CN101552627B - 一种多输入多输出空间复用模式的功率控制方法 - Google Patents

一种多输入多输出空间复用模式的功率控制方法 Download PDF

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Abstract

一种多输入多输出空间复用模式的功率控制方法，适用于宽带无线正交频分多址接入系统，该方法步骤为：首先进行自适应调制编码AMC处理；其次计算信道矩阵的秩及其条件数目，作为接收到多个并行数据流的信道相关性强弱判断的依据，并依据所述信道相关性强弱分别进行相应的功率调整。本发明根据用户信道的相关性强弱有针对性地进行功率控制，特别是针对用户信道的相关性强而提出的功率控制方法，能够有效地避免MIMO的空间复用模式下由于信道相关性强而导致功率控制失效，从而提高系统的抗干扰及抗衰落性能。

Description

一种多输入多输出空间复用模式的功率控制方法
技术领域
本发明涉及宽带无线正交频分多址接入(OFDMA，Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access)系统的功率控制技术，尤其涉及OFDMA系统多输入多输出(MIMO，Multiple-Input Multiple-Output)的空间复用(SM，SpatialMultiplexing)模式的功率控制方法。
背景技术
OFDMA技术是目前以及未来无线通信技术的主要方案之一。该方案为用户分配若干子载波，这些子载波在频域允许重叠但始终保持相互正交。另外，MIMO空间复用模式已经成为目前OFDMA无线宽带系统中必选的技术。这种技术在通信接收、发射双方都使用一组天线，在发射端将一个用户的数据信息分成多路并行信号，并分别由多个天线同时、同频段发送；接收方通过空时译码算法分辨出不同的并行子信号流。不同的空时编译码方案对系统有不同的要求，如贝尔实验室分层空时(BLAST，Bell labs LAyered SpaceTime)码使用信号处理过程实现子信号流的分离。最后将恢复出的子信号流合并成原有的发射串行信号。MIMO技术是一种将信号的空域与时域处理相结合的技术方案，空域的处理实际上是利用了多径环境中的散射所产生的不同子信号流的不相关性而在接收方对不同的信号流进行分离。MIMO将信道视为若干并行的子信道，在不需要额外带宽的情况下实现近距离的频谱资源重复利用(多个发射天线近距离同频、同时传输)，理论上可以极大地扩展频带利用率及提高无线传输速率，同时还增强了通信系统的抗干扰、抗衰落性能。
与其它蜂窝无线通信技术一样，功率控制技术在宽带无线OFDMA系统也具有很重要的地位。它可以为系统提供自适应调制编码(AMC，AdaptiveModulation and Coding)功能、防止功率攀比上升，降低系统总的干扰水平以及克服无线信道的慢衰落对信号的影响等，对网络性能影响很大。但是目前的一些OFDMA系统中，在使用MIMO的空间复用模式的时候，由于没有考虑信道相关性的变化，使得功率控制不仅没有起到应有的效果，反而会使得网络性能恶化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种多输入多输出空间复用模式的功率控制方法，适用于宽带无线OFDMA系统，以解决由于信道相关性强而导致功率控制失效及网络性能恶化的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多输入多输出空间复用模式的功率控制方法，适用于宽带无线正交频分多址接入系统，该方法步骤为：首先进行自适应调制编码AMC处理；其次计算信道矩阵的秩及其条件数目，作为接收到多个并行数据流的信道相关性强弱判断的依据，并依据所述信道相关性强弱分别进行相应的功率调整。
进一步地，如果信道矩阵满秩，且条件数目小于一给定的第一阈限，则判断信道相关性弱；如果信道矩阵不满秩，或者条件数目大于一给定的第二阈限，则判断信道相关性强。
进一步地，功率调整根据多输入多输出MIMO系统的带宽资源情况、间隔使用码IUC阶数以及信道的载波信号干扰噪声比CINR进行。
