本發(fā)明屬于無線通信，具體涉及一種基于非理想校準去蜂窩mmimo系統(tǒng)的下行波束方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，作為協(xié)同多點合作通信的一種衍生技術(shù)，去蜂窩大規(guī)模mimo技術(shù)得到了廣泛研究。一方面，去蜂窩網(wǎng)絡(luò)摒棄了蜂窩架構(gòu)中的小區(qū)概念，通過將大量接入點ap部署在用戶周圍，極大地縮短了ap與用戶之間的通信距離，降低了信號傳播的路徑損耗，還避免了劃分小區(qū)引起的小區(qū)間干擾和越區(qū)切換。另一方面，由于大規(guī)模mimo技術(shù)的引入，通過在ap配置多根天線或天線陣列，為整個系統(tǒng)提供了更高的宏分集增益，此外，隨著天線數(shù)的增加，信道硬化和有利傳播效應(yīng)也更加顯著，在這種情況下，去蜂窩大規(guī)模mimo系統(tǒng)即使采用比較簡單的信號接收方案也能獲得較高的通信容量和較好的服務(wù)質(zhì)量。

2、在無線通信中，信道狀態(tài)信息對于整個通信過程是十分重要的，其決定了信號檢測與接收質(zhì)量的好與壞。一般的，上行信道信息可通過信道估計方法進行估計，如信道盲估計和基于導頻發(fā)送估計，利用時分雙工模式的信道互易特性，下行信道信息可由上行信道估計直接給出，因而當前關(guān)于去蜂窩大規(guī)模mimo系統(tǒng)的研究都假定了其工作在時分雙工模式下，以減少信道估計操作。然而，ap和用戶端的收發(fā)射頻鏈路均為兩個獨立的電路，由于電路熱噪聲的隨機影響引起的收發(fā)器頻率響應(yīng)隨機波動，使得信道互易性在實際系統(tǒng)中不能成立，上下行信道不能被認為完全相等。盡管現(xiàn)有的一些互易性校準方法可以改善上述問題，但是現(xiàn)有校準方法嚴重依賴信道估計的特性導致在校準過程中依然存在殘余誤差，造成上下行信道失配，進而降低下行波束設(shè)計精準度，引起下行通信速率嚴重下降。在此背景下，本發(fā)明提出了一種基于非理想校準去蜂窩mmimo系統(tǒng)的下行波束方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種基于非理想校準去蜂窩mmimo系統(tǒng)的下行波束方法，在考慮由非理想校準過程引起的殘余誤差的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計下行波束序列以減少校準誤差的影響，提高下行速率。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：基于非理想校準去蜂窩mmimo系統(tǒng)的下行波束方法，包括以下步驟：

3、步驟1、基于非理想校準條件下的去蜂窩大規(guī)模mimo系統(tǒng)，考慮上下行信道互易性校準過程中存在誤差，給出上下行信道之間的函數(shù)關(guān)系；

4、步驟2、基于所述函數(shù)關(guān)系和萊斯衰落信道模型，給出下行階段用戶接收的數(shù)據(jù)表達式，并推導出下行速率表達式；

5、步驟3、基于下行速率表達式，以下行和速率為目標函數(shù)，提出ap具有功率約束的下行和速率最大化問題；

6、步驟4、利用拉格朗日對偶變換方法對原始優(yōu)化問題進行重構(gòu)，然后使用放縮式交替方向乘子法對重構(gòu)問題進行迭代求解，進而輸出最優(yōu)下行波束序列。

7、進一步的，步驟1中，所述上下行信道之間的函數(shù)關(guān)系為：

8、，

9、，

10、其中，表示第個ap和第個用戶之間的下行信道序列，表示第個ap與第個用戶之間的上行信道序列，表示第個用戶的頻率響應(yīng)失配系數(shù)，表示校準的第個用戶的頻率響應(yīng)失配系數(shù)，表示第個用戶的頻率響應(yīng)失配系數(shù)的校準誤差，表示第個ap的頻率響應(yīng)失配系數(shù)矩陣，表示校準的第個ap的頻率響應(yīng)失配系數(shù)矩陣，表示第個ap的頻率響應(yīng)失配系數(shù)的校準誤差矩陣。

11、進一步的，經(jīng)過上行信道估計過程，上行信道包含上行信道估計和估計誤差兩部分，此時下行信道表示為

12、

13、其中，表示第個ap和第個用戶之間的上行信道估計序列，表示第個ap和第個用戶之間的上行信道估計誤差序列，表示第個ap和第個用戶之間的下行信道估計序列，表示第個ap和第個用戶之間的下行信道估計誤差序列。

