基于信道估计误差网络鲁棒性波束成形设计方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103825643 A (43)申请公布日 2014.05.28 CN 103825643 A (21)申请号 201410042884.7 (22)申请日 2014.01.27 H04B 7/06(2006.01) (71)申请人 西安电子科技大学 地址 710071 陕西省西安市太白路 2 号 (72)发明人 李建东 董全 赵林靖 陈睿 闫继垒 李钊 黄金晶 刘伟 盛敏 李红艳 (54) 发明名称 基于信道估计误差网络鲁棒性波束成形设计 方法 (57) 摘要 本发明公开了一种基于信道估计误差网络 鲁棒性波束成形设计方法， 主要解决了有用信道 和干扰信道同时存在不确。

2、定性模型难以求解的 问题， 其具体过程为 ： (1) 初始化所要设计用户的 波束向量相关矩阵 Q1， 构建速率最大的优化目标 方程 ； (2) 将目标方程转化为分步迭代的子问题 ； (3)对每个子问题进行求解 ； (4)循环(2)-(3)， 直 到得到最优相关矩阵 Q1(5) 对最优的 Q1采用秩 1 分解， 得到最优的波束向量 v1。本发明能够自适 应信道状态误差， 有效地提升用户的速率， 本发明 可用于在信道估计误差和干扰同时存在的情况下 发送端鲁棒性波束成形的设计， 也可用于在信道 状态有估计误差情况下多用户多输入单输出系统 (MISO) 鲁棒性波束设计。 (51)Int.Cl. 权利要。

3、求书 3 页 说明书 6 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书6页 附图4页 (10)申请公布号 CN 103825643 A CN 103825643 A 1/3 页 2 1. 基于信道估计误差网络鲁棒性波束成形设计方法， 包括如下步骤 ： (1) 初始化所要设计用户发送端波束向量相关矩阵 Q1， 通过信令交互获取干扰端波束 向量 vl(l 2， L)， 令 Ql=vlvlH， 其中 ()H表示哈密顿转置，表示复数域 中维度为 Ml1 的向量， Ml为第 l 个干扰端的发送天线数， 初始化 =0 ； (2) 构建收端最大化速率目。

4、标方程 其中P为设计用户的发送功率，为等效信道的估计值， 满足为信道 的真实状态， 2为噪声功率， e 为估计误差，表示矩阵的迹， | 指范数， 为估 计误差半径 ； (3) 令 =+1， 计算 其中， (4) 利用上一步得到的 ()， 计算如果 得到最优的 Q1， 退出循环， 否则， 更新 Q1， 执行 (3) ； (5) 获得最优的 Q1， 采用矩阵的秩 1 分解， 得到输出 v1。 2. 根据权利要求 1 所述的鲁棒性波束成形设计方法， 其中步骤 (3) 所计算的分式最优 值 ， 按如下步骤构造 ： (2a) 初始化 e， t， 令 n 1， 其中 t 为一个大于 0 的较小值 ； (2。

5、b) 记计算 F 的梯度 其中 (2c)采用次梯度方法计算e， 令(n)为第n步的迭代步长， PEz 为向量 z 在凸集上的投影， 取值为 权 利 要 求 书 CN 103825643 A 2 2/3 页 3 (2d) 更新 F(n+1)， 如果 |F(n+1)-F(n)| t(| 表示绝对值 )， 退出循环， 得到 ， 否则， 更 新 e， 令 n=n+1， 执行 (2c)。 3. 根据权利要求 1 所述的鲁棒性波束成形设计方法， 其中步骤 (4) 所求解的最大最小 值方程， 按如下步骤计算 ： (3a) 初始化发送端预编码相关矩阵 Q1， 初始化 ， 令 =0， 其中 为任意大于 0 的较。

6、 小值 ； (3b) 根据信赖域子问题方法求解 其中 vec() 表示向量化操作， Re 表示取实部 ； (3c) 计算 J(Q1， e) 的梯度令 (3d) 采用次梯度法计算 其中 PQA 表示矩阵 A 在凸集上的投影， Q0 表示 Q 为半正定 矩阵， ()为第步的迭代步长， 可以通过求解下面最小的欧几里德空间距离目标方程获 得， 通过 KKT 条件可得， 表示拉格朗日乘子， 可以通过如下方法获得， 采用特征值分解， 可得 A 与 PQA 具有相同的特征向量与 采用二分法可以获得一个合适的 ， 使为了满足 PQA?0 的条件， 令 (3e)更新如果|J(+1)-J()|， 跳出循环， 得到。

