基于收发机损耗的下行链路波束成形方法及其系统

摘要

本发明公开了一种基于收发机损耗的下行链路波束成形方法及其系统，实现方法是，首先在发射机损耗模型和接收机损耗模型基础上建立两个优化问题：最小化最差用户的均方误差或者最小化用户均方误差之和；然后利用二阶锥规划和交替迭代算法来解决优化问题，从而获得发射端最佳波束成形矩阵和接收端最佳权衡系数。该方法相对于传统收发机理想的波束成形方法而言，极大地减小收发机损耗对系统性能的影响，进而显著提高系统性能。

主权项

一种基于收发机损耗的下行链路波束成形方法，其特征在于，步骤一，根据硬件系统射频端指标数据，建立发射机损耗模型和接收机损耗模型，具体内容是：发射机损耗模型η(p_t)和接收机损耗模型ν(p_r)；η(p_t)表示以p_t为自变量的函数，其中p_t表示射频端发射信号的幅值，其具体表达式为$\eta \left(p_t\right)=\frac{k_1}{100}{p}_t(1+{\left(\frac{p_t}{k_2}\right)}^4)\left[\sqrt{mW}\right],$其中k1和k2是模型参数，依据硬件系统射频端指标确定；mW是指milliwatt即毫瓦，表示功率单位；ν(p_r)表示以p_r为自变量的函数，其中p_r表示射频端接收信号的幅值，其具体表达式为系数k₃/100为硬件系统射频端指标数据值；步骤二，初始化接收端权衡系数和波束成形矩阵，具体内容为：初始化接收端权衡系数得到接收端权衡系数的初始赋值ε为任意复数；初始化波束矩阵使得波束矩阵的初始赋值为W_i＝[w_i,1,…，w_i,K]，其中w_i,j＝C^Nt×1；i为小区编号，j为用户编号，Nt表示基站发射天线数，C表示复数，w_i,j＝C^Nt×1即是表示Nt维的复数向量，N为协作小区数量，K为每个小区内用户数量；n表示迭代次数，初始值为0；为表示第i小区j用户的接收机权衡系数；为表示第i个小区基站的波束成形矩阵，$W_i^{\left(n\right)}=[w_{i,1},...,w_{i,K}],$其中$w_{i,j}=C^{Nt\times 1}$表示基站i对用户j的波束向量；步骤三，根据初始化权衡系数和波束成形矩阵，计算最差用户均方误差值，或计算所有用户的均方误差总和值，具体过程为：将初始化后的接收端权衡系数和波束矩阵代入MSE计算公式$\begin{array}{c}{\mathrm{MSE}}_{i,j}={\left|u_{i,j}^{\left(n\right)}\right|}^2\underset{m=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{h}_{m,i,j}^H{w}_{m,k}{w}_{m,k}^H{h}_{m,i,j}+{\left|u_{i,j}^{\left(n\right)}\right|}^2\underset{m=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{n_t=1}{\overset{N_t}{\Sigma }}{h}_{m,i,j}^H{T}_{n_t}{h}_{m,i,j}{t}_{m,n_t}^2+\\ {\left|u_{i,j}^{\left(n\right)}\right|}^2\left(r_{i,j}^2+{\sigma }^2\right)-u_{i,j}^{{\left(n\right)}^{*}}{h}_{i,i,j}^H{w}_{i,k}-w_{i,j}^H{h}_{i,i,j}{u}_{i,j}^{\left(n\right)}+1\end{array}$计算得从而得到辅助变量τ⁽ⁿ⁾的初始值τ⁽⁰⁾＝max