CN101873202A - 无线通信装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信装置及方法，在设有发送功率值的限制的状况下，对各用户分配发送功率，削减与该计算相关的运算量。无线通信装置调制应该发送给各用户的信息信号序列，对调制后的信息信号序列进行预编码处理，计算各用户的发送权重信息，根据该信息设定发送功率的初始值，使用发送权重信息和初始值对每个用户生成目标函数，向目标函数施加利用迭代系数调整后的惩罚函数，生成新的目标函数，使用临时的迭代系数初始值开始反复进行新的目标函数的优化处理，保存每个迭代处理的输出值，根据与前一阶段的输出值的比较结果，设定迭代系数初始值，根据发送功率的初始值和迭代系数初始值，利用内点法优化新的目标函数，利用计算出的发送功率发送无线信号。

Description

无线通信装置及方法

技术领域

本发明涉及无线通信装置及无线通信方法。尤其涉及在进行预编码传输的MIMO下行线路中，在对每个发送天线或多个发送天线组中的每个发送天线组设有发送功率值的限制的条件下，进行无线通信的无线通信装置。

背景技术

近年来，为了提高频率利用效率，正在频繁进行多输入多输出(MIMO：Multiple-Input Multiple-Output)传输的研究。在MIMO传输中，为了提高吞吐量，关于单用户(SU：Single User)-MIMO系统及针对多个用户进行MIMO发送的多用户(MU：Multi User)-MIMO系统，都在频繁进行预编码传输的研究。在MIMO方式中，在具有多个天线的通信终端和具有多个天线的基站之间进行通信。SU-MIMO方式是一台通信终端和基站进行通信的方式，MU-MIMO方式是多个通信终端同时和基站进行通信的方式。

在SU-MIMO系统中广泛采用的统一预编码方法中，需要计算发送装置在把总发送功率设为固定的条件下分配给各个发送流的功率。在统一预编码方法中，需要对每个发送天线配备能够输出总发送功率的功率放大器。由于需要对每个发送天线配备能够输出总发送功率的功率放大器，因此在实现高次的MIMO系统、例如8×8MIMO等时，将担心成本增加。因此，正在研究对每个发送天线设计发送功率的限制，并计算分配给各个发送流的功率。

另一方面，关于MU-MIMO系统，正在研究基站之间利用MU-MIMO方式进行协调发送的系统，并已经有了吞吐量大幅提高的报告。在基站之间利用MU-MIMO方式进行协调发送的系统中，功率放大器因基站的每个天线或者每个基站而不同。由于功率放大器因基站的每个天线或者每个基站而不同，因此需要考虑各个功率放大器的特性。

在以上叙述的MIMO系统中，基站根据来自用户的反馈信息、例如信道信息，对发送给各个用户的数据流进行预编码。基站根据来自用户的反馈信息，对发送给各个用户的数据流进行预编码。在对发送给各个用户的数据流进行预编码时，对基站的每个天线或者每个基站设有发送功率的限制，因此该基站需要根据发送天线的预编码的权重，每当反馈信息、例如信道信息被升级时，控制分配给各个用户的发送流的发送功率。

在非专利文献1中采用了迫零预编码，迫零预编码是在考虑了各个功率放大器的特性的基站之间利用MU-MIMO方式进行协调发送的系统中，使各个用户不会造成干扰地进行发送的预编码方法。非专利文献1公开了使各个用户的信道容量均等的发送功率的优化问题。在该非专利文献1中公开了通过解决该优化问题，与在基站之间不进行协调时相比，信道容量大幅提高。

非专利文献2公开了如下问题，在基站之间利用MU-MIMO方式进行协调发送的系统中，优化预编码的发送权重及发送功率，以使系统整体的信道容量达到最大。非专利文献2公开了通过解决该优化问题，信道容量得到改善。

非专利文献3公开了在基站之间利用MU-MIMO方式进行协调发送的系统中，利用了上行下行链路的对偶性的优化问题及其解决方法。非专利文献3公开了通过解决该优化问题，收敛速度得到提高。

非专利文献4公开了如下问题，在MU-MIMO预编码系统中，采用线性预编码即块对角化迫零(BD-ZF)方法来优化发送功率，以使信道容量达到最大。该非专利文献4关于优化方法公开了如下方法，在组合采用内点法和最快下降法的情况下，逐次更新内点法的迭代系数的方法，与固有值的分布对应的发送功率的初始值设定法，以及把发送权重信息用作事前信息的发送功率的初始值设定法。该非专利文献4公开了通过解决该优化问题，收敛速度得到提高。

【非专利文献1】G.J.Foschini，K.Karakayali，and R.A.Valenzuela，“Coordinating multiple antenna cellular networks to achieve enormousspectral efficiency”，IEEE Proceedings Communications，vol.153，No.4，pp.548-555，August.2006.

【非专利文献2】S.Liu，N.Hu，Z.He，K.Niu，and W.Wu，“Multi-levelzero-forcing method for multiuser downlink system with per-antenna powerconstraint”，VTC2007-Spring，pp.2248-2252，April.2007.

【非专利文献3】W.Yu and T.Lan，“Input optimization formulti-antenna broadcast channels with per-antenna power constraints，”IEEEGLOBECOM2004，vol.1，pp.420-424，Dec.2004.

【非专利文献4】Y.Ohwatari，A.Benjebbour，J.Hagiwara，and T.Ohya，“Reduced-complexity transmit power optimization techniques for multiuserMIMO with per-antenna power constraint，”Allerton2008，pp.34-38，Sept.2008.

上述的功率分配的优化问题都是带限制条件的非线性优化问题。在解决这种带限制条件的非线性优化问题时，存在需要庞大运算量的问题。例如，在利用采用最快下降法的内点法来解决的情况下，虽然能够利用容易分析的算法来求解，但另一方面收敛所需要的运算量增大。

但是，非专利文献1和非专利文献2中的优化问题的解决方法，没有进行削减运算量的研究。

另外，关于非专利文献3，只把同时优化预编码用发送权重及发送功率分配的情况作为对象，关于将发送权重和发送功率分配分开，只优化功率分配的情况没有进行叙述。即，在非专利文献3中，对只优化向各个用户的发送功率的分配的情况没有进行研究。另外，在非专利文献3中，只把使系统整体的信道容量最大化作为目的，没有考虑为了使各个用户的信道容量均匀而分配发送功率。

另外，关于非专利文献4，虽然叙述了逐次更新内点法的迭代系数的方法，但是关于对进行优化时的运算量造成重大影响的迭代系数初始值自身的设定方法，没有进行研究。

发明内容

本发明正是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，提供一种无线通信装置及方法，在对每个发送天线及/或多个发送天线组中的每个发送天线组设有发送功率值的限制的状况下，能够对一个以上的用户分配最佳的发送功率，而且能够削减与该发送功率的计算相关的运算量。

为了解决上述问题，本无线通信装置具有多个发送天线，利用一个以上的发送天线构成多个发送天线组，以不超过分配给各个发送天线及/或各个发送天线组的发送功率的极限值的方式，对所述发送天线分配发送功率，并发送无线信号，本无线通信装置具有：

调制部，其调制应该发送给各个用户的信息信号序列；

预编码权重计算部，其对由该调制部调制后的信息信号序列进行预编码处理，计算各个用户的发送权重信息；

发送功率初始值设定部，其根据由该预编码权重计算部计算出的各个用户的发送权重信息或固有值分布等事前信息，设定发送功率的初始值；

迭代系数初始值设定部，其使用由所述预编码权重计算部计算出的各个用户的发送权重信息、和由所述发送功率初始值设定部设定的发送功率的初始值，按照每个用户生成作为信道容量的函数的、与带限制条件的优化问题相关的目标函数，向该与带限制条件的优化问题相关的目标函数施加利用迭代系数调整后的惩罚函数，由此生成新的目标函数，使用临时的迭代系数初始值开始反复进行所述新的目标函数的优化处理，保存通过该优化处理而得到的每个迭代处理的输出值，并根据与前一阶段的输出值之间的比较结果，设定迭代系数初始值；

发送功率计算部，其根据由所述发送功率初始值设定部设定的发送功率、和由所述迭代系数初始值设定部设定的迭代系数初始值，利用内点法计算用于优化所述新的目标函数的发送功率；以及

发送部，其将由该发送功率计算部计算出的发送功率分配给对应的各个发送天线，并发送无线信号。

本方法是无线通信装置的方法，该无线通信装置具有多个发送天线，利用一个以上的发送天线构成多个发送天线组，以不超过分配给各个发送天线及/或各个发送天线组的发送功率的极限值的方式，对所述发送天线分配发送功率，并发送无线信号，本方法包括如下步骤：

