形向量。
[0015] 其中，所述的步骤（1)中在当前分布式天线系统中构建每个用户的时间异步接收 信号，对所有时间异步接收信号均采用分段线性方法得到每个用户的近似时间异步接收信 号后，根据得到的近似时间异步接收信号计算每个用户近似时间异步接收信号的SINR下 界，具体包括步骤：
[0016] (101)在当前分布式天线系统中构建每个用户的时间异步接收信号；
[0017] (102)利用分段线性函数近似升余弦脉冲成型滤波器的冲击响应函数，得到冲击 响应函数的分段线性近似表达式；
[0018] (103)利用得到的分段线性近似表达式推导每个用户的近似时间异步接收信号， 并计算每个用户近似时间异步接收信号的SINR下界。
[0019] 其中，所述的步骤（103)具体包括：
[0020] (201)根据冲击响应函数的分段线性近似表达式计算每个用户的近似时间异步接 收信号的表达式；
[0022] 其中，yk(m)表示第k个用户接收到第m个符号所对应的近似时间异步信号，S tm 表示第k个用户的第m个有用符号，N表示分布式天线系统中的分布式天线单元数，K表示 分布式天线系统中的用户数，hf"表示从第n个分布式天线单元到第k个用户的信道衰落 向量的共轭转置，Wtn表示第n个分布式天线单元对第k个用户的波束向量，L ^表示考虑 引起码间干扰的冲击响应函数旁瓣数，I tn表示电磁信号从第n个分布式天线单元传输到 第k个用户所经历的相对单位时延，1；表示分布式天线系统中用户有用信号的符号周期， g' n(lTs)表示在冲击响应函数的第1个零点处对应相对单位时延为I ^的分段线性近似 线段的斜率值，Zk(m)表示第k个用户接收到第m个符号时的信道加性高斯白噪声；
[0023] (202)根据每个用户的近似时间异步接收信号的表达式计算每个用户近似接收时 间异步信号的SINR表达式；
[0025] 其中，yk表示第k个用户近似时间异步接收信号的SINR，表示由于时间异 步导致在冲击响应函数主瓣中心造成的从第n个天线单元到第k个用户的信道衰落向量， ISIk表示用户k自身的码间串扰，IH ^表示用户j对用户k造成的同频干扰，〇 2表示无 线信道高斯白噪声的方差；
[0026] (203)对SINR表达式的分子求最小值，分母求最大值，得到SINR下界表达式；
[0028] 其中，/1?表示第k个用户的近似时间异步接收信号的SINR下界，Wk表示由所有 分布式天线单元对第k个用户的波束向量组成的矩阵，hk表示由所有分布式天线单元到第 k个用户的信道衰落向量组成的向量，Tr( ?)表示取矩阵的迹，Piu表示由于时间异步导 致在冲击响应函数第1个零点处造成的所有分布式天线单元到第k个用户的信道衰落向量 的模值上界。
[0030] 其中，< 表示第k个用户要求的最小传输速率，K表示分布式天线系统中的用户 数，Ak表示为第k个用户服务的分布式天线单元集合，I ? I表示集合的基数，wk，n表示第n 个分布式天线单元对第k个用户的波束向量。
[0031] 其中，所述的步骤（1)中对目标函数进行凸松弛得到凸目标函数，具体为：采用 1-范数凸包络形式对目标函数进行松弛，得到凸目标函数。
[0033] 其中，<表示第k个用户要求的最小传输速率，wtn表示第n个分布式天线单元对 第k个用户的波束向量，><"表示从第n个分布式天线单元到第k个用户的波束向量的共轭 转置，N表示分布式天线系统中的分布式天线单元数，K表示分布式天线系统中的用户数。
[0034] 其中，步骤⑵中根据每个用户近似时间异步接收信号的SINR下界建立QoS约束 中Qos约束表达式为：r!°w > n°，w，
[0035] 其中，M