CN101145817A

CN101145817A - 一种多入多出系统空间发射功率的分配方法及发射机

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Publication number: CN101145817A
Application number: CNA2006101538939A
Authority: CN
Inventors: 刘云辉
Original assignee: Lenovo Beijing Ltd
Current assignee: Lenovo Beijing Ltd
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2026-09-14
Also published as: CN101145817B

Abstract

本发明公开了一种多入多出系统空间发射功率的分配方法及发射机，其中，方法包括：在多入多出系统总的发射功率约束条件下，结合最小化系统误码率的功率分配方式，利用Wln函数在系统的子信道间进行发射功率的分配，所述Wln函数为方程x+ln(x)＝a的解：x＝Wln(a)。本发明用低复杂度算法解决了最小化误码率优化功率分配方法的求解问题，同时，也提高了系统的性能，使最小化误码率优化功率分配技术有可能应用于实际系统。

Description

一种多入多出系统空间发射功率的分配方法及发射机

技术领域

本发明涉及通讯领域的多入多出系统，特别是涉及一种多入多出系统空间发射功率的分配方法及发射机。

背景技术

MIMO系统(多输入多输出无线通信系统，本文简称为“多入多出系统”)中，发射机可以利用获得的信道状态信息，根据不同的优化目的和优化条件，在总的发射功率约束下，进行功率分配的优化配置，为每个子信道分配不同的发射功率。

现有技术中常见的优化目的是以优化系统性能为目标，也就是说，在MIMO系统中，发射机充分利用可能获得的信道状态信息，就可以根据每个空间子信道的不同增益或衰落状况，以及根据系统性能的要求，在总的发射功率约束下，为每个子信道分配不同的发射功率。

现有的以优化系统性能为目标进行发射功率分配的方法如下：

a、最小均方误差优化功率分配：以最小化接收信号均方误差和为优化目标的发射功率分配技术；

b、最大化系统信干噪比优化功率分配：以最大化接收信号信干噪比为优化目标的发射功率分配；

c、等功率分配：为每个子信道分配相等的发射功率。

以上以优化系统性能为目标的功率分配方法中，方法c最简单，因为发射机不需要信道的信息，但性能最差；方法a和b分别在均方误差、信干噪比的性能较好，但提高了复杂度，因为发射机必须参考信道信息。

以上方法虽然能优化系统性能，但是，通信系统设计最终关注的是系统误码率(BER)，如果直接优化接收信号的误码率，那么更有利于实际系统的设计需要，或设计目标更直接。虽然直接优化接收信号的误码率更为有益，但接收信号误码率是关于发射子信道功率、信道参数等的一个复杂的函数，求解十分复杂，因此，直接优化接收信号误码率的功率分配方法的求解问题阻挡了这种功率分配技术的实用化。

现有的以优化接收信号误码率为目标进行发射功率分配的计算方法有以下两种：

A、内点法：一种通用的复杂优化问题解的搜索方法；

B、Q函数契尔诺夫(Chemoff)上边界法：用原复杂函数的一个简化上边界函数代替原函数，求解其功率分配。

方法A复杂度高，不适合无线通信系统高实时性的要求，同时高计算复杂度也不适合移动终端能量有限的环境；方法B只是一种为了简化表达式而设计的一种近似功率分配算法，是次优化方法。因此，对于直接优化接收信号误码率的功率分配方法，需要提出一种复杂度低、功率分配精确的算法，以便适合无线通信系统高实时性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多入多出系统空间发射功率的分配方法及发射机，解决现有技术不适合移动终端能量有限的环境，也不适合无线通信系统高实时性要求的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多入多出系统空间发射功率的分配方法，其中，包括：在多入多出系统总的发射功率约束条件下，结合最小化系统误码率的功率分配方式，利用Wln函数在系统的子信道间进行发射功率的分配，所述Wln函数为方程x+ln(x)＝a的解：x＝Wln(a)。

上述的方法，其中，包括如下步骤：

步骤一，根据系统所使用的调制方式确定参数BetaM、AlphaM，其中BetaM＝3/(M-1)，

AlphaM = 4 * [1 - 1 / \sqrt{M}],

M为系统所使用的调制阶数；

步骤二，对系统信道状态信息进行估计，得到信道参数矩阵Ht；

步骤三，利用Ht＝UDV^H，将所述参数矩阵Ht进行特征值分解，其中，D为对角矩阵，对角矩阵的对角线元素为G_i ^1/2，参数i满足公式1<＝i<＝R，R为矩阵Ht的秩，U和V分别为左和右奇异向量所组成的酉矩阵，^H表示对矩阵进行共轭转置操作；