进一步地，CINR包括依次由小到大的各轨迹点：IUC出口阈限IucExitThrd、低偏置LowBias、CINR设定值CINRset、高偏置HighBias以及IUC入口阈限IucEnterThrd。
进一步地，若判断信道相关性弱，则功率调整包括：
若系统的带宽资源处于紧张状态，则
当IUC为最高阶时，进行IUC的正对准CINRset的功率调整和负对准CINRset的功率调整：即CINR小于CINRset时，增加功率使CINR上升到CINRset；CINR大于CINRset时，减小功率使CINR下降到CINRset；
当IUC不为最高阶时，计算当前CINR与高一级IUC的CINRset之间的差值，调整功率使CINR到高一级IUC的CINRset；
若系统的带宽资源处于空闲状态，则
当IUC为最低阶时，进行IUC的正对准CINRset的功率调整；当CINR大于HighBias时，降低功率使CINR达到当前IUC的CINRset；
当IUC不为最低阶时，若CINR比当前IUC的LowBias小，则将当前IUC降一阶；
若系统的带宽资源处于正常状态，则
当IUC为最高阶时，进行IUC的正对准CINRset的功率调整和负对准CINRset的功率调整；
当IUC不为最高阶时，则进行IUC的正对准CINRset的功率调整，当CINR大于CINRset时不提升功率，以便IUC准备升高一阶。
进一步地，若判断信道相关性强，则功率调整包括：
若系统的带宽资源处于紧张状态、且当IUC为最高阶时，进行IUC的负对准CINRset的功率调整，即CINR大于CINRset时，减小功率使CINR下降到CINRset。
若系统的带宽资源处于空闲状态、且当IUC不为最低阶时：若CINR大于HighBias，则降低功率使CINR达到当前IUC的CINRset；若CINR比当前IUC的LowBias小，则将当前IUC降一阶；
若系统的带宽资源处于正常状态，则
当IUC为最高阶时，进行IUC的负对准CINRset的功率调整；
当IUC不为最高阶时，CINR小于CINRset时不提升功率，CINR大于CINRset时不下降功率，以便IUC准备升高一阶。
进一步地，系统的带宽资源处于紧张状态，即带宽使用率在较长时间内大于80％；系统的带宽资源处于空闲状态，即带宽使用率在较长时间内小于30％；系统的带宽资源处于空闲状态，即带宽使用率在较长时间内大于30％且小于80％。
进一步地，AMC处理包括步骤：
(a)确认用户信道已达最大发射功率且不处于最低阶间隔使用码IUC后，计算信道的载波信号干扰噪声比CINR；
(b)根据CINR的范围进行IUC的降阶或升阶处理。
进一步地，步骤(b)包括：
若CINR小于低偏置LowBias且大于IUC出口阈限IucExitThrd，或CINR小于IucExitThrd，则均将IUC降低一阶；
若CINR大于IUC入口阈限IucEnterThrd，则将IUC升高一阶。
采用本发明的MIMO空间复用模式的功率控制方法，根据用户信道的相关性强弱而有针对性地进行功率控制，特别是针对用户信道的相关性强而提出的功率控制方法，能够有效地避免MIMO的空间复用模式下由于信道相关性强而导致功率控制失效，从而提高系统的抗干扰及抗衰落性能。
附图说明
图1为本发明的MIMO空间复用模式的功率控制方法流程图；
图1a为间隔使用码IUC上点的定义示意图；
图2为图1所示流程中进行AMC处理的流程图；
图2a表示用户处于最高发射功率时IUC降级的AMC处理；
图2b表示用户处于最高发射功率时IUC升级的AMC处理；
图2c表示用户处于最高发射功率时IUC降级的AMC处理；
图3为图1所示流程在信道相关性弱而进行正常功率调整过程的流程图；
图3a、图3b表示在带宽紧张时的功率控制过程示意；其中，图3a表示对处于最高阶IUC的功控，图3b表示对处于非最高阶IUC的功控；
图3c、图3d及图3e表示在带宽资源空闲较多时的功率控制过程示意；其中，图3c表示对处于最低阶IUC的功控，图3d表示对当前CINR超过HighBias的功控；图3e表示对当前CINR小于LowBias的功控；
图3f表示在带宽资源处于一般情况下对处于非最高阶IUC的功率控制示意；
