CN101635590A - 一种分布式多输入多输出系统中的功率分配方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种分布式多输入多输出系统中的功率分配方法和装置。由基站根据移动台反馈的部分信道信息计算并分配功率值，包括以下步骤：接收移动台反馈的部分信道状态信息；基于各天线单元的大尺度衰落信息以及信道噪声方差，根据拉格朗日常数法计算每个天线单元的初次分配功率P_l，a；基于各天线单元的发送相关矩阵的秩信息，计算得到第l天线单元的二次分配功率P_l，b；将初次分配功率P_l，a和二次分配功率P_l，b相乘，再乘上一个常数系数，得到第l天线单元最终分配功率P_l，该常数系数使所有天线单元的功率之和等于总发送功率；将最终分配功率P_l平均分配给天线单元内的多根发送天线。本发明可以根据部分CSI进行功率分配，并提高系统性能。

Description

一种分布式多输入多输出系统中的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，具体地说是一种分布式多输入多输出(MIMO)系统中基站端基于部分信道状态信息(CSI)对天线单元进行功率分配的方法和装置。

背景技术

随着移动通信技术、互联网技术和计算机技术的飞速发展，移动通信已经不再局限于单纯的话音通信，高数据速率的业务越来越受到人们的关注。因此，系统设计者就必须面对更高信道容量的挑战。

在蜂窝移动通信系统中，为适应业务量需求的不断增长，一般采用小区分裂的方式来提高信道容量。但是不能说，无限制地减小小区面积可以无限度地增加用户的数量，因为在小区分裂问题上不得不考虑两个非常重要的影响因素：第一，小区分裂使得相同面积的地区所需的小区基站数量增加，而小区基站的建立费用是很昂贵的，特别是在城市区域中，占用房地产的费用十分高，这是不能不考虑的实际问题；第二，小区半径过小，会造成越区切换过于频繁，这样一方面增加了系统控制切换的难度，另一方面也会影响通信质量。因此，基于以上考虑，不能依靠无限制地分裂小区来提高信道容量，必须考虑采用其他方式。

分布式MIMO系统是从小区分裂出发考虑的新型网络架构，分布式MIMO的分布式天线单元可以看作基站的多个扇区，每个天线单元配置了多根集中天线，天线单元之间可以很好地进行协同，获得联合发送/接收增益。此外，天线单元内的多天线还可以获得更多的空间分集、复用增益。因此，分布式MIMO系统可以提供较大的信道容量。

分布式MIMO系统中，为发送天线进行功率分配一直都是研究的热点。当基站获取完美的CSI时，采用注水法功率分配可以获得最大的信道容量，当基站没有获取CSI时，通常采用平均分配功率的策略。但由于天线单元到达用户的距离不同，平均分配功率会带来较大的容量损失。此外，天线单元内的多根集中式天线之间也存在着不同程度的相关性，这种天线之间的相关性也会给信道容量带来损失。在实际系统中，基站很难得到完美的CSI，通常根据部分CSI进行功率分配。因此，根据部分CSI计算分配功率并提高系统性能是分布式MIMO系统研究的热点问题。

发明内容

本发明提出一种分布式多输入多输出系统中的功率分配方法和装置。可以根据部分CSI进行功率分配，并提高系统性能。

根据本发明的一个方面，提出一种分布式多输入多输出系统中的功率分配方法，由基站根据移动台反馈的部分信道信息计算并分配功率值，包括以下步骤：

接收移动台反馈的部分信道状态信息，包括分布式天线单元的大尺度衰落信息、发送相关矩阵的秩信息、信道噪声方差；

基于各天线单元的大尺度衰落信息以及信道噪声方差，根据拉格朗日常数法计算每个天线单元的初次分配功率P_l，a，其中，(x)⁺＝max(x，0)，α_l表示第l天线单元的大尺度衰落，σ_n为信道噪声方差，q_l为每个天线单元配置的集中式天线个数，M为移动台天线个数，L为分布式天线单元个数，P₀为发射总功率；

$P_{l,a}={(\frac{q_l}{u_1}-\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2})}^{+},$ $u_1=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{q}_l}{P_0+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2}}$

