[发明专利]一种基于3D‑MIMO系统带噪信道系数的角度域稀疏波束成形算法

摘要

本发明属于通信技术领域，具体为一种基于3D‑MIMO系统带噪信道系数的角度域稀疏波束成形算法。本发明针对单小区MU‑MIMO下行信道系统，将3D波束成形问题建模为最小化基站发射功率的优化模型；然后将原问题通过角度域变换转换为角度域上的等价优化问题；再利用3D‑MIMO信道的角度域稀疏特性，在波束成形优化问题中添加角度域预编码的范数惩罚项，使得到的角度域预编码满足一定的稀疏性，更加逼近真实的最优角度域预编码的解，从而使系统性能得到提升；最后，把该优化问题通过变量替换转换为二阶锥规划问题，再用凸优化工具求解。仿真结果表明本发明方法在较大信道噪声误差场景下的系统性能明显优于非鲁棒波束成形算法。

主权项

一种基于3D‑MIMO系统带噪信道系数的角度域稀疏波束成形算法，其特征在于具体步骤为：针对单小区MU‑MIMO下行信道系统，将3D波束成形问题建模为最小化基站发射功率的优化模型；然后将原问题通过角度域变换转换为角度域上的等价优化问题；再利用3D‑MIMO信道的角度域稀疏特性，在波束成形优化问题中添加角度域预编码的范数惩罚项，使得到的角度域预编码满足一定的稀疏性，更加逼近真实的最优角度域预编码的解；最后，把该优化问题通过变量替换转换为二阶锥规划问题，再用凸优化工具求解；所述将3D波束成形问题建模为最小化基站发射功率的优化模型，具体过程为：考虑由一个基站和K个用户构成的单小区MU‑MIMO下行通信系统，基站离地面高度为hBS，装备有面阵天线，其水平天线阵元数目为Nh，阵元间距为dh；垂直天线阵元数目为Nv，阵元间距为dv；用户离基站的最小水平距离为Rmin，小区半径为Rmax，用户均匀分布在小区范围内；假设每个用户的高度均为hUE，并且只配备有单根天线；考虑对于第k个用户的下行信道，假设共有L条传播路径，第l条路径的水平和垂直离开角分别为和定义垂直维度和水平维度的角度投影分别为和其中dv和dh分别为面阵天线阵列的垂直和水平阵元间距，λ为载波波长；θ∈[0,π/2]表示俯仰角，φ∈[0,π]表示方位角；于是用户k的信道系数表示为：Hk=βk,0ev(Ωvk,0)eh(Ωhk,0)T+Σl=1L-1βk,lev(Ωvk,l)eh(Ωhk,l)T∈CNv×Nh---(1)]]>其中，βk,0和βk,l分别为视距路径和非视距路径的路径损耗因子，βk,0与基站到用户的距离dk有关；ev(Ωv)和eh(Ωh)分别为均匀面阵天线阵列的垂直和水平导向矢量，其表达式如下：ev(Ωv)=1Nv[1,e-j2πΩv,...,e-j2π(Nv-1)Ωv]T,]]>eh(Ωh)=1Nh[1,e-j2πΩh,...,e-j2π(Nh-1)Ωh]T---(2)]]>在考虑的3D‑MIMO场景中，假设主要的传播路径是直视路径(LOS)，即βk,0＞＞βk,l，其中l≥1；于是信道系数写为：进一步将信道系数改写成向量形式，表达式如下：hk=vec(Hk)=βk,0eh(Ωhk,0)⊗ev(Ωvk,0)---(4)]]>其中，vec(A)表示由矩阵A中的各个列向量依次拼接而成的向量，代表克罗内特积运算符号；对于下行传输场景，所有用户同时接收到基站发出的信号，用户k接收到的信号为：其中，为用户k的波束成形预编码向量，xi是用户k的发送信号，满足nk为噪声并假设其服从复高斯分布于是，用户接收信号的信干噪比(SINR)表示为：SINRk=|hkHwk|2Σi=1,i≠kK|hkHwk|2+σk2---(6)]]>用于表征波束成形预编码性能的指标是小区用户和速率，即各个用户的传输速率之和，与各个用户的SINR相关，其表达式如下：Rsum=Σk=1Klog2(1+SINRk)---(7)]]>在保证每个用户的信干噪比门限的前提下，建立最小化基站的总发射功率的波束成形优化模型，优化问题如下：minwkΣk=1K||wk||2]]>其中，γk为用户k的SINR门限。