CN100336329C - 基于服务质量需求的最小发射功率自适应调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于服务质量需求的最小发射功率自适应调制方法，能够使多输入多输出系统以最小的总发射功率达到用户所要求的服务质量。方法首先给出了在完美信道信息反馈条件下，多输入多输出系统最小化发射功率问题的闭式解，然后再对该闭式解进行离散化处理，并进一步对子信道的调制阶数进行调整。调整时针对子信道调制阶数之和大于及小于目标传输速率的情况分别进行，直至所有子信道的当前调制阶数之和等于目标传输速率，此时每个子信道的调制阶数和发射功率即为最佳，完成比特和功率分配。本发明在多输入多输出系统中最小化发射功率问题的闭式解基础上，设计了面向实际应用的最佳比特分配方案的离散化算法，显著降低了系统运算复杂度。

Description

基于服务质量需求的最小发射功率自适应调制方法

技术领域

本发明涉及一种基于服务质量需求的最小发射功率自适应调制方法，能够使多输入多输出系统以最小的总发射功率达到用户所要求的服务质量。属于无线通信技术领域。

背景技术

近年来，为了尽可能充分地利用多输入多输出信道所能提供的容量，自适应调制技术一直被认为是最有效的手段之一。它能够根据信道状态变化自适应地选择发射机的比特和功率分配方案。目前，在这方面占主导地位的方案都是通过在给定总发射功率的前提下，以最大化系统容量的方式实现。这类方案的优点是能够保证系统在当前信道条件下以尽可能大的速率实现数据传输。

然而在实际应用中，无线链路所需要达到的服务质量，特别是目标误比特率和目标传信率，往往由正在传输的业务类型所决定。对于这种情况，基于给定发射功率进行传输速率最大化的自适应调制多输入多输出系统就显得不够灵活，而且可能会导致发射功率的浪费或者系统的实际性能达不到服务所需要的指标。所以根据传输业务的需要，实时定制调制和功率配置参数的最小化发射功率的多输入多输出系统将更具有吸引力。与前述优化方案相比，这种最小化发射功率的自适应调制方案具有显著的优点：

1、对单个终端来说，能够在满足当前用户需要的情况下，以最小发射功率工作，对于节省终端能耗和延长持续工作时间有重要意义。

2、从整个网络的角度来看，当网络中的各无线链路之间存在相互干扰时，基于用户需求的最小化发射功率的自适应调制方案不仅能够降低各个链路之间的干扰，而且能将部分网络上层的参数直接引入到物理层设计当中，使无线网络的跨层优化成为可能。

目前，对于适用于多输入多输出系统的最小化发射功率算法的研究还处于起步阶段，已有的研究文献中仅仅讨论了直接使用离散化方法进行全局寻优(H.Zhuang，L.Dai，S.Zhou，and Y.Yao，″Low Complexity Per-Antenna Rate and PowerControl Approach for Closed-Loop V-BLAST，″IEEE Trans.Commun.，vol.51，pp.1783-1787，Nov.2003)。这种递归的离散化方法不能给出最小化发射功率算法的闭式解，其运算复杂程度较高，对实际应用会造成不利影响。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于服务质量需求的最小发射功率自适应调制方法，不但能够给出多输入多数出系统中最小化发射总功率问题的理论最优解，而且能使系统在寻找最佳功率、比特分配方案的过程具有较低的运算复杂度。

为实现这一目的，本发明的方法首先给出了在完美信道信息反馈条件下，多输入多输出系统最小化发射功率问题的闭式解，然后再对该闭式解进行离散化处理，若所有子信道离散化后的调制阶数之和不等于目标传输速率，则进一步对子信道的调制阶数进行调整。调整时针对子信道调制阶数之和大于及小于目标传输速率的情况分别进行，直至所有子信道的当前调制阶数之和等于目标传输速率，此时每个子信道的调制阶数和发射功率即为最佳，完成比特和功率分配。

本发明的方法具体包括如下步骤：

1、将多输入多输出系统的信道信息矩阵无差错无迟延地反馈回发射端，并在收发端分别对该信道信息矩阵进行奇异值分解，以获得收发信机的加权矩阵，进而将多输入多输出信道划分为多个并行的相互正交的子信道，子信道的数目与信道信息矩阵的秩相同。

2、为每个子信道设定相同的目标误比特率，该目标误比特率等于整个系统的目标误比特率，然后建立多输入多输出系统总发射功率与目标传输速率和目标误比特率之间的显式关系模型。

3、假设每个子信道的调制阶数可以遍取实数域内的任何值，然后根据总发射功率与目标传输速率和目标误比特率的关系模型，采用拉格朗日乘子法，计算多输入多输出系统在完美信道反馈条件下，能使系统总发射功率最小的比特分配方案的理论闭式解。

