異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作多點(diǎn)魯棒性波束成形設(shè)計(jì)

石 盼， 鮑 慧， 史 輝， 呂凜杰 ， 李 慧

(1. 國網(wǎng)冀北電力有限公司 技能培訓(xùn)中心， 河北 保定 071051;2. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 河北 保定 071003)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)作多點(diǎn)魯棒性波束成形設(shè)計(jì)

石 盼1， 鮑 慧2， 史 輝1， 呂凜杰1， 李 慧1

(1. 國網(wǎng)冀北電力有限公司 技能培訓(xùn)中心， 河北 保定 071051;2. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 河北 保定 071003)

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以極大提高第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能，但是不同的低功率節(jié)點(diǎn)卻使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中小區(qū)間的干擾變得更加復(fù)雜，已有的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)已經(jīng)不是解決此類干擾問題的最優(yōu)方法。將協(xié)作多點(diǎn)(CoMP)傳輸技術(shù)引入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以消除不同小區(qū)間的干擾，但是,由于基站間的回程鏈路存在開銷時(shí)延以及信道的估計(jì)、量化過程均存在誤差，干擾消除效果變差。為了減小3種非理想因素對(duì)干擾消除的影響，考慮了信道估計(jì)誤差、量化誤差和基站間協(xié)作開銷時(shí)延，設(shè)計(jì)了收發(fā)聯(lián)合的魯棒性波束成形。通過Matlab仿真結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的塊對(duì)角化波束成形算法，該算法更好地消除了小區(qū)間干擾，系統(tǒng)的吞吐量和誤碼率性能得到明顯改善。

異構(gòu)網(wǎng)； 協(xié)作多點(diǎn)； 魯棒性； 波束成形

0 引 言

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[1]是第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其可以提高小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量和小區(qū)覆蓋范圍，然而多種網(wǎng)絡(luò)形式的疊加使得小區(qū)間干擾變得更加復(fù)雜。協(xié)作多點(diǎn)(CoMP)傳輸技術(shù)[2]結(jié)合波束成形可以消除小區(qū)間干擾，但是一些非理想因素，例如信道估計(jì)誤差、量化誤差和協(xié)作基站間開銷時(shí)延[3]都將影響波束成形的設(shè)計(jì)。波束成形的設(shè)計(jì)偏差將大大影響小區(qū)間干擾消除的效果。

傳統(tǒng)的波束成形算法，例如迫零波束成形算法[4]、塊對(duì)角化波束成形算法[5]均需要在完整信道狀態(tài)信息下才能消除小區(qū)間的干擾。文獻(xiàn)[6]中提出了一種基于最大化信噪比的波束成形算法，其主要是利用接收端的SINR最大化進(jìn)而提高吞吐量，但此算法只能應(yīng)用于單個(gè)小區(qū)。文獻(xiàn)[7]中設(shè)計(jì)了一種發(fā)射端最小信漏噪比的波束成形算法，此算法也是在完整信道狀態(tài)信息條件下提出的，然而在實(shí)際中，基站往往獲得的是非完整信道狀態(tài)信息。文獻(xiàn)[8]中只是單純地分析了信道估計(jì)誤差對(duì)波束成形設(shè)計(jì)的影響?？傊?，過去的波束成形設(shè)計(jì)都忽略了非理想因素的影響，但在實(shí)際的場景，非理想因素將嚴(yán)重影響干擾消除的效果。

本文根據(jù)實(shí)際的場景，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，當(dāng)用戶端配置多根天線時(shí)，利用協(xié)作多點(diǎn)傳輸技術(shù)來消除小區(qū)間的干擾。通過聯(lián)合考慮信道估計(jì)誤差、信道量化誤差和基站間開銷時(shí)延，設(shè)計(jì)一種基于最小均方誤差(MMSE)的魯棒性波束成形。通過所設(shè)計(jì)的魯棒性波束成形，能夠很好地抑制非理想因素對(duì)干擾消除效果的影響。