步骤四，根据系统事先对使用子信道数目的协商，如果系统使用L个子信道同时进行数据传输，则取对角矩阵D的最大L个对角线元素G_i ^1/2，其中i满足1<＝i<＝L，则i满足1<＝i<＝L的G_i为L个子信道的信道增益；

步骤五，利用公式P_i＝B_i*Wln[ln(Ci)+ln(1/mu^2)]为系统的每个子信道分配功率，其中，P_i为第i个子信道分配的功率，B_i＝Pn/(BetaM*Gi)，Ci＝(AlphaM*BetaM*Gi)^2/(2*pi*Pn^2)，pi为圆周率，Pn为噪声功率，mu为拉格朗日乘子，^2表示平方操作。

上述的方法，其中，所述步骤二中，如果所述系统是频分双工系统，则采用反馈信道所反馈的接收机估计的信道状态信息；如果所述系统是时分双工系统，则利用信道的互惠属性，将反向信道估计信息用于信道状态信息的估计。

上述的方法，其中，所述Wln函数的求解步骤如下：

步骤a，选择一个初始坐标点A₀(x₀，x₀+ln(x₀))，初始化迭代索引n＝1；若a>＝1，则取x₀＝a-ln(a)；若0<a<1，则取x₀＝a；若a<＝0，则取x₀＝exp(a)，其中，exp(a)表示取2.71828为底、a为指数的运算；

步骤b，过点A_n-1作切线L_n-1，与直线y＝a相交于B_n-1(x_n，a)，得到本次迭代点A_n的坐标为(x_n，x_n+ln(x_n))；

步骤c，判断|x_n+ln(x_n)-a|是否位于设定的计算精度之内，是则x_n为所求的解；否则令n＝n+1，返回步骤b。

上述的方法，其中，在发射功率约束条件下，获取所述拉格朗日乘子mu的步骤如下：

步骤A，令t＝ln(1/mu^2)，作变量替换，利用公式P_i＝B_i*Wln[ln(Ci)+t]将L个发射功率值p₁，p₂,…p_L与mu的函数关系转化为与t的函数关系式；

步骤B，根据发射功率约束条件，粗略查找t的边界T，则t的最优值t_opt位于[0，T]或者[T，0]内；

步骤C，在[0，T]或[T，0]内，使用二分法迭代搜索最优值t_opt，采用的约束条件为和功率约束；

步骤D，根据t_opt计算出mu，mu＝(1/exp(t_opt))^1/2。

上述的方法，其中，在步骤C中，所述和功率约束的表达式为p₁+P₂+…+p_L＝P_max，其中，P_max为由实际发射系统决定的最大发射功率约束。

为了实现本发明的目的，本发明还提供了一种多入多出系统的发射机，包括顺序连接的信息处理模块、分配操作模块和多模波束形成模块；其中，还包括：功率分配控制模块，连接所述分配模块和多模波束形成模块，用于：在多入多出系统总的发射功率约束条件下，结合最小化系统误码率的功率分配方式，利用Wln函数在系统的子信道间进行发射功率的分配，所述Wln函数为方程x+ln(x)＝a的解：x＝Wln(a)。

上述的发射机，其中，所述功率分配控制模块包括：信道估计模块、特征值分解模块和发射功率分配模块；所述信道估计模块用于：对系统的信道状态信息进行估计，得到信道参数矩阵Ht；所述特征值分解模块用于：利用公式Ht＝UDV^H，将所述参数矩阵Ht进行特征值分解，其中，D为对角矩阵，对角矩阵的对角线元素为G_i ^1/2，参数i满足公式1<＝i<＝R，R为矩阵Ht的秩，U和V分别为左和右奇异向量所组成的酉矩阵；根据系统事先对使用子信道数目的协商，如果系统使用L个子信道同时进行数据传输，则取对角矩阵D的最大L个对角线元素G_i ^1/2，其中i满足1<＝i<＝L，则i满足1<＝i<＝L的G_i为L个子信道的信道增益；所述发射功率分配模块用于：利用公式P_i＝B_i*Wln[ln(Ci)+ln(1/mu^2)]为系统的每个子信道分配功率，其中，P_i为第i个子信道分配的功率，B_i＝Pn/(BetaM*Gi)，Ci＝(AlphaM*BetaM*Gi)^2/(2*pi*Pn^2)，pi为圆周率，Pn为噪声功率，mu为拉格朗日乘子。