4、将由闭式解得到的每个子信道的调制阶数取整，并进行离散化处理，对所有调制阶数小于零的子信道，取其调制阶数等于零，对所有调制阶数大于目标传输速率的子信道，取其调制阶数等于目标传输速率；如果所有子信道离散化后的调制阶数之和等于目标传输速率，此时每个子信道的调制阶数和发射功率即为最佳，完成比特和功率分配；否则调整子信道的调制阶数。

5、在调整子信道的调制阶数时，对于当前所有子信道的调制阶数之和大于目标传输速率的情况，用每个子信道的理论闭式解减去其当前调制阶数，求得二者之间的差值，然后选择具有最小差值的子信道使其调制阶数减一，重复执行，直至所有子信道的当前调制阶数之和等于目标传输速率，完成比特和功率分配；对于当前所有子信道的调制阶数之和小于目标传输速率的情况，则用每个子信道当前调制阶数减去相应的理论闭式解，求得二者之间的差值，选择具有最小差值的子信道使其调制阶数加一，重复执行，直至所有子信道的当前调制阶数之和等于目标传输速率，完成比特和功率分配。

本发明通过以上步骤，不但能够给出多输入多数出系统中最小化发射总功率问题的理论最优解，而且能使系统寻找最佳功率、比特分配方案的过程具有较低的运算复杂度，对实现无线通信系统的跨层优化具有重要意义。

附图说明

图1为本发明方法适用的最小化发射功率的自适应调制多输入多输出系统的原理框图。

图2为本发明方法在不同配置条件下，在2×2和4×4的多输入多输出系统中的实际误比特率性能。其中目标误比特率取自集合{10^-4 10^-3 10^-2 10^-1}，目标传输速率取自集合{5 10 15}，单位为比特/样点。

图3为本发明方法在以上配置条件下，所需的总发射功率。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

在图1中给出了最小化发射功率自适应调制多输入多输出系统的结构框图，在发射端，源比特流经过比特分配被分配到各个天线支路上，然后通过调制和发射加权形成发射信号；在接收端，接收信号在接收加权后通过解调和复用，最终得到接收比特流。针对这样一个系统，应用本发明进行自适应调制的步骤如下：

1、划分子信道：

对于如图1所示的多输入多输出系统，其信号收发模型如下：

                 r＝Hs+n                      (1)

其中，r表示接收信号、s表示发射信号、H表示实际信道传输矩阵、n表示高斯白噪声。首先，将多输入多输出系统的信道信息矩阵H反馈回发射端，并通过在收发端对H进行奇异值分解，分别求得收发双方的加权矩阵U^H和V：

$H=U\·\mathrm{diag}\left(\begin{array}{ccc}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}& \·\·\·& \sqrt{{\mathrm{\λ}}_k}\end{array}\right)\·V^H---\left(2\right)$

然后通过对收发信号进行加权：

                 s＝Vx，y＝U^Hr                (3)

将多输入多输出信道划分为k个并行的相互正交的子信道，并建立这些子信道的传输模型：

$y=\mathrm{diag}\left(\begin{array}{ccc}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_1}& \·\·\·& \sqrt{{\mathrm{\λ}}_k}\end{array}\right){x+U}^{H}n,---\left(4\right)$

其中，子信道的数目k等于信道信息矩阵H的秩。

2、设定每个子信道都有相同的目标误比特率，且该目标误比特率就等于整个系统的目标误比特率Ber_tgt：

                 Ber_i＝Ber_tgt                   (5)

使用正交振幅调制作为每个子信道的调制方式时，可以得到每个子信道的调制阶数b_i、发送功率P_i和目标误比特率Ber_tgt之间的近似关系模型(S.T.Chungand A.J.Goldsmith，“Degree of freedom in adaptive modulation：Aunifiedview，”IEEE Trans.Commun.，vol.49，no.9，pp.1561-1571，Sept.2001)：

$P_i=-\frac{{\mathrm{\σ}}_n^2\·(2^{b_i}-1)\·\ln \left(5{\mathrm{Ber}}_{\mathrm{tgt}}\right)}{1.6{\mathrm{\λ}}_i}---\left(6\right)$

则此时，可以建立多输入多输出系统总发射功率与目标传输速率和目标误比特率之间的显式关系模型；

$P_{\mathrm{ttl}}=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i=-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\σ}}_n^2\·(2^{b_i}-1)\·\ln \left(5{\mathrm{Ber}}_{\mathrm{tgt}}\right)}{1.6{\mathrm{\λ}}_i}---\left(7\right)$

3、进一步假设子信道调制阶数可以遍取实数域内的任何值，则根据(7)，满足目标传输速率R_tgt和目标误比特率Ber_tgt的多输入多输出系统的最小化发射功率问题可以表示为如下的等式约束问题：

${\left\{b_i\right\}}^{\mathrm{opt}}=\arg \underset{b_i}{\min }-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\σ}}^2\·(2^{b_i}-1)\·\ln \left(5{\mathrm{Ber}}_{\mathrm{tgt}}\right)}{1.6{\mathrm{\λ}}_i},---\left(8a\right)$