调制步骤，调制应该发送给各个用户的信息信号序列；

预编码权重计算步骤，对通过该调制步骤调制后的信息信号序列进行预编码处理，计算各个用户的发送权重信息；

发送功率初始值设定步骤，根据通过该预编码权重计算步骤计算出的各个用户的发送权重信息或固有值分布等事前信息，设定发送功率的初始值；

目标函数生成步骤，使用通过所述预编码权重计算步骤计算出的各个用户的发送权重信息、和通过所述发送功率初始值设定步骤设定的发送功率的初始值，按照每个用户生成作为信道容量的函数的、与带限制条件的优化问题相关的目标函数，向该与带限制条件的优化问题相关的目标函数施加利用迭代系数调整后的惩罚函数，由此生成新的目标函数，

系数初始值设定步骤，使用临时的迭代系数初始值，开始反复进行通过所述目标函数生成步骤生成的新的目标函数的优化处理，保存通过该优化处理而得到的每个迭代处理的输出值，并根据与前一阶段的输出值之间的比较结果，设定迭代系数初始值；

发送功率计算步骤，根据通过所述发送功率初始值设定步骤设定的发送功率、和通过所述迭代系数初始值设定步骤设定的迭代系数初始值，利用内点法计算用于优化所述新的目标函数的发送功率；以及

发送步骤，将通过该发送功率计算步骤计算出的发送功率分配给对应的各个发送天线，并发送无线信号。

根据以上公开的无线通信装置及方法，在对每个发送天线及/或多个发送天线组中的每个发送天线组设有发送功率值的限制的状况下，能够对一个以上的用户分配最佳的发送功率，而且能够削减与该发送功率的计算相关的运算量。

附图说明

图1是表示基于本实施方式的无线通信装置的功能框图。

图2是基于本实施方式的无线通信装置的部分框图。

图3是基于本实施方式的无线通信装置的部分框图。

图4是表示基于本实施方式的无线通信装置采用的内点法的迭代反复次数与目标函数的关系的一例的说明图。

图5是基于本实施方式的无线通信装置的部分框图。

图6是基于本实施方式的无线通信装置的部分框图。

图7是表示基于本实施方式的无线通信装置的动作的流程图。

图8是表示基于本实施方式的无线通信装置的动作的流程图。

图9是表示在基于本实施方式的无线通信装置中将多个发送天线分组的情况的概念图。

图10是基于本实施方式的无线通信装置的部分框图。

图11是表示基于本实施方式的无线通信装置的动作的流程图。

图12是表示基于本实施方式的无线通信装置的概念图。

图13是表示基于本实施方式的无线通信装置中的Fairness标准的收敛特性及与收敛相关的运算量的特性图。

图14是表示基于本实施方式的无线通信装置中的Sum-rate标准的收敛特性及与收敛相关的运算量的特性图。

标号说明

10无线通信装置；11(11₁-11_N)调制部；111串行并行转换部；112(112₁-112_Mr)信号调制部；12预编码权重计算部；13最佳发送功率计算部；14发送信号控制部；21迭代系数初始值计算部；22内点法处理部；23内点法结束判定部；24迭代系数更新部；31临时迭代系数初始值设定部；32发送功率分配初始值设定部；33内点法处理部；34内点法结束判定部；35迭代系数更新部；36目标函数值比较部；37发送功率分配初始值设定部；51初始功率计算部；52迭代系数乘法部；53信道容量计算部；54最快下降处理部；55反复处理部；61预编码后功率计算部；62限制式判定部；63最快下降法步幅更新部；64最快下降法结束判定部；1A发送天线部。

具体实施方式

以下，参照附图说明用于实施本发明的方式。

另外，在用于说明实施方式的全部附图中，具有相同功能的要素采用相同的标号，并省略重复说明。

本无线通信装置具有多个发送天线，利用一个以上的发送天线构成多个发送天线组，以不超过分配给各个发送天线及/或各个发送天线组的发送功率的极限值的方式，对所述发送天线分配发送功率，并发送无线信号，本无线通信装置具有：

调制部，其调制应该发送给各个用户的信息信号序列；

预编码权重计算部，其对由该调制部调制后的信息信号序列进行预编码处理，计算各个用户的发送权重信息；

发送功率初始值设定部，其根据由该预编码权重计算部计算出的各个用户的发送权重信息或固有值分布等事前信息，设定发送功率的初始值；

迭代系数初始值设定部，其使用由所述预编码权重计算部计算出的各个用户的发送权重信息、和由所述发送功率初始值设定部设定的发送功率的初始值，按照每个用户生成作为信道容量的函数的、与带限制条件的优化问题相关的目标函数，向该与带限制条件的优化问题相关的目标函数施加利用迭代系数调整后的惩罚函数，由此生成新的目标函数，使用临时的迭代系数初始值开始反复进行所述新的目标函数的优化处理，保存通过该优化处理得到的每个迭代处理的输出值，并根据与前一阶段的输出值的比较结果，设定迭代系数初始值；

发送功率计算部，其根据由所述发送功率初始值设定部设定的发送功率、和由所述迭代系数初始值设定部设定的迭代系数初始值，利用内点法计算用于优化所述新的目标函数的发送功率；以及

发送部，其将由该发送功率计算部计算出的发送功率分配给对应的各个发送天线，并发送无线信号。

在计算发送功率时，设定适合于优化问题的迭代系数初始值r(1)，由此，能够削减截止到内点法的收敛所需要的反复次数，并对各个用户分配最佳的发送功率。换言之，在对每个发送天线或多个发送天线组中的每个发送天线组设有发送功率值的限制的条件下，设定适合于发送功率的优化问题的迭代系数初始值r(1)，由此，能够削减截止到内点法的收敛所需要的运算量，并对各个用户分配最佳的发送功率。

并且，所述迭代系数初始值设定部也可以把所述与带限制条件的优化问题相关的目标函数用作所述每个迭代处理的输出值。并且，所述迭代系数初始值设定部也可以把所述新的目标函数用作所述每个迭代处理的输出值。

通过把与带限制条件的优化问题相关的目标函数及/或内点法的目标函数(新的目标函数)，用作内点法的每个迭代处理的输出值，能够削减运算量，并在对每个发送天线或多个发送天线组中的每个发送天线组设有发送功率值的限制的条件下，能够对各个用户分配最佳的发送功率。

并且，所述发送功率初始值设定部也可以在每当通过所述迭代系数初始值设定部进行优化处理时，设定发送功率的初始值。并且，所述迭代系数初始值设定部也可以使用通过前一次的优化处理得到的发送功率，反复进行所述新的目标函数的优化处理。

通过利用与发送功率的优化问题对应的发送功率的初始值，设定适合于优化问题的迭代系数初始值r(1)，能够削减运算量，并在对每个发送天线或多个发送天线组中的每个发送天线组设有发送功率值的限制的条件下，能够对各个用户分配最佳的发送功率。

并且，所述迭代系数初始值设定部或所述发送功率计算部也可以在进行所述新的目标函数的优化时，利用最快下降法进行优化。所述发送功率计算部也可以在进行所述新的目标函数的优化时，以不超过所述发送功率的极限值的方式，利用最快下降法进行优化。

通过使用最快下降法进行优化，能够利用容易分析的算法求出最佳解。

并且，所述迭代系数初始值设定部或所述发送功率计算部也可以在下述任意一种情况下结束所述最快下降法的迭代的反复，所述情况包括：所述新的目标函数相对于发送功率变化的变化量在预定的阈值范围内的情况，所述与带限制条件的优化问题相关的目标函数相对于反复次数增加的变化量在预定的阈值范围内的情况，以及反复次数超过预定的阈值的情况。

通过在下述任意一种情况下判定最快下降法的收敛点，从而能够求出最佳解，所述情况包括：内点法的目标函数相对于发送功率变化的变化量在预定的阈值范围内的情况，与带限制条件的优化问题相关的目标函数相对于反复次数增加的变化量在预定的阈值范围内的情况，以及所述反复次数超过预定的阈值的情况。

并且，所述发送功率计算部也可以在迭代系数小于预定的阈值的情况下，以及所述与带限制条件的优化问题相关的目标函数相对于反复次数增加的变化量在预定的阈值范围内的情况下的任意一种情况下，结束所述内点法的迭代的反复。

