本发明专利技术涉及一种考虑硬件损伤的MIMO异构无线网络波束成形方法，属于无线网络资源分配技术领域。该方法包括：S1：建立含硬件损伤的宏蜂窝用户和飞蜂窝用户下行链路信号传输模型；S2：分别对宏蜂窝基站发射机、宏蜂窝用户接收机、飞蜂窝基站发射机和飞蜂窝用户接收机的硬件损伤进行建模；S3：考虑基站发射机和用户接收机处硬件损伤、每个基站的最大发射功率约束以及每个用户的最小信干噪比约束，建立一个系统总能耗最小化的波束成形设计问题；S4：基于等价变换法和半正定松弛法，将步骤S3建立的问题转化为凸优化问题进行求解。本发明专利技术提高了异构无线网络鲁棒性和适应性，降低用户的中断概率。率。率。
【技术实现步骤摘要】
一种考虑硬件损伤的MIMO异构无线网络波束成形方法
[0001]本专利技术属于无线网络资源分配
，涉及一种考虑硬件损伤的MIMO异构无线网络波束成形方法。
技术介绍
[0002]随着第五代通信网络的逐渐普及，无线智能设备的数量呈现指数级增长，这将使得无线通信网络在系统容量和网络覆盖范围方面面临严峻挑战。多输入多输出(multiple
‑
input multiple
‑
output,MIMO)技术和异构无线网络作为下一代通信网络的两种关键技术而受到广泛关注。MIMO技术通过在基站或用户端部署大规模天线阵列可以提高频谱效率和系统能效。异构无线网络通过在宏蜂窝网络中部署大量的飞蜂窝网络来极大的提高网络覆盖范围。因此，将MIMO技术和异构无线网络结合所产生的新型网络(即MIMO异构无线网络)具有非常重要的理论意义和现实价值。然而，异构无线网络所带来的跨层干扰和MIMO技术引起的同频干扰会制约通信网络的性能。波束成形设计能够通过灵活地调整波束成形向量来显著地减轻跨层干扰并提高系统的吞吐量。因此，对MIMO异构无线网络波束成形的研究具有十分重要的意义。
[0003]由于相位噪声、放大器非线性和同相/正交相位不均衡等客观因素对系统的影响，会导致收发机硬件设备的工作模式或工作状态发生变化。尤其是在大规模MIMO系统中，通信设备制造商会为了降低硬件成本而使用廉价的元器件，这将增加硬件损伤的可能。尽管目前存在一些发射机校准方案和接收机补偿算法来缓解硬件损伤对系统性能的有害影响。然而，这些方案和算法的能力有限，并不能完全消除硬件损伤对系统的影响。例如，硬件的时变性仍然会使得收发机存在一定残余的硬件损伤。残余硬件损伤误差会扭曲期望信号，导致理论接收信号与实际接收信号之间存在很大的差距。因此，在MIMO异构无线网络中对系统再建模和波束成形设计时，考虑硬件损伤具有重要意义和现实价值。
技术实现思路
[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种考虑硬件损伤的MIMO异构无线网络波束成形方法，在MIMO异构无线网络存在硬件损伤条件下建立网络模型和优化问题，提高异构无线网络鲁棒性和适应性，降低用户的中断概率。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种考虑硬件损伤的MIMO异构无线网络波束成形方法，具体包括以下步骤：
[0007]S1：在两层MIMO异构无线网络下行链路中使用非完美硬件发射机和接收机，分析宏蜂窝网络和飞蜂窝网络中硬件损伤来源，建立含硬件损伤的宏蜂窝用户和飞蜂窝用户下行链路信号传输模型；
[0008]S2：分别对宏蜂窝基站发射机、宏蜂窝用户接收机、飞蜂窝基站发射机和飞蜂窝用户接收机的硬件损伤进行建模；
[0009]S3：考虑基站发射机和用户接收机处硬件损伤、每个基站的最大发射功率约束以
及每个用户的最小信干噪比约束，建立一个系统总能耗最小化的波束成形设计问题；
[0010]S4：基于等价变换法和半正定松弛法，将步骤S3建立的问题转化为凸优化问题进行求解。
[0011]进一步，步骤S1中，分析宏蜂窝网络和飞蜂窝网络中硬件损伤来源包括：基站发射机和用户接收机处的硬件损伤，可以建模为加性硬件损伤噪声和放大的热噪声；
[0012]建立含硬件损伤的宏蜂窝用户下行链路信号传输模型，即第m个宏蜂窝用户接收到的信号表示为：
[0013][0014]其中，和分别表示宏蜂窝基站到第m个宏蜂窝用户的信道向量和第n个飞蜂窝基站到第m个宏蜂窝用户的信道向量；和s
m
分别表示宏蜂窝基站到第m个宏蜂窝用户的波束成形向量和信息；和s
n,k
分别表示第n个飞蜂窝基站到第k个飞蜂窝用户的波束成形向量和信息；其中，N
M
表示宏蜂窝基站中配备的天线总数，N
F
表示飞蜂窝基站配备的天线总数，分别表示N
M
×
1维、N
F
×
1维的复列向量；和分别为宏蜂窝基站发射机，第n个飞蜂窝基站发射机和第m个宏蜂窝用户接收机的加性硬件损伤噪声，表示在第m个宏蜂窝用户接收机处均值为零方差为放大的热噪声。
[0015]进一步，步骤S1中，建立含硬件损伤的飞蜂窝用户下行链路信号传输模型，即在第n个飞蜂窝网络中，从基站到第k个飞蜂窝用户接收机的信号可以表示为：
