CN102223700B - 多用户多输入多输出系统广播信道功率分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户多输入多输出系统广播信道功率分配方法。该方法包括：获取发送端各信道的增益状态信息；根据各信道的所述增益状态信息，进行抵消共信道干扰的处理；根据抵消共信道干扰处理后的结果，按照各用户的目标速率之间的比例关系，为各用户的各信道分配功率，以达到各用户的实际速率和目标速率比例相同，以保证用户之间相对公平。本发明还公开了一种多用户多输入多输出系统广播信道功率分配系统。采用本发明公开的方法或系统，能够按照各用户的目标速率之间的比例关系，为各用户的各信道分配功率，为通信速率要求较高的用户分配较高的功率，提高系统的通信质量。

Description

多用户多输入多输出系统广播信道功率分配方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种多用户多输入多输出系统广播信道功率分配方法及系统。

背景技术

多用户多输入多输出(Multi-User Multiple Input Multiple Output，MU-MIMO)系统广播信道是指发送方(例如基站)和接收方(例如移动台)均配有多个天线的下行链路。MU-MIMO系统中，由于同时进行多个用户信号的收发，所以存在共信道干扰。现有技术中，主要通过设置预编码器和解码器来解决共信道干扰的问题。

参见图1，为MU-MIMO系统结构示意图。如图1所示，有1个基站(BS)和K个移动用户(MS)。基站有M个发送天线，用户k有N_k个接收天线。X_k为基站发送给第k个用户的信号(数据流矢量)。11，12......1K为对应于各个用户的预编码器，其中存有对应于各个用户的预编码矩阵F₁，F₂......F_K。21，22......2K为对应于各个用户的解码器，其中存有对应于各个用户的解码矩阵G₁，G₂......G_K。

以图1为例，MU-MIMO系统的工作原理大致为：首先，基站将需要发送给各个用户的信号在发送端信道经过信源编码、信道编码和符号映射等处理，形成数据流矢量X₁，X₂......X_K。X₁，X₂......X_K与各自的预编码矩阵相乘并叠加后，进入系统信道。用户k接收到的信号与解码器的解码矩阵相乘后，再进行极大似然判决和译码等处理。其中，预编码器和解码器的作用是抵消共信道干扰。除此之外，预编码器还有一个作用是为各个用户分配发送功率。

现有技术中，为各个用户分配发送功率的方法通常是对所有用户进行注水式功率分配，即：为信道条件好的用户分配较大的功率，为信道条件不好的用户分配较小的功率。因为实际应用中，系统的发射端的总功率是有限的，所以采用该方法可以使系统的总通信容量最大化。

但是，实际应用中，由于用户使用的业务不同，所以对通信速率的要求也不同。例如，正在进行视频通话的用户，对通信速率的要求必然高于进行语音通话的用户。因此，现有技术中的功率分配方法，由于只是以系统的总通信容量最大化为目标，导致对通信速率要求较高的用户分配的功率较低，影响用户的正常使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种多用户多输入多输出系统广播信道功率分配方法及系统，能够为通信速率要求较高的用户分配较高的功率，提高系统的通信质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种多用户多输入多输出系统广播信道功率分配方法，包括：

获取发送端各信道的增益状态信息；

根据各信道的所述增益状态信息，进行抵消共信道干扰的处理；

根据抵消共信道干扰处理后的结果，按照各用户的目标速率之间的比例关系，为各用户的各信道分配功率。

优选的，所述根据抵消共信道干扰处理后的结果，按照各用户的目标速率之间的比例关系，为各用户分配功率，包括：

A、根据抵消共信道干扰处理后的结果，得到表示各信道性能的有效特征值；

B、按照设定的速率缩放因子缩小系统的总功率；

C、计算并判断全部用户的全部信道的功率总和以及每个用户的信道功率是否满足功率分配条件；所述功率分配条件为，全部用户的全部信道的功率总和小于或等于系统的最大功率，并且每个用户的任意子信道功率大于或等于零；