7、权利要求1步 骤 (3) 最优的 Q1， 否则， 更新 Q1， 令 =+1， 执行 (3b)。 权 利 要 求 书 CN 103825643 A 3 3/3 页 4 4. 根据权利要求 1 所述的鲁棒性波束成形设计方法， 其中步骤 (5) 所采用的矩阵的秩 1 分解， 按如下步骤构造 ： 1) 令计算任意一个秩 1 分解 2) 令 t 1， 循环下列操作， 直到 t T-1 3)For j=t+1， T 5)t=qt； 6)Else 7) 令 l t+1， T， 选择 使得令 8)End 9)If t=T-l t ql； 10)End 11)t=t+1 循环终止， 辅出 权 利 要 求 书 C。

8、N 103825643 A 4 1/6 页 5 基于信道估计误差网络鲁棒性波束成形设计方法 技术领域 0001 本发明属于通信技术领域， 涉及无线发送端波束成形的设计， 具体应用于在信道 估计误差和干扰同时存在的情况下发送端鲁棒性波束成形的设计， 也可用于在信道状态有 估计误差情况下多用户的多输入单输出系统 (MISO) 鲁棒性波束设计。 背景技术 0002 在无线系统通信中， 由于无线信道时变的特性以及信道状态大尺度与小尺度衰落 的存在， 用户接收端要获得准确的信道状态信息较为困难， 因而， 用户所获得信道状态信息 是有一定的误差的， 通常这种误差可以用估计误差半径来度量。在信道状态信息存在。

9、估计 误差的情况下， 从最大化用户速率的角度， 传统非鲁棒性波束很难满足现实需求。 0003 在现有的一些鲁棒性设计方法中， 部分文献考虑的是窄带多输入多辅出系统 (MIMO) 的鲁棒性预编码设计， 这种模型考虑的是点对点通信鲁棒性预编码的实现， 问题建 模不存在信道估计误差同时存在目标函数分子和分母的情况。这样的模型求解相对容易， 但是这种模型不能满足多个发送对同时传辅的需要。在现有的鲁棒性波束成形设计方法 中， 有的是基于满足用户 QoS， 最小化发送功率的设计， 这种设计可以节省一定的功耗， 但不 能满足用户某些业务最大化速率的需求。已有文献在信道状态误差条件下对信噪比建模 时， 从收端。

10、接收的干扰相关矩阵误差进行考虑， 这种处理方法在计算与信号处理上带来便 利， 但是使得传输信道的估计误差与干扰相关矩阵误差无法统一去度量， 因而， 问题建模的 参数设定和获取比较困难， 并且不能直观反映出信道的误差状况。 另一方面， 从算法设计上 来说， 考虑到信噪比模型中分子分母的信道误差同时存在， 问题模型是一个分式的非凸问 题， 求解较为困难， 目前还没有较为有效的方法， 使得问题模型快速求解。 此外， 如果算法收 敛较慢， 很难满足状态变化较快的信道特性， 从而不能满足现实的信道模型的需求。 0004 本发明方法直接从信道状态误差考虑， 对有用信道与干扰信道误差统一建模， 并 假设所有。

11、信道的信道估计误差服从同一分布并且在较长时间间隔内信道误差具有相同的 误差水平。 本发明方法对于分式的优化目标进行变换， 转化为迭代求解的子问题进行求解， 本发明方法能以超线性收敛速率收敛到速率最优解。 0005 发明的内容 0006 本发明的目的在于克服上述已有技术应用模型与设计方法的不足， 提供一种在信 道估计误差网络下鲁棒性波束成形的设计方法， 能够有效的适应信道误差， 提升有用信号 的信噪比和速率， 并且能够快速求解， 满足现实信道状态时变的需求。 0007 实现本发明的技术思路是 ： 由于波束向量在原方程中较难处理， 在求解过程中先 对波束向量的相关矩阵进行求解。由于 log 是单调。

12、的， 将 log 移去并不影响原目标变量的 值， 因而， 移去 log 后问题就变成了分式的目标方程。通过对最大最小化目标方程进行处 理， 分解为可以求解的子问题进行循环迭代求解， 对于上述方法所带来的内循环的子目标 方程， 通过次梯度和信赖域方法进行求解， 从而获得原目标方程的全局最优解， 然后再通过 矩阵的秩 1 分解， 获得发送端的最佳波束向量。其具体步骤包括如下 ： 说 明 书 CN 103825643 A 5 2/6 页 6 0008 (1) 初始化所要设计用户发送端波束向量的相关矩阵 Q1， 通过信令交互获取干扰 端波束向量 vl(l=2， L)， 令 Ql=vlvlH， 其中 (。