1 系統(tǒng)模型

考慮一個(gè)CoMP傳輸模式下的雙層下行異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，主要分析小區(qū)與小區(qū)間的干擾，圖1為異構(gòu)網(wǎng)干擾框架圖。假設(shè)有1個(gè)宏蜂窩基站和L個(gè)微蜂窩基站共同為K個(gè)用戶提供服務(wù)。基站端的發(fā)射天線數(shù)為M，用戶端的接收天線數(shù)目為N。本文主要分析處于微小區(qū)中的K個(gè)用戶對(duì)，通過設(shè)計(jì)魯棒性波束成形，進(jìn)而提高系統(tǒng)的性能。

圖1 異構(gòu)網(wǎng)干擾框架圖

當(dāng)服務(wù)基站為用戶k發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，用戶k所接收到的信號(hào)為

(1)

(2)

1.1 信道估計(jì)誤差

接收端在收到發(fā)射端的導(dǎo)頻序列后要對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)，然而在進(jìn)行信道估計(jì)的過程中會(huì)產(chǎn)生信道估計(jì)誤差，這樣反饋回基站的信道狀態(tài)信息將不再是完整的。根據(jù)文獻(xiàn)[10]可以得到估計(jì)的信道矩陣為

(3)

其中,τ=βρ-α,β>0,α≥0，ρ是信噪比。τ被認(rèn)為是評(píng)價(jià)估計(jì)信道質(zhì)量的參數(shù)，其能通過信道的動(dòng)態(tài)性和信道估計(jì)方案獲得。

(4)

1.2 信道量化誤差

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

在采用CoMP方案時(shí)，由于基站間的回程鏈路存在開銷時(shí)延[14]，信道狀態(tài)信息不能及時(shí)共享，波束成形的設(shè)計(jì)受到影響。本文采用獨(dú)立同分布的衰落塊時(shí)延模型，假設(shè)第j個(gè)基站所發(fā)射的衰落塊的時(shí)間長度為Tj，那么Tj-Dj則為協(xié)作基站的協(xié)作時(shí)間長度，其中Dj為兩基站間的回程鏈路開銷時(shí)延。圖2為開銷時(shí)延圖，可知協(xié)作基站處于開銷階段時(shí)不進(jìn)行協(xié)作，只有處于協(xié)作階段時(shí)才進(jìn)行協(xié)作。

圖2 開銷時(shí)延框架圖

假設(shè)協(xié)作基站的集合為S*，處于協(xié)作階段的協(xié)作基站集合為S，BSj代表基站j，并且假設(shè)協(xié)作基站處于協(xié)作階段的概率為ζj，則對(duì)于整個(gè)協(xié)作基站集合來講，總的概率分布[15]為

(10)

2 基于MMSE的魯棒性波束成形設(shè)計(jì)

(11)

(12)

當(dāng)考慮信道估計(jì)誤差后，將式(4)代入式(12)得:

（3）校局合作模式中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用和管理。公安系統(tǒng)中的校局合作，是警察高校與公安機(jī)關(guān)聯(lián)動(dòng)合作、優(yōu)勢互補(bǔ)、互利共贏的一種工作創(chuàng)新模式。其合作的內(nèi)容體系極為廣泛。單從實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)的角度看，這種校局合作模式的應(yīng)用和管理，應(yīng)注重以下幾方面：一是聘請(qǐng)公安機(jī)關(guān)的業(yè)務(wù)專家、精英來校講學(xué)。二是學(xué)校為合作單位提供智力支持和理論指導(dǎo)。三是合作單位為學(xué)校提供實(shí)踐、實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。四是在合作單位建立實(shí)習(xí)、教研、科研基地。五是聯(lián)合攻關(guān)，聯(lián)合開發(fā)，破疑解難，全面發(fā)展。

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引理1

(14)

(15)

(16)

式中,

考慮到信道量化誤差和協(xié)作基站開銷時(shí)延，將式(9)和(10)代入式(16)可得:

(17)

同理，根據(jù)基于信號(hào)泄露的MMSE方法便可求得波束成形矩陣，當(dāng)微基站發(fā)射功率受限時(shí)，可以定義:

(18)

通過考慮信道估計(jì)誤差、量化誤差和協(xié)作開銷時(shí)延，同求Gk類似，化簡可得:

(19)