通过在所述迭代系数小于预定的阈值的情况下，或者在与带限制条件的优化问题相关的目标函数相对于反复次数增加的变化量在预定的阈值范围内的情况下，判定基于内点法的各个迭代的收敛点，从而能够求出最佳解。

并且，所述发送功率计算部也可以根据所述发送功率的极限值进行优化，以使各个用户的信道容量均匀。

通过进行优化以使各个用户的信道容量均匀，能够求出使分配功率后的各个用户的信道容量均等的最佳解。

并且，所述发送功率计算部也可以根据所述发送功率的极限值进行优化，以使系统整体的信道容量达到最大。

通过进行优化以使系统整体的信道容量达到最大，能够求出使分配功率后的各个用户的信道容量之和为最大的最佳解。

基于本实施方式的无线通信装置在对每个发送天线及/或多个发送天线组中的每个发送天线组限制了发送功率值的状况下，对各个用户的每个发送流确定发送功率，并根据该确定的发送功率值控制发送信号的发送。

下面，参照附图具体说明本实施方式。

(第1实施方式)

(本无线通信装置的结构)

图1是表示基于本实施方式的无线通信装置10的结构的框图。本无线通信装置10包括无线发送装置。本无线通信装置10适合包含于基站中，发送下行链路的信号。并且，本无线通信装置10也可以包含于用户终端中。

本无线通信装置10从物理上讲构成为包括：N个调制部11(第1调制部11₁-第N调制部11_N(N是N＞0的整数))；与各个调制部11连接的预编码权重计算部12；与该预编码权重计算部12连接的最佳发送功率计算部13；与预编码权重计算部12及最佳发送功率计算部13连接的发送信号控制部14；以及与该发送信号控制部14连接的多个天线#1～#M_t。

例如，调制部11的数量与用户数量(N)相同。各个调制部11构成为包括串行并行转换部111；与该串行并行转换部111连接的Mr个信号调制部112(信号调制部112₁-112_Mr)。例如，Mr与用户的天线数量相同。信号调制部112与预编码权重计算部12连接。

(最佳发送功率计算部13的结构)

图2表示本无线通信装置10的最佳发送功率计算部13。

最佳发送功率计算部13从物理上讲构成为包括：迭代系数初始值计算部21；与该迭代系数初始值计算部21连接的内点法处理部22；与该内点法处理部22连接的迭代系数更新部24；与内点法处理部22及迭代系数更新部24连接的内点法结束判定部23。

(迭代系数初始值计算部21的结构)

图3表示本无线通信装置10的迭代系数初始值计算部21。

迭代系数初始值计算部21构成为包括：临时迭代系数初始值设定部31；与该临时迭代系数初始值设定部31连接的发送功率分配初始值设定部32；与该发送功率分配初始值设定部32连接的内点法处理部33；与该内点法处理部33连接的迭代系数更新部35；与该迭代系数更新部35及内点法处理部33连接的内点法结束判定部34；与发送功率分配初始值设定部32、内点法处理部33及内点法结束判定部34连接的目标函数值比较部36；与该目标函数值比较部36连接的发送功率分配初始值设定部37。

(无线通信装置10的各个功能单元的说明)

说明本无线通信装置10的动作。通过该说明来说明无线通信装置10的各个功能单元。在本实施方式中，作为一例，把发送天线数量设为M_t，把用户数量设为N，把用户天线数量设为M_r。

并且，在本实施方式中，作为一例，关于多用户MIMO传输中的预编码处理，说明使用基于信道信息的块对角化Zero-forcing(BD-ZF)的情况。但是，关于预编码处理，也可以是基于信道信息的任意的MU-MIMO预编码。基于信道信息的任意的MU-MIMO预编码包括迫零(ZF：Zero-forcing)、最小平方误差(MMSE：Minimum Mean SquareError)、脏纸编码(DPC：dirty-paper coding)等。并且，关于预编码处理，也可以是从代码本中选择发送权重矢量的预编码。

在调制部11中进行以下处理。应该发送给各个用户的信息信号序列被输入到调制部11₁-11_N中。串行并行转换部111对输入到该调制部11的应该发送给各个用户的信息信号序列进行串行并行转换，由此转换为Mr个信息信号序列，并分配到将要复用的各个发送流中。串行并行转换部111把Mr个信息信号序列输入到各个信号调制部112₁-112_Mr。

信号调制部112对输入的信息序列进行调制，产生发送信号s_k，j。其中，s_k，j表示利用第k用户(1≤k≤N)的第j发送流(1≤j≤M_r)发送的发送信号。并且，利用下式(1)定义第k用户的M_r维发送信号矢量s_k。

s_k＝[s_k，1，…，s_k，j，…s_k，Mr]^T      (1)

在式(1)中，T表示转置。

在把第k用户的M_r×M_t MIMO信道的信道矩阵设为H_k时，生成满足下式(2)的第k用户的M_t×M_rBD-ZF发送权重矩阵W_BD-ZF，k。

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

利用下式(3)定义BD-ZF后的第k用户的M_r×M_r等效信道矩阵H_k’。并且，对BD-ZF后的第k用户的M_r×M_r等效信道矩阵H_k’进行奇异值分解(SVD：Singular Value Decomposition)。

$H_k^{\′}=H_k{W}_{\mathrm{BD}-\mathrm{ZF},k}=U_k{\mathrm{\Λ}}_k{V}_k^H$

其中，在式(3)中，H表示埃尔米特转置，λ_k，j表示Hk’^HHk’的固有值。

使用在式(3)中得到的V_k和在式(2)中得到的W_BD-ZF，k，把第k用户的M_t×M_r发送权重矩阵设为W_k。

预编码权重计算部12计算发送权重矩阵W_k。并且，预编码权重计算部12把发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j(1≤q≤M_t)及固有值λ_k，j作为发送权重关联信息，输出给最佳发送功率计算部13。并且，预编码权重计算部12把发送权重矩阵W_k及发送信号矢量s_k输出给发送信号控制部14。

发送信号控制部14使用由后面叙述的最佳发送功率计算部13计算出的分配给第k用户的第j发送流的发送功率P_k，j、以及由预编码权重计算部12输入的W_k和S_k，生成下式(5)表示的预编码后的M_t维发送信号矢量X_k，并发送给各个用户。

另外，在把第k用户的M_r维接收信号矢量设为y_k，把M_r维噪声矢量设为n_k的情况下，接收信号表示如下。

y_k＝H_kx_k+n_k                             (6)

其中，在把各个用户的M_r×M_r接收权重矩阵设为式(3)的U_k ^H时，接收权重矩阵相乘后的输出利用下式(7)表示。

(7)

根据式(7)得知，能够没有干扰地接收被空间复用后发送给各个用户的信号。并且，在把噪声功率设为σ²的情况下，相对于第k用户的第j发送流的接收SNR_k，j利用下式(8)表示。

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

使用式(8)表示的接收SNR_k，j，利用下式(9)表示第k用户的MIMO信道容量C_k。

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

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

(最佳发送功率计算部13的说明)

说明最佳发送功率计算部13的动作。

由预编码权重计算部12输出的发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j及固有值λ_k，j，被作为发送权重关联信息输入给最佳发送功率计算部13。最佳发送功率计算部13使用该发送权重关联信息，计算满足第q个发送天线的发送功率极限值P_max，q的发送功率P_k，j。即，最佳发送功率计算部13求解下面的优化问题。

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

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

$P_{k,j}\≥0\∀k,j---\left(12\right)$

其中，优化问题的式(10)表示在全部用户中最大限度地提升信道容量最低的用户的容量。通过求解该优化问题，使全部用户的信道容量基本相同，因此把该处理称为公平(Fairness)标准。

优化问题能够根据内点法求解。内点法指向式(10)追加惩罚函数g(P_k，j)及调整惩罚函数的大小的迭代系数r(i)，求解使不具有式(11)和式(12)的限制式的函数最大化的新的优化问题的方法。其中，i表示后面叙述的内点法的迭代反复处理次数。另外，从数值较大的迭代系数开始，对每个迭代系数计算最佳的发送功率P_k，j，把该发送功率P_k，j的值设为初始值，减小迭代系数，反复进行处理。通过对每个迭代系数计算最佳的发送功率P_k，j，把该发送功率P_k，j的值设为初始值，减小迭代系数，反复进行处理，能够在迭代系数r(i)充分小的阶段获得带原来的限制式的优化问题的解。下式(13)、(14)表示使用了惩罚函数和迭代系数的新的优化问题。

maximize F＝f+r(i)g(P_k，j)                    (13)

