多小区MIMO干扰信道中的鲁棒收发机设计方法技术

本发明专利技术提供一种多小区MIMO干扰信道中的鲁棒收发机设计方法，包括步骤1：设置多小区MIMO干扰信道的运行模式；步骤2：定义单个用户或接收机的信干噪比，计算第k个用户或接收机的信干噪比；步骤3：分析信道统计误差对信干噪比的影响，推导出相互独立的接收波束成形向量；步骤4：信道存在统计误差情况下，引入松弛变量，把非凸的信干噪比优化问题转化成二阶锥规划问题，利用凸优化算法求解鲁棒的发送波束成形向量问题；步骤5：通过交替优化方法得到鲁棒的波束成形向量。本发明专利技术对统计误差具有较强鲁棒性，每个接收机仅使用部分CSI获得相互独立的波束成形向量，降低了反馈开销，并保证了误比特率性能。

【技术实现步骤摘要】
多小区MIMO干扰信道中的鲁棒收发机设计方法
本专利技术涉及的是一种无线通信
的方法，具体是一种多小区MIMO干扰信道中的鲁棒收发机设计方法。
技术介绍
近年来，随着无线通信技术的飞速发展，无线通信大业务量、高速率和高频谱效率的要求日益迫切。在未来无线通信系统中，发射机均采用全频率复用，使得多小区多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)系统中的小区间干扰更为复杂。作为抑制多小区MIMO系统中小区间干扰的关键技术，多个基站协作的收发机联合设计方法成为研究热点之一。在多小区MIMO干扰信道中，联合收发机设计的目标是优化某个特定的系统效用函数。一类重要的联合收发机设计方案是基于SINR的优化方案，包括和速率最大化、用户公平策略等。经过对现有技术的检索，M.Codreanu，A.Tolli等人2007年在IEEETrans.SignalProcess上发表的名称为“JointdesignofTx-RxbeamformersinMIMOdownlinkchannel(MIMO下行信道中的联合收发机波束成形设计)”一文中把和速率最大化作为优化目标。和速率最大化方法把更多的资源用于信道情况好的用户能获得较高的系统容量，但是牺牲了用户的公平性。Y.-F.Liu，Y.-H.Dai，Z.-Q.Luo等人2013年在IEEETrans.SignalProcess上发表的“Max-minfairnesslineartranceiverdesignproblemforamulti-userMIMOinterferencechannel(多用户MIMO干扰信道中最大-最小公平性线性收发机设计问题)”一文中把基于用户公平性的最大-最小信干噪比优化问题作为优化目标。R.Mochaourab，P.CaoandE.Jorswieck等人2014年在IEEESignalProcess.Letters上发表了“AlternatingrateprofileoptimizationinsinglestreamMIMOinterferencechannels(单流MIMO干扰信道中的交替速率优化)”一文中提出在单流MIMO信道中采用交替优化的方式实现max-minSINR优化。但是，实际系统中，信道估计误差不可避免，发射机和接收机都很难获得理想的信道状态信息(ChannelStateInformation，CSI)，鲁棒的波束成形算法设计是实际场景中获得有效增益的一个关键因素。在MIMO干扰信道中，SINR信号与干扰加噪声比(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio)依赖于发射机和接收机两方面的策略，与MISO信道相比，其耦合性更强，表达式更复杂，因此MISO情况下已有的方案不能直接扩展到MIMO场景中。E.Chiu，V.K.N.Lau，H.Huang等人2010年在IEEETrans.WirelessCommun上发表的“RobusttransceiverdesignforK-pairsquasi-staticMIMOinterferencechannelsviasemi-definiterelaxation(K对准静态的MIMO干扰信道中由半正定松弛实现的鲁棒收发机设计)”一文中考虑存在有界误差情况下SINR公平性优化问题，通过半正定松弛提出了鲁棒的波束成形算法；该算法要求CSI误差完全限定在有界的误差的误差界上。有界误差模型通常用来刻画系统在最坏情况的性能；而分析误差对系统平均性能的影响通常采用统计误差模型。S.M.Razavi，andT.Ratnarajah等人2014年在IEEETrans.Veh.Tech.发表的“PerformanceanalysisofinterferencealignmentunderCSImismatch(干扰对齐在CSI不匹配情况下的性能分析)”一文中分析了MIMO信道中统计误差对干扰对齐方法性能的影响；S.M.Razavi，andT.Ratnarajah等人2014年在IEEEICASSP上发表的“PerformanceanalysisofMax-SINRalgorithmunderCSImismatch(最大化信干噪比算法在CSI不匹配情况下的性能分析)”一文中分析了统计误差对最大化SINR(Max-SINR)算法的影响。
技术实现思路
本专利技术在现有技术基础上，提出一种多小区MIMO干扰信道的鲁棒收发机设计方法。根据本专利技术提供的多小区MIMO干扰信道中的鲁棒收发机设计方法，包括以下步骤：步骤1：设置多小区MIMO干扰信道的运行模式；步骤2：定义单个用户或接收机的信干噪比，计算第k个用户或接收机的信干噪比，k为多小区内任一用户或接收机的序号；步骤3：分析信道统计误差对信干噪比的影响，基于最大化信干噪比准则推导出相互独立的接收波束成形向量；步骤4：信道存在统计误差情况下，引入松弛变量，把非凸的信干噪比优化问题转化成二阶锥规划问题，利用凸优化算法求解发射机的波束成形向量问题；步骤5：通过交替优化方法得到鲁棒的波束成形向量，所述交替优化方法是指：首先固定发送波束成形向量，获得相互独立的接收波束成形向量；然后固定接收波束成形向量，求解SOCP问题得到新的发送波束成形向量。优选地，所述步骤1包括：在多小区MIMO干扰信道中，每个小区有一个发射机并服务一个接收机，每个发射机的天线数M，K个发射机采用全频率复用进行协作，每个接收机有N个接收天线，第k个发射机的功率约束Pk，第k个发射机发送单流数据给第k个接收机，第k个接收机接收到的加性高斯白噪声向量服从零均值、协方差为的复高斯分布，其中：k＝1，...，K。优选地，所述步骤2包括：第k个接收机的信干噪比定义为式中，Hki为第i个发射机到第k个接收机的实际信道状态信息，其中：k，i＝1，...，K，k＝1，...，K，fk为第k个发射机的发送波束成形向量，fi表示第i个发射机的发送波束成形向量，uk为第k个接收机的接收波束成形向量，表示uk的共轭转置，σk表示第k个接收机接收到的加性高斯白噪声的协方差，其中：k＝1，...，K；优选地，所述步骤3包括：令||uk||2＝1，定义信道存在统计误差时第k个接收机的信干噪比为：式中，表示信道存在有界误差时第k个用户的信干噪比，表示第i个发送机到第k个接收机的信道估计矩阵，Δki表示表示第i个发送机到第k个接收机的信道统计误差矩阵，服从零均值、协方差为(η/1+η)I的复高斯分布，其中α≥0、β＞0分别为信噪比的指数、信噪比的比例因子，表示向量或矩阵的集合；根据信道估计误差的特点对SINR效用函数进行分析；各接收机根据最大化信干噪比准则，分别求得最优的接收波束成形向量。具体地说，由于发送和接收波束成形向量都是根据信道估计值构建的，与Δki无关，可以对信干噪比进行简化。简化后的SINR效用函数表示为式中，最优的接收波束成形向量为式中，优选地，所述步骤4包括：定义非凸的信干噪比优化问题是指，subjectto||fk||2≤Pk最小的SINR可进一步表示为根据柯西不等式，可知转化后的二阶锥规划问题是指：式中：a、tk、bki为引入的松弛变量，Λki与V本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多小区MIMO干扰信道中的鲁棒收发机设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：设置多小区MIMO干扰信道的运行模式；步骤2：定义单个用户或接收机的信干噪比，计算第k个用户或接收机的信干噪比，k为多小区内任一用户或接收机的序号；步骤3：分析信道统计误差对信干噪比的影响，基于最大化信干噪比准则推导出相互独立的接收波束成形向量；步骤4：信道存在统计误差情况下，引入松弛变量，把非凸的信干噪比优化问题转化成二阶锥规划问题，利用凸优化算法求解发射机的波束成形向量问题；步骤5：通过交替优化方法得到鲁棒的波束成形向量，所述交替优化方法是指：首先固定发送波束成形向量，获得相互独立的接收波束成形向量；然后固定接收波束成形向量，求解SOCP问题得到新的发送波束成形向量。

