CN101583184A - 无线电通信装置和无线电通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线电通信装置和无线电通信方法。所公开的无线电通信装置以合适的发送功率电平经由多个发送天线组向多个用户发送无线电信号，每个发送天线组包括一个或更多个发送天线，发送天线组具有各自的发送功率约束。所述无线电通信装置包括：预编码单元，其配置为对于为单独用户调制的信号执行预编码并且生成发送权重；最优发送功率计算单元，其配置为从所述预编码单元接收发送权重，并且使用发送权重的分量和发送天线组的各自发送功率极限值，来计算发送功率优化问题的初始值以用于计算用户的合适发送功率电平；以及发送单元，其配置为以所计算出的发送功率电平来发送无线电信号。

Description

无线电通信装置和无线电通信方法

技术领域

这里公开的实施方式涉及用于在多用户MIMO下行链路中对每个发送天线或每组发送天线施加某些发送功率电平约束的条件下进行无线电通信的装置和方法。

背景技术

近年来，为了改进频率或频谱效率并且增加通信容量，已集中研究了MIMO(多输入多输出)传输方案。在该MIMO传输方案中，多用户(MU)-MIMO系统正在吸引注意，该MU-MIMO系统被设计为对于多个用户应用MIMO传输方案以进一步改进频谱效率。此外，正在研究为MU-MIMO协调基站传输而设计的系统，并且据报导它可以实现吞吐量的显著改进。

在该MU-MIMO协调基站传输系统中，因为对于不同的基站天线或不同的基站使用不同的功率放大器，所以必须考虑功率放大器各自的特性。特别是如果基于反馈信息，例如从用户提供的信道信息，来预编码从用户发送的数据流，则每次更新反馈信息，例如信道信息时，由于在基站上施加的对发送功率的约束，必须调整依赖于发送天线的预编码权重为从用户发送的不同流分配的发送功率电平。

第一篇文章，G.J.Foschini，K.Karakayali and R.A.Valenzuela，“Coordinating multiple antenna cellular networks to achieve enormousspectral efficiency”，IEE Proceedings Communications，vol.153，No.4，pp.548-555，August 2006，公开了考虑到各单独功率放大器各自的特性在MU-MIMO协调基站传输系统中使用块对角化迫零，来提出和求解可以实现向各单独用户一致分配信道容量的发送功率优化问题，所述块对角化迫零为被设计用于在单独用户之间无干扰地进行传输的预编码方案。在该文章中，还表明相比于在基站之间没有协调的系统，该方法可以显著改进信道容量。

第二篇文章，S.Liu，N.Hu，Z.He，K.Niu and W.Wu，“Multi-levelzero-forcing method for multiuser downlink system with per-antenna powerconstraint”，VTC 2007-Spring，pp.2248-2252，April 2007，公开了用于为上述MU-MIMO协调基站传输系统中的预编码而优化发送权重和发送功率以使得整个系统的信道容量可以最大化的优化问题。在该文章中，还表明该方法可以改进信道容量。

第三篇文章，W.Yu and T.Lan，“Transmitter optimization for themulti-antenna downlink with per-antenna power constraints”，IEEE Trans.，Signal Processing，pp.2646-2660，June 2007，公开了在上面的MU-MIMO协调基站传输系统中使用上行链路和下行链路的对偶性的优化问题和求解方法。

如上所述的功率分配优化问题对应于受约束的非线性优化问题，并且求解它们可能需要更高的计算复杂度。例如，在使用根据最速下降法的内点法求解功率分配优化问题的情况下，可以通过相对简单的算法来以解析方式获得解，但是收敛可能需要更高的计算复杂度。

然而，第一和第二篇文章对于降低在求解如在文章中提出的优化问题时的计算复杂度没有研究。

而且，第三篇文章仅涉及线性预编码，而没有提及非线性预编码。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供这样的无线电通信装置和方法，其可以在对于不同的发送天线和不同的发送天线组而约束各自的发送功率电平的情况下，计算分配给各单独用户的最优发送功率，同时降低与该计算相关联的计算复杂度。

本发明的一个方面涉及一种用于以合适发送功率电平经由多个发送天线组向多个用户发送无线电信号的无线电通信装置，每个发送天线组包括一个或更多个发送天线，所述发送天线组具有各自的发送功率约束，所述无线电通信装置包括：预编码单元，其被配置为对于为各单独用户调制的信号执行预编码并且生成发送权重；最优发送功率计算单元，其被配置为从预编码单元接收发送权重，并且使用发送权重的分量和发送天线组各自的发送功率极限值，来计算发送功率优化问题的初始值以用于计算用户的合适发送功率电平；和发送单元，其被配置为以所计算出的发送功率电平来发送无线电信号。

本发明的另一方面涉及一种用于以合适发送功率电平经由多个发送天线组向多个用户发送无线电信号的无线电通信方法，每个发送天线组包括一个或更多个发送天线，所述发送天线组具有各自的发送功率约束，所述无线电通信方法包括以下步骤：对于为各单独用户调制的信号执行预编码并且生成发送权重；从预编码单元接收发送权重，并且使用发送权重的分量和发送天线组各自的发送功率极限值，来计算发送功率优化问题的初始值以用于计算用户的合适发送功率电平；以及以所计算出的发送功率电平来发送无线电信号。

