一种基于剪枝搜索的两天线多播波束赋形方法

摘要

本发明公开了一种基于剪枝搜索的两天线多播波束赋形方法，特征是将两发送天线情形下的最大化多播传输速率问题的求解转化为针对单瓶颈用户、两瓶颈用户和三瓶颈用户三种假设情形的搜索，并采用线性代数方法直接进行闭式计算，同时在搜索过程中通过持续压缩最优解区间以辅助排除非瓶颈用户，实现低复杂度剪枝搜索。与现有的SDR随机化方法相比，本发明方法不仅可以获得更高的多播传输速率，同时还具有更低的运算复杂度，适合用户数较多的多播场景，便于在诸如802.11n、TD-HSPA+、TD-LTE及TD-LTE-Advanced等新一代宽带无线和移动通信系统中实施。

主权项

1.一种基于剪枝搜索的两天线多播波束赋形方法，设基站配置2根发送天线，多播用户组含K个用户，且用户k配置N_k根接收天线，对应的信道矩阵并在基站端已知，波束赋形向量w∈￡²；其特征在于：将原最大化多播传输速率问题的求解转化为对多播用户组中性能瓶颈用户的搜索与计算，并在搜索过程中通过持续压缩最优解区间以辅助排除非瓶颈用户；具体操作步骤为：第一步：参数初始化，依次包含以下步骤：(11)令多播用户集合为S＝{1，2，L，K}，初始化最优解区间，令其上界为UB＝-∞，下界为LB＝+∞；(1.2)依次从多播用户集合S中选择用户k＝1，...，K，令其信道自相关矩阵为依椭圆空间向量计算式计算与该用户对应的椭圆空间向量g_k，其中(·)^*，(·)^T分别表示共轭转置和转置操作，Re(·)，Im(·)分别表示取实部和取虚部操作；(1.3)依次从多播用户集合S中选择用户k＝1，...，K，依信道范数计算式计算与该用户对应的信道范数h_k，其中||·||_F表示弗罗贝尼乌斯范数；第二步：单瓶颈用户搜索与计算，依次包含以下步骤：(2.1)依单瓶颈用户选择式计算并从多播用户集合S中选择出候选用户i；(2.2)计算候选用户i对应的候选向量并依单用户信噪比计算式λ＝h_i+||g_i||计算该用户瓶颈信噪比λ；(2.3)依最差用户信噪比计算式计算多播用户组中的最小信噪比snr_；(2.4)判断信噪比关系式λ≤snr_是否成立，若该式成立，则输出最优候选向量x_opt＝x及最优瓶颈信噪比λ_opt＝λ，并转至第五步；若该式不成立，则分别更新最优解区间的上界UB＝λ和下界LB＝snr_，转至第三步；第三步：两瓶颈用户搜索与计算，依次包含以下步骤：(3.1)依次从多播用户集合S中选取两瓶颈候选用户组合(i，j)，i≠j，针对该用户组合构造两用户椭圆空间矩阵G_ij＝[g_ig_j]以及两用户信道范数向量h_ij＝[h_ih_j]^T；(3.2)依两用户二阶多项式系数计算式计算二阶多项式系数a，依两用户一阶多项式系数计算式计算一阶多项式系数b，依两用户 常系数计算式计算常系数c，其中(·)^-1表示矩阵求逆操作，1表示元素全为1的列向量；(3.3)判断多项式系数关系式b²-ac＜0是否成立，若该式成立，则转至步骤(3.9)；(3.4)依两用户信噪比计算式计算该用户组合的瓶颈信噪比λ，并根据两用户向量加权系数计算式计算与两用户椭圆空间向量g_i，g_j分别对应的加权系数α，β；(3.5)判断两用户综合逻辑关系式是否成立，若该式成立，则转至步骤(3.9)；(3.6)按照两用户候选向量计算式x＝αg_i+βg_j计算候选向量x，并且更新最优解区间的上界UB＝λ；(3.7)依最差用户信噪比计算式计算多播用户组中的最小信噪比snr_；(3.8)判断信噪比关系式λ≤snr_是否成立，若该式成立，则输出最优候选向量x_opt＝x及最优瓶颈信噪比λ_opt＝λ，并转至第五步；若该式不成立，则按最大化下界计算式LB＝max(LB，snr_)更新最优解区间的下界LB；(3.9)判断已搜索用户组合数是否达到两用户组合最大值若该条件成立，则转至第四步，否则转至步骤(3.1)重复上述步骤；第四步：三瓶颈用户搜索与计算，依次包含以下步骤：(4.1)依次从多播用户集合S中选取三瓶颈候选用户组合(i，j，k)，i≠j≠k，针对该用户组合构造三用户椭圆空间矩阵G_ijk＝[g_ig_jg_k]以及三用户信道范数向量h_ijk＝[h_ih_jh_k]^T；(4.2)依三用户二阶多项式系数计算式计算二阶多项式系数a，依三用户一阶多项式系数计算式计算一阶多项式系数b，依三用户常系数计算式计算常系数c；(4.3)判断多项式系数关系式b²-ac＜0是否成立，若该式成立，则转至步骤(4.8)；(4.4)按照三用户信噪比计算式计算该用户组合的瓶颈信噪比λ，并根据三用户向量加权系数计算式计算与三用户椭圆空间向量g_i，g_j，g_k分别对应的加权系数α，β，γ；(4.5)判断三用户综合逻辑关系式sign(α)＝sign(β)＝sign(γ)&λ∈[LB，UB]是否成立，若该式不成立，则转至步骤(4.8)；(4.6)按照三用户候选向量计算式x＝αg_i+βg_j+γg_k计算候选向量x，并依最差用户信噪比计算式计算多播用户组中的最小信噪比snr_；(4.7)判断加权系数符号关系式α＞0&β＞0&γ＞0是否成立，若该式成立，则继续判断信噪比关系式λ≤snr_是否成立，若信噪比关系式成立，则输出最优候选向量x_opt＝x及最优瓶颈信噪比λ_opt＝λ，转至第5步；若信噪比关系式不成立，则更新上界UB＝λ；若加权系数符号关系式不成立且信噪比关系式成立，则更新下界LB＝λ并记录对应的可行候选向量x_rcd＝x及可行瓶颈信噪比λ_rcd＝λ；若加权系数符号关系式不成立且信噪比关系式亦不成立，则若最小信噪比满足关系式snr_≥LB，更新下界LB＝snr_；(4.8)判断已搜索用户组合数是否达到三用户组合最大值若该条件成立，则输出最优候选向量x_opt＝x及最优瓶颈信噪比λ_opt＝λ，否则转至步骤(4.1)重复上述步骤；第五步：计算并输出最优波束赋形向量，即根据已获取的最优候选向量x_opt，依最优候选向量计算式x_opt＝[cos(2θ_opt)sin(2θ_opt)cos(φ_opt)sin(2θ_opt)sin(φ_opt)]^T计算两个角度参数θ_opt，φ_opt，再依最优波束赋形向量计算式计算并输出最优波束赋形向量w_opt。