判断是否L个天线单元的初次分配功率都是正数，如果是，基于各天线单元的发送相关矩阵的秩信息，计算得到第l天线单元的二次分配功率P_l，b，其中，r_l为第l个天线单元反馈的秩信息；

$P_{l,b}=\frac{P_0{r}_l}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^g{r}_i},(l=1,\·\·\·,g)$

将初次分配功率P_l，a和二次分配功率P_l，b相乘，再乘上一个常数系数，得到第l天线单元最终分配功率P_l，该常数系数使所有天线单元的功率之和等于总发送功率；

P_l＝u₃P_l，aP_l，b， $u_3=\frac{P_0}{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^g{P}_{l,a}{P}_{l,b}}$

将最终分配功率P_l平均分配给天线单元内的多根发送天线。

进一步，判断是否L个天线单元的初次分配功率都是正数，如果不是，执行以下步骤：将初次分配功率小于0的天线单元功率置0后，重新计算其他天线单元的分配功率，直到非置0的所有天线单元的分配功率为正数为止。

根据本发明的另一个方面，还提出一种用于分布式多输入多输出系统中的功率分配装置，其中：

移动台包括：

信道估计模块，测量信道噪声方差和各天线单元的大尺度衰落信息；

发送相关矩阵秩计算模块，统计每个天线单元的发送相关矩阵，计算发送相关矩阵的秩；

反馈模块，将发送相关矩阵的秩反馈给基站，并将信道噪声方差和大尺度衰落信息通过上行反馈信道反馈给基站；

基站包括：

接收模块，接收移动台反馈的部分信道状态信息，包括分布式天线单元的大尺度衰落信息、发送相关矩阵的秩信息、信道噪声方差；

初次分配功率计算模块，基于各天线单元的大尺度衰落信息以及噪声方差，根据拉格朗日常数法计算每个天线单元初次分配的功率P_l，a，其中，(x)⁺＝max(x，0)，α_l表示第l天线单元的大尺度衰落，σ_n为信道噪声方差，q_l为每个天线单元配置的集中式天线个数，M为移动台天线个数，L为分布式天线单元个数，P₀为发射总功率；

$P_{l,a}={(\frac{q_l}{u_1}-\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2})}^{+},$ $u_1=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{q}_l}{P_0+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2}}$

判断模块，判断是否L个天线单元的初次分配功率都是正数，如果是，通知二次分配功率计算模块计算二次分配功率；

二次分配功率计算模块，基于各天线单元的发送相关矩阵的秩信息，计算得到第l天线单元的二次分配功率P_l，b，其中，r_l为第l个天线单元反馈的秩信息；

$P_{l,b}=\frac{P_0{r}_l}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^g{r}_i},(l=1,\·\·\·,g)$

最终分配功率计算模块，将初次分配功率P_l，a和二次分配功率P_l，b相乘，再乘上一个常数系数，得到第l天线单元最终分配功率P_l，该常数系数使所有天线单元的功率之和等于总发送功率；

P_l＝u₃P_l，aP_l，b， $u_3=\frac{P_0}{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^g{P}_{l,a}{P}_{l,b}}$

分配模块，将最终分配功率P_l平均分配给天线单元内的多根发送天线。

进一步，判断模块判断不是所有L个天线单元的初次分配功率都是正数时，通知初次分配功率计算模块重新计算；初次分配功率计算模块将初次分配功率小于0的天线单元功率置0后，重新计算其他天线单元的分配功率，直到非置0的所有天线单元的分配功率为正数为止。

根据本发明的另一个方面，还提出用于分布式多输入多输出系统中功率分配的基站，包括：

接收模块，接收移动台反馈的部分信道状态信息，包括分布式天线单元的大尺度衰落信息、发送相关矩阵的秩信息、信道噪声方差；

初次分配功率计算模块，基于各天线单元的大尺度衰落信息以及噪声方差，根据拉格朗日常数法计算每个天线单元初次分配的功率P_l，a，其中，(x)⁺＝max(x，0)，α_l表示第l天线单元的大尺度衰落，σ_n为信道噪声方差，q_l为每个天线单元配置的集中式天线个数，M为移动台天线个数，L为分布式天线单元个数，P₀为发射总功率；

