异构网络中协作多点鲁棒性波束成形设计

石 盼， 鲍 慧， 史 辉， 吕凛杰 ， 李 慧

(1. 国网冀北电力有限公司 技能培训中心， 河北 保定 071051;2. 华北电力大学 电气与电子工程学院， 河北 保定 071003)

异构网络中协作多点鲁棒性波束成形设计

石 盼1， 鲍 慧2， 史 辉1， 吕凛杰1， 李 慧1

(1. 国网冀北电力有限公司 技能培训中心， 河北 保定 071051;2. 华北电力大学 电气与电子工程学院， 河北 保定 071003)

异构网络可以极大提高第5代移动通信系统的性能，但是不同的低功率节点却使得整个网络中小区间的干扰变得更加复杂，已有的干扰协调技术已经不是解决此类干扰问题的最优方法。将协作多点(CoMP)传输技术引入异构网络可以消除不同小区间的干扰，但是,由于基站间的回程链路存在开销时延以及信道的估计、量化过程均存在误差，干扰消除效果变差。为了减小3种非理想因素对干扰消除的影响，考虑了信道估计误差、量化误差和基站间协作开销时延，设计了收发联合的鲁棒性波束成形。通过Matlab仿真结果表明，相较于传统的块对角化波束成形算法，该算法更好地消除了小区间干扰，系统的吞吐量和误码率性能得到明显改善。

异构网； 协作多点； 鲁棒性； 波束成形

0 引 言

异构网络[1]是第5代移动通信系统的关键技术之一，其可以提高小区边缘用户的服务质量和小区覆盖范围，然而多种网络形式的叠加使得小区间干扰变得更加复杂。协作多点(CoMP)传输技术[2]结合波束成形可以消除小区间干扰，但是一些非理想因素，例如信道估计误差、量化误差和协作基站间开销时延[3]都将影响波束成形的设计。波束成形的设计偏差将大大影响小区间干扰消除的效果。

传统的波束成形算法，例如迫零波束成形算法[4]、块对角化波束成形算法[5]均需要在完整信道状态信息下才能消除小区间的干扰。文献[6]中提出了一种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最大化进而提高吞吐量，但此算法只能应用于单个小区。文献[7]中设计了一种发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状态信息条件下提出的，然而在实际中，基站往往获得的是非完整信道状态信息。文献[8]中只是单纯地分析了信道估计误差对波束成形设计的影响。总之，过去的波束成形设计都忽略了非理想因素的影响，但在实际的场景，非理想因素将严重影响干扰消除的效果。

本文根据实际的场景，在异构网络环境中，当用户端配置多根天线时，利用协作多点传输技术来消除小区间的干扰。通过联合考虑信道估计误差、信道量化误差和基站间开销时延，设计一种基于最小均方误差(MMSE)的鲁棒性波束成形。通过所设计的鲁棒性波束成形，能够很好地抑制非理想因素对干扰消除效果的影响。

1 系统模型

考虑一个CoMP传输模式下的双层下行异构网络，主要分析小区与小区间的干扰，图1为异构网干扰框架图。假设有1个宏蜂窝基站和L个微蜂窝基站共同为K个用户提供服务。基站端的发射天线数为M，用户端的接收天线数目为N。本文主要分析处于微小区中的K个用户对，通过设计鲁棒性波束成形，进而提高系统的性能。

图1 异构网干扰框架图

当服务基站为用户k发送数据时，用户k所接收到的信号为

(1)

(2)

1.1 信道估计误差

接收端在收到发射端的导频序列后要对信道进行估计，然而在进行信道估计的过程中会产生信道估计误差，这样反馈回基站的信道状态信息将不再是完整的。根据文献[10]可以得到估计的信道矩阵为

(3)

其中,τ=βρ-α,β>0,α≥0，ρ是信噪比。τ被认为是评价估计信道质量的参数，其能通过信道的动态性和信道估计方案获得。

(4)