[0016][0017]其中，和分别表示第n个飞蜂窝基站到该网络中第k个飞蜂窝用户的信道向量和宏蜂窝基站到第n个飞蜂窝中第k个飞蜂窝用户的信道向量；表示第n个飞蜂窝中第k个飞蜂窝用户接收机处的加性硬件损伤噪声；表示第n个飞蜂窝中第k个飞蜂窝用户接收机处均值为零方差为放大的热噪声。
[0018]进一步，步骤S2中，宏蜂窝基站发射机、飞蜂窝基站发射机、宏蜂窝用户接收机和飞蜂窝用户接收机处的加性硬件损伤噪声可以建模为：飞蜂窝用户接收机处的加性硬件损伤噪声可以建模为：其中，ψ表示宏蜂窝基站发射机处加性硬件损伤噪声的协方差矩阵，Φ
n
表示第n个飞蜂窝基站发射机处加性硬件损伤噪声的协方差矩阵，表示第m个宏蜂窝用户接收机处加性硬件损伤噪声的方差，表示第n个飞蜂窝中第k个飞蜂窝用户接收机处的加性硬件损伤噪声的方差。
[0019]进一步，步骤S3中，构建系统总能耗最小化的波束成形设计问题，表述为：
[0020][0021][0022][0023][0024][0025]其中，C1和C2分别表示宏蜂窝基站和第n个飞蜂窝基站的最大发射功率约束，P
max
和分别表示宏蜂窝基站和第n个飞蜂窝基站的最大发射功率阈值；C3表示每个飞蜂窝用户的最小信干噪比约束，表示第n个飞蜂窝中第k个飞蜂窝用户的最小信干噪比阈值；C4表示第m个宏蜂窝用户的最小信干噪比约束，表示第m个宏蜂窝用户的最小信干噪比阈值；P
C
表示宏蜂窝和所有飞蜂窝的电路功率消耗，ζ≥1表示功率放大系数。
[0026]进一步，步骤S4中，P1是一个非凸优化问题，利用等价变换法和半正定松弛法将P1转化为凸优化问题进行求解，具体转化步骤包括：
[0027]S41：定义将优化问题P1转化为容易处理的形式；
[0028]S42：引入辅助矩阵S
t
和S
l
去处理硬件损伤向量的协方差矩阵ψ和Φ
n
，其中S
t
和S
l
分别表示第t个和第l个对角元素为1其余元素全为0的矩阵；
[0029]S43：利用等价变换法处理存在耦合变量的约束，将非凸优化问题P1转化为凸优化问题进行求解；基于内点法，可求得凸优化问题最优解和利用特征值分解法，可求得最优波束成形向量和
[0030]本专利技术的有益效果在于：本专利技术考虑了宏蜂窝基站最大发射功率约束、每个飞蜂窝基站最大发射功率约束、宏蜂窝用户以及飞蜂窝用户最小信干噪比约束，以系统总能耗最小化为优化目标，在MIMO异构无线网络本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种考虑硬件损伤的MIMO异构无线网络波束成形方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：S1：在两层MIMO异构无线网络下行链路中使用非完美硬件发射机和接收机，分析宏蜂窝网络和飞蜂窝网络中硬件损伤来源，建立含硬件损伤的宏蜂窝用户和飞蜂窝用户下行链路信号传输模型；S2：分别对宏蜂窝基站发射机、宏蜂窝用户接收机、飞蜂窝基站发射机和飞蜂窝用户接收机的硬件损伤进行建模；S3：考虑基站发射机和用户接收机处硬件损伤、每个基站的最大发射功率约束以及每个用户的最小信干噪比约束，建立一个系统总能耗最小化的波束成形设计问题；S4：基于等价变换法和半正定松弛法，将步骤S3建立的问题转化为凸优化问题进行求解。2.根据权利要求1所述的MIMO异构无线网络波束成形方法，其特征在于，步骤S1中，分析宏蜂窝网络和飞蜂窝网络中硬件损伤来源包括：基站发射机和用户接收机处的硬件损伤，建模为加性硬件损伤噪声和放大的热噪声；建立含硬件损伤的宏蜂窝用户下行链路信号传输模型，即第m个宏蜂窝用户接收到的信号表示为：其中，和分别表示宏蜂窝基站到第m个宏蜂窝用户的信道向量和第n个飞蜂窝基站到第m个宏蜂窝用户的信道向量；和s
m
分别表示宏蜂窝基站到第m个宏蜂窝用户的波束成形向量和信息；和s
n,k
分别表示第n个飞蜂窝基站到第k个飞蜂窝用户的波束成形向量和信息；其中，N
M
表示宏蜂窝基站中配备的天线总数，N
F
表示飞蜂窝基站配备的天线总数，分别表示N
M
×
1维、N
F
×
1维的复列向量；和分别为宏蜂窝基站发射机，第n个飞蜂窝基站发射机和第m个宏蜂窝用户接收机的加性硬件损伤噪声，表示在第m个宏蜂窝用户接收机处均值为零方差为放大的热噪声。3.根据权利要求2所述的MIMO异构无线网络波束成形方法，其特征在于，步骤S1中，建立含硬件损伤的飞蜂窝用户下行链路信号传输模型，即在第n个飞蜂窝网络中，从基站到第k个飞蜂窝用户接收机的信号表示为：其中，和分别表示第n个飞蜂窝基站到该网络中第k个飞蜂窝用户的信道向量和宏蜂窝基站到第n个飞蜂窝中第k个飞蜂窝用户的信道向量；表示第n个飞蜂窝中第k个飞蜂窝用户接收机处的加...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐勇军，谢豪，刘期烈，黄勇，谢超，黄东，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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