一種基于水平和垂直聯(lián)合優(yōu)化的3d波束成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于水平和垂直預(yù)編碼聯(lián)合優(yōu)化，利用 三維空間信道信息在基站端進(jìn)行3D波束成形，從而提高下行系統(tǒng)傳輸速率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多用戶MM0預(yù)編碼方法使得我們能夠在同一頻譜資源上同時服務(wù)多個用戶。下 行多用戶傳輸通常建模為一個MM0廣播信道模型，基站端采用多根天線同時服務(wù)多個用 戶。為了減小用戶間的干擾，通常在基站端對發(fā)給各個用戶的信號進(jìn)行聯(lián)合預(yù)編碼處理。 比較經(jīng)典的預(yù)編碼方法包括迫零（ZF) [1]，塊對角化（BD)[2]，最大信漏噪比（SLNR)[3]等算法。 其中，一種基于凸優(yōu)化的預(yù)編碼方法[4M6]能夠在滿足各個用戶服務(wù)質(zhì)量的要求下，最小化 基站的發(fā)射能量。
[0003] 在傳統(tǒng)的蜂窩移動網(wǎng)系統(tǒng)中，基站往往采用的是無源天線，只能選取固定的下傾 角然后根據(jù)水平維度的信道信息來調(diào)整水平維度的波束方向。然而實(shí)際的信號傳播信道是 具有三維空間特性的，這就使得2D的MM0預(yù)編碼技術(shù)并不是最優(yōu)的。如果能夠在三維空 間上進(jìn)行發(fā)射波束設(shè)計，必然能夠帶來更強(qiáng)的干擾控制能力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的提升。尤其是 對于類似現(xiàn)代市區(qū)環(huán)境這樣的應(yīng)用場景，用戶在三維空間上分布得很分散，具有可區(qū)分的 俯仰角時，在水平維度和垂直維度上聯(lián)合進(jìn)行波束成形設(shè)計將能夠更加充分地利用三維空 間自由度，減小用戶間干擾，提升小區(qū)和速率。
[0004] 于是，3D-MM0的概念越來越受到主流通信系統(tǒng)的重視。而3D-MM0能夠得以實(shí) 現(xiàn)的一個核心技術(shù)是有源天線系統(tǒng)（Active Antenna System, AAS)。有源天線將射頻鏈路 (功率放大器、收發(fā)機(jī)）與天線陣元集成在一起。通過這種設(shè)計使得每個天線陣元信號的幅 度、相位和時延都能夠進(jìn)行獨(dú)立的控制 [7]，從而使得更加靈活和智能的波束成形設(shè)計成為 可能。而在基站端采用2D (如：面陣、L形陣）或3D (如：球形陣）天線陣列的有源天線，便 能夠在水平維度與垂直維度上同時動態(tài)調(diào)整發(fā)送波束方向，即能夠進(jìn)行3D波束成形設(shè)計。 文獻(xiàn)[8]通過實(shí)地測試表明基于AAS的自適應(yīng)垂直波束成形技術(shù)能夠顯著提升蜂窩移動 通信網(wǎng)絡(luò)的性能。文獻(xiàn)[9]研究了動態(tài)垂直波束在干擾避讓中的應(yīng)用策略。文獻(xiàn)[10]提 出了多基站根據(jù)用戶位置協(xié)作調(diào)整垂直下傾角的方案。文獻(xiàn)[11]研究了單小區(qū)MU-MIM0 場景采用多個固定下傾角成形多個虛擬垂直小區(qū)的系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[12]通過使用垂直預(yù) 編碼碼本的方法來進(jìn)行下傾角的動態(tài)調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[13]和[14]推導(dǎo)了 3D信道場景下用戶 下傾角分布的概率密度函數(shù)，然后分別對單用戶和多用戶場景設(shè)計了統(tǒng)計最優(yōu)的基站下傾 角。上述文獻(xiàn)均表明有效利用垂直維度空間自由度能夠帶來顯著的容量提升，然而它們僅 僅只是將垂直下傾角設(shè)計作為傳統(tǒng)水平2D波束成形的一種補(bǔ)充，沒有將垂直預(yù)編碼與水 平預(yù)編碼聯(lián)合起來進(jìn)行設(shè)計，因此，尚未發(fā)揮出3D波束成形技術(shù)的最大優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于水平和垂直聯(lián)合優(yōu)化 的3D波束成形方法。該方法收斂速度塊，仿真結(jié)果表明采用該方法得到的小區(qū)和速率性能 (sum-rate)顯著優(yōu)于其他對比方案。
[0006] 本發(fā)明提供一種基于水平和垂直聯(lián)合優(yōu)化的3D波束成形方法，其在單小區(qū) MU-MIM0下行廣播信道場景下，利用三維空間信道信息，在采用有源天線面陣的基站端進(jìn)行 3D波束成形時，建立滿足用戶最小信干噪比約束條件下的最小化基站發(fā)射能量的優(yōu)化模 型，并將優(yōu)化模型解耦為兩個分別關(guān)于水平預(yù)編碼和垂直預(yù)編碼的優(yōu)化子問題進(jìn)行求解。
