異構網絡中協作多點魯棒性波束成形設計

石 盼， 鮑 慧， 史 輝， 呂凜杰 ， 李 慧

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

異構網絡中協作多點魯棒性波束成形設計

石 盼1， 鮑 慧2， 史 輝1， 呂凜杰1， 李 慧1

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

異構網絡可以極大提高第5代移動通信系統的性能，但是不同的低功率節點卻使得整個網絡中小區間的干擾變得更加復雜，已有的干擾協調技術已經不是解決此類干擾問題的最優方法。將協作多點(CoMP)傳輸技術引入異構網絡可以消除不同小區間的干擾，但是,由于基站間的回程鏈路存在開銷時延以及信道的估計、量化過程均存在誤差，干擾消除效果變差。為了減小3種非理想因素對干擾消除的影響，考慮了信道估計誤差、量化誤差和基站間協作開銷時延，設計了收發聯合的魯棒性波束成形。通過Matlab仿真結果表明，相較于傳統的塊對角化波束成形算法，該算法更好地消除了小區間干擾，系統的吞吐量和誤碼率性能得到明顯改善。

異構網； 協作多點； 魯棒性； 波束成形

0 引 言

異構網絡[1]是第5代移動通信系統的關鍵技術之一，其可以提高小區邊緣用戶的服務質量和小區覆蓋范圍，然而多種網絡形式的疊加使得小區間干擾變得更加復雜。協作多點(CoMP)傳輸技術[2]結合波束成形可以消除小區間干擾，但是一些非理想因素，例如信道估計誤差、量化誤差和協作基站間開銷時延[3]都將影響波束成形的設計。波束成形的設計偏差將大大影響小區間干擾消除的效果。

傳統的波束成形算法，例如迫零波束成形算法[4]、塊對角化波束成形算法[5]均需要在完整信道狀態信息下才能消除小區間的干擾。文獻[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最大化進而提高吞吐量，但此算法只能應用于單個小區。文獻[7]中設計了一種發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信息條件下提出的，然而在實際中，基站往往獲得的是非完整信道狀態信息。文獻[8]中只是單純地分析了信道估計誤差對波束成形設計的影響。總之，過去的波束成形設計都忽略了非理想因素的影響，但在實際的場景，非理想因素將嚴重影響干擾消除的效果。

本文根據實際的場景，在異構網絡環境中，當用戶端配置多根天線時，利用協作多點傳輸技術來消除小區間的干擾。通過聯合考慮信道估計誤差、信道量化誤差和基站間開銷時延，設計一種基于最小均方誤差(MMSE)的魯棒性波束成形。通過所設計的魯棒性波束成形，能夠很好地抑制非理想因素對干擾消除效果的影響。

1 系統模型

考慮一個CoMP傳輸模式下的雙層下行異構網絡，主要分析小區與小區間的干擾，圖1為異構網干擾框架圖。假設有1個宏蜂窩基站和L個微蜂窩基站共同為K個用戶提供服務。基站端的發射天線數為M，用戶端的接收天線數目為N。本文主要分析處于微小區中的K個用戶對，通過設計魯棒性波束成形，進而提高系統的性能。

圖1 異構網干擾框架圖

當服務基站為用戶k發送數據時，用戶k所接收到的信號為

(1)

(2)

1.1 信道估計誤差

接收端在收到發射端的導頻序列后要對信道進行估計，然而在進行信道估計的過程中會產生信道估計誤差，這樣反饋回基站的信道狀態信息將不再是完整的。根據文獻[10]可以得到估計的信道矩陣為

(3)

其中,τ=βρ-α,β>0,α≥0，ρ是信噪比。τ被認為是評價估計信道質量的參數，其能通過信道的動態性和信道估計方案獲得。

(4)