如果是，则执行步骤E；否则，执行步骤D；

D、减少分配至各个信道的功率后，返回步骤B；

E、根据公式

为各用户的各个信道分配功率；

其中β为缩放因子(从1开始递减)，R′_k为用户k的目标速率，L_k为用户k的子信道数目，

表示第k个用户的第j个有效信道的有效特征值，为用户k的第j个子信道的功率。

优选的，步骤D包括：

D1、判断是否每个用户都只有一个子信道功率不为零；如果是，执行步骤D2；否则，执行步骤D3；

D2、减小所述功率分配因子后，返回步骤B；

D3、将分配至某个用户的某一信道的功率减小为零后，返回步骤C。

优选的，所述步骤D1之前还包括：

D0、对各用户的各信道排序，生成分配功率减小索引；所述分配功率减小索引中的信道为步骤D1中所述功率允许减小的信道；

所述步骤D3包括：

按照所述分配功率减小索引的顺序，将分配至某个用户的某一信道的功率减小为零后，返回步骤C。

优选的，所述步骤D0包括：

D01、构造行数与用户数目相同，列数与有效特征值最多的用户的有效特征值的个数相同的矩阵；

D02、按照目标速率由小到大的顺序，确定每个用户的有效特征值对应于矩阵中的行数；将每行对应的用户的有效特征值按照由小到大的顺序，从右至左放入矩阵的各列；所述矩阵中任意一行对应的用户的目标速率，小于与其相邻的下一行的用户的目标速率；矩阵中任意一个有效特征值，小于同一行中与其相邻的左列元素；

D03、对所述矩阵进行左右反转，并将每一行中最大的元素置零；

D04、将反转后的矩阵中的有效特征值按列连接，并去掉其中的零元素得到所述分配功率减小索引。

一种多用户多输入多输出系统广播信道功率分配系统，包括：

增益信息获取模块，用于获取发送端各信道的增益状态信息；

共信道干扰抵消模块，用于根据各信道的所述增益状态信息，进行抵消共信道干扰的处理；

功率分配模块，用于根据抵消共信道干扰处理后的结果，按照各用户的目标速率之间的比例关系，为各用户的各信道分配功率。

优选的，所述功率分配模块包括：

有效特征值生成单元，用于根据抵消共信道干扰处理后的结果，得到表示各信道性能的有效特征值；

功率缩放单元，用于按照设定的速率缩放因子缩小系统的总功率；

条件判断单元，用于计算并判断全部用户的全部信道的功率总和以及每个用户的每一个子信道功率是否满足功率分配条件；所述功率分配条件为，全部用户的全部信道的功率总和小于或等于系统的最大功率，并且每个用户的每一个子信道功率大于或等于零；

信道功率减小单元，用于当所述条件判断单元的判断结果为否时，减少分配至各个信道的功率；

功率分配单元，用于根据公式

为各用户的各个信道分配功率；

其中β为缩放因子(从1开始递减)，R′_k为用户k的目标速率，L_k为用户k的子信道数目，

表示第k个用户的第j个有效信道的有效特征值，

为用户k的第j个子信道的功率。

本发明公开的多用户多输入多输出系统广播信道功率分配方法，通过按照各用户的目标速率之间的比例关系，为各用户的各信道分配功率，能够为通信速率要求较高的用户分配较高的功率，提高系统的通信质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为MU-MIMO系统结构示意图；

图2为本发明实施例所述多用户多输入多输出系统广播信道功率分配方法流程图；

图3为本发明另一实施例所述多用户多输入多输出系统广播信道功率分配方法流程图；

图4为本发明另一实施例所述多用户多输入多输出系统广播信道功率分配方法流程图；

图5为本发明所述多用户多输入多输出系统广播信道功率分配系统流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图2，为本发明实施例所述多用户多输入多输出系统广播信道功率分配方法流程图。如图2所示，该方法包括步骤：

