CN101321007A - 一种用于分布式天线系统的比特及功率分配方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于分布式天线系统的比特及功率分配方法和装置。所述方法包括步骤：A.基站接收终端发送的对应于每根发送天线的大尺度衰落信息；B.根据所述大尺度衰落信息进行比特及功率分配。本发明的方法和装置，实现了在保证平均服务质量，例如吞吐量和平均误码率性能的前提下，最大程度的降低功耗。

Description

一种用于分布式天线系统的比特及功率分配方法和装置

技术领域

本发明涉及分布式天线系统，尤其涉及一种用于分布式天线系统的比特及功率分配方法和装置。

背景技术

未来移动通信能够为用户提供高速的多媒体数据传输业务，因此通信网络需要提供很高的数据传输能力，例如数百兆比特每秒甚至更高。对于下一代移动通信的网络结构，除了传统的蜂窝小区的结构，分布式天线系统(DistributedAntenna System)和基于中继器的蜂窝结构(Relay-Based Cellular)也是重要的备选小区结构。在分布式天线系统中，基站的天线单元分布在小区中的不同位置；在基于中继器的蜂窝结构中，基站和中继器也位于不同的位置。可以通过恰当的分布式多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)体系获得更多的空间分集增益、复用增益，因而，MIMO系统能够提供大传输能力。

在提供大传输能力的同时，保证一定的传输质量也是需要的，例如平均误码率性能。在传统蜂窝小区的MIMO系统中，比特及功率分配方法能够提高系统的频谱效率以及功率效率，从而能够帮助提高系统性能并保证业务质量。在传统的比特及功率分配方法中，基站利用实时的信道信息进行比特及功率分配，同时进行天线选择，从而能够尽可能的获得空间分集及复用增益。在时分双工(TDD)系统中，实时的信道信息可以利用上行和下行信道的对称性获得；在频分双工(FDD)系统中，实时的下行信道信息只能通过反馈信道由终端反馈到基站。因此在频分双工系统中，需要上行反馈信道能够支持终端信道信息的反馈。

在多输入输出-正交频分多址(MIMO-OFDMA)系统中，终端所需的上行反馈信道开销会随着终端数量的增加、天线数量的增加以及反馈周期的缩短而上升。在天线配置、终端数量确定的情况下，反馈周期就成为影响反馈开销的关键参数：反馈周期短，则信道估计准确，使得比特及功率分配的结果准确，但是反馈开销大；反馈周期长，则信道估计不准确，使得比特及功率分配的结果不准确，但是反馈开销小。

因此，传统的比特及功率分配方法只能在反馈开销和性能之间进行折衷：为了满足实际系统能够支持的反馈开销的需求，不得不牺牲性能。另外，比特及功率分配的目标是在满足业务质量的前提下，最小化所需发送功率；但是当反馈周期变长，系统性能下降的时候，业务质量也就不能再被保证了。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于分布式天线系统的比特及功率分配方法和装置，来实现在保证吞吐量和平均误码率性能的前提下，降低功耗。

为解决上述问题，本发明提供技术方案如下：

一种用于分布式天线系统的比特及功率分配方法，包括步骤：

A、基站接收终端发送的对应于每根发送天线的大尺度衰落信息；以及

B、根据所述大尺度衰落信息进行比特及功率分配。

本发明所述的方法，其中，步骤A之前还包括步骤：

基站周期性的广播广播信道；

终端利用信道估计测量到各发送天线的大尺度衰落信息，并将所述大尺度衰落信息发送到基站。

本发明所述的方法，其中，步骤B具体包括：

B1、根据所述大尺度衰落信息，计算在每一种数据流数量情况下进行比特及功率分配后系统的总发送功率；

B2、选择总发送功率最小的分配方案进行比特及功率分配。

所述数据流数量≤min{发送天线数，接收天线数}。

本发明所述的方法，步骤B1中，所述进行比特及功率分配具体包括：

B11、选择大尺度衰落信道响应最大的n根天线，其中n为数据流数量；

B12、选择所述n根天线中的一根，将系统总比特中的delta比特分配到这根天线，天线的选择准则是：选择在分配该delta比特后所需增加的发送功率最小的天线；

B13、重复执行步骤B12，直到系统的所有比特分配完成。

所述delta是相邻调制阶数之间的比特数之差。

本发明所述的方法，步骤B12中，在终端采用迫零的线形检测算法时，根据 $\mathrm{\ΔP}=C\·\frac{2^{b_k}}{{\mathrm{\ρ}}_k}$ 来计算分配delta比特到天线k后，天线k所需增加的发送功率ΔP，其中，C为常数，b_k为天线k上已经分配的比特数量，ρ_k为天线k到终端的大尺度衰落信道响应。