其中， $f=\underset{k}{\min }{C}_k---\left(14\right)$

在式(13)和式(14)中，f表示有关各个用户的信道容量的、与带限制条件的优化问题相关的初始目标函数的一例。F表示通过向初始目标函数追加惩罚函数和调整该惩罚函数的大小的迭代系数而导出的目标函数的一例，是新的优化问题的目标函数。

另外，惩罚函数g(P_k，j)是包括各个发送权重、发送功率极限值及发送功率的函数，例如使用下式(15)所示的函数。

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

或者，惩罚函数g(P_k，j)也可以使用下式(16)所示的函数。

$g\left(P_{k,j}\right)=\underset{q=1}{\overset{M_t}{\mathrm{\Σ}}}\log (P_{\max ,q}-\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_{k,q,j}\right|}^2{P}_{k,j})+\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\Σ}}}\log \left(P_{k,j}\right)---\left(16\right)$

(最佳发送功率计算部13的迭代系数初始值计算部21的说明)

下面，使用图3说明图2所示的迭代系数初始值计算部21。

临时迭代系数初始值设定部31设定临时的迭代系数初始值r’(1)。临时迭代系数初始值设定部31把临时的迭代系数初始值r’(1)设定为合适大小的值。临时迭代系数初始值设定部31把临时的迭代系数初始值r’(1)，与由预编码权重计算部12输入的发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j及固有值λ_k，j一起输入给发送功率分配初始值设定部32。

发送功率分配初始值设定部32使用由临时迭代系数初始值设定部31输入的信息等，设定与优化问题对应的发送功率的初始值P_{k，j initial}。并且，发送功率分配初始值设定部32把发送功率的初始值P_{k，j initial}，与发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j及临时的迭代系数初始值r’(1)一起输入给内点法处理部33。

另外，在计算发送功率的初始值P_{k，j initial}时，也可以使用与固有值λ_k，j的分布对应的设定方法、或者把发送权重信息用作事前信息的设定方法(例如，参照非专利文献4)。并且，在计算发送功率的初始值P_{k，j initial}时，也可以使用其他的初始值设定方法。

内点法处理部33使用由发送功率分配初始值设定部32输入的发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j、临时的迭代系数初始值r’(1)及发送功率的初始值P_{k，j initial}，进行包括利用式(13)示出的惩罚函数和迭代系数在内的目标函数F的优化，作为内点法的迭代反复处理。并且，内点法处理部33把利用式(14)示出的发送功率优化问题的目标函数f的值，与发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j、计算出的发送功率P_k，j及内点法迭代反复处理结束时的迭代系数r’(1)一起，输入给内点法结束判定部34。并且，内点法处理部33把目标函数f的值输入给目标函数值比较部36。其中，i表示第i次的内点法迭代处理次数。

另外，内点法处理部33的处理与后面叙述的内点法处理部22的处理相同。并且，在内点法处理部33中，也可以取代目标函数f，将包括惩罚函数和迭代系数在内的目标函数F的值输出给目标函数值比较部36。

内点法结束判定部34判定内点法迭代反复处理次数是否是3次。在迭代反复处理次数不足3次的情况下，内点法结束判定部34把发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j、计算出的发送功率P_k，j及内点法迭代反复处理结束时的迭代系数r’(1)输入给迭代系数更新部35。

迭代系数更新部35根据由内点法结束判定部34输入的发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j、计算出的发送功率P_k，j及内点法迭代反复处理结束时的迭代系数r’(1)，按照式(17)更新迭代系数。

r′(i+1)＝r′(i)×α                          (17)

在式(17)中，α(＜1)表示迭代系数的步幅。迭代系数更新部35把按照式(17)更新后的迭代系数值r’(1+1)，与发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j、计算出的发送功率P_k，j一起，再次输入给内点法处理部33，进行反复处理。

另一方面，在内点法迭代反复处理次数达到3次的情况下，内点法结束判定部34把发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j及内点法迭代反复处理次数为3次并结束时的迭代系数值r’(3)，输入到目标函数值比较部36。

通过内点法处理部33、内点法结束判定部34、迭代系数更新部35的处理的反复处理，内点法迭代反复处理次数为3次的目标函数值f(i＝1)、f(i＝2)、f(i＝3)、及发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j和迭代系数值r’(3)，被输入到目标函数值比较部36。

图4表示内点法迭代反复次数与目标函数的关系的一例。在图4中，实线表示临时的迭代系数初始值r’(1)不合适的情况，虚线表示临时的迭代系数初始值r’(1)合适的情况。

在临时的迭代系数初始值r’(1)相对于应该求解的优化问题不合适，发送功率分配初始值与应该解决的优化问题对应地保持某种程度大小的值的情况下，有可能产生目标函数f的值在内点法的迭代反复处理的第1次和第2次之间逆转的现象。换言之，如图4的曲线图的虚线所示，在临时的迭代系数初始值r’(1)成为相对于优化问题合适的值的情况下，内点法的迭代反复处理在第1次～第3次时目标函数f的值缓慢增大。因此，目标函数值比较部36对输入的3次迭代反复处理的目标函数f的值进行比较，判定是否产生了图4所示的逆转现象。例如，目标函数值比较部36也可以利用式(18)示出的判别式进行判定。目标函数值比较部36在满足式(18)示出的判别式的情况下，判定为产生了逆转现象。

f(i＝1)＞f(i＝2)＜f(i＝3)              (18)

根据利用式(18)的判定，在判定为产生了逆转现象的情况下，需要进行内点法迭代反复处理，直到该逆转现象消失。由于需要进行内点法迭代反复处理，直到该逆转现象消失，因此目标函数值比较部36对输入到该目标函数值比较部36的r’(3)的值，重新设定临时的迭代系数初始值r’(1)，并将内点法迭代反复处理次数恢复为1次，再次输入到发送功率分配初始值设定部32。

另一方面，目标函数值比较部36在对3次内点法迭代反复处理的目标函数f的值进行比较后，根据式(18)判定为没有产生图4的实线所示的逆转现象的情况下，把输入的r’(3)设定为适合于优化问题的迭代系数初始值r’(1)，并与发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j一起输出给发送功率分配初始值设定部37。

发送功率分配初始值设定部37使用由目标函数值比较部36输入的信息等，再次设定与优化问题对应的发送功率的初始值P_{k，j initial}。发送功率分配初始值设定部37把发送功率的初始值P_{k，j initial}，与迭代系数初始值r(1)、发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j一起输入到内点法处理部22。

另外，在计算发送功率的初始值P_{k，j initial}时，与上述的发送功率分配初始值设定部37相同，也可以使用与固有值λ_k，j的分布对应的设定方法、或者把发送权重信息用作事前信息的设定方法(例如，参照非专利文献4)。并且，在计算发送功率的初始值P_{k，j initial}时，也可以使用其他的初始值设定方法。

另外，在目标函数值比较部36中，在内点法处理部33中输出包括惩罚函数和迭代系数在内的目标函数F的情况下，把F的值用作比较对象。

另外，在上述迭代系数初始值设定方法中，说明了在目标函数值比较部36中利用来自内点法处理部33的3个输出值(目标函数f)来设定迭代系数初始值r(1)的情况，但也可以利用3个以上的输出值来设定迭代系数初始值r(1)。在利用3个以上的输出值来设定迭代系数初始值r(1)的情况下，式(18)根据利用的输出值的数量而变形。

(最佳发送功率计算部13的内点法处理部22、33的结构)

图5表示本无线通信装置10的内点法处理部22和33。

在本实施方式中，说明在内点法的迭代反复处理中使用最快下降法的情况。

内点法处理部22和33构成为包括：初始功率计算部51；与该初始功率计算部51连接的迭代系数乘法部52；与该迭代系数乘法部52连接的信道容量计算部53；与该信道容量计算部53连接的最快下降处理部54；与该最快下降处理部54及信道容量计算部53连接的反复处理部55。

(内点法处理部22、33的反复处理部55的结构)

图6表示反复处理部55。

反复处理部55构成为包括：预编码后功率计算部61；与该预编码后功率计算部61连接的限制式判定部62；与该限制式判定部62连接的最快下降法步幅更新部63及最快下降法结束判定部64。

(内点法处理部22、33的动作)

下面，说明利用采用最快下降法的内点法进行优化时的具体动作。

内点法处理部22和33的初始功率计算部51使用分别由迭代系数初始值计算部21和发送功率分配初始值设定部32输入的发送功率的初始值P_{k，j initial}、发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j及固有值λ_k，j，按照式(19)计算内点法处理部22和33中的初始的每个发送天线的发送功率P_q，并输出给迭代系数乘法部52。