$P_{l,a}={(\frac{q_l}{u_1}-\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2})}^{+},$ $u_1=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{q}_l}{P_0+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2}}$

判断模块，判断是否L个天线单元的初次分配功率都是正数，如果是，通知二次分配功率计算模块计算二次分配功率；

二次分配功率计算模块，基于各天线单元的发送相关矩阵的秩信息，计算得到第l天线单元的二次分配功率P_l，b，其中，r_l为第l个天线单元反馈的秩信息；

$P_{l,b}=\frac{P_0{r}_l}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^g{r}_i},(l=1,\·\·\·,g)$

最终分配功率计算模块，将初次分配功率P_l，a和二次分配功率P_l，b相乘，再乘上一个常数系数，得到第l天线单元最终分配功率P_l，该常数系数使所有天线单元的功率之和等于总发送功率；

P_l＝u₃P_l，aP_l，b， $u_3=\frac{P_0}{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^g{P}_{l,a}{P}_{l,b}}$

分配模块，将最终分配功率P_l平均分配给天线单元内的多根发送天线。

进一步，判断模块判断不是所有L个天线单元的初次分配功率都是正数时，通知初次分配功率计算模块重新计算；初次分配功率计算模块将初次分配功率小于0的天线单元功率置0后，重新计算其他天线单元的分配功率，直到非置0的所有天线单元的分配功率为正数为止。

基站进行的功率分配方式，可以减小大尺度衰落和天线相关性带来的功率损耗，提高信道的分集/复用增益。这样，移动台能够得到较高的接收信噪比，有利于提高系统容量。

此外，对于通过反馈获取CSI的统计信息的方式(大尺度衰落信息、信道噪声方差及天线单元发送相关矩阵的秩)，还可以通过设置反馈周期来缩短反馈时间，相比现有技术中获取CSI的实时信息的方式(SNR)，本发明还可以减小反馈开销，进一步提供了系统性能。

附图说明

图1为本发明分布式多输入多输出系统中的功率分配方法流程图。

图2为本发明MIMO-DAS系统框图。

图3为本发明系统中移动台的示意图。

图4为本发明系统中基站的示意图。

具体实现方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细的说明。

假定分布式MIMO系统由L个分布式天线单元，总共N根发射天线组成，每个天线单元配置q_l根集中式天线，满足 ${\mathrm{\Σ}}_{l=1}^L{q}_l=N,$ 移动台为M根天线。信道矩阵可以写作H＝[α₁h₁…α_lh_l…α_Lh_L]，其中，α_l表示第l天线单元的大尺度衰落，h_l表示第l天线单元的小尺度衰落，h_l为M×q_l矩阵。在天线单元内，由于天线阵列的空间所限，多根集中式天线之间存在着不同的相关性。根据Kronecker相关性模型，小尺度衰落又可以表示为 $h_l=h_{l,w}{\left(R_t^l\right)}^{\frac{1}{2}},$ 其中，h_l，w服从均值为0，方差为1的独立同分布的复高斯分布，R_t ^l为第l天线单元的发送相关矩阵。从信道矩阵中可以看出，分布式MIMO系统中决定信道质量的主要因素为大尺度衰落和天线单元的发送相关矩阵。

大尺度衰落信息是反映路径损耗的参数，与天线单元到移动台的距离有关，距离较近时，路径损耗小，距离较远时，路径损耗大。天线发送相关矩阵的秩是反映发送天线相关性的参数，当该天线单元的相关矩阵满秩时，说明该天线单元的天线之间相关性较小，多根天线可以形成相互独立的并行信道；当该天线单元的相关矩阵缺秩时，说明该天线单元的天线之间相关性较大，某些天线无法形成独立的并行信道。

本发明利用移动台反馈给基站的大尺度衰落信息、噪声方差及天线单元发送相关矩阵的秩信息对天线单元进行功率分配，从而解决有限反馈条件下提高随机信道容量的问题。下面说明基站如何利用这些信息进行功率分配。