S101：获取发送端各信道的增益状态信息；

以基站与用户之间的通信为例，发送端各信道的增益状态信息可以是指，基站到用户间的瞬时复信道增益。基站到用户k间的瞬时复信道增益可以表示为H_k。因为MU-MIMO系统中，基站与用户都具有多个天线，所以基站到用户k间也具有多个信道。相应的，瞬时复信道增益H_k为一个矩阵，其中的第(i，j)个元素[H_k]_i，j表示基站的第j个天线到用户k的第i个天线的复信道增益。

S102：根据各信道的所述增益状态信息，进行抵消共信道干扰的处理；

抵消共信道干扰，可以采用现有技术中的块对角化算法。所述块对角化算法，具体是：

对于用户k＝1，…，K，计算

令

对

进行奇异值分解

其中，

为右奇异矢量构成的矩阵中对应于零奇异值的正交矩阵；

为右奇异矢量构成的矩阵中对应于非零奇异值的正交矩阵；

为左奇异矢量构成的矩阵；为全部非零特征值构成的对角阵，其中，非零特征值位于对角线上。

块对角化算法的原理是利用分解得到的对应于零奇异值的正交矩阵，使每个用户的信号位于其他用户信号的零空间中。叠加在一起的多个用户的信号，经过某个用户的信道，每个用户能够只收到自己的信号。其他用户的信号经过该用户的信道后输出为零。

S103：根据抵消共信道干扰处理后的结果，按照各用户的目标速率之间的比例关系，为各用户的各信道分配功率。

由步骤S102可以得到各个用户对应于零奇异值的正交矩阵

各用户的目标速率表示各用户对服务质量的要求，第k个用户的目标速率用R′_K表示。则对各用户的各信道分配的功率可以用公式表示为：

$P_{k_j}={(2^{\mathrm{\β}{R}_k^{\′}}/{\mathrm{\γ}}_k)}^{\frac{1}{L_k}}I-{\mathrm{\λ}}_{k_j}^{\′-1},$

其中β为缩放因子(从1开始递减)，R′_k为用户k的目标速率，L_k为用户k的子信道数目，

为用户k的第j个子信道的功率。

因为R′_k为用户k的目标速率，并且每个用户的β是相同的。这样可以保证：各用户的实际速率的比例关系与各用户目标速率的比例关系相同。

其中，用户k的有效特征值可以采用下述方法求得：

设用户k的有效信道矩阵为

对

进行特征值分解：

得到用户k＝1，…，K的有效特征值矩阵：其中，

为用户接收端噪声的协方差矩阵；(·)^H为共轭转置运算符；

表示由

作为对角线元素构成的对角阵。

采用本发明所述方法，通过按照各用户的目标速率之间的比例关系，为各用户的各信道分配功率，能够使各用户的实际速率的比例关系与各用户目标速率的比例关系相同，为通信速率要求较高的用户分配较高的功率，提高系统的通信质量。

此外，需要说明的是，功率分配的确和各用户的目标速率之间的比例有关系，但是各用户功率之间的比例关系并不等于各用户的目标速率之间的比例关系。实际功率分配的结果是：各用户的实际速率的比例关系与各用户目标速率的比例关系相同。

实际应用中，因为系统的实际功率有限，并且根据理论计算出的各用户的各信道分配的功率可能出现每个用户的的某个信道功率小于零的情况，所以，本发明所述方法，还可以包括：

判断全部用户的全部信道的功率总和以及每个用户的任意信道功率是否满足功率分配条件；所述功率分配条件为，全部用户的全部信道的功率总和小于或等于系统的最大功率，并且每个用户的任意信道功率大于或等于零(即每个用户的最弱的子信道功率大于或等于零)。