图4为图1所示流程在信道相关性强而进行特殊功率调整过程的流程图；
图4a表示在带宽紧张时，处于最高阶IUC的功控过程示意。
具体实施方式
本发明的提供的一种MIMO空间复用模式的功率控制方法，适用于宽带无线OFDMA系统；该方法步骤为：首先进行AMC处理；其次根据用户信道相关性强弱分别进行相应的功率调整处理，通过计算信道矩阵的秩及其条件数，作为信道相关性强弱判断的依据。
以下结合附图并通过具体实施例来详细说明本发明的上述技术方案。
在蜂窝网络中，对有用信号产生干扰的有：噪声、其它基站及移动台的同频信号以及MIMO SM模式中多个发送天线之间的干扰。所以，数据的载波干扰噪声比(CINR，Carrier to Interference-plus-Noise Ratio)为：
Datacinr＝S/(N+Id+Is)
其中，S表示有用信号功率，N为噪声功率，Id中为来自其他MS或者BS的同频干扰，Is中为来自发射端其它天线的干扰。
为了描述SM信道的相关性，需要计算信道的秩(rank)。假定信道矩阵为H，对其做奇异值分解可以得到：
H＝UDVH
其中，U与V都是酉矩阵，就是说UUH＝I(单位矩阵)以及VVH＝I。矩阵D是一个对角矩阵，包含信道矩阵H的奇异值，也就是矩阵HHH或者矩阵HHH特征值的平方根。矩阵HHH或者矩阵HHH非零特征值的数目就是信道矩阵H的秩。
信道矩阵秩的最大值(称为满秩)为m＝min(nR，nT)，其中nR与nT分别是接收天线、发送天线的数目。如果信道矩阵秩小于m越多，则信道的相关性越强。对于信道矩阵秩相同的情况下，也不能说信道的相关性一致，该相关性还与信道矩阵H的条件数有关。条件数定义为max(λ1，…，λr)/min(λ1，…，λr)；其中λ1～λr分别表示信道矩阵H的奇异值。条件数越大，表明其中一个信号将会严重干扰其他信号，或者表明多个信号信道之间的相关性会太强，相互干扰严重，这样，如果使用空间复用，就可能无法在接收端分离出信号，或者分离出来的信号会很差。
为此，本发明提出根据信道之间的相关性强弱分别进行相应地功率控制；而信道之间的相关性强弱，依据信道矩阵的秩及其条件数进行判断。如图1所示，为本发明用于OFDMA系统MIMO空间复用模式的功率控制方法流程图，该流程包括如下步骤：
步骤110，进行AMC处理；
即根据用户信道的发射功率以及用户信道的CINR，选择合适的间隔使用码(IUC，Interval Using Code)级别。
步骤130，计算信道矩阵的秩及其条件数；
步骤150，依据计算结果判断信道相关性是否弱，若是，执行步骤170；若否，则执行步骤190；
如果信道矩阵满秩，且条件数＜Δ1(Δ1表示可设置的给定上限)，表明接收到多个并行数据流的信道相关性弱；如果信道矩阵不满秩，或者条件数＞Δ2(Δ2表示可设置的给定下限)，表明接收到的多个并行数据流的信道相关性强。
步骤170，根据IUC和带宽资源情况进行正常功率调整过程，结束流程；
步骤190，根据IUC和带宽资源情况进行特殊功率调整过程，结束流程。
本发明上述步骤110、170及190中的调整均会以CINR轨迹上的一些点作为对IUC进行升降处理的依据。因此，有必要先对CINR轨迹上的这些点的定义进行介绍，如图1a所示，CINR轨迹上的点会有：IUC出口阈限(IucExitThrd)、低偏置(LowBias)、CINR设定(CinrSet)、高偏置(HighBias)以及IUC入口阈限(IucEnterThrd)。
如图2所示，为本发明的方法流程中进行AMC处理110的流程图，该流程包括步骤：
步骤111，判断用户是否已经达到最大发射功率且不是处于最小IUC，若是，执行步骤112，若否，结束流程；
步骤112，计算用户的CINR；
步骤113，判断是否IucExitThrd＜CINR＜LowBias，若是，执行步骤114；若否，则执行步骤115；
步骤114，将IUC降一级(参见图2a)，结束流程；
步骤115，判断CINR是否大于IucEnterThrd，若是执行步骤116，若否则执行步骤117；
步骤116，将IUC升一级(参见图2b)，结束流程；
步骤117，判断CINR是否小于IucExitThrd，若是，执行步骤114(参见图2c)，若否，则结束流程。