根据这些方面，在对不同的发送天线和不同的发送天线组约束了各自的发送功率电平的情况下，可为单独用户分配最优发送功率电平，同时降低与该计算相关联的计算复杂度。

本发明(实施方式)的其他目的和优点将在随后的描述中部分地阐述，并且根据该描述将部分地变得明显，或者可以通过实践本发明而获知。本发明的目的和优点将通过所附权利要求中具体指出的要素和组合来实现和获得。

应当理解，前述一般描述和以下详细描述都仅是示例性和说明性的，而不对所要求保护的发明构成限制。

附图说明

图1示出了根据第一实施方式的无线电通信装置的示例结构；

图2示出了在根据第一实施方式的无线电通信装置中的最优发送功率计算单元的示例结构；

图3示出了根据第一实施方式的无线电通信装置的最优发送功率计算单元中的初始功率设置单元的示例性结构；

图4示意性地示出了在根据第一实施方式的无线电通信装置中通过用发送权重对发送功率极限值进行归一化而确定的示例性初始功率分配值；

图5示出了在根据第一实施方式的无线电通信装置的最优发送功率计算单元中的优化单元的示例性结构；

图6示出了在根据第一实施方式的无线电通信装置的最优发送功率计算单元的优化单元中的迭代单元；

图7是根据第一实施方式的无线电通信装置中的最优发送功率计算单元的操作的流程图；

图8是根据第一实施方式的无线电通信装置的最优发送功率计算单元中的初始功率设置单元的操作的流程图；

图9是根据第一实施方式的无线电通信装置的最优发送功率计算单元中的优化单元的操作的流程图；

图10示意性地示出了根据第一实施方式的无线电通信装置中的多个发送天线的示例性分组；

图11示意性地示出了根据第二实施方式的无线电通信装置的示例性结构；

图12示出了根据本发明按照公平标准的收敛性能和与收敛相关联的计算复杂度；以及

图13示出了根据本发明按照总和速率(sum-rate)标准的收敛性能和与收敛相关联的计算复杂度。

具体实施方式

参考附图描述本发明的实施方式。

本原理的一个方面涉及一种用于以合适的发送功率电平经由多个发送天线组向多个用户发送无线电信号的无线电通信装置，每个发送天线组包括一个或更多个发送天线，所述发送天线组具有各自的发送功率约束，所述无线电通信装置包括：预编码单元，其被配置为对于为各单独用户调制的信号执行预编码并且生成发送权重；最优发送功率计算单元，其被配置为从预编码单元接收发送权重，并且使用发送权重的分量和发送天线组各自的发送功率极限值，来计算发送功率优化问题的初始值以用于计算用户的合适发送功率电平；和发送单元，其被配置为以所计算出的发送功率电平来通过空气发送无线电信号。

根据该方面，最优发送功率计算单元基于发送权重分量w_k，q，j来设置发送功率优化问题的初始功率分配值，与不设置这种初始功率分配值的情况相比，这可以从最优值附近起求解优化问题。结果，可在针对单独发送天线或单独发送天线组的发送功率极限值内实现最优发送功率分配，同时减少优化问题中的直到收敛的迭代次数以及计算复杂度。

在一个实施方式中，可根据使用发送权重分量w_k，q，j的函数对发送天线组各自的发送功率极限值P_max，q进行归一化而得到初始值。根据该实施方式，可在对发送天线的发送功率极限值P_max，q的考虑下基于发送权重分量w_k，q，j设置发送功率优化问题的初始功率分配值，这导致减少优化问题中的直到收敛的迭代以及计算复杂度。

在一个实施方式中，可根据使用发送权重分量w_k，q，j的平方和对发送天线组各自的发送功率极限值P_max，q进行归一化而得到初始值。在另一实施方式中，初始值可以是发送天线组的最小值，并且可根据使用发送权重分量w_k，q，j的平方和对发送天线组各自的发送功率极限值P_max，q进行归一化而得到所述值。结果，可在对单独发送天线的发送功率极限值P_max，q的考虑下基于发送权重分量w_k，q，j将发送功率优化问题的初始功率分配值设置为在各单独用户流上一致，这导致减少优化问题中的直到收敛的迭代以及计算复杂度。

在一个实施方式中，最优发送功率计算单元可配置为使用与最速下降法组合的内点法来在约束下进行优化。根据该实施方式，可通过相对简单的算法以解析方式获得最优解。

在一个实施方式中，最优发送功率计算单元可配置为如果满足如下条件中的任何一个则终止最速下降法中的步骤迭代，所述条件可包括根据内点法导出的目标函数的值相对于发送功率电平变化的变化处于预定阈值内的条件，发送功率优化问题的原始目标函数的值相对于步骤迭代递增的变化处于预定阈值内的条件，和步骤迭代次数超过预定阈值的条件。根据该实施方式，可确定最速下降方法中的收敛点，并且可获得最优解。

在一个实施方式中，最优发送功率计算单元可配置为如果满足如下条件中的任何一个则终止内点法中的步骤迭代，所述条件可包括内点法的障碍参数小于预定阈值的条件，和发送功率优化问题的原始目标函数的值相对于步骤迭代递增的变化处于预定阈值内的条件。根据该实施方式，可确定内点法中的收敛点，并且可获得最优解。

在一个实施方式中，最优发送功率计算单元可配置为在约束下执行优化以使得各个用户信道容量一致。根据该实施方式，可获得最优解以使得在功率分配之后各单独用户各自的信道容量一致。

在一个实施方式中，最优发送功率计算单元可配置为在约束下执行优化以便最大化整个系统的信道容量。根据该实施方式，可获得最优解以使在功率分配之后各单独用户的信道容量的总和最大化。

