基于QoS的多小区下行TDD大规模MIMO系统顽健波束成形

doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2017218

通信学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (11): 44-53.doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2017218

基于QoS的多小区下行TDD大规模MIMO系统顽健波束成形

曹杰^1,³,廖勇^2,³,沈轩帆²

¹ 东华理工大学机械与电子工程学院，江西南昌 330031
² 重庆大学飞行器测控与通信教育部重点实验室，重庆 400044
³ 西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室，陕西西安 710071

修回日期:2017-09-19 出版日期:2017-11-01 发布日期:2017-12-13
作者简介:曹杰（1990-），男，江西九江人，东华理工大学助教，主要研究方向为无线通信中的预编码、波束成形技术。|廖勇（1982-），男，四川自贡人，博士，重庆大学副研究员、硕士生导师，主要研究方向为宽带无线通信与网络、飞行器测控与通信等。|沈轩帆（1994-），男，云南昆明人，重庆大学硕士生，主要研究方向为无线通信信道估计。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(61501066);重庆市基础与前沿研究计划基金资助项目(cstc2015jcyjA40003);西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室开放基金资助项目(ISN16-03);中央高校基本科研业务基金资助项目(106112017CDJXY500001)

Robust beamforming for multicell downlink TDD massive MIMO system based on QoS

Jie CAO^1,³,Yong LIAO^2,³,Xuan-fan SHEN²

¹ Schoool of Mechanical and Electronic Engineering,East China Institute of Technology,Nanchang 330031,China
² Key Laboratory of Aerocraft TT＆C and Communication,Ministry of Education,Chongqing University,Chongqing 400044,China
³ The State Key Laboratory of Integrated Services Networks,Xidian University,Xi’an 710071,China

Revised:2017-09-19 Online:2017-11-01 Published:2017-12-13
Supported by:
The National Natural Science Foundation of China(61501066);The Chongqing Frontier and Applied Basic Research Project(cstc2015jcyjA40003);The Open Fund of the State Key Laboratory of Integrated Services Networks of Xidian University(ISN16-03);The Fundamental Research Funds for the Central Universities(106112017CDJXY500001)

摘要/Abstract

摘要：

针对非理想信道状态信息（CSI，channel state information）下的多小区下行时分复用（TDD，time division multiplexing）大规模多入多出（MIMO，multiple-input multiple-output）系统，研究了基于服务质量（QoS，quality of service）的发射功率和小区间泄露功率最小的波束成形问题。首先，将目标问题近似成凸优化问题，然后，利用上下行链路对偶性，提出一种内外层迭代算法。数值分析结果表明，所提算法与其他几种典型的多小区波束成形算法相比，在算法复杂度和能量效率性能指标方面具有明显优势。

关键词: 多小区, 大规模MIMO, 波束成形, 上下行链路对偶

Abstract:

In view of multicell downlink time division multiplexing (TDD) massive multiple-input multiple-output (MIMO) systems which had imperfect channel state information (CSI),the beamforming problem that minimized the total transmit power and signal leakage power based on quality of service (QoS) was studied.First,the objective problem was approximated as a standard convex optimization problem.Then,by using the duality of uplink and downlink,an inner and outer layer iterative algorithm was proposed.Numerical results show that,comparing with other typical downlink multicell massive MIMO beamforming algorithms,the proposed algorithm has obvious advantages in terms of complexity and energy efficiency.

Key words: multicell, massive MIMO, beamforming, uplink-downlink duality

中图分类号:

TN929.5

曹杰,廖勇,沈轩帆. 基于QoS的多小区下行TDD大规模MIMO系统顽健波束成形[J]. 通信学报, 2017, 38(11): 44-53.

Jie CAO,Yong LIAO,Xuan-fan SHEN. Robust beamforming for multicell downlink TDD massive MIMO system based on QoS[J]. Journal on Communications, 2017, 38(11): 44-53.

图/表 8

图1

表1

本文算法和SOCP算法的复杂度分析"

算法	算法步骤	浮点运算
	$计算 λ_{(k, i)}$	$\frac{4}{3} C K^{3} + 2 C K^{2}$
本文算法	$求解 v_{(k, i)}$	$14 C K M^{3}$
	总的浮点运算	$\frac{4}{3} C K^{3} + 2 C K^{2} + 14 C K M^{3}$
SOCP算法	总的浮点运算	$C^{2} K M^{4} + C K M^{2}$

表1

表2

主要仿真参数"

参数	数值
BS天线数M	64
用户数K	4
用户天线数	1
BS间距离	1 km
路径损耗	$34.5 + 38 \lg (d_{(i, k)}^{j})$
对数阴影衰落方差	8 dB

表2

图2

图3

图4

图5

图6

参考文献 14

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基于QoS的多小区下行TDD大规模MIMO系统顽健波束成形

Robust beamforming for multicell downlink TDD massive MIMO system based on QoS

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