如图3所示，为本发明的方法流程中在信道相关性弱而进行正常功率调整过程170的流程图，该流程包括步骤：
步骤171，判断带宽资源是否长期紧张(如带宽使用率在较长一段时间内一直超80％)，若是，执行步骤172；若否，则执行步骤175；
步骤172，用户IUC是否已是最高阶，若是，执行步骤173；若否，则执行步骤174；
步骤173，进行IUC的正、负对准CINRset的功率调整，结束流程；
即CINR小于CINRset时，增加功率使CINR到CINRset；CINR大于CINRset时，减小功率使CINR到CINRset(参见图3a)。
步骤174，计算当前CINR与高一级IUC的CINRset之间的差值，调整功率使CINR到高一级IUC的CINRset(参见图3b)，结束流程；
步骤175，判断带宽资源是否长期空闲较多(如晚上，带宽使用率在较长一段时间内一直小于30％)，若是，执行步骤176；若否，则执行步骤179；
步骤176，判断用户IUC是否为最低阶，若是执行步骤177；若否，则执行步骤178；
步骤177，进行IUC的正对准CINRset(参见图3c)；当CINR大于HighBias时，降低功率使CINR达到当前IUC的CINRset(参见图3d)，结束流程；
步骤178，CINR比当前IUC的LowBias小，则降一级IUC(参见图3e)，结束流程；
步骤179，在带宽资源为一般情况下(30％＜带宽使用率＜80％)判断用户信道的IUC是否已是最高阶，若是，执行步骤180；若否，则执行步骤181；
步骤180，进行IUC的正对准CINRset的功率调整，结束流程；
即CINR小于CINRset时，增加功率使CINR到CINRset；CINR大于CINRset时，减小功率使CINR到CINRset(参见图3a)。
步骤181，进行IUC的正对准CINRset的功率调整和IUC准升阶，结束流程；
即CINR小于CINRset时，增加功率使CINR到CINRset(参见图3f)，CINR大于CINRset时不调整功率，以便IUC准备向更高一阶调整。
如图4所示，为本发明的方法流程中在信道相关性强而进行特殊功率调整过程190的流程图，该流程包括步骤：
步骤191，判断带宽资源是否长期紧张(如带宽使用率在较长一段时间内一直超80％)，若是，执行步骤192；若否，则执行步骤194；
步骤192，用户IUC是否已是最高阶，若是，执行步骤193；若否，则不进行功率提升，直接结束流程；
步骤193，进行IUC的负对准CINRset的功率调整，结束流程；
即CINR大于CINRset时，减小功率使CINR到CINRset(参见图4a)。
步骤194，判断带宽资源是否长期空闲较多(如晚上，带宽使用率在较长一段时间内一直小于30％)，若是，执行步骤195；若否，则执行步骤197；
步骤195，判断用户IUC是否为最低阶，若是，则不进行功率提升，直接结束流程；若否，则执行步骤196；
步骤196，CINR大于HighBias时，降低功率使CINR达到当前IUC的CINRset(参见图3d)；CINR比当前IUC的LowBias小时，则降一级IUC(参见图3e)，结束流程；
步骤197，带宽资源为一般情况下(30％＜带宽使用率＜80％)判断用户信道的IUC是否已是最高阶，若是，执行步骤198；若否，则执行步骤199；
步骤198，进行IUC的负对准CINRset的功率调整；
即CINR大于CINRset时，减小功率使CINR到CINRset(参见图4a)，结束流程；
步骤199，CINR小于CINRset时，不进行功率提升，CINR大于CINRset时不进行功率下降，以便于IUC向更高一级调整。
以下是一个实施例。
首先计算信道的秩以及条件数，如果是满秩并且条件数小于给定的门限，则表明信道的相关性弱，可以按照正常的流程进行功控。
首先进行AMC处理：对已经达到最大发射功率且不是最小IUC的用户，若CINR小于LowBias，但大于IucExitThrdThrd，降一级IUC，如图2a所示。其中黑实箭头表示IUC转移的方向，箭头上面的竖线表示当前CINR的位置；若CINR大于IucEnterThrd的用户，IUC升一级，如图2b所示；若CINR小于IucExitThrd的用户，IUC降一级，如图2c所示；