本发明的原理是在单独发送天线或发送天线组的发送功率电平受到约束的情况下确定单独用户的发送流的发送功率电平，并且基于所确定的发送功率电平来控制发送信号。

参考附图描述本发明的某些实施方式。

[第一实施方式]

图1示出了根据第一实施方式的无线电通信装置10的示例结构。如图1中所示，无线电通信装置10包括对应于用户数(N)的多个调制单元11、预编码单元12、最优发送功率计算单元13和发送功率控制单元14。每个调制单元11包括串并行转换单元111和信号调制单元112。

图2示出了根据第一实施方式的最优发送功率计算单元13的示例结构。最优发送功率计算单元13包括初始功率设置单元21和优化单元22。

图3示出了根据第一实施方式的初始功率设置单元21的示例结构。初始功率设置单元21包括发送权重平方和计算单元31、发送功率极限值归一化单元32和最小值检测单元33。

接下来，下面描述上述无线电通信装置的示例操作和根据第一实施方式的示例无线电通信方法。在下面，使用基于信道信息的块对角化迫零(BD-ZF)来在使用M_t个发送天线、N个用户和M_r个用户天线的MU-MIMO传输中进行预编码。

在其它实施方式中，可以使用任何其它基于信道信息的MU-MIMO预编码器，例如ZF、MMSE或DPC，来进行预编码。或者，可以使用从码本中选择发送权重向量的另一类预编码。

在图1中的调制单元11中，串并行转换单元111向各单独发送流分配要发送到关联用户的信息信号序列。信号调制单元112调制这些发送流并且生成发送信号S_k，j(1≤k≤N并且1≤j≤M_r)。符号S_k，j表示用于为第k个用户发送第j个发送流的发送信号。用于第k个用户的M_r维发送信号向量S_k被定义为：

$S_k={[S_{k,1,}\·\·\·,S_{k,j},\·\·\·S_{k,M_r}]}^T---\left(1\right),$

其中，上标T表示转置。

这里，令用于第k个用户的M_r×M_t个MIMO信道的信道矩阵为H_k，生成用于第k个用户的大小为M_t×M_r的BD-ZF发送权重矩阵W_BD-ZF，k，以满足以下公式：

H_kW_BD-ZF，m＝0(k≠m)                        (2)。

根据BD-ZF的应用生成的用于第k个用户的大小为M_r×M_r的等同信道矩阵H_k’如下定义，并且经受奇异值分解(SVD)。

H_k′＝H_kW_BD-ZF，k＝U_kΛ_kV_k ^H

${\mathrm{\Λ}}_k=\left[\begin{array}{ccc}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{k,1}}& & 0\\ ...& ...& ...\\ 0& & \sqrt{{\mathrm{\λ}}_{k,\mathrm{Mr}}}\end{array}\right]---\left(3\right),$

其中，上标H表示厄密特转置，并且λ_k，j表示H_k′^H H_k′的特征值。

使用从上面的公式获得的V_k以及W_BD-ZF，k，令用于第k个用户的大小为M_t×M_r的发送权重矩阵为W_k。换言之，

$W_k=W_{\mathrm{BD}-\mathrm{ZF},k}{V}_k=\left[\begin{array}{ccc}{w}_{k,\mathrm{1,1}}& & w_{k,M_t,1}\\ ...& ...& ..\\ w_{k,1,M_r}& & w_{k,M_t,M_r}\end{array}\right]---\left(4\right).$

预编码单元12导出矩阵W_k，并且向最优发送功率计算单元13提供矩阵W_k的分量W_k，q，j(1≤q≤M_t)和λ_k，j作为发送权重相关信息。而且，预编码单元12向发送功率控制单元14提供矩阵W_k和向量S_k。

发送功率控制单元14接着使用所提供的W_k和S_k，以及如下所述在最优发送功率计算单元13中导出的分配给用于第k个用户的第j个发送流的发送功率P_k，j，来如下生成预编码之后的M_t维发送信号向量x_k，并且向用户提供向量x_k，

$x_k=W_k\left[\begin{array}{ccc}\sqrt{P_{k,1}}& & 0\\ ...& ...& ...\\ 0& & \sqrt{P_{k,j}}\end{array}\right]s_k---\left(5\right).$

而且，令用于第k个用户的M_r维接收信号向量为y_k并且令M_r维噪声向量为n_k，接收信号将表示为如下，

y_k＝H_kx_k+n_k                            (6)。

这里，令公式(3)中用于第k个用户的大小为M_r×M_r的接收权重矩阵为U_k ^H，接收权重矩阵U_k ^H和接收信号向量y_k的乘法表示为如下，

${U_k}^H{y}_k={U_k}^H{H}_k{x}_k+{U_k}^H{n}_k$

$={U_k}^H{H}_k{W}_{\mathrm{BD}-\mathrm{ZF},k}{V_k}^H{P}_k{s}_k+{U_k}^H{n}_k$

$={\mathrm{\Λ}}_k{P}_k{s}_k+{U_k}^H{n}_k$ (7)。

$=\left[\begin{array}{ccc}\sqrt{{\mathrm{\λ}}_{k,1}}& & 0\\ ...& ...& ...\\ 0& & \sqrt{{\mathrm{\λ}}_{k,M_r}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{ccc}\sqrt{P_{k,1}}& & 0\\ ...& ...& ...\\ 0& & \sqrt{P_{k,j}}\end{array}\right]s_k+{U_k}^H{n}_k$

