[发明专利]基于ADMM的单组多播单流系统预编码矩阵设计的方法

说明书

本发明提供一种基于ADMM单组多播单流系统下的预编码矩阵设计的方法，实现步骤为：设置单组多播单流系统参数；构建单组多播单流系统的数学模型；对单组多播单流系统的数学模型进行重建；定义基于重建模型的增广拉格朗日函数；利用交替方向乘子法ADMM对增广拉格朗日函数进行求解；获取单组多播单流系统预编码矩阵。本发明将以最小化传输功率为目标函数的单组多播单流系统的数学模型的问题求解转换成凸优化问题求解，基于ADMM得到的预编码矩阵对发射信号进行处理，较大程度降低发射信号的传输功率，有效提高物理层多播系统的频谱效率和能量效率。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种单组多播单流系统预编码矩阵设计的方法，具体涉及一种基于ADMM的单组多播单流系统预编码矩阵设计的方法，可用于移动电视、热点推送等场景的内容分发。

背景技术

随着现代无线通信技术和无线业务的不断发展，无线通信技术领域中用户数目以及服务需求迅猛增长。然而，无线通信技术中可用的频谱资源却非常有限。用户服务需求与频谱资源之间日益突出的矛盾，促使人们研究和发展高频谱利用率的传输技术。在这种背景下，无线物理层多播系统应运而生。

无线物理层多播系统是一种提高无线网络内容分发效率的有效途径。无线物理层多播系统包含一个基站和多个多播组，由基站向不同多播组传递无线信号，根据多播组的个数，物理层多播可细分为单组多播和多组多播。在单组多播中，所有用户都接收相同的信息。此外，根据多播系统中独立数据流的个数，物理层多播也可以分为单流多播和多流多播。单组多播单流系统包含一个基站和一个多播组，多播组内有多个用户，又因为是单流多播系统所以多播组内的用户都接收相同的信息。信息从发送端发射出去到被接收的过程中，一般会经历衰落特性十分复杂的无线信道，无线信道指的是从发射天线到接收天线的空间信道，用复数可以同时表示信道的衰减和时延，所以有关信道的变量通常是用复数描述。因为设计预编码矩阵要考虑信道的衰减和时延对发射信号的影响，所以预编码矩阵也属于复数域矩阵。为了降低发射信号的传输功率，进而提高物理层多播系统的频谱效率和能量效率，发送端需要通过预编码矩阵对发射信号进行波束成形处理。因此，如何通过设计单组多播单流系统的预编码矩阵对发射信号进行处理，从而尽可能降低发射信号的传输功率，是物理层单组多播传输方式设计中的关键。

目前，现有的面向多播的预编码矩阵设计的方法在总体上还远不如传统面向单播的预编码矩阵设计的方法成熟。具体来说，多播预编码矩阵设计问题通常是NP难(NP-hard)的，已有的算法计算复杂度普遍较高，可扩展性差。随着网络的密集化部署和大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output:MIMO)技术的发展，无线通信系统的规模也在不断增加，未来的无线通信系统需要为大量设备提供大容量和多样化的数据服务，这些设备不仅包括人类使用的移动智能终端，还包括专用的机器类型设备。由此可见，大规模是未来无线通信系统的一个重要特征，这些系统可能包含上百根发射天线和用户终端。然而，现有的多播预编码矩阵设计的方法通常是非凸的二次约束二次规划(QuadraticallyConstrained Quadratic Programming:QCQP)问题，其最优解很难获得。一种经典的方法是采用半正定松弛(Semi-Definite Relaxation:SDR)技术将原始的非凸QCQP问题松弛为凸的半正定规划(Semi-Definite Programming:SDP)问题。通过求解松弛后的SDP问题，可以获得原问题最优目标函数的一个上界或下界。然而，基于SDR的方法抬升了优化变量的维度，使得问题的计算复杂度增加，而且随着多播组内用户数目的增加，其性能下降非常严重的计算复杂度普遍较高，难以扩展到大规模的无线通信系统。因此，设计降低发射信号的传输功率的预编码矩阵，实现多播预编码在大规模无线系统中的应用，是十分有必要的。