$P_q=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\Σ}}}{\left|w_{k,q,j}\right|}^2{P}_{k,j}---\left(19\right)$

其中，把式(19)的P_k，j作为P_{k，j initial}来计算发送功率P_q。

迭代系数乘法部52将由迭代系数更新部24或迭代系数更新部35输入的迭代系数r(i)的值，与惩罚函数相乘。迭代系数乘法部52将由初始功率计算部51输入的发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j、发送功率的初始值P_{k，j initial}、初始的每个发送天线的发送功率P_q，以及由迭代系数更新部24或迭代系数更新部35输入的发送功率P_k，j，输入到信道容量计算部53。

信道容量计算部53使用由迭代系数乘法部52输入的发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j、以及由迭代系数乘法部52输入的发送功率的初始值P_{k，j initial}、或者由迭代系数乘法部52或反复处理部55中的最快下降法结束判定部64输入的发送功率P_k，j，按照上述的式(9)计算各个用户的信道容量C_k。信道容量计算部53把各个用户的信道容量C_k与发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j一起输入到最快下降处理部54。

最快下降处理部54利用最快下降法，优化使用了上述惩罚函数的优化问题的式(13)。最快下降法是使用式(13)的斜率信息来进行优化的方法，具体地讲是进行下式(20)所示的反复处理。

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

在式(20)中，(u)表示第u次的反复处理，β表示步幅。

最快下降处理部54把被优化后的发送功率P_k，j，与发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j一起输入到反复处理部55。

参照图6说明反复处理部55中的处理。

预编码后功率计算部61根据由最快下降处理部54输入的被优化后的发送功率P_k，j及发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j，计算每个发送天线的发送功率P_q。预编码后功率计算部61例如按照式(19)计算每个发送天线的发送功率P_q。预编码后功率计算部61将每个发送天线的发送功率P_q输入到限制式判定部62。

限制式判定部62判定是否满足下式(21)所示的限制条件。换言之，判定每个发送天线的发送功率P_q是否为每个发送天线的功率极限值P_{max， q}以下、被优化后的发送功率P_k，j是否为0(零)以上。

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

限制式判定部62在不满足式(21)所示的限制条件中的任何条件的情况下，通知最快下降法步幅更新部63不满足限制条件。

最快下降法步幅更新部63根据限制式判定部62的通知，减小步幅β，将该步幅β输入到信道容量计算部53。信道容量计算部53进行与上述处理相同的处理，将由最快下降法步幅更新部63输入的步幅β和各个用户的信道容量Ck，与发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j一起输入到最快下降处理部54。

最快下降处理部54使用由信道容量计算部53输入的步幅β，进行上述的式(20)所示的反复处理。预编码后功率计算部61根据由最快下降处理部54输入的被优化后的发送功率P_k，j及发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j，计算每个发送天线的发送功率P_q。预编码后功率计算部61将每个发送天线的发送功率P_q输入到限制式判定部62。

限制式判定部62判定是否满足上述式(21)所示的限制条件，并进行反复处理，直到满足式(21)所示的限制条件为止。

在限制式判定部62中，在判定为满足所述限制条件的情况下，限制式判定部62将发送功率P_k，j输入到最快下降法结束判定部64。

最快下降法结束判定部64根据由限制式判定部62输入的发送功率P_k，j，判定是否满足下式(22)所示的最快下降法的结束条件。

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

其中，

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

在式(22)中，u表示基于最快下降法的反复处理次数，I_max被定义为该反复处理次数的最大次数，(u)表示第u次的反复处理。并且，ε₁和ε₂是充分小的值。即，在下述情况下结束反复进行最快下降法的迭代，所述情况包括：导出的目标函数相对于发送功率的变化的变化量达到预定的充分小的数值范围内的情况；初始目标函数相对于反复处理次数的增加的变化量达到预定的充分小的数值范围内的情况；以及反复次数超过预定的阈值的情况。

另外，上述条件是最快下降法的结束条件的一例，也可以使用其他的结束条件。并且，I_max、ε₁和ε₂也可以在内点法处理部22和内点法处理部33中分别独立设定。另外，从内点法处理部33输出的目标函数值f只在目标函数值比较部36进行式(18)所示的比较时使用，因此内点法处理部33中的最快下降法的反复处理最大次数I_max，设定不满足下式(24)的最低限度的值即可。即，可以根据目标函数值f的值适应性地设定为不满足下式(24)。

f(i＝1)＞f(i＝2)＞f(i＝3)＜f(i＝4)             (24)

最快下降法结束判定部64在不满足式(22)所示的条件中的全部条件的情况下，将发送功率P_k，j输入到信道容量计算部53。在发送功率P_{k， j}被输入到信道容量计算部53的情况下，再次进行与上述的处理相同的处理。该处理被反复进行，直到最快下降法结束判定部64判定为满足式(22)的条件为止。

另一方面，最快下降法结束判定部64在满足式(22)所示的条件中的任意一个条件的情况下，把发送功率P_k，j作为内点法处理部22、33的输出进行输出。具体地讲，作为内点法处理部22的输出的发送功率P_k，j被输入到内点法结束判定部23，作为内点法处理部33的输出的发送功率P_k，j被输入到内点法结束判定部34及目标函数值比较部36。

(最佳发送功率计算部13的内点法结束判定部23及迭代系数更新部24的动作)

下面，说明图2所示的内点法结束判定部23及迭代系数更新部24。

内点法结束判定部23判定是否满足下式(25)所示的内点法的迭代反复处理结束条件。

$\left\{\begin{array}{c}r\left(i\right)<{\mathrm{\&epsiv;}}_3\\ \frac{|\underset{k}{\min }{C}_k\left(i\right)-\underset{k}{\min }{C}_k(i-1)|}{\underset{k}{\min }{C}_k\left(i\right)}<{\mathrm{\&epsiv;}}_4\end{array}\right.---\left(25\right)$

在式(25)中，(i)表示第i次的内点法的迭代反复处理。并且，ε₃和ε₄是充分小的值。即，在满足下述任意一个情况时结束反复进行内点法的迭代，所述情况包括：迭代系数比预定的充分小的值小的情况，以及初始目标函数相对于反复次数的增加的变化量达到预定的充分小的数值范围内的情况。

另外，上述条件是内点法的迭代反复处理结束条件的一例，也可以使用其他的结束条件。并且，所述ε₃和ε₄也可以在内点法处理部22和内点法处理部33中分别独立设定。

在内点法结束判定部23中，在不满足式(25)所示的结束条件中的全部条件的情况下，把发送功率P_k，j作为迭代系数r(i)的最佳解，把该发送功率P_k，j输入到迭代系数更新部24。

迭代系数更新部24按照式(17)，把迭代系数更新为较小的值。并且，迭代系数更新部24把迭代系数r(i)与发送功率P_k，j一起再次输入到内点法处理部22。在内点法处理部22中进行与上述的处理相同的处理。另外，在适用式(17)时，把式(17)中的r’(i)替换为r(i)进行计算。

另一方面，内点法结束判定部23在满足式(25)所示的结束条件中的任意一个条件的情况下，把在该满足时的时间点的发送功率P_k，j作为内点法处理部22的最佳解，输入到发送信号控制部14。

(本无线天线装置10的动作)

图7是表示基于本实施方式的无线通信装置10的动作的流程图。在本实施方式中，主要说明最佳发送功率计算部13的处理。

最佳发送功率计算部13设定临时的迭代系数初始值r’(1)和基于最快下降法的最大反复处理次数I_max及ε₁～ε₄(步骤S702)。临时迭代系数初始值设定部31设定临时的迭代系数初始值r’(1)。最快下降法结束判定部64设定基于最快下降法的最大反复处理次数I_max、ε₁和ε₂。内点法结束判定部23设定ε₃和ε₄。

最佳发送功率计算部13设定发送功率分配初始值P_{k，j initial}(步骤S704)。发送功率分配初始值设定部32设定发送功率分配初始值P_{k，j initial}。

最佳发送功率计算部13把内点法迭代反复处理次数i设定为1(步骤S706)。内点法处理部33把内点法迭代反复处理次数i设定为1。

最佳发送功率计算部13进行内点法处理，计算发送功率优化问题的目标函数f的值(步骤S708)。内点法处理部33进行内点法处理，计算发送功率优化问题的目标函数f的值。