14、進一步的，步驟2中，用戶在下行階段接收到的數(shù)據(jù)的表達式為：

15、

16、其中，表示ap總個數(shù)，表示用戶總個數(shù)，表示歸一化下行數(shù)據(jù)傳輸信噪比，表示第個ap與第個用戶之間的下行波束序列，表示第個ap與第個用戶之間的下行波束序列，表示第個用戶的數(shù)據(jù)符號，其滿足且，表示第個用戶的數(shù)據(jù)符號，表示第個用戶接收的加性復(fù)高斯隨機噪聲，其均值為0，方差為1，表示第個ap和第個用戶之間的下行信道估計序列，表示第個ap和第個用戶之間的下行信道估計誤差序列，表示共軛轉(zhuǎn)置運算，表示共軛運算，表示求期望運算。

17、步驟2中，所推導的第個用戶的下行速率表達式為：

18、

19、

20、其中，表示第個用戶的信干噪比，表示所有ap與第個用戶之間的下行信道估計序列，表示所有ap與第個用戶之間的下行波束序列，表示所有ap與第個用戶之間的下行波束序列，矩陣，

21、表示所有ap與第個用戶之間的下行信道估計誤差序列，矩陣，表示所有ap與第個用戶之間的下行信道估計誤差序列，表示轉(zhuǎn)置運算。

22、進一步的，步驟3中，所述下行和速率最大化問題表示為：

23、

24、其中，表示歐幾里得范數(shù)平方。

25、進一步的，步驟4中，利用拉格朗日對偶變換方法將目標函數(shù)重構(gòu)為：

26、

27、

28、其中，和表示引入的輔助變量序列。

29、步驟4中，所述的重構(gòu)問題表示為：

30、

31、。

32、進一步的，步驟4中，利用一階條件和放縮式交替方向乘子法對所述優(yōu)化問題進行迭代求解，具體步驟如下：

33、步驟4-1、基于一階條件，令目標函數(shù)分別關(guān)于和的一階偏導函數(shù)等于0，得到

34、，

35、其中，和分別表示在每次迭代中和的最優(yōu)解，

36、步驟4-2、基于放縮式交替方向乘子法，重構(gòu)問題的拉格朗日增廣函數(shù)可表示為：

37、

38、

39、其中，表示ap功率約束的指示函數(shù)，表示的輔助變量序列，?表示縮放的對偶變量序列，表示懲罰因子，

40、步驟4-3、在第次迭代中，對于給定值和，基于一階條件，令函數(shù)關(guān)于的一階偏導函數(shù)等于0，所有ap與第個用戶之間的下行波束序列在第次迭代中的表達式表示為

41、

42、其中，

43、，表示維度為的單位矩陣，為每個ap的天線數(shù)，

44、步驟4-4、給定和，基于kkt條件解決如下子問題

45、

46、得到在第次迭代中的表達式為

47、

48、其中，，

49、步驟4-5、給定和，對偶變量在第次迭代中的表達式更新為

50、

51、步驟4-6、重復(fù)步驟4-1至4-5，直至下行和速率收斂，結(jié)束循環(huán)并輸出下行波束最優(yōu)方案，即，指第個ap與第個用戶之間的最優(yōu)波束序列。

52、一種電子設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在所述存儲器上并可在所述處理器上運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現(xiàn)所述的基于非理想校準去蜂窩mmimo系統(tǒng)的下行波束方法。

53、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達到的有益效果：

54、（1）當前大部分現(xiàn)有工作都假定了完美的信道互易性，本發(fā)明則考慮了不完美信道互易性及非理想校準引起的殘余誤差，其對于無線通信系統(tǒng)實際設(shè)計是不可忽略地性能影響因素，從而使得本發(fā)明更具現(xiàn)實意義；

55、（2）本發(fā)明在非理想校準去蜂窩大規(guī)模mimo系統(tǒng)基礎(chǔ)上，首次結(jié)合了拉格朗日對偶轉(zhuǎn)換法與放縮式交替方向乘子法對此類系統(tǒng)進行下行波束序列設(shè)計，降低了校準誤差導致的性能損失程度，解決了現(xiàn)有大部分工作未解決的技術(shù)性問題；

56、（3）本發(fā)明計算復(fù)雜度較低，所需迭代次數(shù)少，收斂速度快，因而具有較高的可實施性。