毫米波通信中基于QoS概率受限的稳健波束成形

The new applications such as autonomous car and virtual reality require high quality of service (QoS) data transmission from wireless communications, and millimeter wave communications is proposed to solve the problem. However, owing to the non-Gaussian channel estimation error, the nonlinear phase shifter error, and the time-varying channel tracking error, the QoS cannot be satisfied without considering the channel errors. The probabilistic QoS constrained beamforming is proposed for millimeter wave communications to provide guaranteed QoS, the high quality channel error modeling and the algorithm for the chance constrained programming are the focus of this proposal. The flexible t-distributions, the semidefinite quadratic form, and the Kalman filtering method are proposed for the channel error modeling. As for the chance constrained programming problem, the unimodal property of the QoS function is proved and utilized for the safe approximation, and then the safe approximation is gradually improved to the local optimal solution. The proposed method will provide guaranteed QoS for new applications with high QoS requirement.

以自动驾驶和虚拟现实为代表的智能计算应用对无线通信的通信质量有着越来越严苛的要求，毫米波通信为这些应用提供了高通信速率的潜能。然而，由于毫米波系统存在非高斯信道估计误差、非线性移相器误差、时变跟踪误差，不考虑这些误差将导致用户的服务质量(QoS)无法保证。本方案提出基于QoS概率受限的稳健波束成形来实现有保证的QoS数据传输，其中高质量的信道误差建模和概率受限优化问题的解法是本方案的创新点。拖尾特性灵活的t分布函数、半正定二次型、卡尔曼滤波将被用于信道误差建模。QoS函数的单模统计特性将被证明，并被用于概率受限条件的安全逼近。随后，通过迭代优化的方式，安全逼近解将逐步逼近局部最优解。本方案提供的有质量保证的毫米波数据传输将满足自动驾驶等新应用对数据传输质量的严苛要求。

毫米波通信中自动驾驶和虚拟现实等应用需要高服务质量（QoS）的无线数据传输，但是移动终端的快速移动使得估计的信道信息有误差，因此保证高服务质量的通信是一件困难的事。本项目“毫米波通信中基于QoS概率受限的稳健波束成形”按照拟定的研究计划完成了相关的研究工作。本项目中，我们对信道误差进行了多种建模：高斯分布误差，t-分布误差，通用的连续分布误差。主要的QoS是由用户的信号干扰比（SINR）和符号检测均方误差（MSE）来衡量，而这两种QoS都是（或转化为）信道误差的二次函数。所以本项目在顶刊TSP发表的文章“Set Squeezing Procedure for Quadratically Perturbed Chance-Constrained Programming,” 就用一种方法解决了两个QoS准则得以保证的问题。 我们的方法在多种信道误差条件下大概率地保证了用户的信号干扰比（SINR）和（MSE）等QoS准则。不仅在通信系统中，我还进一步保证了毫米波雷达通信一体化中的QoS保证问题。我们的稳健波束成形方法使得自动驾驶和虚拟现实等应用所需要的稳定高服务质量无线数据传输得到保证。