最佳发送功率计算部13确认内点法迭代反复处理次数i，判定i是否小于3(步骤S710)。内点法结束判定部34确认内点法迭代反复处理次数i，判定i是否小于3。

在内点法迭代反复处理次数i小于3的情况下(步骤S710：否)，最佳发送功率计算部13按照式(17)，把临时的迭代系数r’(1)更新为较小的值(步骤S712)。迭代系数更新部35把临时的迭代系数r’(1)更新为较小的值。

最佳发送功率计算部13将内点法迭代的反复处理次数索引i增加1(步骤S714)。内点法处理部33将内点法迭代的反复处理次数索引i增加1。并且，返回步骤S708的处理。在步骤S708中，内点法处理部33根据P_k，j和r’(1)，再次进行内点法的迭代反复处理。

另一方面，在满足i＝3的情况下(步骤S710：是)，最佳发送功率计算部13使用通过步骤S708计算出的目标函数f(i＝1)、f(i＝2)、f(i＝3)，根据式(18)所示的判定式，进行目标函数的值是否产生了逆转现象的判定(步骤S716)。目标函数值比较部36进行目标函数的值是否产生了逆转现象的判定。

在判定为目标函数的值产生了逆转现象的情况下(步骤S716：是)，最佳发送功率计算部13对第3次的内点法迭代反复处理结束时的迭代系数r’(3)，重新设定临时的迭代系数初始值r’(1)(步骤S718)。并且，返回步骤S704。目标函数值比较部36对第3次的内点法迭代反复处理结束时的迭代系数r’(3)，重新设定临时的迭代系数初始值r’(1)的值。

在判定为目标函数的值没有产生逆转现象的情况下(步骤S716：否)，最佳发送功率计算部13把第3次的内点法迭代的反复处理结束时的迭代系数r’(3)设定为迭代系数初始值r(1)(步骤S720)。目标函数值比较部36把第3次的内点法迭代的反复处理结束时的迭代系数r’(3)设定为迭代系数初始值r(1)。

另外，在本流程图中，说明了在步骤S708中计算发送功率的优化问题的目标函数f的情况，但也可以计算式(13)所示的内点法的目标函数F。并且，同样在计算内点法的目标函数F的情况下，在步骤S716中，也可以使用式(13)所示的内点法的目标函数F进行判定。

最佳发送功率计算部13再次设定发送功率分配初始值P_{k，j initial}(步骤S722)。发送功率分配初始值设定部37再次设定与优化问题对应的发送功率分配初始值P_{k，j initial}。

最佳发送功率计算部13把内点法迭代的反复处理次数索引i设定为1(步骤S724)。内点法处理部22把内点法迭代的反复处理次数索引i设定为1。

最佳发送功率计算部13进行内点法处理，在进行了内点法的迭代反复次数i的发送功率的优化后，计算发送功率P_k，j、迭代系数r(i)及式(13)所示的内点法的目标函数F或发送功率优化问题的目标函数f(步骤S726)。内点法处理部22进行内点法处理，在进行了内点法的迭代反复次数i的发送功率的优化后，计算发送功率P_k，j、迭代系数r(i)及式(13)所示的内点法的目标函数F或发送功率优化问题的目标函数f。

另外，在本流程图中，说明了在步骤S702、步骤S704和步骤S722中设定使用最快下降法和内点法时的初始值的情况，但优选按照使用的优化方法及结束条件来设定参数。

最佳发送功率计算部13判定是否满足式(25)所示的内点法的迭代反复处理结束条件(步骤S728)。内点法结束判定部23判定是否满足内点法的迭代反复处理结束条件。

在不满足式(25)所示的全部结束条件的情况下(步骤S728：否)，把该不满足时的发送功率P_k，j作为迭代系数r(i)的最佳解，并按照式(17)把迭代系数更新为较小的值(步骤S730)，将内点法迭代反复处理次数索引i增加1次(步骤S732)。并且，返回步骤S726。

内点法结束判定部23在不满足全部结束条件的情况下，把该不满足时的发送功率P_k，j作为迭代系数r(i)的最佳解。迭代系数更新部24按照式(17)更新为较小的值。内点法处理部22将内点法迭代反复处理次数索引i增加1次。在步骤S726中，内点法处理部22根据P_k，j和r(i)，再次进行内点法的迭代反复处理。

另外，在步骤S730中适用式(17)时，把式(17)中的r’(i)替换为r(i)进行计算。

另一方面，在满足式(25)所示的结束条件的任意一个条件的情况下(步骤S728：是)，把该满足时的时间点的发送功率P_k，j作为最佳发送功率计算部13的最佳解，输入到发送信号控制部14。内点法结束判定部23在满足式(25)所示的结束条件的任意一个条件的情况下，把该满足时的时间点的发送功率P_k，j作为内点法处理部22的最佳解，输入到发送信号控制部14。

(内点法处理部22和33的处理)

图8是表示使用最快下降法进行优化时的内点法处理部22和33的处理的流程图。具体地讲，说明在图7的步骤S708和S726中使用最快下降法进行优化时的处理。

内点法处理部22计算每个发送天线的发送功率P_q(步骤S802)。初始功率计算部51按照式(19)计算每个发送天线的发送功率P_q。

内点法处理部22将迭代系数r(i)与惩罚函数g(P_k，j)相乘，生成新的优化问题的目标函数F(步骤S804)。迭代系数乘法部52将迭代系数r(i)与惩罚函数g(P_k，j)相乘。

内点法处理部22计算各个用户的信道容量(步骤S806)。信道容量计算部53使用发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j及发送功率P_k，j，按照上述的式(9)计算各个用户的信道容量C_k。

内点法处理部22计算目标函数F的斜率即微分值，根据式(20)计算新的P_k，j(步骤S808)。最快下降处理部54利用最快下降法，优化使用了上述惩罚函数的优化问题的式(13)。

内点法处理部22根据式(19)计算每个发送天线的发送功率P_q，判定是否满足式(21)的限制条件(步骤S810)。预编码后功率计算部61根据被优化后的发送功率P_k，j及发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j，计算每个发送天线的发送功率P_q。限制式判定部62判定是否满足式(21)所示的限制条件。

在不满足限制条件中的任何条件的情况下(步骤S810：否)，内点法处理部22将步幅β更新为较小的值(步骤S812)。并且，返回步骤S806。

在步骤S810中反复处理直到满足全部限制条件为止。限制式判定部62在不满足式(21)所示的限制条件中的任何条件的情况下，通知最快下降法步幅更新部63不满足限制条件。最快下降法步幅更新部63根据限制式判定部62的通知，将步幅β更新为较小的值。

在满足限制条件中的全部条件的情况下(步骤S810：是)，内点法处理部22判定是否满足式(22)所示的最快下降法的结束条件(步骤S814)。最快下降法结束判定部64根据发送功率P_k，j，判定是否满足式(22)所示的最快下降法的结束条件。

在不满足式(22)所示的结束条件中的全部条件的情况下(步骤S814：否)，返回步骤S806。内点法处理部22再次反复进行与上述的处理相同的处理，直到在步骤S814中满足式(22)所示的条件中的任意一个条件为止。

另一方面，在满足式(22)所示的结束条件中的任意一个条件的情况下(步骤S814：是)，把满足结束条件中的任意一个条件时的发送功率P_k，j作为最快下降法的最佳值输出。最快下降法结束判定部64在满足式(22)所示的条件中的任意一个条件的情况下，把发送功率P_k，j作为内点法处理部22、33的输出进行输出。

另外，作为内点法处理的一例，叙述了使用最快下降法的优化方法，但也可以使用其他的优化方法进行内点法处理。在使用其他的优化方法进行内点法处理的情况下，能够按照图2所示的结构及图7所示的流程图，保存基于内点法的每个迭代处理的输出值，并将这些输出值进行比较，反复设定迭代系数初始值。

另外，在上述优化方法中，求解把使各个用户的信道容量C_k均匀化作为目的的优化问题，但也可以把使系统整体的信道容量C_k最大化作为目的。下面说明使系统整体的信道容量C_k最大化时的优化问题。

$\max \mathrm{imize}C=\underset{\text{k=1}}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{k,j})---\left(26\right)$

$s.t.\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|w_{k,q,j}\right|}^2{P}_{k,j}\&le;P_{\max ,q}---\left(27\right)$