图1为本发明分布式多输入多输出系统中的功率分配方法流程图。由基站根据移动台反馈的部分信道状态信息计算并分配功率值，该方法包括以下步骤：

在步骤101，接收移动台反馈的部分信道状态信息，包括分布式天线单元的大尺度衰落信息、发送相关矩阵的秩信息、信道噪声方差。

移动台利用信道估计测量到噪声方差和各天线单元的大尺度衰落信息，并将噪声方差和大尺度衰落信息通过上行反馈信道反馈给基站。移动台统计每个天线单元的发送相关矩阵R_t ^l，计算发送相关矩阵R_t ^l的秩，并将其反馈给基站。

其中，统计每个天线单元的发送相关矩阵R_t ^l的方法如下：

移动台利用信道估计得到信道矩阵H，取第l个天线单元的信道矩阵中的某一行记做

通过对大量采样点进行

运算，并做平均运算，可以得到第l个天线单元的发送相关矩阵R_t ^l。由于R_t ^l是在一定的统计时间内得到的，当移动台处于低速环境下时，可以认为R_t ^l在一段时间内保持不变。

在步骤102，基于各天线单元的大尺度衰落信息以及噪声方差，根据拉格朗日常数法计算每个天线单元的初次分配功率P_l，a，功率P_l，a能够保证随机信道容量上限最大化。

MIMO-DAS系统中，随机信道容量为

$C_e=E_H\left({\log }_2\det (I_M+\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_n^2}{\mathrm{HPH}}^H)\right)---\left(1\right)$

其中，P为天线单元的功率分配矩阵，σ_n为信道噪声方差，det(·)为(·)的行列式运算，(·)^H为(·)的共轭转置运算。令 $T=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_n}{\mathrm{HP}}^{1/2},$ (1)式可写做

C_e＝E_H(log₂det(I_M+TT^H))＝E_H(log₂det(I_N+T^HT))           (2)

因为T^HT为正定矩阵，满足

$C_e\≤E_H\left({\log }_2\left(\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}(1+[T^{H}T{]}_j)\right)\right)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_H\left({\log }_2(1+{\left[T^{H}T\right]}_j)\right)---\left(3\right)$

其中，[T^HT]_j表示T^HT的第j个对角线元素。由简森不等式，可以得到随机信道容量的上限为

$C_e\≤\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2{E}_H(1+{\left[T^{H}T\right]}_j)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{q}_l{\log }_2(1+\frac{P_{l,a}M{\mathrm{\α}}_l^2}{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2})---\left(4\right)$

其中，P_l，a为第l个天线单元基于大尺度衰落分配的功率，满足 ${\mathrm{\Σ}}_{l=1}^L{P}_{l,a}=P_0,$ P₀为MIMO-DAS系统的发射总功率。利用拉格朗日乘数法，求得使随机信道容量上限达到最大值的P_l，a，如(5)式所示。

$u_1=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{q}_l}{P_0+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2}},$ $P_{l,a}={(\frac{q_l}{u_1}-\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2})}^{+}---\left(5\right)$

其中，u₁为拉格朗日乘数，(x)⁺＝max(x，0)。从上式可以看出，大尺度衰落较小的天线单元能够获得较多的发送功率，反之亦然。

在步骤103，判断是否L个天线单元的初次分配功率都是正数，如果不是，执行步骤104，否则直接执行步骤105。

在步骤104，当某个天线单元的分配功率为负数时，将该天线单元的功率置0，重新计算剩余天线单元的分配功率，直到非置0的所有天线单元的分配功率为正数为止，并继续执行步骤105。也就是说，在步骤103中，当所有天线单元的初次分配功率都是正数时，不必执行该步骤。

在步骤105，基于各天线单元的发送相关矩阵的秩信息，对功率非0的天线单元的发送功率进行二次分配，得到第l天线单元的二次分配功率P_l，b，每个天线单元获得的功率与发送相关矩阵的秩成正比。

