[论文解读] Multiuser MIMO Downlink Beamforming with Average SINR Constraints

Yuhan Yang, Shih‐Chun Lin+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2010

Advanced MIMO Systems Optimization参考文献 18被引用 1

一句话总结

本文提出了一种针对多用户MIMO下行链路系统的高效联合波束成形与功率分配算法，采用组最大SINR滤波器组（GSINR-FB）波束成形器。通过利用用户接收机分集增益并施加平均SINR约束，该方法将复杂的功率分配问题转化为线性问题，从而在与先前方法相当的复杂度下实现更优性能。

ABSTRACT

In this paper we aim to solve the multiuser multi-input multi-output (MIMO) downlink beamforming problem where one multi-antenna base station broadcasts data to many users. Each user is assigned multiple data streams and has multiple antennas at its receiver. Efficient solutions to the joint transmit-receive beamforming and power allocation problem based on iterative methods are proposed. We adopt the group maximum signal-to-interference-plus-noise-ratio (SINR) filter bank (GSINR-FB) as our beamformer which exploits receiver diversity through cooperation between the data streams of a user. The data streams for each user are subject to an average SINR constraint, which has many important applications in wireless communication systems and serves as a good metric to measure the quality of service (QoS). The GSINR-FB also optimizes the average SINR of its output. Based on the GSINR-FB beamformer, we find an SINR balancing structure for optimal power allocation which simplifies the complicated power allocation problem to a linear one. Simulation results verify the superiority of the proposed algorithms over previous works with approximately the same complexity.

研究动机与目标

• 解决多用户MIMO下行链路系统中多天线用户联合波束成形与功率分配问题。
• 满足每个用户的平均SINR约束，这对于在实际无线系统中确保服务质量（QoS）至关重要。
• 通过组波束成形结构，实现每个用户多个数据流之间的协作，从而有效利用接收分集增益。
• 通过推导SINR平衡结构，将固有的复杂功率分配问题简化为线性优化问题。

提出的方法

• 采用组最大SINR滤波器组（GSINR-FB）波束成形器，联合优化基站端的波束成形向量与每个用户接收端的合并向量。
• 将每个用户的各路数据流建模为一个组，通过联合处理实现干扰消除与分集增益。
• 将每个用户的平均SINR约束作为服务质量（QoS）度量，以确保传输可靠性。
• 推导出SINR平衡结构，使非凸功率分配问题可转化为线性优化问题，从而简化优化过程。
• 采用迭代算法，在所推导的约束条件下联合优化波束成形器与功率分配。
• 利用GSINR-FB最大化用户接收端输出的平均SINR，从而提升频谱效率与可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多天线用户存在的多用户MIMO下行链路系统中，如何高效优化联合发射-接收波束成形与功率分配？
• RQ2 何种波束成形结构可在满足平均SINR约束的同时，有效利用接收分集增益？
• RQ3 在平均SINR约束下，复杂的非凸功率分配问题是否可被简化为可处理的线性形式？
• RQ4 所提出的GSINR-FB波束成形器在性能上与计算复杂度相近的现有方法相比如何？

主要发现

• 所提出的GSINR-FB波束成形方法通过实现用户内多路数据流之间的协作，有效利用了接收分集增益。
• SINR平衡结构成功地将复杂的功率分配问题转化为线性优化问题，显著简化了计算过程。
• 仿真结果表明，所提算法在系统性能方面优于以往方法，同时保持了相近的计算复杂度。
• 平均SINR约束得到有效满足，确保了网络中所有用户的一致服务质量。