因此，这表示可以没有干扰地接收已空间复用和发送给用户的信号。而且，令噪声功率为σ²，用于第k个用户的第j个发送流的接收SNR_k，j表示为如下，

${\mathrm{SNR}}_{k,j}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{k,j}{P}_{k,j}}{{\mathrm{\σ}}^2}---\left(8\right).$

使用该接收SNR_k，j，用于第k个用户的MIMO信道容量C_k表示为如下，

$C_k=\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{k,j})$ (9)。

$=\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{{\mathrm{\λ}}_{k,j}{P}_{k,j}}{{\mathrm{\σ}}^2})$

接下来，下面描述最优发送功率计算单元13的示例操作。最优发送功率计算单元13从预编码单元12接收发送权重矩阵W_k的分量w_k，q，j和特征值λ_k，j作为发送权重相关信息，并且使用它们来导出P_k，j，以满足第q个发送天线的发送功率极限值P_max，q。具体地说，这可以对应于求解如下的优化问题，

$\max \mathrm{imize}\underset{k}{\min }{C}_k=\underset{k}{\min }\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{k,j})---\left(10\right)$

$s.t.\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_{k,q,j}\right|}^2{P}_{k,j}\≤P_{\max ,q}---\left(11\right)$

$P_{k,j}\≥0\∀k,j---\left(12\right).$

用于优化问题的公式(10)意味着最大化所有用户中的最小用户容量。通过求解该优化问题，可以使得对于所有用户来说，各自的信道容量几乎一致，这在这里称为公平标准。

可以基于内点法求解该优化问题。根据该内点法，将用于调整障碍函数g(P_k，j)的值的障碍参数r(i)添加到公式(10)，并且对用于没有约束(11)和(12)来最大化函数的新优化问题进行求解。这里，参数i表示内点法中的步骤迭代的次数，下面将详细描述。具体地说，它以较大的障碍参数开始，并且对于每个障碍参数计算最优功率P_k，j。使用所计算的值作为初始值来迭代该过程，同时减小障碍参数。一旦障碍参数r(i)达到足够小的值，则可求解出原始受约束优化问题。使用障碍函数和障碍参数的新优化问题可以表示为如下，

$\max \mathrm{imizeF}=\underset{k}{\min }{C}_k+r\left(i\right)g\left(P_{k,j}\right)---\left(13\right)$

公式(13)的右手侧的第一项是与关于用户信道容量的受约束优化问题相关联的原始目标函数的一个示例。参数F为通过将障碍函数和用于调整障碍函数的值的障碍参数加到原始目标函数而导出的目标函数的一个示例，并且用作为用于新优化问题的目标函数。

在某些实施方式中，障碍函数g(P_k，j)可以是包括发送权重、发送功率极限值和/或发送功率值的函数。例如，可以使用如下给出的障碍函数，

$g\left(P_{k,j}\right)=-\underset{q=1}{\overset{M_t}{\mathrm{\Σ}}}{(P_{\max ,q}-\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_{k,q,j}\right|}^2{P}_{k,j})}^{-1}-\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\Σ}}}{\left(P_{k,j}\right)}^{-1}---\left(14\right).$

在另一示例中，可以使用如下给出的障碍函数g(P_k，j)，

$g\left(P_{k,j}\right)=\underset{q=1}{\overset{M_t}{\mathrm{\Σ}}}({\log P}_{\max ,q}-\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_{k,q,j}\right|}^2{P}_{k,j})+\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\Σ}}}\log \left(P_{k,j}\right)---\left(15\right).$

接下来，参考图3描述图2中示出的初始功率设置单元21的示例操作。从最优发送功率计算单元13输入的分量w_k，q，j提供到发送权重平方和计算单元31。发送权重平方和计算单元31根据下面的公式计算每个发送天线的w_k，q，j的平方和：

$\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_{k,q,j}\right|}^2---\left(16\right)$

并且将平方和提供到发送功率极限值归一化单元32。

发送功率极限值归一化单元32存储各单独发送天线的发送功率极限值P_max，q，并且根据下面的公式针对接收到的相应发送天线的w_k，q，j的平方和对P_max，q进行归一化：

$\frac{P_{\max ,q}}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_{k,q,j}\right|}^2}---\left(17\right).$

发送功率极限值归一化单元32将归一化的发送功率极限值提供到最小值检测单元33。

最小值检测单元33导出输入的归一化发送功率极限值的最小值，并且根据下面的公式设置针对各单独用户流的与发送功率优化问题相关联的初始功率分配值P_initial

$P_{\mathrm{initial}}=\underset{q}{\min }\left[\frac{P_{\max ,q}}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_{k,q,j}\right|}^2}\right]---\left(18\right).$

将设置的初始功率分配值P_initial提供到优化单元22。

图4示意性地示出了初始功率分配值P_initial的示例设置。在图4中，纵轴和横轴分别表示发送功率电平和单独发送天线。图4中的图示意味着使得用于具有如公式(17)中表示的归一化发送功率极限值的最小值的发送天线的发送功率电平与该发送天线的发送功率极限值P_max，q相等。

在该实施方式中，将相对于单独发送天线的w_k，q，j的平方和而归一化的P_max，q值的最小值一致地设置为单独用户流的初始功率分配值P_initial。在其它实施方式中，可基于根据公式(17)归一化的值，针对单独用户流一致地设置初始功率分配值P_initial。另选的是，可基于根据包括发送权重分量w_k，q，j的任何其它合适函数h(w_k，q，j)归一化的值来设置初始功率分配值P_initial。