前面已提到，天线单元的发送相关矩阵的秩直接反映了该单元天线阵列之间的相关程度。当该矩阵满秩时，说明该天线单元能够提供最大为q_l的空间复用增益，从提高信道容量的角度看，应该给该单元分配更多的发送功率；当该矩阵缺秩时，说明该天线单元内天线阵列之间的相关性较大，无法提供最大的空间复用增益，应该分配较少的发送功率。因此，在这一步中，我们根据每个天线单元反馈的秩信息对发送功率进行二次分配。在只考虑天线相关性情况下，第l天线单元分配的功率为P_l，b，则P_l，b满足

$P_{l,b}=\frac{P_0{r}_l}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^g{r}_i},(l=1,\·\·\·,g)---\left(6\right)$

其中，r_l为第l个天线单元反馈的秩信息。上式表明每个单元获得的分配功率应与反馈的秩成正比。假设经过功率分配后共有g(g≤L)个天线单元获得非0的发送功率。

在步骤106，将上述两次功率分配的结果P_l，a和P_l，b相乘，再乘上一个常数系数，得到第l天线单元的最终分配功率P_l，该常数系数使所有天线单元的功率之和等于总发送功率。

综合考虑大尺度衰落信息、噪声方差及天线单元发送相关矩阵的因素，第l个天线单元的功率为

P_l＝u₃P_l，aP_l，b， $u_3=\frac{P_0}{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^g{P}_{l,a}{P}_{l,b}}---\left(7\right)$

基站在分配功率时，将更多的发送功率分配给大尺度衰落较小、天线空间相关性小、并行信道多的天线单元，可以减小功率损耗，提高信道的分集/复用增益。这样，移动台能够得到较高的接收信噪比，有利于提高系统容量。

在步骤107，将该天线单元得到的功率值P_l平均分配给天线单元内的多根发送天线。

本发明还能够根据部分CSI进行功率分配，并提高系统性能。对于不同系统获取CSI的方式不同，比如，时分双工(TDD)系统中，基站可以根据上下行信道的互异性或者根据移动台反馈获得CSI，频分双工(FDD)系统中，基站通过反馈信道获得CSI。

对于通过反馈获取CSI的方式，本发明还能够在减小反馈开销的情况下获得较大的信道容量。反馈周期是影响反馈开销的关键参数，反馈周期短，反馈开销大；反馈周期长，反馈开销小。由于大尺度衰落属于慢时变分量，在低速环境下，可以认为大尺度衰落在一定时间内保持不变。天线单元的发送相关矩阵是在一段时间内的统计值，也可以认为在一定时间内是不变的。因此，不需要频繁地进行信道状态信息的反馈，反馈周期可以设置得比较长，这大大降低了系统的反馈开销，而且不会影响反馈信息的精度，获得较大的信道容量。

现有技术中基于部分CSI进行功率分配的方法主要是根据反馈的信道质量信息(SNR)进行的，基站根据移动台实时反馈的SNR进行功率分配。而在本发明中，反馈的部分CSI(大尺度衰落信息、信道噪声方差及天线单元发送相关矩阵的秩)都是统计信息，与实时的SNR不同。因此，本发明在反馈部分CSI时，可以设置较长的反馈周期，从而减小了系统开销，同时提高了系统性能。

图2为本发明MIMO-DAS系统框图，包括基站和移动台。基站控制不同地理位置上的分布式天线单元与移动台进行下行数据传输，移动台通过上行反馈信道将部分CSI反馈给基站。本发明需要反馈的部分CSI包括大尺度衰落信息，天线单元相关矩阵的秩信息及噪声方差。基站根据这些部分CSI对每个分布式天线单元进行功率分配。

图3为本发明系统中移动台的示意图。移动台包括：信道估计模块、发送相关矩阵秩计算模块、以及反馈模块。

信道估计模块，测量信道噪声方差和各天线单元的大尺度衰落信息。

发送相关矩阵秩计算模块，统计每个天线单元的发送相关矩阵，计算发送相关矩阵的秩。

取第l个天线单元的信道矩阵H中的某一行记做通过对大量采样点进行

运算，并做平均运算，可以得到第l个天线单元的发送相关矩阵R_t ^l，计算发送相关矩阵R_t ^l的秩。由于R_t ^l是在一定的统计时间内得到的，当移动台处于低速环境下时，可以认为R_t ^l在一段时间内保持不变。