1.2 信道量化误差

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

在采用CoMP方案时，由于基站间的回程链路存在开销时延[14]，信道状态信息不能及时共享，波束成形的设计受到影响。本文采用独立同分布的衰落块时延模型，假设第j个基站所发射的衰落块的时间长度为Tj，那么Tj-Dj则为协作基站的协作时间长度，其中Dj为两基站间的回程链路开销时延。图2为开销时延图，可知协作基站处于开销阶段时不进行协作，只有处于协作阶段时才进行协作。

图2 开销时延框架图

假设协作基站的集合为S*，处于协作阶段的协作基站集合为S，BSj代表基站j，并且假设协作基站处于协作阶段的概率为ζj，则对于整个协作基站集合来讲，总的概率分布[15]为

(10)

2 基于MMSE的鲁棒性波束成形设计

(11)

(12)

当考虑信道估计误差后，将式(4)代入式(12)得:

（3）校局合作模式中的实验教学应用和管理。公安系统中的校局合作，是警察高校与公安机关联动合作、优势互补、互利共赢的一种工作创新模式。其合作的内容体系极为广泛。单从实验、实训教学的角度看，这种校局合作模式的应用和管理，应注重以下几方面：一是聘请公安机关的业务专家、精英来校讲学。二是学校为合作单位提供智力支持和理论指导。三是合作单位为学校提供实践、实战经验。四是在合作单位建立实习、教研、科研基地。五是联合攻关，联合开发，破疑解难，全面发展。

(13)

引理1

(14)

(15)

(16)

式中,

考虑到信道量化误差和协作基站开销时延，将式(9)和(10)代入式(16)可得:

(17)

同理，根据基于信号泄露的MMSE方法便可求得波束成形矩阵，当微基站发射功率受限时，可以定义:

(18)

通过考虑信道估计误差、量化误差和协作开销时延，同求Gk类似，化简可得:

(19)

式中，

通过考虑非理想因素的影响，在微基站发射功率受限的情况下，可以得到基于MMSE的迭代算法，最终求解得到最优的均衡矩阵和波束成形矩阵，方法总结如下：① 随机初始化波束成形矩阵F1,F2,…,FK。② 固定波束成形矩阵，根据式(17)最优化线性均衡矩阵G1,G2,…,GK。③ 固定线性均衡矩阵，根据式(19)最优化波束成形矩阵F1,F2,…,FK。④ 从步骤②开始重复直到FK收敛于门限值。

3 仿真结果及分析

通过Matlab仿真验证所设计的波束成形在考虑非理想因素后，对于消除异构网中小区间干扰的鲁棒性。图3为误码率随着发射端信噪比的变化关系，通过对比传统的块对角化波束成形和所设计鲁棒性波束成形，可以看到随着信噪比的增加，在两种算法下，系统的误码率都有所降低。但是,当采用所设计的鲁棒性波束成形时，系统的误码率明显低于块对角化波束成形，这就证明了考虑非理想因素的条件下，所设计鲁棒性波束成形具有更好的消除小区间干扰能力。图4为发射天线为6，接收天线为2时，用户的吞吐量随着发射端信噪比的变化曲线图。可以看到，当采用所设计的鲁棒性波束成形时，用户的吞吐量明显高于采用块对角化波束成形算法，并且在高信噪比时，两种算法的差距越大，这也进一步证明了鲁棒性波束成形算法消除小区间干扰的有效性。所以通过两种不同评价指标的对比，充分证明了本文所设计的鲁棒性波束成形能够抑制非理想因素对小区间干扰消除效果的不利影响。

图3 系统误码率和信噪比关系图

图4 用户吞吐量和信噪比关系图

4 结 语

在异构网络中采用协作多点传输技术，当考虑信道估计误差、信道量化误差和基站间开销时延非理想因素下，本文设计了一种基于MMSE的鲁棒性波束成形。通过仿真验证了所设计的波束成形要比传统的块对角化波束成形在干扰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响。

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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

国家自然科学基金项目(61501185；61302105); 中央高校基本科研业务专项基金项目(13MS67)

石 盼(1989-)，男，河北保定人，讲师，研究方向为无线异构网络。

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

TN 802

A

1006-7167(2017)02-0010-04