图5示出了如下所述的根据与最速下降法相组合的内点法进行优化的优化单元22的示例性结构。如图5中所示，优化单元22包括初始功率计算单元51、障碍参数乘法单元52、信道容量计算单元53、最速下降处理单元54和迭代单元55。

接下来，图6示出了迭代单元55的示例性结构。迭代单元55包括后预编码功率计算单元61、约束确定单元62、最速下降法步长更新单元63、最速下降操作收敛确定单元64、内点法收敛确定单元65和障碍参数更新单元66。

下面描述根据与最速下降法相组合的内点法的优化的示例性详细操作。在操作中，将在初始功率设置单元21中设置的初始发送功率值P_initial连同分量w_k，q，j和λ_k，j一起提供到优化单元22。优化单元22中的初始功率计算单元51根据公式(16)使用P_initial、w_k，q，j和λ_k，j在优化单元22中计算各单独发送天线的初始发送功率值P_q，并且将所计算出的值提供到障碍参数乘法单元52。障碍参数乘法单元52将障碍参数r(i)与障碍函数相乘。这里的障碍参数r(i)可表示为如下，

r(i+1)＝r(i)×α                        (19)，

其中i表示内点法中步骤迭代的次数，并且α(＜1)表示障碍参数比例因子。

然后，信道容量计算单元53根据公式(9)使用所提供的P_k，j、w_k，q，j和λ_k，j来计算各单独用户的信道容量并且将所计算出的信道容量提供到最速下降处理单元54。最速下降处理单元54根据最速下降法使用障碍函数来对与优化问题相关联的公式(13)执行优化。这里的最速下降法是通过使用公式(13)中的梯度信息进行优化的一种方法。具体来说，在最速下降法中进行如下定义的迭代操作，

$P_{k,j}(u+1)=P_{k,j}\left(u\right)+\mathrm{\β}\×\frac{\∂}{{\∂P}_{k,j}}F---\left(20\right),$

其中参数u表示第u次迭代，并且参数β表示步长。

将在最速下降处理单元54中进行了优化的发送功率值P_k，j提供到迭代单元55。当迭代单元55接收到发送功率值P_k，j时，迭代单元55中的后预编码功率计算单元61基于输入的P_k，j和w_k，q，j计算各单独发送天线的发送功率值P_q，并且将所计算出的发送功率值P_q提供到约束确定单元62。约束确定单元62确定是否满足如下给出的约束，

$\left\{\begin{array}{c}{P}_q\≤P_{\max ,q}\\ P_{k,j}\≥0\end{array}\right.---\left(21\right).$

如果约束确定单元62确定了不满足如公式(21)中所指定的约束中的任何一个，则最速下降法步长更新单元63减小步长β并且将它提供到信道容量计算单元53。然后，约束确定单元62使用应用公式(20)之前的P_k，j，以使操作迭代进行直到满足约束为止。另一方面，如果约束确定单元62确定满足约束，则约束确定单元62将发送功率值P_k，j提供到最速下降法收敛确定单元64，最速下降法收敛确定单元64继而确定是否满足如下给出的收敛条件，

$\left\{\begin{array}{c}\left|\right|\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;P_{k,j}}F\left(u\right)\left|\right|={\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|\frac{\&PartialD;}{{\&PartialD;P}_{k,j}}F\left(u\right)\right|}^2\right)}^{1/2}<{\mathrm{\&epsiv;}}_1\\ |\underset{k}{\min }{C}_k\left(u\right)-\underset{k}{\min }{C}_k(u-1)|<{\mathrm{\&epsiv;}}_2\\ u>I_{\max }\end{array}\right.---\left(22\right),$

其中

$C_k=\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{k,j})---\left(23\right).$

参数u表示最速下降法中的迭代次数，并且参数I_max定义为迭代的最大次数。而且，参数ε₁和ε₂是足够小的值。换言之，满足下面条件子句中指定的条件中的任何一个则终止最速下降法中的步骤迭代：如果与发送功率变化相对应的目标函数变化处于预定的足够小的值之内，如果与迭代增加相对应的原始目标函数变化处于预定的足够小的值之内，以及如果迭代次数超过预定阈值。

注意，最速下降法的上述收敛条件是示例性的，并且可使用其它收敛条件。

如果最速下降法收敛确定单元64确定了公式(22)中的约束都不满足，则最速下降法收敛确定单元64将当前发送功率值P_k，j提供到信道容量计算单元53以进行附加的迭代。对上面的操作进行迭代，直到最速下降法收敛确定单元64确定了公式(22)中的条件中的任何一个得到满足为止。另一方面，如果最速下降法收敛确定单元64确定了所述条件中的任何一个得到满足，则最速下降法收敛确定单元64将发送功率值P_k，j提供到内点法收敛确定单元65，内点法收敛确定单元65继而确定如下给出的内点法中的步骤迭代收敛约束是否满足，

$\left\{\begin{array}{c}r\left(i\right)<{\mathrm{\&epsiv;}}_3\\ |\underset{k}{\min }{C}_k\left(i\right)-\underset{k}{\min }{C}_k(i-1)|<{\mathrm{\&epsiv;}}_4\end{array}\right.---\left(24\right),$

