具有鲁棒性的云无线传输系统的波束成型设计技术方案

具有鲁棒性的云无线传输系统的波束成型设计。本发明专利技术公开了针对Cloud RAN(云无线接入网)的波束成型设计方案，该方案可以在检测信道状态信息有误差的情况下，实现具有整个系统的能耗最小，并且使得系统中的通信设备满足各自的通信要求；具体包括每个基站满足各自自最大能耗限制和每个用户满足其在通信过程中所需的信干噪比要求。本发明专利技术中充分考虑了同基站各用户之间的通信信号之间的相互干扰，以信干噪比作为各用户衡量各用户的通信质量。在应用中，只需设定用户的所需的通信质量和个基站最大可提供的传输能耗，即可利用迭代算法在信道状态信息不确定的情况下对各个用户进行波束成型设计。

Beamforming design of robust cloud wireless transmission system

A beamforming design for a robust cloud wireless transmission system. The invention discloses for Cloud RAN (cloud radio access network) the beamforming design scheme, this scheme can detect errors in the channel state information, realize the whole system with minimum energy consumption, and the communication equipment in the system to meet the requirements of their communication; including the maximum energy consumption of each base station to meet their self and each user satisfies the need in the communication process of the SINR requirements. The interference between the communication signals between the users and the base stations is fully considered, and the signal to noise ratio is used to measure the communication quality of each user as a user. In application, we only need to set the user's required communication quality and the maximum available energy consumption of the base stations, then we can use iterative algorithm to design beamforming for all users under uncertain channel state information.