本发明的优点在于：

1)本发明方法是以直接优化接收信号误码率为优化目标，并通过引入一个Wln函数，设计了一个低复杂度求解算法，直接求解了最小化误码率优化功率分配的问题。

2)在用低复杂度算法解决了最小化误码率优化功率分配方法的求解问题的同时，也获得了其带来的系统性能的提高，使最小化误码率优化功率分配技术有可能应用于实际系统。同时，其求解方法也可以推广运用于解决同类优化问题。

附图说明

图1为本发明提供的多入多出系统发射机的结构图；

图2为W函数曲线图；

图3为本发明提供的Wln函数曲线图；

图4为本发明与其它功率分配算法的系统性能对比图；

图5为本发明提供的最小误码率功率分配算法流程图；

图6为本发明提供的求解方程x+ln(x)＝a的解的算法流程图；

图7为本发明提供的计算拉格朗日乘子的替代算法流程图。

具体实施方式

本发明是通过引入一个Wln函数，以直接优化接收信号的误码率为优化目标，设计了一个低复杂度的求解算法，来直接求解多入多出系统发射功率的优化分配问题。

图1为本发明提供的多入多出系统发射机的结构图，其主要是在普通MIMO系统的发射机中添加了一个功率分配控制模块，功率分配控制模块中包含了一种最小误码率优化功率分配算法。如图，普通MIMO系统的发射机包括顺序连接的信息处理模块、分配操作模块105和多模波束形成模块106，其中信息处理模块包括：编码单元101、交织单元102、调制单元103和串并转换单元104。本发明添加的功率分配控制模块具体包括：信道估计模块107、特征值分解模块108和发射功率分配模块109。所述功率分配控制模块用于：在多入多出系统总的发射功率约束条件下，以最小化系统误码率为目标，利用Wln函数在系统的子信道间进行发射功率的分配。

其中，所述信道估计模块107用于对系统的发射机信道状态信息进行估计，得到信道参数矩阵Ht。

所述特征值分解模块108用于利用公式Ht＝UDV^H，将信道估计模块得到的所述参数矩阵Ht进行特征值分解(也叫做奇异值分解)，其中，D为对角矩阵，对角矩阵的对角线元素为G_i ^1/2，参数i满足1<＝i<＝R，R为矩阵Ht的秩，U和V分别为左和右奇异向量所组成的酉矩阵；根据系统事先对使用子信道数目的协商，如果系统使用L个子信道同时进行数据传输，则取对角矩阵D的最大L个对角线元素G_i ^1/2，其中，i满足1<＝i<＝L，则i满足1<＝i<＝L的G_i为L个子信道的信道增益。

所述分配模块109，用于进行最小误码率的功率分配，利用公式P_i＝B_i*Wln[ln(Ci)+ln(1/mu^2)]为系统的每个子信道分配功率，其中，P_i为第i个子信道分配的功率，B_i＝Pn/(BetaM*Gi)，Ci＝(AlphaM*BetaM*Gi)^2/(2*pi*Pn^2)，pi为圆周率，Pn为噪声功率，mu为拉格朗日乘子。

下面介绍一下本发明中所引入的Wln函数，以及通常的直接优化接收信号误码率的功率分配方法中所用到的W函数。

将方程x*exp(x)＝y的解记为x＝W(y)，并将x＝W(y)记为W函数，图2所示为W函数曲线图。

将方程x+ln(x)＝a的解记为x＝Wln(a)，并将x＝Wln(a)称为Wln函数，图3所示为Wln函数曲线。

对比图2和图3，可以看出，本发明引入的Wln函数与通常功率分配算法中的W函数相比，x随变量变化的灵敏度更高。通常的功率分配算法提出优化问题的解就可以直接用W函数表示，显然，由于函数解随变量变化的灵敏度很低，导致用W函数的通常功率分配算法的功率分配精度不高，因此，本发明利用Wln函数求解更有利于功率分配精度的提高，实际算法实现也证明确实如此。

图4为本发明与其它功率分配算法的系统性能对比图；本发明通过引入Wln函数获得了更好的系统误码率性能，见图4：取得10-4的误码率条件下，与最小化均方误差功率分配方法相比，所需的信噪比(SNR)降低了约1dB。SNR的降低意味着降低了发射功率；对终端意味着延长了电池寿命；对系统来说，意味着降低了对其它用户的干扰，增加了系统容量。其次，本发明与Q函数契尔诺夫(Chemoff)上边界求解法相比，提高了系统误码率性能。

