多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法
【專利摘要】本發明公開了一種多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法，其包括以下步驟：每個基站基于其他小區內部的信號干擾噪聲比條件設計優化目標中的懲罰項，在最小化本基站發送功率的同時限制本小區的波束成形矩陣，使其在其他小區的信號干擾噪聲比限制條件的內部；在解決每個基站的分布式問題時，基站僅把本小區內用戶的信號干擾噪聲比要求作為限制條件；同時，基站使用最優化中的內點法，將其他小區內用戶的信號干擾噪聲比要求轉化成問題的目標函數內的一個懲罰項。本發明面對實際通信系統中對可用性的需求，能夠以分布式方式實現整個系統的發送波束設計。
【專利說明】多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種波束成形實現方法，特別是涉及一種多個小區無線多入單出 (MISO, Multi-Input Single-Output)系統的波束成形實現方法。
【背景技術】
[0002] 以LTE (Long Term Evolution,長期演進）為代表的3G演進型系統實現了移動通 信在3G之后的一次階段性變革。為了進一步滿足ITU MT- Advanced的要求，同時也作為 LTE技術的演進，3GPP通過了 LTE-Advanced(LTE-A)作為4G標準的一個提案。多小區ΜΜ0 是LTE-A關鍵技術之一。同時，為滿足系統高速率及高頻譜利用率要求，LTE-A下行采用正 交頻分多址（0FDMA)的接入方式。這樣在兩小區的結合邊緣處，信道頻率可能相同，因而在 小區邊緣處的用戶對鄰小區將會產生很強的干擾。這導致的結果就是如果需要保證用戶的 通信量，整個小區發送功率會嚴重上升；如果需要保證較低的發送功率，小區的吞吐量會大 幅下降。因此小區間干擾抑制是LTE-A系統研究的關鍵課題之一。
[0003] 當前多小區干擾抑制的一個熱點就是調整天線的分配波束成形，它的設計目的在 于調整天線的分配，即確定每個用戶在每個子載波上傳輸的時候應該怎樣配置發射天線以 及基站應該怎樣配置接收天線，使發送波束在最大限度上與接收天線相正交。波束成形技 術就是多個基站合作來降低小區間干擾
[0004] 現有技術中公開了 Chan-Byoung Chae，Mazzarese D.，Inoue T. and Heath R. W 的文 獻"Coordinated beamforming for the multiuser ΜΙΜΟ broadcast channel with limited feed forward (多小區ΜΙΜ0廣播信道中的有限反饋聯合波束成形）" in IEEE Trans, on Signal Processing，vol. 56, no. 12, pp: 6044 - 6056, Dec. 2008,提出了一種協調波束成形算 法（CBF)，需要用戶反饋限制使用或者推薦使用的預編碼矩陣標識（PMI :Precoding Matrix Indicator)信息給基站，鄰近小區不得使用強干擾PMI。用戶反饋推薦使用PMI的情況下， 用戶反饋給其服務小區的是鄰近小區對其造成最小干擾的PMI子集，鄰近的小區使用這個 子集中的PMI來使干擾最小化。
[0005] Hayssam Dahrouj and Wei Yu 的文獻"Coordinated Beamforming for the Multi-cell Multi-Antenna Wireless System (多小區多天線無線通信系統中的聯 合波束成形），'，in IEEE Transaction on Wireless Communications，vol. 9，No. 5， pp. 1748-1759MAY2010,它采用了虛擬對偶的方式，把下行波束成形問題轉化成虛擬上行問 題，基于MMSE (Minimum Mean Square Error)準則得到虛擬上行的接收矢量，再返回下行計 算波束的功率分配問題，得到了系統整體最優解。算法并不是完全分布式的。
[0006] Antti Tolli, Harri Pennanen and Petri Komulainen 的文獻"Decentralized Minimum Power Multi-Cell Beamforming with Limited Backhaul Signaling，'in IEEE Transaction on wireless Communications，vol. 10，N〇. 2，pp. 570-580FEB2011，米用對偶分 解的方法將總問題拆分成分布式的子問題，每個基站設置本基站對其他小區用戶干擾之和 的上限值，叫做本小區的"干擾容限"。每個小區基站根據本小區的干擾容限和通過信息交 換得到的其他小區的干擾容限計算計算自己的波束成形策略。
[0007] 對于多天線無線系統而言，一種方案把所有信息匯總到一個中央處理（CP)計算整 個系統的最優化問題，但由于X2接口的帶寬和處理器的計算能力受限，這種方案比較難實 現。所以需要采用分布式的方案，每個基站通過交互得到其它小區信息，再根據本地的信 息，計算本小區的最優化問題，以迭代的方式得到系統的解。所以分布式框架具有較高可行 性。另外迭代的收斂性與收斂速度也是需要考慮的問題。
【發明內容】
[0008] 本發明所要解決的技術問題是提供一種多個小區無線多入單出系統的波束成形 實現方法，其面對實際通信系統中對可用性的需求，能夠以分布式方式實現整個系統的發 送波束設計。并且最后算法能夠收斂至全局最優解，系統能夠在保證每個用戶的服務質量 的前提下以所需的最小的功率消耗運行。
[0009] 本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的：一種多個小區無線多入單出 系統的波束成形實現方法，其特征在于，所述多個小區無線多入單出系統的波束成形實現 方法包括以下步驟：每個基站基于其他小區內部的信號干擾噪聲比條件設計優化目標中的 懲罰項，在最小化本基站發送功率的同時限制本小區的波束成形矩陣，使其在其他小區的 信號干擾噪聲比限制條件的內部；在解決每個基站的分布式問題時，基站僅把本小區內用 戶的信號干擾噪聲比要求作為限制條件；同時，基站使用最優化中的內點法，將其他小區內 用戶的信號干擾噪聲比要求轉化成問題的目標函數內的一個懲罰項；這樣基站在最小化自 身發送功率的同時抑制了小區用戶間的互相干擾，從而使系統以保證用戶信號干擾噪聲比 為前提使總功率保持在最低程度。
