一種適用于時(shí)間異步環(huán)境下的分布式波束賦形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在接收信號時(shí)間異步環(huán)境下，分布式聯(lián)合多 用戶發(fā)送波束賦形方法，可用于分布式天線系統(tǒng)中的發(fā)送波束賦形設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 分布式天線系統(tǒng)是指將各個(gè)天線單元按照某種規(guī)則或者隨機(jī)的部署在蜂窩網(wǎng)絡(luò) 小區(qū)內(nèi)的不同地理位置，并通過專用媒質(zhì)（如光纖、電纜或者微波等）連接到一個(gè)中央處 理單元，各分布式天線單元本身僅具有信號的收發(fā)功能，所有的信號處理功能由中央處理 單元完成。在分布式天線系統(tǒng)中，多個(gè)天線單元同時(shí)為小區(qū)內(nèi)的用戶提供服務(wù)。由于距離 各個(gè)天線單元的遠(yuǎn)近不同，導(dǎo)致用戶接收到來自多個(gè)天線的信號出現(xiàn)時(shí)間異步現(xiàn)象。接收 信號的時(shí)間異步會(huì)增大多用戶之間的同頻干擾，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致用戶自身產(chǎn)生很強(qiáng)的碼間串 擾，嚴(yán)重影響著用戶體驗(yàn)和系統(tǒng)性能。此外，由于用戶數(shù)據(jù)需要通過回程鏈路在天線單元與 中央處理單元之間進(jìn)行傳輸，需要盡量保證發(fā)送波束向量具有組稀疏性，以降低系統(tǒng)的回 程鏈路開銷。因此，在具有時(shí)間異步特性的分布式天線系統(tǒng)中，為了保障用戶的Qos需求和 降低系統(tǒng)的回程鏈路負(fù)荷，合理的聯(lián)合設(shè)計(jì)多用戶發(fā)送波束賦形向量就顯得極為重要。
[0003] 目前，已有一些文獻(xiàn)研宄了發(fā)送波束賦形向量的設(shè)計(jì)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》一文中研宄了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作傳輸時(shí)的聯(lián)合基站分簇和波束賦形問題，采用了具 有波束向量結(jié)構(gòu)罰值的效用函數(shù)來保證設(shè)計(jì)的用戶波束向量具有組稀疏性。但是該方法追 求最大化系統(tǒng)中所有用戶的和速率，并沒有考慮到每個(gè)用戶的QoS需求。J. Zhao在IEEE Trans. Wirel. Commun.，2013,12 (6) :2762-2775 ((Coordinated multipoint transmission with limited backhaul data transfer》一文中研宄了多點(diǎn)協(xié)作傳輸時(shí)的聯(lián)合發(fā)送波束賦 形問題，采用了加權(quán)1-范數(shù)近似方法求解最小化的協(xié)作天線數(shù)目。但是該方法假設(shè)系統(tǒng)可 以滿足所有用戶的QoS需求。
[0004] 此外，現(xiàn)有分布式波束賦形方法都沒有考慮到用戶與各天線單元之間的距離差異 會(huì)引起接收信號出現(xiàn)時(shí)間異步現(xiàn)象，導(dǎo)致方法的實(shí)用性較差。本發(fā)明針對分布式天線系統(tǒng) 中的接收信號時(shí)間異步問題，提出了發(fā)送波束賦形設(shè)計(jì)方法，能夠在有效保證用戶QoS需 求的同時(shí)降低系統(tǒng)的回程鏈路負(fù)荷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種適用于時(shí)間異步環(huán)境下的分布式波束賦形方法，通過 聯(lián)合發(fā)送波束賦形向量設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)保證用戶的QoS需求和降低系統(tǒng)的回程鏈路負(fù)荷。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵在于首先利用分段線性近似方法計(jì)算用戶接收SINR的下 界；然后利用凸優(yōu)化理論對優(yōu)化問題進(jìn)行松弛、求解，并逐步移除系統(tǒng)中的不可行用戶；最 后利用權(quán)重因子迭代的方法構(gòu)造具有組稀疏性的發(fā)送波束向量。一種適用于時(shí)間異步環(huán)境 下的分布式波束賦形方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟包括如下：