13、)H表示哈密顿转置，表示复 数域中维度为 Ml1 的向量， Ml为第 l 个干扰端的发送天线数， 初始化 =0 ； 0009 (2) 构建收端最大化速率目标方程 0010 0011 其中 P 为用户的发送功率，为等效信道的估计值， 满足h 为信道 的真实状态， 2为噪声功率， e 为估计误差，表示矩阵 的迹， | 指范数， 为估 计误差半径 ； 0012 (3) 令 =+1， 计算 0013 0014 其中， 0015 (4) 利 用 上 一 步 得 到 的 ()，计 算如 果 得到蕞优的 Q1， 退出循环， 否则， 更新 Q1， 执行 (3) ； 0016 (5) 获得最优的 Q1， 采用矩。

14、阵的秩 1 分解， 得到输出 v1。 0017 本发明方法在设计鲁棒性波束时， 将有用信道与干扰信道的估计误差统一建模， 在信道误差服从同一误差水平时为模型的建立带来便利， 通过对非凸的分式模型处理， 变 成可求解的子问题迭代求解， 本发明方法能够以超线性的收敛速度快速收敛到全局最优 值。 在上述方法所带来的内循环中， 通过非常有效的方法获得其子目标的最优解， 仿真结果 表明， 本方法具有较快的收敛速率， 在信道估计误差较大时， 具有较好的鲁棒性。 0018 本发明的目的、 实施方式可通过以下附图说明详细说明 ： 附图说明 0019 图 1 是干扰与信道误差并存的无线网络场景示意图 ； 002。

15、0 图 2 是本发明方法的流程示意图 ； 0021 图 3 为本发明方法在不同发送功率下所获得的信噪比与迭代次数的关系 ； 0022 图 4 为本发明方法在不同发送功率下所获得的速率与非鲁棒性波束所获得的速 率的比较 ； 0023 图 5 为本发明方法在不同信道估计误差半径 下所获得的速率与非鲁棒性波束 所获得的速率的比较。 说 明 书 CN 103825643 A 6 3/6 页 7 具体实施方式 0024 以下参照附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。 0025 参照图1， 本发明所用的场景是信道状态误差和干扰同时的网络。 网络节点同时传 输数据， 假定用户可以获得其他用户的发送端的权值。

16、向量。将所设计的用户对命名为设计 用户， 其余则称干扰用户。1 对设计用户和 L-1 对干扰用户在同时传输数据， 其中 h1是设计 用户发端到设计用户收端的信道状态， h1(l=2， L) 为第 l 个干扰用户到设计用户的信 道状态。第 l 个用户有 Ml根发送天线， 发送端的波束向量为 vl。本发明假设发送端天线和 接收端天线之间的无线信道 h 是平坦衰落信道。并且， 各个信道之间是相互独立的。 0026 参照图 2， 本发明基于信道估计误差网络鲁棒性波束成形设计方法步骤如下 ： 0027 步骤 1， 初始化设计用户发送端波束向量的相关矩阵 Q1， 通过信令交互获取干扰端 波束向量 vl(l。

17、=2， L)， 令其中 ()H表示哈密顿转置，表示复 数域中维度为 Ml1 的向量， Ml为第 l 个干扰端的发送天线数， 初始化 =0。 0028 步骤 2， 构建收端最大化速率目标方程 0029 0030 其中 P 为用户的发送功率，为等效信道的估计值， 满足h 为信道 的真实状态， 2为噪声功率， e 为估计误差，表示矩阵 的迹， | 指范数， 为估 计误差半径， ()H表示哈密顿转置。 0031 步骤 3， 令 =+1， 计算 0032 0033 其中， 0034 3.1、 初始化 e， t， 令 n=1， 其中 t 为一个大于 0 的较小值 ； 0035 3.2、 记计算 F 的梯度。

18、 说 明 书 CN 103825643 A 7 4/6 页 8 0036 0037 其中 0038 313、 采用次梯度方法计算 e， 令(n)为第 n 步的迭代步长， PEz 为向量 z 在凸集上的投影， 取值为 0039 3.4、 更新 F(n+1)， 如果 |F(n+1)-F(n)| t(| 表示绝对值 )， 退出循环， 得到最优的 ， 否则， 更新 e， 令 n=n+1， 执行 3.3。 0040 步 骤 4，利 用 上 一 步 得 到 的 (），计 算如 果 得到最优的 Q1， 退出循环， 否则， 更新 Q1， 执行步骤 3 ； 0041 4.1、 初始化发送端预编码相关矩阵 Q1，。