反馈模块，将发送相关矩阵的秩反馈给基站，并将信道噪声方差和大尺度衰落信息通过上行反馈信道反馈给基站。

图4为本发明系统中基站的示意图。基站包括：接收模块、初次分配功率计算模块、判断模块、二次分配功率计算模块、最终分配功率计算模块以及分配模块。

接收模块，接收移动台反馈的部分信道状态信息，包括分布式天线单元的大尺度衰落信息、发送相关矩阵的秩信息、信道噪声方差。

初次分配功率计算模块，基于各天线单元的大尺度衰落信息以及噪声方差，根据拉格朗日常数法计算每个天线单元初次分配的功率P_l，a，其中，(x)⁺＝max(x，0)，α_l表示第l天线单元的大尺度衰落，σ_n为信道噪声方差，q_l为每个天线单元配置的集中式天线个数，M为移动台天线个数，L为分布式天线单元个数，P₀为发射总功率。

$P_{l,a}={(\frac{q_l}{u_1}-\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2})}^{+},$ $u_1=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{q}_l}{P_0+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2}}$

判断模块，判断是否L个天线单元的初次分配功率都是正数，如果是，通知二次分配功率计算模块计算二次分配功率。

进一步，判断模块判断不是所有L个天线单元的初次分配功率都是正数时，通知初次分配功率计算模块重新计算。初次分配功率计算模块将初次分配功率小于0的天线单元功率置0后，重新计算其他天线单元的分配功率，直到非置0的所有天线单元的分配功率为正数为止。

二次分配功率计算模块，基于各天线单元的发送相关矩阵的秩信息，计算得到第l天线单元的二次分配功率P_l，b，其中，r_l为第l个天线单元反馈的秩信息。

$P_{l,b}=\frac{P_0{r}_l}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^g{r}_i},(l=1,\·\·\·,g)$

最终分配功率计算模块，将初次分配功率P_l，a和二次分配功率P_l，b相乘，再乘上一个常数系数，得到第l天线单元最终分配功率P_l，该常数系数使所有天线单元的功率之和等于总发送功率。

P_l＝u₃P_l，aP_l，b， $u_3=\frac{P_0}{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^g{P}_{l,a}{P}_{l,b}}$

分配模块，将最终分配功率P_l平均分配给天线单元内的多根发送天线。

基站进行的功率分配方式，可以减小大尺度衰落和天线相关性带来的功率损耗，提高信道的分集/复用增益。这样，移动台能够得到较高的接收信噪比，有利于提高系统容量。

本发明仅需要移动台反馈天线单元的大尺度衰落信息、信道噪声方差及发送相关矩阵的秩信息，由于这些信息是慢变的，可以设置较长的反馈周期，这大大减小了反馈开销。进一步，本发明能够用较小的反馈开销合理地分配发送功率，较大幅度地提高了信道容量。

为使本发明的技术方案更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

考虑MIMO-DAS系统下基站由4个分布式天线单元组成，每个单元配置3根集中式天线，移动台配备4根接收天线，发射总功率为P₀＝20。按照如下步骤实现上述功率分配方案。

在移动台，首先估计出四个分布式天线单元的大尺度衰落，假定估计的大尺度衰落为α₁＝0.0957，α₂＝0.0485，α₃＝0.08，α₄＝0.0142。

移动台估计出每个分布式天线单元的信道矩阵，取出其中一行记为

并保存下来。移动台保存一段时间内的

对保存的多个，比如100个

进行

运算，并做平均运算，得到每个分布式天线单元的发送天线相关矩阵。

移动台求出每个分布式天线单元的发送相关矩阵的秩，并将该信息反馈给基站，假设反馈的秩为r₁＝3，r₂＝3，r₃＝2，r₄＝2。

移动台估计出信道噪声方差反馈给基站，假设方差为1。

基站将反馈的大尺度衰落信息、秩信息和噪声方差代入(5)中，得u₁＝0.1138，P_1，a＝18.5362，P_2，a＝10.9093，P_3，a＝16.9982，P_4，a＝-26.4437。