参见图3，为本发明另一实施例所述多用户多输入多输出系统广播信道功率分配方法流程图。如图3所示，包括步骤：

S201：获取发送端各信道的增益状态信息；

S202：根据各信道的所述增益状态信息，进行抵消共信道干扰的处理；

S203：根据抵消共信道干扰处理后的结果，得到表示各信道性能的有效特征值；

S204：按照设定的功率缩放因子缩小系统的总功率；

S205：计算并判断P′-P≥0和

是否成立；如果是，执行步骤S207；否则，执行步骤S206；

其中，P′表示计算得到的全部用户的全部信道的功率总和，P表示系统实际的功率上限，

表示用户k的最弱的子信道的功率。

全部用户的全部信道的功率总和可以通过下式进行计算：

$P^{\′}=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(2^{\mathrm{\β}{R}_k^{\′}}/\underset{j=1}{\overset{L_k}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_{k_j}^{\′})}^{\frac{1}{L_k}}-\underset{j=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_j^{-1};$

每个用户的最弱的子信道功率可以通过下式进行计算：

$P_{k_{L_k}}=2^{\mathrm{\β}{R}_k^{\′}}-{{\mathrm{\λ}}_{k_{L_k}}^{\′}}^{-L_k}\underset{j=1}{\overset{L_k}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{\λ}}_{k_j}^{\′}$

其中，

L_k为用户k的有效特征值的个数；表示第k个用户的第j个有效信道的有效特征值，也是该用户最小的有效特征值；β为功率缩放因子，其初始值为1。

S206：减少分配至各个信道的功率后，返回步骤S204；

S207：根据公式

为各用户的各个信道分配功率。

其中β为缩放因子(从1开始递减)，R′_k为用户k的目标速率，L_k为用户k的子信道数目，

表示第k个用户的第j个有效信道的有效特征值，

为用户k的第j个子信道的功率。

步骤S206所述减少分配至各个信道的功率，还可以采用如图4所述方法：

S406：判断是否每个用户都只有一个子信道功率不为零；如果是，执行步骤S407；否则，执行步骤S408；

S407：减小所述功率分配因子后，返回步骤S404；

S408：按照所述分配功率减小索引的顺序，将分配至某个用户的某一信道的功率减小为零后，返回步骤S405。

图4所述方法的原理是：先逐个减小各个信道的功率，如果每个用户都只有一个子信道功率不为零，则调整功率缩放因子，对系统整体功率进行缩小后，再进行各个信道功率的调试。

为了进一步提高系统的通信性能，步骤S406之前还可以包括步骤：

对各用户的各信道排序，生成分配功率减小索引；所述分配功率减小索引中的信道为功率允许减小的信道；需要说明的是，系统中的全部信道，可以分为如下几部分：一部分是进行抵消共信道干扰的处理后，有效特征值为零的信道；一部分是分配功率减小索引中的信道(即有效特征值不为零的信道)；还有一种情况是一部分性能较好的信道，系统会一直采用，不会将这些信道的功率减少为零(这部分信道将从功率索引中删除)。因此，功率允许减小的信道就是指：分配功率减小索引中的信道，即：所有有效特征值不为零的信道，或者，所有有效特征值不为零的信道中除去性能较好的那部分信道后的信道。

所述分配功率减小索引中，顺序靠前的信道的有效特征值小于相应用户的顺序靠后的信道的有效特征值，并且各个用户的信道按照用户目标速率由小到大的顺序周期性排列；

具体的，所述分配功率减小索引的生成方法，从算法的角度可以描述为：

以K个用户为例，构造一个矩阵Λ″。该矩阵的行数为K，列数为max{L₁，…，L_K}(即列数与有效特征值最多的那个用户的有效特征值的个数相同)。按照目标速率由小到大的顺序，将每个用户的有效特征值放入矩阵Λ″中的每一行。将各个用户的有效特征值按照由小到大的顺序，从右至左放入矩阵的各列。构造完成的矩阵中，具有下述特点：矩阵中任意一行对应的用户的目标速率，小于与其相邻的下一行的用户的目标速率；矩阵中任意一个有效特征值，小于同一行中与其相邻的左列元素。