一种用于分布式天线系统的比特及功率分配装置，包括：

接收单元，用于接收终端发送的对应于每根发送天线的大尺度衰落信息；

分配单元，用于根据所述大尺度衰落信息进行比特及功率分配。

本发明所述的装置，其中，所述分配单元具体包括：

计算子单元，用于根据所述大尺度衰落信息，计算在每一种数据流数量情况下进行比特及功率分配后系统的总发送功率；

分配子单元，用于选择总发送功率最小的分配方案进行比特及功率分配。

所述数据流数量≤min{发送天线数，接收天线数}。

本发明所述的装置，其中，所述计算子单元在计算每一种数据流数量情况下进行比特及功率分配后系统的总发送功率中，所述进行比特及功率分配具体为：

选择大尺度衰落信道响应最大的n根天线，其中n为数据流数量；

每次选择所述n根天线中的一根，将系统总比特中的delta比特分配到这根天线，直到系统的所有比特分配完成，天线的选择准则是：选择在分配该delta比特后所需增加的发送功率最小的天线。

所述delta是相邻调制阶数之间的比特数之差。

本发明所述的装置，其中，在终端采用迫零的线形检测算法时，所述计算子单元根据 $\mathrm{\ΔP}=C\·\frac{2^{b_k}}{{\mathrm{\ρ}}_k}$ 来计算分配delta比特到天线k后，天线k所需增加的发送功率ΔP，其中，C为常数，b_k为天线k上已经分配的比特数量，ρ_k为天线k到终端的大尺度衰落信道响应。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

根据大尺度衰落信息进行比特及功率分配，能够极大的减小系统上行反馈的开销，从而使比特和功率分配算法更实用；

天线选择准则中的功率增加值算法简单，从而可以极大的减小算法的复杂度；

在保证平均服务质量，例如吞吐量和平均误码率性能的前提下，最大程度的降低了功耗。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的比特及功率分配装置的结构图；

图2为本发明较佳实施例的比特及功率分配方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

在以下描述中，将分布式天线系统中的天线单元和基于中继器的蜂窝系统中的基站及中继器统称为分布式天线单元，并将分布式天线系统和基于中继器的蜂窝系统统称为分布式天线系统。

在分布式天线系统中，下行发送天线单元(每个天线单元包括至少一根天线)在地理上分布不同，从不同的发送天线单元到接收天线的信道响应中，大尺度衰落分量也不相同；而且大尺度衰落是慢时变的分量，即随时间变化缓慢，变化的速度由终端移动的速度决定。因此，本发明的较佳实施例根据大尺度衰落分量进行比特及功率分配，不需要频繁的进行信道信息的反馈，从而能够极大的降低上行反馈开销；并且在保证吞吐量和平均误码率性能的前提下，降低了功耗。

请参照图1，本发明较佳实施例的比特及功率分配装置10包括接收单元11和分配单元12。

基站周期性的广播广播信道，终端利用信道估计来测量到各发送天线的大尺度衰落信息，并将所述大尺度衰落信息发送到基站。基站通过接收单元11接收终端发送的对应于每根发送天线的大尺度衰落信息。

在接收到大尺度衰落信息后，分配单元12根据所述大尺度衰落信息进行比特及功率分配。在本实施例中，所述分配单元12可具体包括：计算子单元，用于根据所述大尺度衰落信息，计算在每一种数据流数量情况下进行比特及功率分配后系统的总发送功率；分配子单元，用于选择总发送功率最小的分配方案进行比特及功率分配。其中，所述数据流数量≤min{发送天线数，接收天线数}。

计算子单元在计算每一种数据流数量情况下进行比特及功率分配后系统的总发送功率中，所述进行比特及功率分配的具体方法请参见下文关于本发明较佳实施例的比特及功率分配方法中的描述。

请参照图2，本发明较佳实施例的比特及功率分配方法包括如下步骤：

步骤21、基站周期性的广播广播信道；

步骤22、终端利用信道估计测量到各发送天线的大尺度衰落信息，并将所述大尺度衰落信息发送到基站；

步骤23、基站接收终端发送的对应于每根发送天线的大尺度衰落信息；

步骤24、基站根据所述大尺度衰落信息进行比特及功率分配。

在进行比特及功率分配后，基站就可以根据比特及功率分配的结果，利用分布式天线单元向用户发送信令和数据信息。

其中，步骤24具体包括：

步骤241、根据系统的发送天线数和终端接收天线数确定最大传输的数据流数量；

系统最大传输的数据流数量＝min{发送天线数，终端接收天线数}，其中min{a，b}表示a和b的最小值；

步骤242、对于每一种可能的数据流数量n(n小于或者等于系统最大传输的数据流数量)，执行如下流程：

步骤2421、从所有的发送天线中，选择大尺度衰落信道响应最大的n根天线(即信道衰落最小，接收端平均信噪比最大的n根发送天线)；

步骤2422、对于系统总比特数，每次分配delta比特到某根天线，其中delta是相邻调制阶数之间的比特数之差，例如四相移键控(QPSK)、16阶正交幅度调整(16QAM)、16阶正交幅度调整64QAM之间的delta是2比特；