对应本发明所提供的发射机，本发明提供了一种功率分配方法。下面详细描述本发明功率分配方法的具体步骤。

(一)本发明功率分配方法的流程见图5，本发明方法是一种最小误码率功率分配算法，本发明方法主要包括以下步骤：

步骤501，根据通信系统所使用的调制方式确定参数BetaM，AlphaM：BetaM＝3/(M-1)，

AlphaM = 4 * [1 - 1 / \sqrt{M}],

M为所使用的调制阶数，即M-QAM，如采用4-QAM，则M＝4，如果系统使用16QAM调制，则M＝16；

步骤502，发射机信道状态信息Ht(信道参数矩阵)的估计，如果是FDD(频分双工)系统，可以采用反馈信道反馈接收机估计的信道状态信息；如果是TDD(时分双工)系统，则可以利用信道的互惠属性，将反向信道估计信息用于信道状态信息的估计；

对MIMO信道参数矩阵进行特征值分解，即Ht＝UDV^H，其中：D为对角矩阵，对角线元素为G_i ^1/2(1<＝i<＝R)，R为矩阵Ht的秩；U和V分别为左和右奇异向量所组成的酉矩阵，H表示对矩阵进行共轭转置操作，^1/2表示对正数进行取平方根操作；

步骤503，根据通信系统事先对使用子信道数目的协商，假设使用L个子信道同时进行数据传输(如果选取的L满足L<＝R，则使用此选取的L，如果选取的L大于R，则令L＝R，也就是最多使用R个子信道)，那么取对角矩阵D的最大L个对角线元素G_i ^1/2(1<＝i< ＝L)，那么G_i(1<＝i<＝L)为L个子信道的信道增益；

步骤504，在总的发射功率约束条件下，利用最小化误码率为每个子信道计算其优化发射功率。利用Wln函数，为第i个子信道分配的功率为：

P_i＝B_i*Wln[ln(Ci)+ln(1/mu^2)]，其中B_i＝Pn/(BetaM*Gi)，Ci＝(AlphaM*BetaM*G_i)^2/(2*pi*Pn^2)，这里Pn为噪声功率，mu为拉格朗日乘子，^2表示平方操作。

在步骤504中，涉及到了Wln函数的求解问题。Wln函数值的求解算法流程见图6；包括以下主要步骤：

步骤601，初始化x₀值：若a>＝1，则取x₀＝a-ln(a)；若0<a<l，则取x₀＝a；若a<＝0，则取x₀＝exp(a)，其中，ln(a)表示取a的自然对数，exp(a)表示取2.71828为底、a为指数的运算；则初始初始迭代点A₀坐标(x₀，x₀+ln(x₀))；

步骤602，初始化迭代索引n＝1；

步骤603，过点A_n-1作切线L_n-1，与直线y＝a相交于B_n-1(x_n，a)，则：一次迭代点A_n坐标为(x_n，x_n+ln(x_n))；

步骤604，判断|xn+ln(xn)-a|位于设定的计算精度之内，是则执行步骤606，否则执行步骤605；

步骤605，令n＝n+1，返回步骤603；

步骤606，此时的x_n即为所求。

另外，在步骤504中，涉及到了拉格朗日乘子mu的计算。根据发射功率约束条件计算拉格朗日乘子mu的算法流程见图7，主要包括以下几个步骤：

步骤701，令t＝ln(1/mu^2)，再作变量替换，将L个发射功率值p₁，p₂,…p_L与mu的函数关系转化为与t的函数关系式，即P_i＝B_i*Wln[ln(Ci)+t]；

步骤702，根据发射功率约束条件，粗略查找t的边界T，则最优值t_opt位于[0，T]或者[T，0]内；

步骤703，在[0，T]或[T，0]内，使用二分法迭代搜索最优值t_opt；约束条件为和功率约束，即p₁+p₂+…+p_L＝P_max，其中，P_max为最大发射功率约束；

步骤704，根据t_opt计算mu，即mu＝(1/exp(t_opt))1/2。

由上可知，本发明方法和发射机的核心在于：

1)以最小化系统误码率为优化目标，在系统总的发射功率约束条件下，在子信道间优化地分配发射功率；

2)利用Wln函数进行优化功率分配的求解。

本发明方法和发射机与现有技术相比具有以下优势：

1)性能方面：与背景技术中已有的a，b和c三种功率分配方法相比，本发明方法获得了更好的系统误码率性能，见图4：取得10^-4的误码率条件下，与最小化均方误差功率分配方法相比，所需的信噪比(SNR)降低了约1dB。SNR的降低意味着降低了发射功率；对终端意味着延长了电池寿命；对系统来说，意味着降低了对其它用户的干扰，增加了系统容量。其次，本发明方法与Q函数契尔诺夫(Chemoff)上边界求解法相比，提高了系统误码率性能。