更具体的，以4个用户为例：假设各个用户的目标速率按照由小到大(目标速率相同时，将信道条件不好的用户排在后面)的顺序排列为(3 2 1 4)。这表示第三个用户的目标速率最小，第四个用户的目标速率最大。假设L₁＝3，L₂＝4，L₃＝4，L₄＝3，即第一个用户的有效特征值的数目为3，第二个用户的有效特征值数目为4......

那么

该矩阵中，以第二行为例，因为第二个用户在目标速率由小到大的排序中，处于第二位，所以将第二个用户的有效特征值放入第二行。并且，对于第二个用户的四个有效特征值来说，第四个信道的有效特征值最小，位于矩阵的第四列，第一个信道的有效特征值最大，位于矩阵的第一列。

构造完成矩阵Λ″后，对矩阵做左右反转，并将每一行中最大的元素置零得到Λ″′。由Λ″′按列连接其元素并去掉其中的零元素构造而成分配功率减小索引λ″′。

实际应用中，对于性能最好(有效特征值最大)的信道，应该尽量使用，所以，对矩阵做左右反转得到Λ″′之前，还包括步骤：去掉矩阵Λ″中各用户最大的有效特征值。当然，也可以构造完成分配功率减小索引λ″′后，从分配功率减小索引λ″′中，删除各用户的最大有效特征值(即将每一行中最大的元素置零)。这可以保证性能最好(有效特征值最大)的信道分配的功率不会减小为零，充分使用。

对于

则有

且

可见，分配功率减小索引λ″′具有如下特点：顺序靠前的信道的有效特征值小于相应用户的顺序靠后的信道的有效特征值，并且各个用户的信道按照用户目标速率由小到大的轮流出现。

按照所述分配功率减小索引的顺序，将分配至某个用户的某一信道的功率减小为零，以

为例，具体是：当第一次执行步骤S403时，将用户3的第四个信道的功率减小为零；第二次执行步骤S403时，将用户2的第四个信道的功率减小为零，依此类推。具体的，本方法中的分配功率减小索引λ″′中包含用户的有效特征值非零的信道的有效特征值，所以本方法中将分配至某个用户的某一信道的功率减小为零的具体实现方式可以是，去掉这个信道(也就是令该有效特征值为零，将这个用户的Lk减1，将i减1)。

这样做的好处有三个。一个是：每次功率减小为零的信道都是该用户当前信道中性能最差的信道。另一个好处是：每次减小的都是不同用户的信道，这有助于保证各个用户之间的功率按比例分配。还有一个好处是：最先减小功率的信道对应的是目标速率最低的用户；因为目标速率低的用户对功率的要求也低，所以，这也间接保证了目标速率较高的用户能够分得较大的功率。

与本发明所述多用户多输入多输出系统广播信道功率分配方法相对应，本发明还公开了一种多用户多输入多输出系统广播信道功率分配系统。

参见图5，为本发明所述多用户多输入多输出系统广播信道功率分配系统流程图。如图5所示，该系统包括：

增益信息获取模块501，用于获取发送端各信道的增益状态信息；

共信道干扰抵消模块502，用于根据各信道的所述增益状态信息，进行抵消共信道干扰的处理；

功率分配模块503，用于根据抵消共信道干扰处理后的结果，按照各用户的目标速率之间的比例关系，为各用户的各信道分配功率。

更具体的，所述功率分配模块503还可以包括：

有效特征值生成单元，用于根据抵消共信道干扰处理后的结果，得到表示各信道性能的有效特征值；

功率缩放单元，用于按照设定的速率缩放因子缩小系统的总功率；

条件判断单元，用于计算并判断全部用户的全部信道的功率总和以及每个用户最弱信道是否满足功率分配条件；所述功率分配条件为，全部用户的全部信道的功率总和小于或等于系统的最大功率，并且每个用户的任意信道功率大于或等于零；