式中，

通過考慮非理想因素的影響，在微基站發(fā)射功率受限的情況下，可以得到基于MMSE的迭代算法，最終求解得到最優(yōu)的均衡矩陣和波束成形矩陣，方法總結(jié)如下：① 隨機(jī)初始化波束成形矩陣F1,F2,…,FK。② 固定波束成形矩陣，根據(jù)式(17)最優(yōu)化線性均衡矩陣G1,G2,…,GK。③ 固定線性均衡矩陣，根據(jù)式(19)最優(yōu)化波束成形矩陣F1,F2,…,FK。④ 從步驟②開始重復(fù)直到FK收斂于門限值。

3 仿真結(jié)果及分析

通過Matlab仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的波束成形在考慮非理想因素后，對(duì)于消除異構(gòu)網(wǎng)中小區(qū)間干擾的魯棒性。圖3為誤碼率隨著發(fā)射端信噪比的變化關(guān)系，通過對(duì)比傳統(tǒng)的塊對(duì)角化波束成形和所設(shè)計(jì)魯棒性波束成形，可以看到隨著信噪比的增加，在兩種算法下，系統(tǒng)的誤碼率都有所降低。但是,當(dāng)采用所設(shè)計(jì)的魯棒性波束成形時(shí)，系統(tǒng)的誤碼率明顯低于塊對(duì)角化波束成形，這就證明了考慮非理想因素的條件下，所設(shè)計(jì)魯棒性波束成形具有更好的消除小區(qū)間干擾能力。圖4為發(fā)射天線為6，接收天線為2時(shí)，用戶的吞吐量隨著發(fā)射端信噪比的變化曲線圖?？梢钥吹?，當(dāng)采用所設(shè)計(jì)的魯棒性波束成形時(shí)，用戶的吞吐量明顯高于采用塊對(duì)角化波束成形算法，并且在高信噪比時(shí)，兩種算法的差距越大，這也進(jìn)一步證明了魯棒性波束成形算法消除小區(qū)間干擾的有效性。所以通過兩種不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的對(duì)比，充分證明了本文所設(shè)計(jì)的魯棒性波束成形能夠抑制非理想因素對(duì)小區(qū)間干擾消除效果的不利影響。

圖3 系統(tǒng)誤碼率和信噪比關(guān)系圖

圖4 用戶吞吐量和信噪比關(guān)系圖

4 結(jié) 語

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中采用協(xié)作多點(diǎn)傳輸技術(shù)，當(dāng)考慮信道估計(jì)誤差、信道量化誤差和基站間開銷時(shí)延非理想因素下，本文設(shè)計(jì)了一種基于MMSE的魯棒性波束成形。通過仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的波束成形要比傳統(tǒng)的塊對(duì)角化波束成形在干擾消除方面具有更好的性能，有效地抑制了非理想因素的不利影響。

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Coordinated Multi-point Robust Beamforming Design in Heterogeneous Networks

SHIPan1,BAOHui2，SHIHui1,LüLinjie1,LIHui1

(1. Skill Training Center, State Grid Jibei Electric Power Company, Baoding 071051, Hebei， China; 2. College of Electronics and Communication Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei， China)

Heterogeneous networks can improve the performance of the fifth generation mobile communication system greatly, but the introduced different low power nodes make the interference of the whole networks more complex, the existed interference coordinated technology has not solve this kind interference problems. Coordinated multi-point (CoMP) transmission technology in heterogeneous networks can eliminate the interference between different cells, however, because of the overhead delay in backhaul link, the channel estimation error and quantization error, the interference cancelation effect may be affected. In order to reduce the influence of this three kinds of non-ideal factors, according to the channel estimation error, quantization error and overhead delay between base stations, we design a transceiver combined robust beamforming algorithm. The Matlab simulation results show that compared to the traditional block diagonalization beamforming, the proposed algorithm can eliminate the inter-cell interference better, and the system throughput and bit error rate can improved significantly.

heterogeneous networks; coordinated multi-point(CoMP); robustness; beamforming

2016-05-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61501185；61302105); 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(13MS67)

石 盼(1989-)，男，河北保定人，講師，研究方向?yàn)闊o線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

Tel.:15200088802; E-mail:757242366@qq.com

TN 802

A

1006-7167(2017)02-0010-04