[0007] (1)在當(dāng)前分布式天線系統(tǒng)中構(gòu)建每個(gè)用戶的時(shí)間異步接收信號，對所有時(shí)間異 步接收信號均采用分段線性方法得到每個(gè)用戶的近似時(shí)間異步接收信號后，根據(jù)得到的近 似時(shí)間異步接收信號計(jì)算每個(gè)用戶近似時(shí)間異步接收信號的SINR下界；構(gòu)造當(dāng)前分布式 天線系統(tǒng)回程鏈路負(fù)荷最小化的目標(biāo)函數(shù)，并對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行凸松弛得到凸目標(biāo)函數(shù)；
[0008] (2)根據(jù)每個(gè)用戶近似時(shí)間異步接收信號的SINR下界得到每個(gè)用戶的QoS約束， 對每個(gè)用戶的QoS約束分別引入輔助變量，對凸目標(biāo)函數(shù)引入與輔助變量相對應(yīng)的罰項(xiàng)；
[0009] (3)以引入輔助變量后的每個(gè)用戶的QoS約束和天線發(fā)射功率為約束條件，采用 凸優(yōu)化理論求解引入罰項(xiàng)后的凸目標(biāo)函數(shù)得到引入罰項(xiàng)后的波束向量矩陣；
[0010] (4)根據(jù)引入罰項(xiàng)后的的波束向量矩陣計(jì)算每個(gè)用戶近似時(shí)間異步接收信號的 SINR下界值，并根據(jù)SINR下界值計(jì)算每個(gè)用戶的滿意度值；
[0011] (5)根據(jù)每個(gè)用戶的滿意度值判斷當(dāng)前分布式天線系統(tǒng)中用戶是否全部可行，若 當(dāng)前分布式天線系統(tǒng)中用戶全部可行，執(zhí)行步驟（6);否則，移除系統(tǒng)中滿意度值最小的用 戶，更新分布式天線系統(tǒng)，轉(zhuǎn)入步驟（1);
[0012] (6)對凸目標(biāo)函數(shù)引入權(quán)重因子，得到加權(quán)功率最小化的目標(biāo)函數(shù)；
[0013] (7)以每個(gè)用戶的QoS約束和天線發(fā)射功率為約束條件，采用凸優(yōu)化理論求解加 權(quán)功率最小化的目標(biāo)函數(shù)值和功率加權(quán)后的波束向量矩陣，根據(jù)加權(quán)功率最小化的目標(biāo)函 數(shù)值計(jì)算得到加權(quán)功率最小化目標(biāo)函數(shù)的相對值；根據(jù)功率加權(quán)后的波束向量矩陣計(jì)算分 布式天線單元對每個(gè)用戶的波束賦形向量；
[0014] (8)比較加權(quán)功率最小化目標(biāo)函數(shù)的相對值與收斂門限的大小，若加權(quán)功率最小 化目標(biāo)函數(shù)的相對值大于收斂門限，根據(jù)分布式天線單元對每個(gè)用戶的波束賦形向量更新 權(quán)重因子，轉(zhuǎn)入步驟（6);否則，將該分布式天線單元對每個(gè)用戶的的波束賦形向量作為最 終的分布式天線單元的波束賦形向量。
[0015] 其中，所述的步驟（1)中在當(dāng)前分布式天線系統(tǒng)中構(gòu)建每個(gè)用戶的時(shí)間異步接收 信號，對所有時(shí)間異步接收信號均采用分段線性方法得到每個(gè)用戶的近似時(shí)間異步接收信 號后，根據(jù)得到的近似時(shí)間異步接收信號計(jì)算每個(gè)用戶近似時(shí)間異步接收信號的SINR下 界，具體包括步驟：
[0016] (101)在當(dāng)前分布式天線系統(tǒng)中構(gòu)建每個(gè)用戶的時(shí)間異步接收信號；
[0017] (102)利用分段線性函數(shù)近似升余弦脈沖成型濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)，得到?jīng)_擊 響應(yīng)函數(shù)的分段線性近似表達(dá)式；