因为P_4，a＜0，删除第四个分布式天线单元，重新计算u₁及P_1，a，P_2，a，P_3，a，得

u₁＝0.1709，P_1，a＝9.7216，P_2，a＝2.0947，P_3，a＝8.1836。

基站将反馈的秩信息代入(6)中，得P_1，b＝7.5，P_2，b＝7.5，P_3，b＝5。

基站根据P_1，a，P_2，a，P_3，a和P_1，b，P_2，b，P_3，b计算u₃，并将u₃代入(7)中求出P₁，P₂，P₃。

u₃＝0.1544，P₁＝11.2570，P₂＝2.4255，P₃＝6.3174。

基站将分布式天线单元分配的功率均匀地分配给单元内的每根发射天线，参与发送的3个天线单元每根发射天线分配的功率分别为3.7523，0.8085，2.1058。

将上述功率分配结果带入(1)中，取大量的采样点进行仿真，得到随机信道容量为6.4046bit/s/Hz。如果采用平均分配功率的方法，即发射功率均匀地分配给4个分布式天线单元，取大量的采样点进行仿真，得到的随机信道容量仅为4.3459bit/s/Hz。

需要说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，本领域的技术人员应当可以理解。

本发明是一种MIMO-DAS系统下基于部分CSI的功率分配方法。但请理解，无论通过何种方法(TDD系统通过信道互异性，FDD系统通过反馈信道)得到大尺度衰落信息、天线单元相关矩阵的秩信息及噪声方差，利用这些信道信息进行功率分配的方法均适用于本发明。凡在本发明的上述精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种分布式多输入多输出系统中的功率分配方法，由基站根据移动台反馈的部分信道信息计算并分配功率值，包括以下步骤：

接收移动台反馈的部分信道状态信息，包括分布式天线单元的大尺度衰落信息、发送相关矩阵的秩信息、信道噪声方差；

基于各天线单元的大尺度衰落信息以及信道噪声方差，根据拉格朗日常数法计算每个天线单元的初次分配功率P_l，a，其中，(x)⁺＝max(x，0)，α_l表示第l天线单元的大尺度衰落，σ_n为信道噪声方差，q_l为每个天线单元配置的集中式天线个数，M为移动台天线个数，L为分布式天线单元个数，P₀为发射总功率；

$P_{l,a}={(\frac{q_l}{u_1}-\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2})}^{+},$ $u_1=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{q}_l}{P_0+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2}}$

判断是否L个天线单元的初次分配功率都是正数，如果是，基于各天线单元的发送相关矩阵的秩信息，计算得到第l天线单元的二次分配功率P_l，b，其中，r_l为第l个天线单元反馈的秩信息；

$P_{l,b}=\frac{P_0{r}_l}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^g{r}_i},(l=1,\·\·\·,g)$

将初次分配功率P_l，a和二次分配功率P_l，b相乘，再乘上一个常数系数，得到第l天线单元最终分配功率P_l，该常数系数使所有天线单元的功率之和等于总发送功率；

P_l＝u₃P_l，aP_l，b， $u_3=\frac{P_0}{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^g{P}_{l,a}{P}_{l,b}}$

将最终分配功率P_l平均分配给天线单元内的多根发送天线。

2.根据权利要求1所述的功率分配方法，其中，判断是否L个天线单元的初次分配功率都是正数，如果不是，执行以下步骤：

将初次分配功率小于0的天线单元功率置0后，重新计算其他天线单元的分配功率，直到非置0的所有天线单元的分配功率为正数为止。

3.一种用于分布式多输入多输出系统中的功率分配装置，其中：

移动台包括：

信道估计模块，测量信道噪声方差和各天线单元的大尺度衰落信息；

发送相关矩阵秩计算模块，统计每个天线单元的发送相关矩阵，计算发送相关矩阵的秩；

反馈模块，将发送相关矩阵的秩反馈给基站，并将信道噪声方差和大尺度衰落信息通过上行反馈信道反馈给基站；

基站包括：

接收模块，接收移动台反馈的部分信道状态信息，包括分布式天线单元的大尺度衰落信息、发送相关矩阵的秩信息、信道噪声方差；

初次分配功率计算模块，基于各天线单元的大尺度衰落信息以及噪声方差，根据拉格朗日常数法计算每个天线单元初次分配的功率P_l，a，其中，(x)⁺＝max(x，0)，α_l表示第l天线单元的大尺度衰落，σ_n为信道噪声方差，q_l为每个天线单元配置的集中式天线个数，M为移动台天线个数，L为分布式天线单元个数，P₀为发射总功率；