其中，参数i表示内点法中的第i次步骤迭代。而且，参数ε₃和ε₄是足够小的值。换言之，满足下面条件子句中指定的条件中的任何一个则终止内点法中的步骤迭代：如果障碍参数小于预定义的足够小的值，以及如果与迭代增加相对应的原始目标函数的变化处于预定义的足够小的值之内。

注意，内点法的上述收敛条件是示例性的并且可使用其它收敛条件。

如果内点法收敛确定单元65确定了这些收敛条件都不满足，则将当前发送功率值P_k，j确定为障碍参数r(i)下的最优解。障碍参数更新单元66根据公式(19)减小障碍参数并且将更新的障碍参数r(i)和P_k，j提供到障碍参数乘法单元52以进行内点法中的附加步骤迭代。另一方面，如果内点法收敛确定单元65确定了这些收敛条件中的任何一个得到满足，则内点法收敛确定单元65将当前发送功率电平P_k，j作为优化单元22的最优解提供到发送功率控制单元14。

参考图7中的流程图描述最优发送功率计算单元13的示例操作。在最优发送功率计算单元13中，在步骤71，确定障碍参数r(i)，最速下降法中的最大迭代次数I_max、以及参数ε₁到ε₄。在步骤72，根据公式(18)，使用输入的发送权重分量w_k，q，j来设置针对发送功率优化问题的初始功率分配值P_initial。在步骤73，使用初始功率分配值P_initial、特征值λ_k，j和w_k，q，j来求解发送功率优化问题。在步骤74，最优发送功率计算单元13输出最优解。

接下来，参考图8中的流程图描述步骤72中的示例详细操作。在步骤81，根据公式(16)使用输入的w_k，q，j来计算单独发送天线的w_k，q，j的平方和。在步骤82，根据公式(17)，相对于所计算出的平方和对P_max，q进行归一化。在步骤83，导出最小的归一化P_max，q并将其设置为针对发送功率优化问题的初始功率分配值P_initial，将该初始功率分配值P_initial传送到步骤73。

注意，将最小的归一化P_max，q设置为初始功率分配值P_initial是示例性的。在其它实施方式中，可基于根据公式(17)归一化的值将初始功率分配值P_initial一致地设置到单独用户流。另选的是，可基于根据包括发送权重分量w_k，q，j的任何合适函数h(w_k，q，j)归一化的值来设置初始功率分配值P_initial。

接下来，参考图9中的流程图描述步骤73中的示例详细操作。在步骤91，使用输入的P_initial计算单独发送天线的发送功率值P_q。在步骤92，将发送功率值P_q乘以障碍参数r(i)以生成与新优化问题相关联的目标函数F。在步骤93，计算单独用户的信道容量。在步骤94，基于信道容量导出目标函数F的梯度，即目标函数F的导数，并且根据公式(20)计算新的P_k，j。在步骤95，根据公式(16)针对单独发送天线计算发送功率值P_q，并且然后确定公式(21)中的约束是否满足。如果确定不满足约束中的任何一个，则在步骤96，使得步长β递减并且将其传送到步骤93。在步骤93，在更新的步长β下执行相同的操作，并且迭代进行上面的操作，直到在步骤95约束得到满足。另一方面，如果在步骤95确定公式(21)中的所有约束都得到满足，则在步骤97，确定如在公式(22)中指定的最速下降法收敛条件是否满足。如果确定如在公式(22)中指定的条件都不满足，则将当前发送功率值P_k，j传送到步骤93。在步骤93，在该发送功率值P_k，j下执行相同操作，并且迭代进行上面的操作，直到在步骤97中如公式(22)中指定的条件中的任何一个得到满足。另一方面，如果确定了所述条件中的任何一个得到满足，则在步骤98，确定如在公式(24)中指定的内点法步骤迭代收敛条件是否得到满足。如果确定如在公式(24)中指定的收敛条件都不满足，则将当前发送功率值P_k，j确定为在障碍参数r(i)下的最优解。在步骤99，根据公式(19)递减障碍参数r(i)并且将其连同P_k，j一起传送到步骤92。在步骤92，再次执行内点法中的相同步骤迭代。另一方面，如果确定了如在公式(24)中指定的收敛条件中的任何一个得到满足，则将当前发送功率值P_k，j确定为步骤73中的最优解并且将其传送到步骤74。

已结合上面的实施方式描述了通过使用最速下降法根据内点法的优化方案，但是可使用任何其它适合的优化方案。即使在其它优化方案中，也可使用图2和7中示出的结构和流程图来基于预编码发送权重分量w_k，q，j而设置发送功率优化问题的初始功率分配值，并且通过使用初始功率分配值实现优化。

在上面的优化方案中，求解优化问题以使得信道容量C_k对于各单独用户一致。在其它实施方式中，可以求解优化问题以使得整个系统的信道容量C最大化。在该情况下，优化问题再形成为下面的形式，

$\max \mathrm{imizeC}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{k,j})---\left(25\right)$

$s.t.\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|w_{k,q,j}\right|}^2{P}_{k,j}\&le;P_{\max ,q}---\left(26\right)$

$P_{k,j}\&GreaterEqual;0\&ForAll;k,j---\left(27\right).$

针对最大化整个系统的信道容量C的优化问题在这里称为总和速率标准。该优化问题的求解类似于公平标准。

在上述的实施方式中，对于单独发送天线例示性地提供了功率极限值P_max，q。在其它实施方式中，可把发送天线分为多个组，并且可为该多个组提供功率极限值。图10示出了无线电通信装置中的发送天线的示例分组。在该图中，标号L(1≤l≤L)表示组号，并且标号S_l表示属于组l的一组发送天线号。该实施方式的根据公平标准的优化问题表示为，