MSE_i,j；表示{MSE_1,1,…，MSE_1,K,…,MSE_N,1,…,MSE_N,K},MSE_i,j表示第i小区第j用户的均方误差；表述的模；表示的共轭；h_m,i,j表示基站m对小区i中用户j的信道系数；表示h_m,i,j的共轭转置；w_m,k表示基站m对用户k的波束向量；为w_m,k的共轭转置；w_m,k与的关系为$W_i^{\left(n\right)}=[w_{i,1},...,w_{i,K}];$σ²表示噪声的功率；n_t为天线编号，每个基站有N_t根天线；是对角阵并且在该对角阵对角线上第n_t个元素为1，其余位置为0，用于取出第n_t根天线的发射幅度；表示基站m的第n_t根天线的发射机损伤变量，这一步计算MSE初始值中令其中表示发射信号的幅度，||·||_F表示取F范数；r_i,j表示小区i中用户j的接收机损耗变量，这一步计算MSE初始值中令$r_{i,j}=v\left(\sqrt{\underset{m=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left|\right|h_{m,i,j}^H{W}_m^{\left(n\right)}|{|}_F^2}\right);$步骤四，固定接收端权衡系数，根据最优化算法，最小化最差用户均方误差值，或最小化所有用户的均方误差总和值，其过程具体为：给定利用二阶锥规划优化算法获得最佳波束矩阵和优化指标τ⁽ⁿ⁺¹⁾，求解优化方程P1：$\begin{array}{c}\begin{array}{cc}\underset{w_i^{(n+1)},t_{i,n_t},r_{i,j}}{\min }& {\tau }^{(n+1)}\end{array}\\ \begin{array}{cc}s.t.& t_{i,n_t}\ge 0,r_{i,j}\ge 0,\forall i,j,n_t\end{array}\\ tr\left(W_i^{(n+1)H}{Q}_{i,k}{W}_i^{(n+1)}\right)+\underset{n_t}{\Sigma }tr\left(Q_{i,k}{T}_{n_t}\right)t_{i,n_t}^2\le q_{i,k},\forall i,k\\ {\mathrm{MSE}}_{i,j}\le {\tau }^{(n+1)},\forall i,j\\ \eta \left(\right|\left|T_{n_t}{W}_m^{(n+1)}\right|{|}_F)\le t_{m,n_t},\forall m,n_t\\ v\left(\sqrt{\underset{m=1}{\overset{N}{\Sigma }}\left|\right|h_{m,i,j}^H{W}_m^{(n+1)}|{|}_F^2}\right)\le r_{i,j},\forall i,j\end{array}---\left(P1\right)$其中，表示的共轭转置；是半正定矩阵且L_i表示约束条件数，当系统采用总功率限制时，则L_i＝1；当系统采用每根天线功率限制时，则Q_i,k表示第i个小区基站的功率限制条件，且第k个对角线元素非零，即Q_i,k＝T_k，L_i＝N_t，其中k＝1,…,L_i；q_i,k表示基站i的第k个功率约束；表示基站i的第n_t根天线的发射机损伤变量，引入的目的是使发射机损耗约束条件变成凸条件；r_i,j表示小区i中用户j的接收机损耗变量，引入的目的是使接收机损耗约束条件变成凸条件；步骤五，根据优化前后的均方误差值判断是否满足迭代终止条件，从而更新最佳接收端权衡系数；最后输出优化后的接收机权衡系数和波束成形矩阵，具体过程为：如果|τ⁽ⁿ⁺¹⁾‑τ⁽ⁿ⁾|≥δ，则令n＝n+1，将代入式右边，更新最佳接收端权衡系数，获得并转步骤(3)；否则输出波束矩阵和即为优化结果；其中，δ表述算法迭代收敛的精度；B_i,j为辅助变量，$B_{i,j}=\underset{m=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{h}_{m,i,j}^H{w}_{m,k}{w}_{m,k}^H{h}_{m,i,j}+\underset{m}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{n_t}{\overset{N_t}{\Sigma }}{h}_{m,i,j}^H{T}_{n_t}{h}_{m,i,j}{t}_{m,n_t}^2+r_{i,j}^2+{\sigma }^2.$