[0018] (103)利用得到的分段線性近似表達(dá)式推導(dǎo)每個(gè)用戶的近似時(shí)間異步接收信號， 并計(jì)算每個(gè)用戶近似時(shí)間異步接收信號的SINR下界。
[0019] 其中，所述的步驟（103)具體包括：
[0020] (201)根據(jù)沖擊響應(yīng)函數(shù)的分段線性近似表達(dá)式計(jì)算每個(gè)用戶的近似時(shí)間異步接 收信號的表達(dá)式；
[0022] 其中，yk(m)表示第k個(gè)用戶接收到第m個(gè)符號所對應(yīng)的近似時(shí)間異步信號，S tm 表示第k個(gè)用戶的第m個(gè)有用符號，N表示分布式天線系統(tǒng)中的分布式天線單元數(shù)，K表示 分布式天線系統(tǒng)中的用戶數(shù)，hf"表示從第n個(gè)分布式天線單元到第k個(gè)用戶的信道衰落 向量的共軛轉(zhuǎn)置，Wtn表示第n個(gè)分布式天線單元對第k個(gè)用戶的波束向量，L ^表示考慮 引起碼間干擾的沖擊響應(yīng)函數(shù)旁瓣數(shù)，I tn表示電磁信號從第n個(gè)分布式天線單元傳輸?shù)?第k個(gè)用戶所經(jīng)歷的相對單位時(shí)延，1；表示分布式天線系統(tǒng)中用戶有用信號的符號周期， g' n(lTs)表示在沖擊響應(yīng)函數(shù)的第1個(gè)零點(diǎn)處對應(yīng)相對單位時(shí)延為I ^的分段線性近似 線段的斜率值，Zk(m)表示第k個(gè)用戶接收到第m個(gè)符號時(shí)的信道加性高斯白噪聲；
[0023] (202)根據(jù)每個(gè)用戶的近似時(shí)間異步接收信號的表達(dá)式計(jì)算每個(gè)用戶近似接收時(shí) 間異步信號的SINR表達(dá)式；
[0025] 其中，yk表示第k個(gè)用戶近似時(shí)間異步接收信號的SINR，表示由于時(shí)間異 步導(dǎo)致在沖擊響應(yīng)函數(shù)主瓣中心造成的從第n個(gè)天線單元到第k個(gè)用戶的信道衰落向量， ISIk表示用戶k自身的碼間串?dāng)_，IH ^表示用戶j對用戶k造成的同頻干擾，〇 2表示無 線信道高斯白噪聲的方差；
[0026] (203)對SINR表達(dá)式的分子求最小值，分母求最大值，得到SINR下界表達(dá)式；
[0028] 其中，/1?表示第k個(gè)用戶的近似時(shí)間異步接收信號的SINR下界，Wk表示由所有 分布式天線單元對第k個(gè)用戶的波束向量組成的矩陣，hk表示由所有分布式天線單元到第 k個(gè)用戶的信道衰落向量組成的向量，Tr( ?)表示取矩陣的跡，Piu表示由于時(shí)間異步導(dǎo) 致在沖擊響應(yīng)函數(shù)第1個(gè)零點(diǎn)處造成的所有分布式天線單元到第k個(gè)用戶的信道衰落向量 的模值上界。
[0030] 其中，< 表示第k個(gè)用戶要求的最小傳輸速率，K表示分布式天線系統(tǒng)中的用戶 數(shù)，Ak表示為第k個(gè)用戶服務(wù)的分布式天線單元集合，I ? I表示集合的基數(shù)，wk，n表示第n 個(gè)分布式天線單元對第k個(gè)用戶的波束向量。
[0031] 其中，所述的步驟（1)中對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行凸松弛得到凸目標(biāo)函數(shù)，具體為：采用 1-范數(shù)凸包絡(luò)形式對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行松弛，得到凸目標(biāo)函數(shù)。
[0033] 其中，<表示第k個(gè)用戶要求的最小傳輸速率，wtn表示第n個(gè)分布式天線單元對 第k個(gè)用戶的波束向量，><"表示從第n個(gè)分布式天線單元到第k個(gè)用戶的波束向量的共軛 轉(zhuǎn)置，N表示分布式天線系統(tǒng)中的分布式天線單元數(shù)，K表示分布式天線系統(tǒng)中的用戶數(shù)。
[0034] 其中，步驟⑵中根據(jù)每個(gè)用戶近似時(shí)間異步接收信號的SINR下界建立QoS約束 中Qos約束表達(dá)式為：r!°w > n°，w，
[0035] 其中，M