$P_{l,a}={(\frac{q_l}{u_1}-\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2})}^{+},$ $u_1=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{q}_l}{P_0+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2}}$

判断模块，判断是否L个天线单元的初次分配功率都是正数，如果是，通知二次分配功率计算模块计算二次分配功率；

二次分配功率计算模块，基于各天线单元的发送相关矩阵的秩信息，计算得到第l天线单元的二次分配功率P_l，b，其中，r_l为第l个天线单元反馈的秩信息；

$P_{l,b}=\frac{P_0{r}_l}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^g{r}_i},(l=1,\·\·\·,g)$

最终分配功率计算模块，将初次分配功率P_l，a和二次分配功率P_l，b相乘，再乘上一个常数系数，得到第l天线单元最终分配功率P_l，该常数系数使所有天线单元的功率之和等于总发送功率；

P_l＝u₃P_l，aP_l，b， $u_3=\frac{P_0}{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^g{P}_{l,a}{P}_{l,b}}$

分配模块，将最终分配功率P_l平均分配给天线单元内的多根发送天线。

4.根据权利要求3所述的功率分配装置，其中：

判断模块判断不是所有L个天线单元的初次分配功率都是正数时，通知初次分配功率计算模块重新计算；

初次分配功率计算模块将初次分配功率小于0的天线单元功率置0后，重新计算其他天线单元的分配功率，直到非置0的所有天线单元的分配功率为正数为止。

5.用于分布式多输入多输出系统中功率分配的基站，包括：

接收模块，接收移动台反馈的部分信道状态信息，包括分布式天线单元的大尺度衰落信息、发送相关矩阵的秩信息、信道噪声方差；

初次分配功率计算模块，基于各天线单元的大尺度衰落信息以及噪声方差，根据拉格朗日常数法计算每个天线单元初次分配的功率P_l，a，其中，(x)⁺＝max(x，0)，α_l表示第l天线单元的大尺度衰落，σ_n为信道噪声方差，q_l为每个天线单元配置的集中式天线个数，M为移动台天线个数，L为分布式天线单元个数，P₀为发射总功率；

$P_{l,a}={(\frac{q_l}{u_1}-\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2})}^{+},$ $u_1=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{q}_l}{P_0+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\frac{q_l{\mathrm{\σ}}_n^2}{{\mathrm{M\α}}_l^2}}$

判断模块，判断是否L个天线单元的初次分配功率都是正数，如果是，通知二次分配功率计算模块计算二次分配功率；

二次分配功率计算模块，基于各天线单元的发送相关矩阵的秩信息，计算得到第l天线单元的二次分配功率P_l，b，其中，r_l为第l个天线单元反馈的秩信息；

$P_{l,b}=\frac{P_0{r}_l}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^g{r}_i},(l=1,\·\·\·,g)$

最终分配功率计算模块，将初次分配功率P_l，a和二次分配功率P_l，b相乘，再乘上一个常数系数，得到第l天线单元最终分配功率P_l，该常数系数使所有天线单元的功率之和等于总发送功率；

P_l＝u₃P_l，aP_l，b， $u_3=\frac{P_0}{{\mathrm{\Σ}}_{l=1}^g{P}_{l,a}{P}_{l,b}}$

分配模块，将最终分配功率P_l平均分配给天线单元内的多根发送天线。

6.根据权利要求5所述的用于分布式多输入多输出系统中功率分配的基站，其中：

判断模块判断不是所有L个天线单元的初次分配功率都是正数时，通知初次分配功率计算模块重新计算；

初次分配功率计算模块将初次分配功率小于0的天线单元功率置0后，重新计算其他天线单元的分配功率，直到非置0的所有天线单元的分配功率为正数为止。

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