19、 初始化 ， 令 =0， 其中 为一个大于 0 的较小值 ； 0042 4.2、 采用信赖域子问题方法求解 0043 0044 其中 0045 0046 vec() 表示向量化操作， Re 表示取实部 ； 0047 4.3、 计算 J(Q1， e) 的梯度令 0048 0049 4.4、 采用次梯度法计算 0050 0051 其中 PQA 表示矩阵 A 在凸集上的投影， Q0 表示 Q 为半 正定矩阵， ()为第 步的迭代步长， 可以通过求解最小的欧几里德空间距离获得 0052 0053 通过 KKT 条件可得， 表示拉格朗日乘子， 可以通过如下方法获 说 明 书 CN 103825643 A。

20、 8 5/6 页 9 得， 采用特征值分解， 可得 A 与 PQA 具有相同的特征向量与 采用二分法可以获得一个合适的 ， 使为了满足 PQA?0 的条件， 令 0054 4.5、 更新 J如果 |J(+1)-J()| ， 跳出循环， 得到最优的 Q1， 否则， 令 =+1， 继续迭代， 执行 4.2。 0055 步骤 5， 获得最优的 Q1， 采用矩阵的秩 1 分解， 得到输出 v1。 0056 5.1、 令计算任意一个秩 1 分解 0057 5.2、 令 t 1， 循环下列操作， 直到 t T-1 0058 5.3、 For j=t+1， T 0059 5.4、 0060 5.5、 t=q。

21、t； 0061 5.6、 Else 0062 5.7、 令 l t+1， T， 选择 使得令 0063 0064 5.8、 End 0065 5.9、 If t=T-1 0066 t ql； 0067 5.10、 End 0068 5.11、 t=t+1 ； 0069 5.12、 循环终止， 输出 0070 本发明的效果可以通过以下仿真结果进一步说明 ： 0071 1. 仿真条件 ： 3 对用户同时传辅， 用户间传输会带来干扰， 在有信道估计误差的情 况下， 设计第一个发端的鲁棒性波束。每个发送端配有 2 根天线， 仿真所采用的等效信道估 计值为 h1 1.11131.9107， h2=0.8。

22、5311.2886， h3=1.24731.9799， 其中 =0.5。 0072 2. 仿真内容 ： 在信道有估计误差状态下， 本发明方法的收敛性 ； 在信道有估计误 差状态下鲁棒性波束与非鲁棒性波束可达速率比较 ； 鲁棒性波束和非鲁棒性波束在信道误 差变化时可达速率比较。 0073 3. 仿真结果 ： 图 3 所示的是本发明方法在不同发送功率条件下收敛性示意图。本 发明方法以能以超线性的收敛速率快速收敛到全局最优值， 从仿真结果可以看出， 本发明 方法在低功率情况下， 只需要 1 步迭代就可以收敛， 在发送功率为 30W 时仅需要迭代 4 次就 可以收敛， 本发明方法的快速收敛性， 能够满。

23、足状态变化较快的信道。 0074 图 4 所示的是基于本发明的鲁棒性波束与非鲁棒性波束在发送功率变化的情况 说 明 书 CN 103825643 A 9 6/6 页 10 下所得到的可达速率对比。非鲁棒性波束所得到的速率分别在信道估计误差半径为 0， 0.5 和 0.7 做了仿真。考虑不同的信道误差的值， 令信道误差平均分布在凸集 Ee 之上。从仿 真图可以看出， 在非鲁棒性波束下， 用户可达的速率在均值上基本一致， 而鲁棒性波束在信 道误差情况下， 可以获得相对较高的速率， 并且， 误差半径越大越能体现本发明方法的鲁棒 性。 0075 图 5 所示的是在信道状态误差的变化下， 鲁棒性波束与非。

24、鲁棒性波束所获得用户 可达速率的比较。图中非鲁棒性基线指的是不考虑信道状态误差情况下得到的用户速率。 在信道状态误差半径较小时， 鲁棒性波束与非鲁棒性波束所获的速率差值较小， 当误差半 径逐渐增大时， 鲁棒性波束能够得到较高的速率， 这是因为， 误差半径越大， 鲁棒性波束可 选的波束方向越多， 从而使用户所获得较高的速率。 说 明 书 CN 103825643 A 10 1/4 页 11 图 1 说 明 书 附 图 CN 103825643 A 11 2/4 页 12 图 2 说 明 书 附 图 CN 103825643 A 12 3/4 页 13 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103825643 A 13 4/4 页 14 图 5 说 明 书 附 图 CN 103825643 A 14 。