AMC结束后，再根据IUC和带宽情况进行功率调整，其中包含三个方面的处理。
当带宽资源紧张时(如带宽使用率在较长一段时间内一直超过80％)，对IUC已经是最高阶的用户，若CINR小于CINRset时，增加功率使CINR到CINRset，当CINR大于CINRset时，减小功率使CINR到CINRset，如图3a所示。其中虚箭头表示CINR的调整方向；对IUC不是最高阶的用户，计算当前CINR与高一级IUC的CINRset之间的差值，调整功率使CINR到高一级IUC的CINRset，如图3b所示。
当带宽资源空闲较多时(如晚上，带宽使用率在较长一段时间内一直小于30％)；对IUC为最低阶的用户，CINR＜CINRset，增加功率使CINR达到当前IUC的CINRset，如图3c所示；当CINR＞HighBias时，降低功率使CINR达到当前IUC的CINRset，如图3d所示；对CINR比当前IUC的LowBias小，则降一级IUC，如图3e所示。
在带宽资源一般情况下(30％＜带宽使用率＜80％)，对IUC已经是最高阶的用户，若CINR小于CINRset，增加功率使CINR到CINRset，当CINR大于CINRset时，减小功率使CINR到CINRset，如图3a所示。对IUC不是最高阶的用户，若CINR小于CINRset，增加功率使CINR到CINRset，如图3f所示；对于CINR大于CINRset的用户不调整功率，以便于IUC向更高一级调整。
如果信道矩阵不满秩，或者条件数大于设定的门限，表明接收到的多个并行数据流的相关性强，则功率控制过程如下：
首先进行AMC处理：对已经达到最大发射功率且不是最小IUC的用户，若CINR小于LowBias，但大于IucExitThrd，降一级IUC，如图2a所示；若CINR大于NextIucEnterThrd的用户，IUC升一级，如图2b所示；若CINR小于IucExitThrd的用户，IUC降一级，如图2c所示。
AMC结束后，再根据IUC和带宽情况进行功率调整，其中包含三个方面的处理。
当带宽资源紧张时(如带宽使用率在较长一段时间内一直超过80％)，对IUC已经是最高阶的用户，当CINR大于CINRset时，减小功率使CINR到CINRset，如图4a所示；对IUC不是最高阶的用户，不进行功率提升；
当带宽资源空闲较多时(如晚上，带宽使用率在较长一段时间内一直小于30％)，对IUC为最低阶的用户，不进行功率提升；当CINR＞HighBias时，降低功率使CINR达到当前IUC的CINRset，如图3d所示；对CINR比当前IUC的LowBias小，则降一级IUC，如图3e所示。
在带宽资源一般情况下(30％＜带宽使用率＜80％)，对IUC已经是最高阶的用户，当CINR大于CINRset时，减小功率使CINR到CINRset，如图4a所示。对IUC不是最高阶的用户，若CINR小于CINRset，不进行功率提升；对于CINR大于CINRset的用户不调整功率，以便于IUC向更高一级调整。
采用本发明的功率控制方法，针对用户信道的相关性强而提出的功率控制方法，能够有效地避免MIMO的空间复用模式下由于信道相关性强而导致功率控制失效的问题，从而提高系统的抗干扰及抗衰落性能。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种多输入多输出空间复用模式的功率控制方法，适用于宽带无线正交频分多址接入系统，其特征在于，所述方法步骤为：首先进行自适应调制编码AMC处理；其次计算信道矩阵的秩及其条件数目，作为接收到多个并行数据流的信道相关性强弱判断的依据，并依据所述信道相关性强弱分别进行相应的功率调整；如果所述信道矩阵满秩，且所述条件数目小于一给定的第一阈限，则判断所述信道相关性弱；如果所述信道矩阵不满秩，或者所述条件数目大于一给定的第二阈限，则判断所述信道相关性强。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率调整根据多输入多输出MIMO系统的带宽资源情况、间隔使用码IUC阶数以及信道的载波信号干扰噪声比CINR进行。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述CINR包括依次由小到大的各轨迹点：IUC出口阈限IucExitThrd、低偏置LowBias、CINR设定值CINRset、高偏置HighBias以及IUC入口阈限IucEnterThrd。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，若判断所述信道相关性弱，则所述功率调整包括：