【技术特征摘要】
1.一种多小区MIMO干扰信道中的鲁棒收发机设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：设置多小区MIMO干扰信道的运行模式；步骤2：定义单个用户或接收机的信干噪比，计算第k个用户或接收机的信干噪比，k为多小区内任一用户或接收机的序号；步骤3：分析信道统计误差对信干噪比的影响，基于最大化信干噪比准则推导出相互独立的接收波束成形向量；步骤4：信道存在统计误差情况下，引入松弛变量，把非凸的信干噪比优化问题转化成二阶锥规划问题，利用凸优化算法求解发射机的波束成形向量问题；步骤5：通过交替优化方法得到鲁棒的波束成形向量，所述交替优化方法是指：首先固定发送波束成形向量，获得相互独立的接收波束成形向量；然后固定接收波束成形向量，求解SOCP问题得到新的发送波束成形向量。2.根据权利要求1所述的多小区MIMO干扰信道中的鲁棒收发机设计方法，其特征在于，所述步骤1包括：在多小区MIMO干扰信道中，每个小区有一个发射机并服务一个接收机，每个发射机的天线数M，K个发射机采用全频率复用进行协作，每个接收机有N个接收天线，第k个发射机的功率约束Pk，第k个发射机发送单流数据给第k个接收机，第k个接收机接收到的加性高斯白噪声向量服从零均值、协方差为的复高斯分布，定义信噪比为其中：k＝1，...，K。3.根据权利要求1所述的MIMO干扰信道中的鲁棒收发机设计方法，其特征在于，所述步骤2包括：第k个接收机的信干噪比定义为式中，Hki为第i个发射机到第k个接收机的实际信道状态信息，其中：k，i＝1，...，K，k＝1，...，K，fk为第k个发射机的发...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锋，李从改，徐艳丽，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海,31