【技术实现步骤摘要】
具有鲁棒性的云无线传输系统的波束成型设计
本专利技术设计无线通信和信号处理系统，特别涉及一种适用于信道信息不确定环境下的无线通信系统。
技术介绍
高密度部署小区与协作通信是未来移动通信发展的两大热门技术，因为这两种技术可以满足人们日益增长的数据需求。但是，由于高密度部署小区需要增加基站的数量，而协作通信则需要回程链路来支撑基站之间的协作。无论是增加基站数量，还是增加回程链路都需要大量的能量，可以说，这两种技术都是以增加能耗为代价来提高数据流量的。众所周知，无线接入网消耗大量的能量不仅对生态环境不友好，还对移动网络运营商的运营成本具有显著的经济影响。因此，在5G通信中，不仅要求提高频谱利用率，还需要提高能量利用率。因此一种新型的无线网介入构架——云无线接入网应运而生。云无线接入网(CloudRAN)是一种新兴的网络架构，具有同时提高频谱利用率与能量利用率的双重效益。在云无线接入网中，基站(BS)都是通过数字回程链路连接到中央处理器(CP)，从而实现跨多个基站的联合数据处理和预编码。为了提高能量利用率，云无线接入网构架采用了以下三种方式来节省能耗：首先，在云无线接入网架构下，传统基站中的大部分基带信号处理功能可以迁移到云计算中心，使得传统网络构架中的高成本大功率基站可以被低成本低功率的无线电远程头(RRH)替代。第二，中央处理器的存在还能够提供用户消息联合预编码的功能以减少干扰。由于产生的干扰较少，因此可以减少基站处的发射功率。第三，在通常情况下(尤其是在非高峰时间)，大部分网络资源可能是空闲的，中央处理器可以在基站之间执行联合资源分配，实现按需分配资源，并将空闲的基站进入睡眠模式节能。尽管在基站端云无线接入网有巨大的节能优势，但由于引入中央处理器，使得有大量能量在基站与中央处理器之间的回程链路上损耗。同时由于无线通信时变的通信环境，使得在根据导频信号获取的信道信息所做的波束成型设计，在时变后的信道环境下无法保证用户的通信质量，如何在信道环境有误差的情况下，保证用户的通信质量，同时还能显著减少系统能耗成为云无线接入网发展的一大难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提供一种适合于信道环境不确定的情况下实现能耗最小、传输稳定的云无线接入网波束成型设计。本专利技术的优点在于无需准确地知道真实信道状态信息仅利用检测信道状态信息即可实现可靠的波束成型设计，这一优点使得该方案具有较强的鲁棒性，即使在信道信息有一定误差的情况下依旧能够保证系统中的通信设备满足各自的通信要求，保证系统的稳定性。技术方案本专利技术方法实现过程包括：一、通过建立信道模型ΔhkHEkΔhk＜C来消除信道误差给通信质量带来的影响，信道的时变特性导致导频信号检测到的信道状态信息与真实的信道状态信息之间有一定的误差，误差的范围与环境有着密切的关系，考虑在信道范围中的每一个信道下，用户的通信质量都能得到保证。二、在满足所述所有信道实现下，保证用户通信质量的情况下，通过建立能耗模型保证其综合能耗最小。引入基站的激活与休眠状态，进一步减少能耗。考虑下行链路中云无线传输网的能耗主要来源于以下三个方面：基站所处的状态(激活，睡眠)，基站的发射能耗以及中央处理器和基站之间的回程链路能量损耗。三、通过设计云无线传输网的两种常用工作模式---data-sharing和compression模式各自的波束成型，使本专利技术适用于大多数云无线传输网。所述data-sharing模式的信号形式：所述compression模式的信号形式：其中，具体的说明，如下：本专利技术的云无线接入网，需在各基站满足各自能耗限制与各用户满足各自通信需求，在信道状态信息不确定情况下，实现整个综合系统的能耗最小。所述各基站的能耗限制指的是在整个系统中，各基站的能耗是有上限的。在整个系统的设计过程中要考虑基站的最大能耗限制要求。在本系统中，为提高传输效益，所述基站均为多天线基站。考虑当基站有数据需要发送时，基站处于激活状态，此时基站需要消耗较大的能量；当基站上没有数据需要发送，则基站进入睡眠状态，此时基站需要消耗少量的能量来监听用户需求，一旦辖区内的有数据需要发送时，其立刻转入激活状态。所述各用户的通信质量要求指的是各用户为了能够实现正常的通信，所接受的信号必须要满足各自的信干噪比要求。在云无线接入网，为了提供更好的通信服务，一个小区中可能包含多个基站，用户通过可以同时接收多个基站的通信服务以实现通信质量的最优化。在一个小区中的多基站与多用户造成了用户信息之间的信号干扰无可避免，每个用户的干扰不再仅限于传统的信道噪声，还包括其他用户的信号干扰。所以本系统中所述用户通信质量需求指的是考虑信号干扰之后的信干噪比。所述信道状态信息不确定指的是信号传输所经过的信道，其状态信息不是确定的。在无线通信中，信道状态信息通常通过导频信号获取，但在无线通信中，随机噪声的存在和无线信道的时变特性致使无线信道估计误差难以避免，所以所述信道状态信息不能完全获得，只能获得检测信道状态信息来代替真实信道状态信息。所述波束成型设计方案利用检测信道状态信息，考虑真实信道状态信息与检测信道状态信息，通过s-lamma的方式设计具有鲁棒性的波束成型方案，保证系统的健壮性。所述综合能耗最低指的是对于真实信道状态信息的每一个可能实现都满足所述的基站最大能耗限制和用户最小信干噪比要求的情况下，使得整个系统在两种工作模式下的总体能耗最小。所述两种工作模式指的是data-sharing和compression模式。所述data-sharing模式指的是在整个云无线接入网中，中央处理器使用回程链路向协作的基站集群共享用户消息。data-sharing的回程能耗取决于用户消息需要传递到的基站数量：更大的基站集群可以产生更大的协作增益，但同时也会产生更高的回程速率。所述compression模式指的是中央处理器对所有用户的信号进行预编码，并将压缩的联合预编码信号发送给所有基站。基站会得到不同量化级别的压缩信号。compression模式的回程能耗与量化级别有关。在本系统中，为提高传输效益，所述基站均为多天线基站且在没有工作任务的情况下，系统可以通过关闭基站减少能量损耗，即若当基站不参与小区中的所有用户通信信息的传输时，基站将自动进入休眠的状态以节省能耗。所述系统需要设定各个基站满足的最大发射能耗限制与不同用户所需满足的最小信干噪比。通信信道的检测信道状态信息可以通过导频信号获得，不同环境下，真实信道状态信息与检测信道状态信息的统计误差与应用部署的环境有关。根据各用户的信干噪比需求、基站的最大发射功率限制以及检测信道状态信息，设计具有鲁棒性、且综合能耗最低的云无线传输系统的波束成型设计方案。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术利用CloudRAN系统，采用多天线多基站协作通信的方式，有效地提高了整个系统的效益。多天线多基站协作通信通过基站之间的任务分配与合理的波束成型设计可以显著提高用户传输速率的同时，使得整个系统的能耗降到最低。(2)提高了CloudRAN系统的健壮性。基于CloudRAN系统的波束成型设计是大多在检测信道状态信息的基础上设计到，而实际的信道并非完全等价于检测信道，信道的时变性导致了一部分用户的通信质量在某些时刻难以保证，本专利技术弥本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有鲁棒性的云无线传输系统的波束成型设计，其特征是，方法实现过程包括：一、通过

【技术特征摘要】
1.一种具有鲁棒性的云无线传输系统的波束成型设计，其特征是，方法实现过程包括：一、通过建立信道模型ΔhkHEkΔhk＜C来消除信道误差给通信质量带来的影响，信道的时变特性导致导频信号检测到的信道状态信息与真实的信道状态信息之间有一定的误差，误差的范围与环境有着密切的关系，考虑在信道范围中的每一个信道下，用户的通信质量都能得到保证。二、在满足所述所有信道实现下，保证用户通信质量的情况下，通过建立能耗模型保证其综合能耗最小。引入基站的激活与休眠状态，进一步减少能耗。考虑下行链路中云无线传输网的能耗主要来源于以下三个方面：基站所处的状态(激活，睡眠)，基站的发射能耗以及中央处理器和基站之间的回程链路能量损耗。三、通过设计云无线传输网的两种常用工作模式---data-sharing和compression模式各自的波束成型，使本发明适用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王睿，颜栋梁，刘儿兀，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31