信道功率减小单元，用于当所述条件判断单元的判断结果为否时，减少分配至各个信道的功率；

功率分配单元，用于根据公式

为各用户的各个信道分配功率；

其中β为缩放因子(从1开始递减)，R′_k为用户k的目标速率，L_k为用户k的子信道数目，

为用户k的第j个子信道的功率。

此外，本说明书实施例中，用户k的第j个子信道功率为：

$P_{k_j}={(2^{\mathrm{\β}{R}_k^{\′}}/{\mathrm{\γ}}_k)}^{\frac{1}{L_k}}I-{\mathrm{\λ}}_{k_j}^{\′-1}$ 的推导过程如下：

预编码矩阵：

$F_k^{\′}=V_k^{\′}{\mathrm{\Φ}}_{f_k^{\′}}---\left(1\right)$

其中：

${\mathrm{\Φ}}_{f^{\′}}={({\mathrm{\μ}}^{-1/2}{\mathrm{\Λ}}^{\′-1/2}{W}^{1/2}-{\mathrm{\Λ}}^{\′-1})}_{+}^{1/2}---\left(2\right)$

其中W_k表示用户k的权重矩阵。将W_k＝α_kΛ′_k带入上式，得到：

${\mathrm{\Φ}}_{f^{\′}}={({\mathrm{\μ}}^{-1/2}{{\mathrm{\α}}_k}^{1/2}I-{\mathrm{\Λ}}^{\′-1})}_{+}^{1/2}---\left(3\right)$

Ф_f′ ²的对角线元素表述各个子信道的功率。

用户的真实速率：

R_k＝βR′_k    (4)

(其中R′_k为目标速率，对每个用户beta是相同的。这样可以保证比例关系：各用户的实际速率的比例关系与各用户目标速率的比例关系相同。)

由于用户的速率等于各个子流速率之和，即：

$R_k=\underset{j=1}{\overset{L_k}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{\Γ}}_{k_j})---\left(5\right)$

表示用户k第j个子流的信噪比，表达式为：

${\mathrm{\Γ}}_{k_j}={({\mathrm{\μ}}^{-1/2}{{\mathrm{\α}}_k}^{1/2}{\mathrm{\λ}}_{k_j}^{\′}-1)}_{+}---\left(6\right)$

因此有：

$R_k=\underset{j=1}{\overset{L_k}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2\left({\mathrm{\μ}}^{-1/2}{{\mathrm{\α}}_k}^{1/2}{\mathrm{\λ}}_{k_j}^{\′}\right)---\left(7\right)$

为特征值。H′_k为有效信道。

$(H_k^{\′H}{R}_{{\mathrm{nn}}_k}^{-1}{H}_k^{\′}=\left[\begin{array}{cc}{V}_k^{\′}& V_k^{\′}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Λ}}_k^{\′}& 0\\ 0& {\widetilde{\mathrm{\Λ}}}_k^{\′}\end{array}\right]{\left[\begin{array}{cc}{V}_k^{\′}& {\tilde{V}}_k^{\′}\end{array}\right]}^H,{\mathrm{\Λ}}_k^{\′}=\mathrm{diag}\left(\right[{\mathrm{\λ}}_{k_1}^{\′},{\mathrm{\λ}}_{k_2}^{\′}...,{\mathrm{\λ}}_{k_{L_k}}^{\′}\left]\right))$

将(4)，(6)代入(5)，得到：

${\mathrm{\μ}}^{-1/2}{{\mathrm{\α}}_k}^{1/2}={(2^{\mathrm{\β}{R}_k^{\′}}/{\mathrm{\γ}}_k)}^{\frac{1}{L_k}}---\left(8\right)$