$P_{k,j}\&GreaterEqual;0\&ForAll;k,j---\left(28\right)$

把上述的以使系统整体的信道容量C_k最大化为目的的优化问题称为速率和(Sum-rate)标准。其求解方法与Fairness标准时相同。

另外，在此说明了对每个发送天线设有功率限制P_max，q的情况，但在把发送天线划分为多个组，并对该每个组设定功率限制的情况下，也能够使用该优化方法。

图9表示把发送天线划分为多个组，并对该每个组设定功率限制时的无线通信装置10的概念图。图9中的L(1≤1≤L)表示组数，S1表示属于组1的发送天线序号的集合。

下面，说明图9所示的Fairness标准的优化问题。

$\max \mathrm{imize}\underset{k}{\min }{C}_k=\underset{k}{\min }\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\log }_2(1+{\mathrm{SNR}}_{k,j})---\left(29\right)$

$s.t.\underset{q\&Element;S_i}{\mathrm{\&Sigma;}}\left[\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|w_{k,q,j}\right|}^2{P}_{k,j}\right]\&le;P_{\max ,l}---\left(30\right)$

$P_{k,j}\&GreaterEqual;0\&ForAll;k,j---\left(31\right)$

把组1中的功率极限值设为P_max，1。式(29)～式(31)所示的优化问题能够利用与前面叙述的求解方法相同的方法求解。并且，同样也能够适用于Sum-rate标准的情况。

另外，以上说明了预编码方法采用BD-ZF的情况，但在其他预编码方法的发送功率优化问题中同样能够求解。

(第2实施方式)

(本无线通信装置的结构)

说明基于本实施方式的无线通信装置10。本无线通信装置10利用图1示出。本无线通信装置10的迭代系数初始值计算部21与第1实施方式不同。在第1实施方式中，每当用于计算迭代系数初始值的内点法迭代的反复处理达到3次时，发送功率分配初始值设定部37使用由目标函数值比较部36输入的信息等，重新设定与优化问题对应的发送功率的初始值P_{k，j initial}。

在本实施方式中，只设定一次发送功率的初始值P_{k，j initial}，把在用于计算迭代系数初始值的每次内点法迭代反复处理时输出的发送功率值P_{k， j}，用作下一次反复处理的发送功率的初始值、以及内点法处理部22的发送功率的初始值。

(迭代系数初始值计算部21的结构)

图10表示本实施方式的迭代系数初始值计算部21。

该迭代系数初始值计算部21构成为包括：临时迭代系数初始值设定部31；与该临时迭代系数初始值设定部31连接的发送功率分配初始值设定部32；与该发送功率分配初始值设定部32连接的内点法处理部33；与该内点法处理部33连接的迭代系数更新部35；与该迭代系数更新部35及内点法处理部33连接的内点法结束判定部34；与该内点法结束判定部34及内点法处理部33连接的目标函数值比较部36。

(迭代系数初始值计算部21的说明)

说明与第1实施方式的不同之处。

在本实施方式中，内点法处理部33将目标函数f的值、及通过内点法迭代反复处理计算出的P_k，j，输出给目标函数值比较部36。

在本实施方式中，目标函数值比较部36在通过式(18)所示的判定，产生了逆转现象的情况下，对于由内点法结束判定部34输入的r’(3)，重新设定临时的迭代系数初始值r’(1)，并与发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j及计算出的发送功率值P_k，j一起再次输入到内点法处理部33。

在本实施方式中，目标函数值比较部36在通过式(18)所示的判定，没有产生逆转现象的情况下，把由内点法结束判定部34输入的r’(3)设定为适合于优化问题的迭代系数初始值r(1)，并与发送权重矩阵W_k的各个成分w_k，q，j、固有值λ_k，j及计算出的发送功率值P_k，j一起输入到内点法处理部22。

关于其他的处理方法，与第1实施方式的处理方法相同。

(本无线通信装置10的动作)

图11是表示基于本实施方式的无线通信装置10的动作的流程图。在本实施方式中，主要说明最佳发送功率计算部13的处理。

本实施方式中的步骤S1102-S1120，与第1实施方式中的步骤S702-S720相同。但是，在步骤S1118的处理之后返回步骤S1106，这一点不同。并且，本实施方式中的步骤S1122-S1132，与第1实施方式中的步骤S724-S734相同。

(第3实施方式)

说明基于本实施方式的无线通信装置10。在第1实施方式和第2实施方式中，假设在无线通信装置10中安装有多个发送天线。基于本实施方式的无线通信装置10通过有线或无线方式连接有多个发送天线。多个发送天线也可以处于和无线通信发送装置10不同的位置。

(本无线通信装置10的结构)

图12是基于本实施方式的无线通信装置10的概念图。

本无线通信装置10通过有线或无线方式与具有多个发送天线的发送天线部1A连接。

关于本无线通信装置10的动作，除了多个发送天线部1A处于和无线通信装置10不同的位置之外，其他与第1实施方式或第2实施方式的处理方法相同。

(本实施方式的无线通信装置10的特性)

说明上述第1实施方式的无线通信装置的有效性。

为了确认本无线通信装置10的有效性，预编码方法采用BD-ZF，进行对每个发送天线设定相同的功率极限值P_max时的计算机模拟。

另外，在图13中一并示出了用于进行比较的、确定唯一的迭代系数初始值时的结果。关于式(15)(16)所示的惩罚函数，采用式(15)所示的函数。发送天线数量M_t＝6，用户数量N＝3，用户天线数量M_r＝2，将各个用户流进行空间复用并发送。把各个发送天线的功率极限值设为P_max＝1/6，把能够使用的总发送功率设为1。并且，关于传输路径环境，把各个用户的MIMO信道设为不相关瑞利衰落，使用1000个不相关的MIMO信道矩阵来求解发送功率优化问题，并评价了问题的收敛所需要的反复处理次数及收敛值的平均。

关于第1实施方式中的P_{k，j initial}，为了对应应该求解的优化问题，参照非专利文献4，采用了下式。

$P_{k,\mathrm{jinitial}}=\underset{q}{\min }\left[\frac{P_{\max ,q}}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{M_r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|w_{k,q,j}\right|}^2}\right]---\left(32\right)$

关于其他参数，按照下面所述设定。另外，在本模拟中，为了发现第1实施方式中的收敛状况，把ε₁、ε₂、ε₃设为0。

(确定唯一的迭代系数初始值时的参数)

P_{k，j initial}＝(1/6)×(1/3)、r(1)＝1.0、α＝0.2、I_max＝1000、ε₄＝10^-3

(第1实施方式中的参数)

α＝0.2、I_max＝100(内点法处理部33)、I_max＝1000(内点法处理部22)、ε₄＝10^-3

图13(a)表示对于确定唯一的迭代系数初始值时的优化和第1实施方式中的优化的平均收敛值对平均最快下降法反复处理次数特性，采用Fairness标准的结果。在该图中，“原来”表示设为r(1)＝1.0来进行优化时的特性，“本发明”表示本发明的优化的特性。并且，纵轴表示平均最低用户吞吐量值。横轴表示平均最快下降法反复处理次数。

根据图13(a)得知，“原来”达到收敛需要平均8000次以上的最快下降法反复处理，而“本发明”则在平均约5000次左右时就收敛。

图13(b)表示改变用户数量时达到收敛所需要的平均最快下降法处理次数的比较。图13(b)的纵轴表示平均最快下降法处理次数，横轴表示用户数量，可以得知能够与用户数量无关地削减反复次数。另外，与“原来”相比，“本发明”将平均最快下降法处理次数削减约26％～34％。

图14(a)表示对于确定唯一的迭代系数初始值时的优化和第1实施方式中的优化的平均收敛值对平均最快下降法反复处理次数特性，采用Sum-rate标准的结果。在该图中，“原来”表示设为r(1)＝1.0来进行优化时的特性，“本发明”表示本发明的优化的特性。并且，纵轴表示平均用户吞吐量总和值。横轴表示平均最快下降法反复处理次数。

根据图14(a)得知，“原来”达到收敛需要平均8000次以上的最快下降法反复处理，而“本发明”则在平均约5000次左右时就收敛。

图14(b)表示改变用户数量时达到收敛所需要的平均最快下降法处理次数的比较。图14(b)的纵轴表示平均最快下降法处理次数，横轴表示用户数量，可以得知能够与用户数量无关地削减反复次数。另外，与“原来”相比，“本发明”将平均最快下降法处理次数削减约33％～36％。