若所述系统的带宽资源处于紧张状态，则
当所述IUC为最高阶时，进行所述IUC的正对准CINRset的功率调整或负对准CINRset的功率调整：即所述CINR小于所述CINRset时，增加功率使所述CINR上升到所述CINRset；所述CINR大于CINRset时，减小功率使所述CINR下降到所述CINRset；
当所述IUC不为最高阶时，计算当前CINR与高一级IUC的所述CINRset之间的差值，调整功率使所述CINR到所述高一级IUC的CINRset；
若所述系统的带宽资源处于空闲状态，则
当所述IUC为最低阶时，进行所述IUC的正对准CINRset的功率调整；当所述CINR大于所述HighBias时，降低功率使所述CINR达到当前IUC的所述CINRset；
当所述IUC不为最低阶时，若所述CINR比当前IUC的所述LowBias小，则将所述当前IUC降一阶；
若所述系统的带宽资源处于正常状态，则
当所述IUC为最高阶时，进行所述IUC的所述正对准CINRset的功率调整或所述负对准CINRset的功率调整；
当所述IUC不为最高阶时，则进行所述IUC的所述正对准CINRset的功率调整，当所述CINR大于所述CINRset时不提升功率，以便IUC准备升高一阶。
5.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，若判断所述信道相关性强，则所述功率调整包括：
若所述系统的带宽资源处于紧张状态、且当所述IUC为最高阶时，进行所述IUC的负对准CINRset的功率调整，即所述CINR大于所述CINRset时，减小功率使所述CINR下降到所述CINRset；
若所述系统的带宽资源处于空闲状态、且当所述IUC不为最低阶时：若所述CINR大于所述HighBias，则降低功率使所述CINR达到当前IUC的CINRset；若所述CINR比当前IUC的所述LowBias小，则将所述当前IUC降一阶；
若所述系统的带宽资源处于正常状态，则
当所述IUC为最高阶时，进行所述IUC的所述负对准CINRset的功率调整；
当所述IUC不为最高阶时，CINR小于CINRset时不提升功率，CINR大于CINRset时不下降功率，以便IUC准备升高一阶。
6.按照权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述系统的带宽资源处于紧张状态，即带宽使用率在较长时间内大于80％；所述系统的带宽资源处于空闲状态，即所述带宽使用率在较长时间内小于30％；所述系统的带宽资源处于空闲状态，即所述带宽使用率在较长时间内大于30％且小于80％。
7.按照权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述AMC处理包括步骤：
(a)确认用户信道已达最大发射功率且不处于最低阶间隔使用码IUC后，计算信道的载波信号干扰噪声比CINR；
(b)根据所述CINR的范围进行所述IUC的降阶或升阶处理。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(b)进一步包括：
若所述CINR小于低偏置LowBias且大于IUC出口阈限IucExitThrd，或所述CINR小于所述IucExitThrd，则均将所述IUC降低一阶；
若所述CINR大于IUC入口阈限IucEnterThrd，则将所述IUC升高一阶。
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