[0010] 優選地，所述多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法把系統整體的最優 化問題拆分成子最優化問題，分配給各個基站進行計算；整體的最優化問題拆分成的子問 題形式為：
[0011]
【權利要求】
1. 一種多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法，其特征在于，所述多個小區 無線多入單出系統的波束成形實現方法包括以下步驟：每個基站基于其他小區內部的信號 干擾噪聲比條件設計優化目標中的懲罰項，在最小化本基站發送功率的同時限制本小區的 波束成形矩陣，使其在其他小區的信號干擾噪聲比限制條件的內部；在解決每個基站的分 布式問題時，基站僅把本小區內用戶的信號干擾噪聲比要求作為限制條件；同時，基站使用 最優化中的內點法，將其他小區內用戶的信號干擾噪聲比要求轉化成問題的目標函數內的 一個懲罰項；這樣基站在最小化自身發送功率的同時抑制了小區用戶間的互相干擾，從而 使系統以保證用戶信號干擾噪聲比為前提使總功率保持在最低程度。
2. 如權利要求1所述的多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法，其特征在 于，所述多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法把系統整體的最優化問題拆分成 子最優化問題，分配給各個基站進行計算；整體的最優化問題拆分成的子問題形式為：
3. 如權利要求2所述的多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法，其特征在 于，所述拆分后的子問題的KKT條件與整個系統的最優化問題的KKT條件是等價的關系。
4. 如權利要求3所述的多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法，其特征在 于，所述子最優化問題同時達到最優解時，整個系統達到全局最優解；寫成最佳響應的形 式，如果對于所有基站q都有
那么
為整個系統的最優化問題的 最優解。
5. 如權利要求4所述的多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法，其特 征在于，所述子問題以分布式的方式實現，即基站僅根據本小區的信號干擾噪聲比要 求，再加上基站間必要的有限的信息交換，就可以就計算本小區的最佳波束成形矩陣， 為了實現分布式的計算方式，基站需要去掉最優化問題中的其他小區的SINR條件：
只保留最優化問題中的本地條件
但是為了保證基站之間不互相干擾，基站的子問題的解仍需要被限制在上面未知的信號干 擾噪聲比條件之內。
6. 如權利要求5所述的多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法，其特征在 于，所述多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法為了限制問題的解在未知信號干 擾噪聲比條件內，基站使用內點法轉化未知條件為懲罰項，具體是指一個基站對上述未知 條件設置障礙函數來把這個最優化問題的解強制限制在條件內部；設置障礙函數之后轉化 稱為最優化問題為（以基站BS-q為例）：
其中s為一個很小的正數；為障礙函數，當U,趨向未知條件的邊界 時，適當設計的障礙函數可以趨近于正無窮；在未知條件內部，由于s很小，目標函數
這樣U,的取值被限制在未知條件內部；因此我們可以通過求解 這個最優化問題來得到原來具有未知條件的最優化的近似解；在這里障礙函數設計為
可以作為目標函數中的信號干擾噪聲比懲罰項。
7. 如權利要求6所述的多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法，其特征在 于，所述一個基站的懲罰項VbUi)需要根據其他基站交換過來的信息進行構建；由于懲 罰項的結構的復雜性，有限的信息交換不能夠精確地構建懲罰項；為了實現系統的可實現 性，可以構建懲罰項的近似。
8. 如權利要求7所述的多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法，其特征在 于，所述一個基站的懲罰項可以使用二階Taylor近似進行結構簡單化，使基站的問題以分 布式的形式構建，具體為
這 樣近似之后的最優化問題為：
其中W代表上一時刻各個基站代表上一時刻各個基站的預編碼矩陣的集合，其中W,為 基站q上一時刻的預編碼矩陣；τ e (〇，1)為泰勒近似的因子，適當的τ值可以保證二 階Taylor近似對懲罰項描述的準確性，同時也是預編碼矩陣更新的步長；這樣通過二階 Taylor近似，在BS-q處未知懲罰項轉化成了中的強凸的結構，保證對所有基站q都有唯一 的最優解。
9. 如權利要求8所述的多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法，其特征在 于，所述二階Taylor近似中nq的具體形式計算為：
所以它可以由本地信息和有限的信息交互來構建，其中包含的信息W,是基站q計算 前的波束成型矩陣，在時分復用系統中
可以根據上行Sounding信號以分布式的方式取 得，不需要小區間的信息交互；所以基站q只需要接收其他小區傳輸的信息A就進行計算，
的數量是有限的。
10. 如權利要求1所述的多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法，其特征在 于，所述多個小區無線多入單出系統的波束成形實現方法采用基于動態懲罰機制的分布式 迭代算法，基于動態懲罰機制的分布式迭代算法按照如下規則進行： 步驟一，各個基站進行初始化，為各自的預編碼矩陣設定初始值。 步驟二，基站根據自己的標號按順序根據更新各自的據編碼矩陣。每個基站更新過預 編碼矩陣之后，所有基站的懲罰參數矩陣nq根據新的預編碼矩陣進行更新。
【文檔編號】H04B7/06GK104052533SQ201310526255
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年10月29日 優先權日:2013年10月29日
【發明者】徐巖松, 何晨, 蔣鈴鴿 申請人:上海交通大學