每次从所述n根天线中选择一根进行分配，天线的选择准则是：选择在分配该delta比特后所需增加的发送功率最小的天线；后文将通过理论分析得出天线选择准则中的功率增加值算法，根据该准则可以使得总发送功率最小。

步骤2423、依次将全部比特分配完毕。

步骤243、根据步骤242的执行结果，选择总发送功率最小的分配方案进行实际的比特及功率分配。

以下推导本发明实施例中天线选择准则中的功率增加值算法，并假设接收端采用迫零(zero-forcing)线形检测算法。

对于M阶正交幅度调制(M-QAM)的误码率(BER)的近似表达式为：

$\mathrm{BER}\left({\mathrm{\γ}}_k\right)=0.2\exp (-\frac{1.6{\mathrm{\γ}}_k}{2^{b_k}-1})$

其中，γ_k为数据流k的检测后的信噪比，b_k为该数据流k传输的比特数量。γ_k为大尺度信道响应和小尺度信道响应的函数，在大尺度衰落固定的情况下，对BER以γ_k为随机变量求平均值：

$\mathrm{BER}=E\{{\mathrm{BER}}^{\left(L\right)}\left({\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_k\right)$

$=0.2{\∫}_0^{\∞}{e}^{-\frac{1.6{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_k{g}_k}{2^{b_k}-1}}\·\frac{{(g_k/{\mathrm{\ρ}}_k)}^{M-L}\·\exp (-g_k/{\mathrm{\ρ}}_k)}{{\mathrm{\ρ}}_k(M-L)!}{\mathrm{dg}}_k$

$=0.2{(1+\frac{1.6{\mathrm{\ρ}}_k{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_k}{2^{b_k}-1})}^{-(M-L+1)}$

其中，g_k为小尺度信道响应的检测后信噪比，ρ_k为天线k到终端的大尺度衰落信道响应，γ_k为发送端平均信噪比，M为终端接收天线数，L为选择的数据流的数量。

这样，在已知平均信噪比的情况下，所需发送功率为：

${\stackrel{\‾}{P}}_k=N_0\frac{2^{b_k}-1}{1.6{\mathrm{\ρ}}_k}[{\left(\frac{0.2}{\mathrm{BER}}\right)}^{\frac{1}{M-L+1}}-1]$

对于delta比特所需增加的发送功率为：

$\mathrm{\ΔP}=C\·\frac{2^{b_k}}{{\mathrm{\ρ}}_k}$

其中，C为常数，与M和L有关。

以下介绍一个具体应用实例。

在一分布式天线系统中，包括4个分布式天线单元，每个天线单元包括1个发送天线，终端包括2根接收天线，总吞吐量为6bit/时频资源；接收端采用迫零线性检测算法。其中，4根发送天线到终端的大尺度衰落分别为：

ρ₁＝10，ρ₂＝5，ρ₃＝3，ρ₄＝1

系统能够传输的数据流的最大数量N＝min{4，2}＝2，对每种可能的数据流数量(1或2)分别进行分析：

在数据流数量为2时：

从4根天线中选择2根大尺度信道响应最大的天线，即天线1和天线2；

在总比特数为6比特、delta＝2比特时，根据天线选择准则及其功率增加值算法 $\mathrm{\ΔP}=C\·\frac{2^{b_k}}{{\mathrm{\ρ}}_k},$ 选择天线的过程如表1：

	天线1所需增加的功率	天线2所需增加的功率	选择的天线
				第1、2比特	C/10	C/5	1
第3、4比特	4C/10	C/5	2
				第5、6比特	4C/10	4C/5	1

表1

所以比特及功率分配结果为：

天线1上发送4比特，发送功率为C/2；天线2上发送2比特，发送功率为C/5；总发送功率为7C/10。

在数据流数量为1时：

从4根天线中选择1根大尺度信道响应最大的天线，即天线1；在总比特数为6比特、delta＝2比特时，根据天线选择准则及其功率增加值算法 $\mathrm{\ΔP}=C\·\frac{2^{b_k}}{{\mathrm{\ρ}}_k},$ 选择天线的过程如表2：