[0007] 本發(fā)明中，通過半定松弛方法將兩個分別關(guān)于水平預(yù)編碼和垂直預(yù)編碼的優(yōu)化子 問題轉(zhuǎn)化為半定規(guī)劃問題，再通過凸優(yōu)化工具進(jìn)行求解。
[0008] 本發(fā)明中，通過交替迭代優(yōu)化算法對兩個分別關(guān)于水平預(yù)編碼和垂直預(yù)編碼的優(yōu) 化子問題進(jìn)行交替迭代優(yōu)化求解。
[0009] 本發(fā)明的具體技術(shù)方案介紹如下。
[0010] 1?系統(tǒng)模型
[0011] 1.1天線模型
[0012] 一種在垂直維度波束成形的方法，是在垂直方向上使用多個發(fā)射天線陣元，并讓 這些天線陣元發(fā)送帶有一定相移的同一信號，如圖1所示。考慮一個全向線性天線陣列，形 成的波束角度與天線陣元之間施加的相移存在關(guān)系如下：
[0013]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于水平和垂直聯(lián)合優(yōu)化的3D波束成形方法，其特征在于，其在單小區(qū) MU-MIMO下行廣播信道場景下，利用三維空間信道信息，在采用有源天線面陣的基站端進(jìn)行 3D波束成形時，建立滿足用戶最小信干噪比約束條件下的最小化基站發(fā)射能量的優(yōu)化模 型，并將優(yōu)化模型解耦為兩個關(guān)于水平預(yù)編碼和垂直預(yù)編碼的優(yōu)化子問題，然后分別進(jìn)行 求解。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過半定松弛方法將兩個分別關(guān)于水平 預(yù)編碼和垂直預(yù)編碼的優(yōu)化子問題轉(zhuǎn)化為半定規(guī)劃問題，再利用凸優(yōu)化工具進(jìn)行求解。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過交替迭代優(yōu)化算法對兩個分別關(guān)于 水平預(yù)編碼和垂直預(yù)編碼的優(yōu)化子問題進(jìn)行交替迭代求解。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述水平預(yù)編碼優(yōu)化子問題如 下： v 1 1
其中：vk和wk分別表示第k個用戶的垂直預(yù)編碼和水平預(yù)編碼，pk= | |vk| |2和A 分別表示第k個用戶垂直和水平預(yù)編碼的能量，奴,=產(chǎn)表示基站到用戶k 的信道矩陣Hk經(jīng)過垂直預(yù)編碼vi后得到的等效水平信道系數(shù)，&, 表示基站到 用戶k的信道矩陣Hk經(jīng)過水平預(yù)編碼w逅得到的等效垂直信道系數(shù)，y泖L表示第k個 用戶的信干噪比門限，〇k表示第k個用戶的噪聲能量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述交替迭代優(yōu)化算法的步驟如下： (1) 初始化設(shè)置預(yù)編碼初值~(1^1;，(10^=1，2，1，1()，并限定相應(yīng)預(yù)編碼能量為
家此時各個用戶的SINR為，記迭代次數(shù)m= 1 ; (2) 計算等效水平信道系數(shù)/^ ，并取SINR門限為 代入優(yōu)化問題
眸出水平預(yù)編碼為< : i=l,i*k (3)計算能量放大后的水平預(yù)編$
^，并根據(jù) '^和wk，m重新計算各個用戶的SINR為Y\,"; ⑷計算等效垂直信道系數(shù)心=，并取SINR門限為Y\m，代入優(yōu)化問題
求解出垂直預(yù)編碼為<m ; * *
(5) 計算能量放大后的垂直預(yù)編碼
，，并根據(jù) 和wk，m重新計算各個用戶的SINR為yk，m; (6) 若用戶SINR收斂，則結(jié)束算法，將Vtl^PWk，m作為優(yōu)化輸出結(jié)果；否則，令m=m+l， 回到步驟（2)，進(jìn)行下一次迭代過程。
【專利摘要】本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于水平和垂直聯(lián)合優(yōu)化的3D波束成形方法。針對單小區(qū)MU-MIMO下行廣播信道場景，本發(fā)明首先將3D波束形成問題建模為對水平預(yù)編碼和垂直預(yù)編碼的聯(lián)合設(shè)計問題并引入一種最小化基站發(fā)射功率的優(yōu)化模型。然后將原問題解耦為兩個分別關(guān)于水平預(yù)編碼和垂直預(yù)編碼的優(yōu)化子問題，通過半定松弛或交替優(yōu)化迭代求解。仿真結(jié)果表明本文提出的方法能夠很快收斂，并且得到的小區(qū)和速率(sum-rate)性能顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)方案。
【IPC分類】H04B7-06, H04B7-04
【公開號】CN104617994
【申請?zhí)枴緾N201410822225
【發(fā)明人】張仕宇, 馮輝, 楊濤, 胡波
【申請人】復(fù)旦大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2014年12月22日