2)计算复杂度与精度方面：在最小化误码率优化功率分配的计算算法上，与W函数计算算法相比，Wln方法的使用避免了因“大数”(“大数”就是很大的数字或是超过处理器运算范围的数字，比如exp(40))而导致的功率分配精度低的问题，并且，由于搜索次数的降低，从而降低了算法的复杂度；与内点法求解方法相比，也较大地降低了功率计算的复杂度，因为内点法是通过无数次的搜索和逼近进行求解的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种多入多出系统空间发射功率的分配方法，其特征在于，包括：在多入多出系统总的发射功率约束条件下，结合最小化系统误码率的功率分配方式，利用Wln函数在系统的子信道间进行发射功率的分配，所述Wln函数为方程x+ln(x)＝a的解：x＝Wln(a)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：

AlphaM = 4 * [1 - 1 / \sqrt{M}],

M为系统所使用的调制阶数；

步骤三，利用Ht＝UDV^H，将所述参数矩阵Ht进行特征值分解，其中，D为对角矩阵，对角矩阵的对角线元素为G_i ^1/2，参数i满足公式1＜＝i＜＝R，R为矩阵Ht的秩，U和V分别为左和右奇异向量所组成的酉矩阵，H表示对矩阵进行共轭转置操作；

步骤四，根据系统事先对使用子信道数目的协商，如果系统使用L个子信道同时进行数据传输，则取对角矩阵D的最大L个对角线元素G_i ^1/2，其中i满足1＜＝i＜＝L，则i满足1＜＝i＜＝L的G_i为L个子信道的信道增益；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，如果所述系统是频分双工系统，则采用反馈信道所反馈的接收机估计的信道状态信息；如果所述系统是时分双工系统，则利用信道的互惠属性，将反向信道估计信息用于信道状态信息的估计。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述Wln函数的求解步骤如下：

步骤a，选择一个初始坐标点A₀(x₀，x₀+ln(x₀))，初始化迭代索引n＝1；若a＞＝1，则取x₀＝a-ln(a)；若0＜a＜1，则取x0＝a；若a＜＝0，则取x₀＝exp(a)，其中，exp(a)表示取2.71828为底、a为指数的运算；

步骤c，判断|x_n+l_n(x_n)-a|是否位于设定的计算精度之内，是则x_n为所求的解；否则令n＝n+1，返回步骤b。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在发射功率约束条件下，获取所述拉格朗日乘子mu的步骤如下：

步骤A，令t＝ln(1/mu^2)，作变量替换，利用公式P_i＝B_i*Wln[ln(Ci)+t]将L个发射功率值p₁，p₂，...p_L与mu的函数关系转化为与t的函数关系式；

步骤D，根据t_opt计算出mu，mu＝(1/exp(t_opt))^1/2。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤C中，所述和功率约束的表达式为p₁+p₂+...+p_L＝P_max，其中，P_max为由实际发射系统决定的最大发射功率约束。

7.一种多入多出系统的发射机，包括顺序连接的信息处理模块、分配操作模块和多模波束形成模块；其特征在于，还包括：功率分配控制模块，连接所述分配模块和多模波束形成模块，用于：在多入多出系统总的发射功率约束条件下，结合最小化系统误码率的功率分配方式，利用Wln函数在系统的子信道间进行发射功率的分配，所述Wln函数为方程x+ln(x)＝a的解：x＝Wln(a)。

8.根据权利要求7所述的发射机，其特征在于，所述功率分配控制模块包括：信道估计模块、特征值分解模块和发射功率分配模块；

所述信道估计模块用于：对系统的信道状态信息进行估计，得到信道参数矩阵Ht；

所述特征值分解模块用于：利用公式Ht＝UDV^H，将所述参数矩阵Ht进行特征值分解，其中，D为对角矩阵，对角矩阵的对角线元素为G_i ^1/2，参数i满足公式1＜＝i＜＝R，R为矩阵Ht的秩，U和V分别为左和右奇异向量所组成的酉矩阵；根据系统事先对使用子信道数目的协商，如果系统使用L个子信道同时进行数据传输，则取对角矩阵D的最大L个对角线元素G_i ^1/2，其中i满足1＜＝i＜＝L，则i满足1＜＝i＜＝L的G_i为L个子信道的信道增益；

所述发射功率分配模块用于：利用公式P_i＝B_i*Wln[ln(Ci)+ln(1/mu^2)]为系统的每个子信道分配功率，其中，P_i为第i个子信道分配的功率，B_i＝Pn/(BetaM*Gi)，Ci＝(AlphaM*BetaM*Gi)^2/(2*pi*Pn^2)，pi为圆周率，Pn为噪声功率，mu为拉格朗日乘子。