$\max \mathrm{imize}\underset{k}{\min }{C}_k=\underset{k}{\min }\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{k,j})---\left(28\right)$

$s.t.\underset{q\&Element;S_l}{\mathrm{\&Sigma;}}\left[\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|w_{k,q,j}\right|}^2{P}_{k,j}\right]\&le;P_{\max ,l}---\left(29\right)$

$P_{k,j}\&GreaterEqual;0\&ForAll;k,j---\left(30\right),$

其中，用于组l的功率极限值记号为P_max，l。可以类似于上述求解来求解该优化问题。而且，还可以类似地求解根据总和速率标准的优化问题。

在上述实施方式中，对于预编码例示性地应用了BD-ZF方案，但是可以通过使用其它预编码方案来将给出的实施方式应用于发送功率优化问题。

[第二实施方式]

在第一实施方式中，假定多个发送天线安装在无线电通信装置上。在第二实施方式中，多个发送天线可以与无线电通信装置分离并且以有线和/或无线方式连接到该无线电通信装置。

图11示出了根据本发明第二实施方式的无线电通信装置。无线电通信装置10以有线和/或无线方式耦接到发送天线单元1A，各天线单元1A都具有多个发送天线。

在操作中，无线电通信装置10可以按与第一实施方式类似的方式操作，除了无线电通信装置10与发送天线单元1A分离之外。

[应用示例]

下面描述如上所述的第一实施方式的示例性应用示例。为了验证本原理的有效性，对于第一实施方式示出了某些计算机模拟结果，其中对预编码应用BD-ZF并且为单独发送天线设置一致的功率极限值P_max。而且，将如公式(14)中指定的障碍函数用于该模拟。此外，假设发送天线的数量M_t等于6，用户的数量N等于2，用户天线的数量M_r等于3，并且针对每个用户，对三个流进行空间复用并且发送。而且，假设功率极限值P_max对于每个发送天线等于1/6，并且总的可使用发送功率等于1。此外，使用MIMO信道矩阵的10000个模式进行优化，并且然后进行平均。对于信道环境，假设单独用户的MIMO信道是独立同分布(i.i.d.)的瑞利衰落。其它参数设置如下：

r(0)＝10^-5，α＝0.05，I_max＝2000，ε₁＝10^-6，ε₂＝10^-11，并且ε₃＝10^-3。注意，将参数ε₄设置为0以观察本模拟中的收敛。

图12示出了根据公平标准在设置足够小的初始功率分配值(P_initial＝10^-10)的情况下的优化以及第一实施方式的优化收敛和乘法器性能的示例性结果。在足够小的初始功率分配值的情况下，参数r(0)设置为1.0或10^-5。在该图示中，“常规”示出了在足够小的初始分配值下的优化性能，并且“已初始化”示出了根据第一实施方式的优化性能。而且，“收敛”表示左手侧纵轴中的内点法中步骤i的具有最小信道容量的用户的信道容量。另一方面，“乘法器”表示右手侧纵轴中的乘法的累计数。横轴表示内点法中的步骤迭代的次数i。

在图12中，在r(0)＝10^-5的“常规”和根据第一实施方式的“已初始化”之间的比较中，“常规”在收敛之前需要更少次数的步骤迭代和乘法器，但是具有更低的收敛值。另一方面，在r(0)＝1.0的“常规”和根据第一实施方式的“已初始化”之间的比较中，如果收敛值设置为1.60，则“常规”和“已初始化”在各自的收敛点(对于“常规”，i＝6；对于“已初始化”，i＝3)分别具有乘法器数量1.40×10⁶和0.91×10⁶，导致减少了大约35％。

图13示出了根据总和速率标准在设置足够小的初始功率分配值(P_initial＝10^-10)的情况下的优化以及第一实施方式的优化收敛和乘法器性能的示例性结果。在足够小的初始功率分配值的情况下，参数r(0)设置为1.0或10^-5。在该图示中，“常规”示出了在足够小的初始分配值下的优化性能，并且“已初始化”示出了根据第一实施方式的优化性能。而且，“收敛”表示左手侧纵轴中的内点法中步骤i处的整个系统信道容量。另一方面，“乘法器”表示右手侧纵轴中的乘法的累计数。横轴表示内点法中的步骤迭代的次数i。

在图13中，在r(0)＝10^-5的“常规”和根据第一实施方式的“已初始化”之间的比较中，“常规”在收敛之前需要更少次数的步骤迭代和乘法器，但是具有更低的收敛值。另一方面，在r(0)＝1.0的“常规”和根据第一实施方式的“已初始化”之间的比较中，如果收敛值设置为3.39，则“常规”和“已初始化”在各自的收敛点(对于“常规”，i＝6；对于“已初始化”，i＝3)分别具有乘法器数量1.09×10⁶和0.91×10⁶，导致减少了大约17％。

为了方便，已参考不同的实施方式描述了本发明，但是实施方式的分离对于本发明来说不是必需的，并且两个或多个实施方式可按需一起使用。已使用了某些特定数字以便于理解本发明，但是除非另外注明，否则这些数字仅仅是示例性的，并且可使用任何其它合适值。