将(8)代入(3)得到：

$F_k={\tilde{V}}_k^{\left(0\right)}{V}_k^{\′}{({(2^{\mathrm{\β}{R}_k^{\′}}/{\mathrm{\γ}}_k)}^{\frac{1}{L_k}}I-{\mathrm{\Λ}}_k^{\′-1})}_{+}^{1/2}---\left(9\right)$

这样用户k的子信道功率为

的对角线元素，即：

${(2^{\mathrm{\β}{R}_k^{\′}}/{\mathrm{\γ}}_k)}^{\frac{1}{L_k}}I-{\mathrm{\Λ}}_k^{\′-1}---\left(10\right)$

用户k的第j个子信道功率为：

$P_{k_j}={(2^{\mathrm{\β}{R}_k^{\′}}/{\mathrm{\γ}}_k)}^{\frac{1}{L_k}}I-{\mathrm{\λ}}_{k_j}^{\′-1}---\left(11\right)$

其中，公式(1)和(2)的由来如下：

用户k解码后的信号：

${\hat{x}}_k=G_k{H}_k\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i{x}_i+G_k{n}_k$ (12)

$=G_k{H}_k{F}_k{x}_k+G_k{H}_k\underset{i=1,i\≠k}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i{x}_i+G_k{n}_k$

那么，用户k的符号估计误差：

运用加权最小均方误差准则：即使系统总的符号估计误差的加权和最小化，即

即：

$\underset{G,F}{\min }(G,F)=E\left[{\left|\right|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k^{1/2}{e}_k\left|\right|}^2\right]$ (13)

$\mathrm{Subject\; to}:\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{tr}\left(F_k{F}_k^H\right)\≤P$

其中：

$c(G,F)=E{\left|\right|\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k^{1/2}{e}_k\left|\right|}^2=E\left(\mathrm{tr}\right[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k^{1/2}{e}_k{e}_k^H{W}_k^{H1/2}\left]\right)$ (14)

$=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{tr}[W_k\×R_e(G_k,F_k)]$

其中：

$R_e(G_k,F_k)=(G_k{H}_k^{\′}{F}_k^{\′}-I){(G_k{H}_k^{\′}{F}_k^{\′}-I)}^H+G_k{R}_{{\mathrm{nn}}_k}{G}_k^H---\left(15\right)$

利用拉格朗日对偶法和Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件求解(2)。首先得到拉氏函数(其中μ为拉格朗日乘子)：

$L(\mathrm{\μ},G,F^{\′})=c(G,F^{\′})+\mathrm{\μ}[\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{tr}\left(F_k^{\′}{F}_k^{\′H}\right)-P]---\left(16\right)$

求解的结果为：

$F_k^{\′}=V_k^{\′}{\mathrm{\Φ}}_{f_k^{\′}}---\left(17\right)$

$G_k={\mathrm{\Φ}}_{g_k}{V}_k^{\′H}{H}_k^{\′H}{R}_{{\mathrm{nn}}_k}^{-1}---\left(18\right)$

其中：

${\mathrm{\Φ}}_{r^{\′}}={({\mathrm{\μ}}^{-1/2}{\mathrm{\Λ}}^{\′-1/2}{W}^{1/2}-{\mathrm{\Λ}}^{\′-1})}_{+}^{1/2}---\left(19\right)$

${\mathrm{\Φ}}_g={({\mathrm{\μ}}^{1/2}{\mathrm{\Λ}}^{\′-1/2}{W}^{-1/2}-\mathrm{\μ}{\mathrm{\Λ}}^{\′-1}{W}^{-1})}_0^{1/2}{\mathrm{\Λ}}^{\′-1/2}---\left(20\right)$

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种多用户多输入多输出系统广播信道功率分配方法，其特征在于，包括：