1.2 信道量化誤差

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

在采用CoMP方案時，由于基站間的回程鏈路存在開銷時延[14]，信道狀態信息不能及時共享，波束成形的設計受到影響。本文采用獨立同分布的衰落塊時延模型，假設第j個基站所發射的衰落塊的時間長度為Tj，那么Tj-Dj則為協作基站的協作時間長度，其中Dj為兩基站間的回程鏈路開銷時延。圖2為開銷時延圖，可知協作基站處于開銷階段時不進行協作，只有處于協作階段時才進行協作。

圖2 開銷時延框架圖

假設協作基站的集合為S*，處于協作階段的協作基站集合為S，BSj代表基站j，并且假設協作基站處于協作階段的概率為ζj，則對于整個協作基站集合來講，總的概率分布[15]為

(10)

2 基于MMSE的魯棒性波束成形設計

(11)

(12)

當考慮信道估計誤差后，將式(4)代入式(12)得:

（3）校局合作模式中的實驗教學應用和管理。公安系統中的校局合作，是警察高校與公安機關聯動合作、優勢互補、互利共贏的一種工作創新模式。其合作的內容體系極為廣泛。單從實驗、實訓教學的角度看，這種校局合作模式的應用和管理，應注重以下幾方面：一是聘請公安機關的業務專家、精英來校講學。二是學校為合作單位提供智力支持和理論指導。三是合作單位為學校提供實踐、實戰經驗。四是在合作單位建立實習、教研、科研基地。五是聯合攻關，聯合開發，破疑解難，全面發展。

(13)

引理1

(14)

(15)

(16)

式中,

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

(17)

同理，根據基于信號泄露的MMSE方法便可求得波束成形矩陣，當微基站發射功率受限時，可以定義:

(18)

通過考慮信道估計誤差、量化誤差和協作開銷時延，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，最終求解得到最優的均衡矩陣和波束成形矩陣，方法總結如下：① 隨機初始化波束成形矩陣F1,F2,…,FK。② 固定波束成形矩陣，根據式(17)最優化線性均衡矩陣G1,G2,…,GK。③ 固定線性均衡矩陣，根據式(19)最優化波束成形矩陣F1,F2,…,FK。④ 從步驟②開始重復直到FK收斂于門限值。

3 仿真結果及分析

通過Matlab仿真驗證所設計的波束成形在考慮非理想因素后，對于消除異構網中小區間干擾的魯棒性。圖3為誤碼率隨著發射端信噪比的變化關系，通過對比傳統的塊對角化波束成形和所設計魯棒性波束成形，可以看到隨著信噪比的增加，在兩種算法下，系統的誤碼率都有所降低。但是,當采用所設計的魯棒性波束成形時，系統的誤碼率明顯低于塊對角化波束成形，這就證明了考慮非理想因素的條件下，所設計魯棒性波束成形具有更好的消除小區間干擾能力。圖4為發射天線為6，接收天線為2時，用戶的吞吐量隨著發射端信噪比的變化曲線圖。可以看到，當采用所設計的魯棒性波束成形時，用戶的吞吐量明顯高于采用塊對角化波束成形算法，并且在高信噪比時，兩種算法的差距越大，這也進一步證明了魯棒性波束成形算法消除小區間干擾的有效性。所以通過兩種不同評價指標的對比，充分證明了本文所設計的魯棒性波束成形能夠抑制非理想因素對小區間干擾消除效果的不利影響。

圖3 系統誤碼率和信噪比關系圖

圖4 用戶吞吐量和信噪比關系圖

4 結 語

在異構網絡中采用協作多點傳輸技術，當考慮信道估計誤差、信道量化誤差和基站間開銷時延非理想因素下，本文設計了一種基于MMSE的魯棒性波束成形。通過仿真驗證了所設計的波束成形要比傳統的塊對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

國家自然科學基金項目(61501185；61302105); 中央高校基本科研業務專項基金項目(13MS67)

石 盼(1989-)，男，河北保定人，講師，研究方向為無線異構網絡。

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

TN 802

A

1006-7167(2017)02-0010-04