以上参照特定的实施例说明了本发明，但这些实施例只不过是单纯的示例，本领域的普通技术人员能够理解到各种变形示例、修改示例、替代示例、置换示例等。为了帮助理解发明而使用具体的数值示例进行了说明，但只要没有预告，这些数值只不过是单纯的一个示例，也可以采用合适的任意值。为了帮助理解发明而使用具体的算式进行了说明，但只要没有预告，这些算式只不过是单纯的一个示例，也可以采用合适的任意算式。实施例或项目的区分不是本发明的本质所在，可以根据需要组合使用两个以上的实施例或项目记述的事项。为了便于说明，使用功能框图说明了本发明的实施例的装置，但这种装置也可以利用硬件、软件或它们的组合来实现。本发明不限于上述实施例，不脱离本发明的精神的各种变形示例、修改示例、替代示例、置换示例等包含于本发明中。

Claims (20)

1.一种无线通信装置，其具有多个发送天线，由一个以上的发送天线构成多个发送天线组，以不超过分配给各个发送天线及/或各个发送天线组的发送功率的极限值的方式，对所述发送天线分配发送功率，并发送无线信号，所述无线通信装置具有：

调制部，其调制待发送给各个用户的信息信号序列；

预编码权重计算部，其对由该调制部调制后的信息信号序列进行预编码处理，计算各个用户的发送权重信息；

发送功率初始值设定部，其根据由该预编码权重计算部计算出的各个用户的发送权重信息或固有值分布等事前信息，设定发送功率的初始值；

迭代系数初始值设定部，其使用由所述预编码权重计算部计算出的各个用户的发送权重信息、和由所述发送功率初始值设定部设定的发送功率的初始值，按照每个用户生成作为信道容量的函数的、与带限制条件的优化问题相关的目标函数，向该与带限制条件的优化问题相关的目标函数施加利用迭代系数调整后的惩罚函数，由此生成新的目标函数，使用临时的迭代系数初始值开始反复进行所述新的目标函数的优化处理，保存通过该优化处理而得到的每个迭代处理的输出值，并根据与前一阶段的输出值之间的比较结果，设定迭代系数初始值；

发送功率计算部，其根据由所述发送功率初始值设定部设定的发送功率、和由所述迭代系数初始值设定部设定的迭代系数初始值，利用内点法计算使所述新的目标函数优化的发送功率；以及

发送部，其将由该发送功率计算部计算出的发送功率分配给对应的各个发送天线，并发送无线信号。

2.根据权利要求1所述的无线通信装置，其中，所述迭代系数初始值设定部将所述与带限制条件的优化问题相关的目标函数用作每个所述迭代处理的输出值。

3.根据权利要求1所述的无线通信装置，其中，所述迭代系数初始值设定部将所述新的目标函数用作每个所述迭代处理的输出值。

4.根据权利要求1所述的无线通信装置，其中，每当通过所述迭代系数初始值设定部进行优化处理时，所述发送功率初始值设定部设定发送功率的初始值。

5.根据权利要求1所述的无线通信装置，其中，所述迭代系数初始值设定部使用通过前一次的优化处理而得到的发送功率，反复进行所述新的目标函数的优化处理。

6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的无线通信装置，其中，

所述迭代系数初始值设定部在进行所述新的目标函数的优化时，利用最快下降法进行优化，

所述发送功率计算部在进行所述新的目标函数的优化时，以不超过所述发送功率的极限值的方式，利用最快下降法进行优化。

7.根据权利要求6所述的无线通信装置，其中，

所述迭代系数初始值设定部在满足所述新的目标函数相对于发送功率变化的变化量在预定阈值范围内的条件、所述与带限制条件的优化问题相关的目标函数相对于反复次数增加的变化量在预定阈值范围内的条件、以及反复次数超过预定阈值的条件中的任意一个条件的情况下，结束所述最快下降法的迭代的反复，

所述发送功率计算部在满足所述新的目标函数相对于发送功率变化的变化量在预定阈值范围内的条件、所述与带限制条件的优化问题相关的目标函数相对于反复次数增加的变化量在预定阈值范围内的条件、以及反复次数超过预定阈值的条件中的任意一个条件的情况下，结束所述最快下降法的迭代的反复。

8.根据权利要求1～7中的任意一项所述的无线通信装置，其中，所述发送功率计算部在满足迭代系数小于预定阈值的条件、以及所述与带限制条件的优化问题相关的目标函数相对于反复次数增加的变化量在预定阈值范围内的条件中的任意一个条件的情况下，结束所述内点法的迭代的反复。

9.根据权利要求1～8中的任意一项所述的无线通信装置，其中，所述发送功率计算部根据所述发送功率的极限值进行优化，以使各个用户的信道容量均匀。

10.根据权利要求1～8中的任意一项所述的无线通信装置，其中，所述发送功率计算部根据所述发送功率的极限值进行优化，以使系统整体的信道容量达到最大。

11.一种无线通信装置中的方法，所述无线通信装置具有多个发送天线，由一个以上的发送天线构成多个发送天线组，以不超过分配给各个发送天线及/或各个发送天线组的发送功率的极限值的方式，对所述发送天线分配发送功率，并发送无线信号，所述方法包括如下步骤：

调制步骤，调制待发送给各个用户的信息信号序列；

预编码权重计算步骤，对通过该调制步骤调制后的信息信号序列进行预编码处理，计算各个用户的发送权重信息；

发送功率初始值设定步骤，根据通过该预编码权重计算步骤计算出的各个用户的发送权重信息或固有值分布等事前信息，设定发送功率的初始值；

目标函数生成步骤，使用通过所述预编码权重计算步骤计算出的各个用户的发送权重信息、和通过所述发送功率初始值设定步骤设定的发送功率的初始值，按照每个用户生成作为信道容量的函数的、与带限制条件的优化问题相关的目标函数，向该与带限制条件的优化问题相关的目标函数施加利用迭代系数调整后的惩罚函数，由此生成新的目标函数，

系数初始值设定步骤，使用临时的迭代系数初始值，开始反复进行通过所述目标函数生成步骤生成的新的目标函数的优化处理，保存通过该优化处理而得到的每个迭代处理的输出值，并根据与前一阶段的输出值之间的比较结果，设定迭代系数初始值；

发送功率计算步骤，根据通过所述发送功率初始值设定步骤设定的发送功率、和通过所述迭代系数初始值设定步骤设定的迭代系数初始值，利用内点法计算使所述新的目标函数优化的发送功率；以及

发送步骤，将通过该发送功率计算步骤计算出的发送功率分配给对应的各个发送天线，并发送无线信号。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述迭代系数初始值设定步骤中，将所述与带限制条件的优化问题相关的目标函数用作每个所述迭代处理的输出值。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述迭代系数初始值设定步骤中，将所述新的目标函数用作每个所述迭代处理的输出值。

14.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述发送功率初始值设定步骤中，每当通过所述迭代系数初始值设定步骤进行优化处理时，设定发送功率的初始值。

15.根据权利要求11所述的方法，其中，在所述迭代系数初始值设定步骤中，使用通过前一次的优化处理而得到的发送功率，反复进行所述新的目标函数的优化处理。

16.根据权利要求11～15中的任意一项所述的方法，其中，

在所述迭代系数初始值设定步骤中，在进行所述新的目标函数的优化时，利用最快下降法进行优化，

在所述发送功率计算步骤中，在进行所述新的目标函数的优化时，以不超过所述发送功率的极限值的方式，利用最快下降法进行优化。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，

在所述迭代系数初始值设定步骤中，在满足所述新的目标函数相对于发送功率变化的变化量在预定阈值范围内的条件、所述与带限制条件的优化问题相关的目标函数相对于反复次数增加的变化量在预定阈值范围内的条件、以及反复次数超过预定阈值的条件中的任意一个条件的情况下，结束所述最快下降法的迭代的反复，

在所述发送功率计算步骤中，在满足所述新的目标函数相对于发送功率变化的变化量在预定阈值范围内的条件、所述与带限制条件的优化问题相关的目标函数相对于反复次数增加的变化量在预定阈值范围内的条件、以及反复次数超过预定阈值的条件中的任意一个条件的情况下，结束所述最快下降法的迭代的反复。

18.根据权利要求11～17中的任意一项所述的方法，其中，在所述发送功率计算步骤中，在满足所述迭代系数小于预定阈值的条件、以及所述与带限制条件的优化问题相关的目标函数相对于反复次数增加的变化量在预定阈值范围内的条件中的任意一个条件的情况下，结束所述内点法的迭代的反复。

19.根据权利要求11～18中的任意一项所述的方法，其中，在所述发送功率计算步骤中，根据所述发送功率的极限值进行优化，以使各个用户的信道容量均匀。

20.根据权利要求11～18中的任意一项所述的方法，其中，在所述发送功率计算步骤中，根据所述发送功率的极限值进行优化，以使系统整体的信道容量达到最大。

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