获取发送端各信道的增益状态信息；

根据各信道的所述增益状态信息，进行抵消共信道干扰的处理，以使每个用户的信号位于其他用户信号的零空间中；

根据抵消共信道干扰处理后的结果，按照各用户的目标速率之间的比例关系，为各用户的各信道分配功率；

其中，所述根据抵消共信道干扰处理后的结果，按照各用户的目标速率之间的比例关系，为各用户分配功率，包括：

A、根据抵消共信道干扰处理后的结果，得到表示各信道性能的有效特征值；

B、按照设定的速率缩放因子缩小系统的总功率；

C、计算并判断全部用户的全部信道的功率总和以及每个用户的信道功率是否满足功率分配条件；所述功率分配条件为，全部用户的全部信道的功率总和小于或等于系统的最大功率，并且每个用户的任意子信道功率大于或等于零；

如果是，则执行步骤E；否则，执行步骤D；

D、减少分配至各个信道的功率后，返回步骤B；

E、根据公式

为各用户的各个信道分配功率；

其中β为速率缩放因子，从1开始递减，R′_k为用户k的目标速率，L_k为用户k的子信道数目，

表示第k个用户的第j个有效信道的有效特征值，

为用户k的第j个子信道的功率，I为单位矩阵。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤D包括：

D1、判断是否每个用户都只有一个子信道功率不为零；如果是，执行步骤D2；否则，执行步骤D3；

D2、减小所述功率分配因子后，返回步骤B；

D3、将分配至某个用户的某一信道的功率减小为零后，返回步骤C。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤D1之前还包括：

D0、对各用户的各信道排序，生成分配功率减小索引；所述分配功率减小索引中的信道为步骤D1中所述功率允许减小的信道；

所述步骤D3包括：

按照所述分配功率减小索引的顺序，将分配至某个用户的某一信道的功率减小为零后，返回步骤C。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤D0包括：

D01、构造行数与用户数目相同，列数与有效特征值最多的用户的有效特征值的个数相同的矩阵；

D02、按照目标速率由小到大的顺序，确定每个用户的有效特征值对应于矩阵中的行数；将每行对应的用户的有效特征值按照由小到大的顺序，从右至左放入矩阵的各列；所述矩阵中任意一行对应的用户的目标速率，小于与其相邻的下一行的用户的目标速率；矩阵中任意一个有效特征值，小于同一行中与其相邻的左列元素；

D03、对所述矩阵进行左右反转，并将每一行中最大的元素置零；

D04、将反转后的矩阵中的有效特征值按列连接，并去掉其中的零元素得到所述分配功率减小索引。

5.一种多用户多输入多输出系统广播信道功率分配系统，其特征在于，包括：

增益信息获取模块，用于获取发送端各信道的增益状态信息；

共信道干扰抵消模块，用于根据各信道的所述增益状态信息，进行抵消共信道干扰的处理，以使每个用户的信号位于其他用户信号的零空间中；

功率分配模块，用于根据抵消共信道干扰处理后的结果，按照各用户的目标速率之间的比例关系，为各用户的各信道分配功率；

其中，所述功率分配模块包括：

有效特征值生成单元，用于根据抵消共信道干扰处理后的结果，得到表示各信道性能的有效特征值；

功率缩放单元，用于按照设定的速率缩放因子缩小系统的总功率；

条件判断单元，用于计算并判断全部用户的全部信道的功率总和以及每个用户的每一个子信道功率是否满足功率分配条件；所述功率分配条件为，全部用户的全部信道的功率总和小于或等于系统的最大功率，并且每个用户的每一个子信道功率大于或等于零；

信道功率减小单元，用于当所述条件判断单元的判断结果为否时，减少分配至各个信道的功率；

功率分配单元，用于根据公式

为各用户的各个信道分配功率；

其中β为速率缩放因子，从1开始递减，R′_k为用户k的目标速率，L_k为用户k的子信道数目，

表示第k个用户的第j个有效信道的有效特征值，

为用户k的第j个子信道的功率，I为单位矩阵。

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