	天线1所需增加的功率	选择的天线
			第1、2比特	C/10	1
第3、4比特	4C/10	1
			第5、6比特	16C/10	1

表2

所以比特及功率分配结果为：

天线1上发送6比特，发送功率为21C/10。

由于数据流数量为2的分配结果的总发送功率为7C/10，小于数据流数量为1的分配结果的总发送功率21C/10，因而选择按照数据流数量为2的分配方案进行分配，即：选择天线1和2进行发送，天线1上发送4比特，发送功率为C/2；天线2上发送2比特，发送功率为C/5；总发送功率为7C/10。

在接收端采用其他检测算法，例如最小化均方误差(MMSE)算法时，天线选择准则的功率增加值算法的推导过程类似，天线选择的方法也类似，这里不作赘述。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (13)

1.一种用于分布式天线系统的比特及功率分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、基站接收终端发送的对应于每根发送天线的大尺度衰落信息；以及

B、根据所述大尺度衰落信息进行比特及功率分配。

2.如权利要求1所述的比特及功率分配方法，其特征在于，步骤A之前还包括步骤：

基站周期性的广播广播信道；

终端利用信道估计测量到各发送天线的大尺度衰落信息，并将所述大尺度衰落信息发送到基站。

3.如权利要求1所述的比特及功率分配方法，其特征在于，步骤B具体包括：

B1、根据所述大尺度衰落信息，计算在每一种数据流数量情况下进行比特及功率分配后系统的总发送功率；

B2、选择总发送功率最小的分配方案进行比特及功率分配。

4.如权利要求3所述的比特及功率分配方法，其特征在于：

所述数据流数量≤min{发送天线数，接收天线数}。

5.如权利要求3所述的比特及功率分配方法，其特征在于，步骤B1中，所述进行比特及功率分配具体包括：

B11、选择大尺度衰落信道响应最大的n根天线，其中n为数据流数量；

B12、选择所述n根天线中的一根，将系统总比特中的delta比特分配到这根天线，天线的选择准则是：选择在分配该delta比特后所需增加的发送功率最小的天线；

B13、重复执行步骤B12，直到系统的所有比特分配完成。

6.如权利要求5所述的比特及功率分配方法，其特征在于：

所述delta是相邻调制阶数之间的比特数之差。

7.如权利要求5所述的比特及功率分配方法，其特征在于：步骤B12中，在终端采用迫零的线形检测算法时，根据 $\mathrm{\ΔP}=C\·\frac{2^{b_k}}{{\mathrm{\ρ}}_k}$ 来计算分配delta比特到天线k后，天线k所需增加的发送功率ΔP，其中，C为常数，b_k为天线k上已经分配的比特数量，ρ_k为天线k到终端的大尺度衰落信道响应。

8.一种用于分布式天线系统的比特及功率分配装置，其特征在于，包括：

接收单元，用于接收终端发送的对应于每根发送天线的大尺度衰落信息；

分配单元，用于根据所述大尺度衰落信息进行比特及功率分配。

9.如权利要求8所述的比特及功率分配装置，其特征在于，所述分配单元具体包括：

计算子单元，用于根据所述大尺度衰落信息，计算在每一种数据流数量情况下进行比特及功率分配后系统的总发送功率；

分配子单元，用于选择总发送功率最小的分配方案进行比特及功率分配。

10.如权利要求9所述的比特及功率分配方法，其特征在于：

所述数据流数量≤min{发送天线数，接收天线数}。

11.如权利要求9所述的比特及功率分配装置，其特征在于，所述计算子单元在计算每一种数据流数量情况下进行比特及功率分配后系统的总发送功率中，所述进行比特及功率分配具体为：

选择大尺度衰落信道响应最大的n根天线，其中n为数据流数量；

每次选择所述n根天线中的一根，将系统总比特中的delta比特分配到这根天线，直到系统的所有比特分配完成，天线的选择准则是：选择在分配该delta比特后所需增加的发送功率最小的天线。

12.如权利要求11所述的比特及功率分配装置，其特征在于：

所述delta是相邻调制阶数之间的比特数之差。

13.如权利要求11所述的比特及功率分配装置，其特征在于：

在终端采用迫零的线形检测算法时，所述计算子单元根据 $\mathrm{\ΔP}=C\·\frac{2^{b_k}}{{\mathrm{\ρ}}_k}$ 来计算分配delta比特到天线k后，天线k所需增加的发送功率ΔP，其中，C为常数，b_k为天线k上已经分配的比特数量，ρ_k为天线k到终端的大尺度衰落信道响应。

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