$s.t.\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i=R_{\mathrm{tgt}},b_i\∈R.---\left(8b\right)$

应用拉格朗日乘子法求解(8)式，可以得到每个子信道最佳调制阶数的闭式解：

$b_i^{\mathrm{opt}}=\frac{1}{k}{\log }_2(2^{R_{\mathrm{tgt}}}\·\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Π}}}{A}_i)-{\log }_2\left(A_i\right)---\left(9\right)$

其中 $A_i=\frac{-{\mathrm{\σ}}^2\ln \left({5\mathrm{Ber}}_{\mathrm{tgt}}\right)}{1.6{\mathrm{\λ}}_i}.$

4、首先对子信道的理论最佳调制阶数进行取整：

然后将取整后的调制阶数调整到闭区间[0，R_tgt]内，即如果

则令 如果

则令 最后对取整后的结果进行判决，如果

则

即为可以应用的最佳比特分配方案，算法结束；否则执行步骤5)，对子信道调制阶数进行调整。

5、对子信道调制阶数的调整：

如果

则计算差距向量 找出其中差值最小的子信道，即 $j=\arg \underset{i}{\min }\left({\mathrm{diff}}_i\right),i=1,...,k,$ 令该子信道的调制阶数减1，即

然后，对调整后的调制阶数进行判断，如果

则重复执行，直至

算法结束。

即为可以应用的最佳比特分配方案。

如果

则计算差距向量

找出其中差值最小的子信道，即 $j=\arg \underset{i}{\min }\left({\mathrm{diff}}_i\right),i=1,...,k,$ 令该子信道的调制阶数加1，即

对调整后的调制阶数进行判断，如果 则重复执行，直至

算法结束。

即为可以应用的最佳比特分配方案。

为了说明本发明的性能，本发明的实施例分别将方法应用到2×2和4×4的多输入多输出信道环境中。在所有的仿真实验中，都使用正交振幅调制作为调制方式；且将目标比特传输速率R_tgt分别设置为5、10、15比特/样点，目标误比特率Ber_tgt则选自集合{10^-4 10^-3 10^-2 10^-1}；背景噪声的功率设置为 ${\mathrm{\σ}}_n^2=1.$

图3给出了本发明在所有典型环境(配置)下实际误比特率与目标误比特率之间的差异。从仿真中可以看出，不论系统参数如何选择，本发明的方法都能够有效地将系统实际误比特率控制在目标误比特率的附近的变化曲线。

图4中则给出了这两个多输入多输出系统在不同QoS要求下所需的传输总功率，从中可以看出，随着天线数目的增多、目标误比特率的下降以及目标传输速率的减小，本发明的方法都会使系统的发射总功率显著减小。这一仿真结果从另一个角度证明了本发明在发射总功率控制方面的有效性。

Claims (1)

1、一种基于服务质量需求的最小发射功率自适应调制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将多输入多输出系统的信道信息矩阵无差错无迟延地反馈回发射端，并在收发端分别对该信道信息矩阵进行奇异值分解，以获得收发信机的加权矩阵，进而将多输入多输出信道划分为多个并行的相互正交的子信道，子信道的数目与信道信息矩阵的秩相同；

2)为每个子信道设定相同的目标误比特率，该目标误比特率等于整个系统的目标误比特率，然后建立多输入多输出系统总发射功率与目标传输速率和目标误比特率之间的显式关系模型；

3)假设每个子信道的调制阶数可以遍取实数域内的任何值，然后根据总发射功率与目标传输速率和误比特率的关系模型，采用拉格朗日乘子法，计算多输入多输出系统在完美信道反馈条件下，能使系统总发射功率最小的比特分配方案的理论闭式解；

4)将由闭式解得到的每个子信道的调制阶数取整，并进行离散化处理，对所有调制阶数小于零的子信道，取其调制阶数等于零，对所有调制阶数大于目标传输速率的子信道，取其调制阶数等于目标传输速率；如果所有子信道离散化后的调制阶数之和等于目标传输速率，此时每个子信道的调制阶数和发射功率即为最佳，完成比特和功率分配；否则调整子信道的调制阶数；

5)在调整子信道的调制阶数时，对于当前所有子信道的调制阶数之和大于目标传输速率的情况，用每个子信道的理论闭式解减去其当前调制阶数，求得二者之间的差值，然后选择具有最小差值的子信道使其调制阶数减一，重复执行，直至所有子信道的当前调制阶数之和等于目标传输速率，完成比特和功率分配；对于当前所有子信道的调制阶数之和小于目标传输速率的情况，则用每个子信道当前调制阶数减去相应的理论闭式解，求得二者之间的差值，选择具有最小差值的子信道使其调制阶数加一，重复执行，直至所有子信道的当前调制阶数之和等于目标传输速率，完成比特和功率分配。

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