已参考了本发明的特定实施方式描述了本发明，但是实施方式仅仅是示例性的，本领域技术人员可以构想变化、修改、变更和替换。为了方便说明，已参考功能框图描述了根据本发明实施方式的装置，但是这些装置可以按硬件、软件或其组合来实现。本发明不限于上面的实施方式，并且可由本领域技术人员做出变化、修改、变更和替换，而不会偏离本发明的精神。

该申请基于2008年5月12日提交的在先日本专利申请2008-125342号并且要求其优先权，其整个内容通过引用合并在此。

Claims (18)

1、一种用于以合适发送功率电平经由多个发送天线组向多个用户发送无线电信号的无线电通信装置，每个所述发送天线组包括一个或更多个发送天线，所述发送天线组具有各自的发送功率约束，所述无线电通信装置包括：

预编码单元，其被配置为对于为各单独用户调制的信号执行预编码并且生成发送权重；

最优发送功率计算单元，其被配置为从所述预编码单元接收发送权重，并且使用发送权重的分量和所述发送天线组各自的发送功率极限值，来计算发送功率优化问题的初始值以用于计算用户的合适发送功率电平；以及

发送单元，其被配置为以所计算出的发送功率电平来发送无线电信号。

2、根据权利要求1所述的无线电通信装置，其中，根据用所述发送权重的函数对所述发送天线组各自的发送功率极限值进行归一化来得到所述初始值。

3、根据权利要求2所述的无线电通信装置，其中，根据用所述发送权重的分量的平方和对所述发送天线组各自的发送功率极限值进行归一化来得到所述初始值。

4、根据权利要求3所述的无线电通信装置，其中，所述初始值包括发送天线组的最小值，所述值是根据用所述发送权重的分量的平方和对所述发送天线组各自的发送功率极限值进行归一化而得到的。

5、根据权利要求1所述的无线电通信装置，其中，所述最优发送功率计算单元被配置为使用与最速下降法相组合的内点法来在所述约束下执行优化。

6、根据权利要求5所述的无线电通信装置，其中

所述最优发送功率计算单元被配置为如果下面条件中的任何一个得到满足则终止最速下降法中的步骤迭代，

所述条件包括：根据内点法导出的目标函数的值相对于发送功率电平变化的变化处于预定阈值内的条件，发送功率优化问题的原始目标函数的值相对于步骤迭代递增的变化处于预定阈值内的条件，和步骤迭代次数超过预定阈值的条件。

7、根据权利要求5所述的无线电通信装置，其中，所述最优发送功率计算单元被配置为如果下面条件中的任何一个得到满足则终止内点法中的步骤迭代，

所述条件包括：内点法的障碍参数小于预定阈值的条件，和发送功率优化问题的原始目标函数的值相对于步骤迭代递增的变化处于预定阈值内的条件。

8、根据权利要求1所述的无线电通信装置，其中，所述最优发送功率计算单元被配置为在所述约束下执行优化，以使得各个用户的信道容量一致。

9、根据权利要求1所述的无线电通信装置，其中，所述最优发送功率计算单元被配置为在所述约束下执行优化，以最大化整个系统的信道容量。

10、一种用于以合适发送功率电平经由多个发送天线组向多个用户发送无线电信号的无线电通信方法，每个所述发送天线组包括一个或更多个发送天线，所述发送天线组具有各自的发送功率约束，所述无线电通信方法包括以下步骤：

预编码及生成步骤，对于为各单独用户调制的信号执行预编码并且生成发送权重；

计算步骤，从预编码单元接收发送权重，并且使用所述发送权重的分量和所述发送天线组各自的发送功率极限值，来计算发送功率优化问题的初始值以用于计算用户的合适发送功率电平；以及

发送步骤，以所计算出的发送功率电平来发送无线电信号。

11、根据权利要求10所述的无线电通信方法，其中，根据用所述发送权重的函数对所述发送天线组各自的发送功率极限值进行归一化来得到所述初始值。

12、根据权利要求11所述的无线电通信方法，其中，根据用所述发送权重的分量的平方和对所述发送天线组各自的发送功率极限值进行归一化来得到所述初始值。

13、根据权利要求12所述的无线电通信方法，其中，所述初始值包括发送天线组的最小值，所述值是根据用所述发送权重的分量的平方和对所述发送天线组各自的发送功率极限值进行归一化而得到的。

14、根据权利要求10所述的无线电通信方法，其中，所述计算步骤包括使用与最速下降法相组合的内点法来在所述约束下执行优化。

15、根据权利要求14所述的无线电通信方法，其中

所述计算步骤包括以下处理：如果下面条件中的任何一个得到满足则终止最速下降法中的步骤迭代，

所述条件包括：根据内点法导出的目标函数的值相对于发送功率电平变化的变化处于预定阈值内的条件，发送功率优化问题的原始目标函数的值相对于步骤迭代递增的变化处于预定阈值内的条件，和步骤迭代次数超过预定阈值的条件。

16、根据权利要求14所述的无线电通信方法，其中，所述计算步骤包括以下处理：如果下面条件中的任何一个得到满足则终止内点法中的步骤迭代，

所述条件包括：内点法的障碍参数小于预定阈值的条件，和发送功率优化问题的原始目标函数的值相对于步骤迭代递增的变化处于预定阈值内的条件。

17、根据权利要求10所述的无线电通信方法，其中，所述计算步骤包括在所述约束下执行优化以使得各个用户的信道容量一致。

18、根据权利要求10所述的无线电通信方法，其中，所述计算步骤包括在所述约束下执行优化以最大化整个系统的信道容量。

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