专利名称：一种基于剪枝搜索的两天线多播波束赋形方法
技术领域：
本发明属于多输入多输出(MIMO)宽带无线和移动通信技术领域，具体涉及单用户组两发送天线多播场景下的波束赋形方法，适用于诸如802. Iln, TD-HSPA+, TD-LTE及 TD-LTE-Advanced等新一代宽带无线和移动通信系统。
背景技术：
当基站端发送公共信息给一组用户时，多播比单播技术能更有效地利用无线频谱资源，因此引起了业界广泛关注。假设基站已知所有用户的信道信息，MIMO多播技术的目标在于寻找有效的策略以保证多播用户的服务质量，其中的一个关键问题是在发送信号功率受限的情况下，如何在基站端采用发送波束赋形方法以获得最大多播传输速率。《国际电气与电子工程师协会-信号处理汇刊》(IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 54, no. 6，pp. 2239-2251，June 2006)刊载的“物理层多播波束赋形” (Transmit beamforming for physical-layer multicasting) 一文中，证明了当用户数目大于发送天线数目时，此问题一般来说属于非确定性多项式难题(NP-hard)，并提出了一种基于半定松弛法(SDR) 的次优求解方法，其主要思想是松弛原优化问题的非凸约束条件，将原优化问题转换成一个凸优化问题，从而可采用凸优化分析工具进行求解。然而，经过松弛后得到的凸优化问题与原问题并非完全等效，其有效解构成原问题的性能上界，并且一般不可及，因此还需要结合随机化处理(Randomization)来真正获得波束赋形向量。由理论分析可知，现有的SDR结合随机化处理方法(以下简称为SDR随机化方法) 存在如下缺陷首先SDR自身基于凸优化的内点法，随着用户数目的增加，其运算复杂度将显著增大，一般难以在实时通信系统中实现；而且随着用户数目的增加，SDR随机化方法搜索空间逐步变得复杂，从而导致其性能损失也逐渐增加。综合而言，SDR随机化方法难以有效应用于新型宽带无线和移动通信系统中，迫切需要设计具有高性能低复杂度特征的多播波束赋形方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于剪枝搜索的多播波束赋形方法，以适用于两发送天线多播场景，并改善现有SDR随机化方法在获取波束赋形向量过程中所存在的运算量较大、性能较差，无法有效应用于实际通信系统的问题。本发明基于剪枝搜索的两天线多播波束赋形方法，设基站配置2根发送天线，多播用户组含K个用户，且用户k配置Nk根接收天线，对应的信道矩阵巧e ￡ a^x2并在基站端已知，波束赋形向量w e ￡2 ；其特征在于将原最大化多播传输速率问题的求解转化为对多播用户组中性能瓶颈用户的搜索与计算，并在搜索过程中通过持续压缩最优解区间以辅助排除非瓶颈用户；具体操作步骤为第一步参数初始化，依次包含以下步骤(11)令多播用户集合为S = {1,2, L，K}，初始化最优解区间，令其上界为皿=-∞，下界为 LB = + ∞； (1.2)依次从多播用户集合S中选择用户k= 1，...，K，令其信道自相关矩阵为
权利要求
1. 一种基于剪枝搜索的两天线多播波束赋形方法，设基站配置2根发送天线，多播用户组含K个用户，且用户k配置Nk根接收天线，对应的信道矩阵HkGi a^x2并在基站端已知，波束赋形向量w e ￡2 ；其特征在于将原最大化多播传输速率问题的求解转化为对多播用户组中性能瓶颈用户的搜索与计算，并在搜索过程中通过持续压缩最优解区间以辅助排除非瓶颈用户；具体操作步骤为第一步参数初始化，依次包含以下步骤(11)令多播用户集合为S = {1，2，L，K}，初始化最优解区间，令其上界为UB =-⑴，下界为 LB = + ；(1.2)依次从多播用户集合S中选择用户k= 1，...，K，令其信道自相关矩阵为 ak ck cI hKHk =，依椭圆空间向量计算式^c =Re(cJ -Im(cJ计算与该用户对应的椭圆空间向量gk，其中(·)*，(· )τ分别表示共轭转置和转置操作，Re( · )，Im( ·)分别表示取实部和取虚部操作；(1. 3)依次从多播用户集合S中选择用户k = 1，. . .，K，依信道范数计算式h,=计算与该用户对应的信道范数hk，其中11 · ι |F表示弗罗贝尼乌斯范数； 第二步单瓶颈用户搜索与计算，依次包含以下步骤(2.1)依单瓶颈用户选择式i= arg思运久+|私|计算并从多播用户集合S中选择出候选用户i ；(2.2)计算候选用户i对应的候选向量x= _ ’并依单用户信噪比计算式λ =Vl IgiI I计算该用户瓶颈信噪比λ ；(2.3)依最差用户信噪比计算式^^-Z-mii^.f+fx计算多播用户组中的最小信噪比snr_ ；(2.4)判断信噪比关系式λ( snr_是否成立，若该式成立，则输出最优候选向量x。pt =x及最优瓶颈信噪比λ。pt= λ，并转至第五步；若该式不成立，则分别更新最优解区间的上界UB = λ和下界LB = snr_，转至第三步；第三步两瓶颈用户搜索与计算，依次包含以下步骤(3. 1)依次从多播用户集合S中选取两瓶颈候选用户组合(i，j)，i兴j，针对该用户组合构造两用户椭圆空间矩阵Gij= [gigj]以及两用户信道范数向量Iiij= [h.hj]1；(3.2)依两用户二阶多项式系数计算式Q = F^GyT1j 计算二阶多项式系数a，依两用户一阶多项式系数计算式& = f (^GyT1 计算一阶多项式系数b，依两用户常系数计算式C = A/(G^Gy.Γ1 -1计算常系数c，其中(·)<表示矩阵求逆操作，1表示元素全为1 的列向量；(3. 3)判断多项式系数关系式b2-ac < 0是否成立，若该式成立，则转至步骤(3. 9)；(3.4)依两用户信噪比计算式A = b + ^lb2-ac计算该用户组合的瓶颈信噪比λ，并根a据两用户向量加权系数计算式㈣Af =(《&)—1Gi- )计算与两用户椭圆空间向量gi，& 分别对应的加权系数α，β ；(3.5)判断两用户综合逻辑关系式双f/S]是否成立，若该式成立，则转至步骤(3. 9)；(3.6)按照两用户候选向量计算式
全文摘要
本发明公开了一种基于剪枝搜索的两天线多播波束赋形方法，特征是将两发送天线情形下的最大化多播传输速率问题的求解转化为针对单瓶颈用户、两瓶颈用户和三瓶颈用户三种假设情形的搜索，并采用线性代数方法直接进行闭式计算，同时在搜索过程中通过持续压缩最优解区间以辅助排除非瓶颈用户，实现低复杂度剪枝搜索。与现有的SDR随机化方法相比，本发明方法不仅可以获得更高的多播传输速率，同时还具有更低的运算复杂度，适合用户数较多的多播场景，便于在诸如802.11n、TD-HSPA+、TD-LTE及TD-LTE-Advanced等新一代宽带无线和移动通信系统中实施。
文档编号H04B7/06GK102347789SQ20111031379
公开日2012年2月8日 申请日期2011年10月17日 优先权日2011年10月17日
发明者古强, 杜柏生, 蒋轶, 许小东 申请人:中国科学技术大学