CN102752840A - 一种广播信道发送功率分配方法 - Google Patents

Abstract

一种广播信道发送功率分配方法，涉及通信技术领域，解决现有功率分配方法计算复杂度高、分配功率效率低的问题。本发明包括：获取信道状态步骤、增益信噪比排序步骤、确定权值步骤、功率选择值计算步骤和分配发射功率步骤。本发明根据每个接收端的实际需求为每个接收端分配权值，以保证接收端之间的公平性，根据每个信道的增益信噪比和每个接收端的权值为各接收端分配发射功率，能够最大化系统吞吐量。本发明无需求解注水功率水平和迭代计算过程，能够一次性地求出最优功率分配结果，降低了计算复杂度，提高了分配发送功率的效率。

Description

一种广播信道发送功率分配方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种广播信道发送功率分配方法。

背景技术

如图1所示，广播信道是一种单输入多输出系统，一个发送端将K个信号x₁,x₂,…,x_K通过编码器同时经过K个信道分别发送给K个接收端，系统的总发射功率为P_total，第i个信道的信道增益系数为g_i，第i个接收端的噪声方差为

分配给第i个接收端的发送功率为P_i，且

第i个接收端的增益噪声比

i＝1,2,…,K，将增益噪声比N₁,N₂,…,N_K按照从小到大的顺序排列为N_π(1)≤N_π(2)≤…≤N_π(K)，π(s)表示排在第s位的接收端的原序号；那么此时各接收端的通信速率为：

$R_{\mathrm{\π}\left(1\right)}\≤\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{\π}\left(1\right)}}{N_{\mathrm{\π}\left(1\right)}}),$

$R_{\mathrm{\π}\left(2\right)}\≤\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{\π}\left(2\right)}}{N_{\mathrm{\π}\left(2\right)}+P_{\mathrm{\π}\left(1\right)}}),$

...

$R_{\mathrm{\π}\left(K\right)}\≤\frac{1}{2}{\mathrm{kog}}_2(1+\frac{P_{\mathrm{\π}\left(K\right)}}{N_{\mathrm{\π}\left(K\right)}+\underset{j=1}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{\π}\left(j\right)}});$

在每个接收端按照各自需求给定的权值为w_i（0≤w_i≤1）时，由于系统的总发射功率P_total是一定的，因此对整个通信系统，需要考虑如何对每个接收端分配不同的发射功率使得整个系统的吞吐量

达到最大化。

目前，广播信道中的功率分配方法有：

（1）迭代注水算法，见D.Hughes-Hartogs,“The capacity of a degradedspectral Gaussian broadcast channel,”Ph.D.dissertation,Information SystemLaboratory,Stanford University,Stanford,CA,July 1975.这种方法需要求解功率注水水平和多次迭代过程才能求出最优的功率分配，其计算复杂度较高，分配功率效率低。

（2）基于效用函数的贪婪算法，见D.N.Tse,“Optimal power allocationover parallel Gaussian broadcast channels 1998”[Online].Available:http://www.eecs.berkeley.edu/∽dtse/broadcast2.pdf.这种方法本质上和迭代注水算法是一样的，需要求解功率注水水平和多次迭代过程才能求出最优的功率分配，其计算复杂度较高，分配功率效率较低。

发明内容

本发明提供一种广播信道发送功率分配方法，解决现有功率分配方法计算复杂度高、分配功率效率低的问题。

本发明所提供的一种广播信道发送功率分配方法，包括：

一、获取信道状态步骤：获取广播信道中发送端到K个接收端每个信道的信道增益系数和每个接收端处的噪声方差，其中第i个信道的信道增益系数g_i，第i个接收端处的噪声方差

i＝1,…,K，接收端个数K为大于或等于2的自然数；

二、增益信噪比排序步骤：令增益噪声比

i＝1,…,K；将增益噪声比N₁,…,N_K按照从小到大的顺序排列为N_π(1)≤…≤N_π(K)，π(s)表示排在第s位的接收端的原序号，s=1,…,K；

三、确定权值步骤：根据每个接收端期望达到的通信速率确定每个接收端的权值，其中第π(s)个接收端的权值

r_π(s)为第π(s)个接收端期望达到的通信速率，s=1,…,K；

四、功率选择值计算步骤：计算功率选择值β_{π(m)，π(n)}：

其中P_total为系统总发射功率，m、n均为接收端的序号，m=1,…,K-1，n=2,…,K，且m<n，运算符

表示：

五、分配发射功率步骤：通过下述公式为每个接收端分配发射功率：

当K＞2时：

P_π(1)=min{β_{π(1)，π(2)},β_{π(1)，π(3)},…,β_{π(1)，π(K)}}，

$P_{\mathrm{\&pi;}\left(K\right)}=P_{\mathrm{total}}-\underset{j=1}{\overset{K-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{\&pi;}\left(j\right)},$ 上式中，2≤l≤K－1；

当K＝2时：

P_π(1)=β_{π(1)，π(2)}，

P_π(2)=P_total-P_π(1)。

根据各接收端分配的发射功率P_i，各接收端的通信速率R_i为：

$R_{\mathrm{\&pi;}\left(1\right)}\&le;\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{\&pi;}\left(1\right)}}{N_{\mathrm{\&pi;}\left(1\right)}}),$

$R_{\mathrm{\&pi;}\left(2\right)}\&le;\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{\&pi;}\left(2\right)}}{N_{\mathrm{\&pi;}\left(2\right)}+P_{\mathrm{\&pi;}\left(1\right)}}),$

…

$R_{\mathrm{\&pi;}\left(K\right)}\&le;\frac{1}{2}{\mathrm{kog}}_2(1+\frac{P_{\mathrm{\&pi;}\left(K\right)}}{N_{\mathrm{\&pi;}\left(K\right)}+\underset{j=1}{\overset{K-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{\&pi;}\left(j\right)}});$

广播信道的吞吐量

将本发明分配的发射功率P_i代入，可证明此时系统可以实现最大化的吞吐量。

本发明根据每个接收端的实际需求为每个接收端分配权值，以保证接收端之间的公平性，根据每个信道的增益信噪比和每个接收端的权值为各接收端分配发射功率，能够最大化系统吞吐量。本发明无需求解注水功率水平和迭代计算过程，能够一次性地求出最优功率分配结果，降低了计算复杂度，提高了分配发送功率的效率。

附图说明

图1为广播信道示意图；

图2为本发明实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进一步描述。

如图2所示，本发明实施例有4个接收端，包括以下步骤：

一、获取信道状态步骤：获取广播信道中发送端到4个接收端每个信道的信道增益系数和每个接收端处的噪声方差，其中第i个信道的信道增益系数g_i，第i个接收端处的噪声方差i＝1,2,3,4；

二、增益信噪比排序步骤：令增益噪声比

i＝1,2,3,4；将增益噪声比N₁,N₂,N₃,N₄按照从小到大的顺序排列为N_π(1)≤N_π(2)≤N_π(3)≤N_π(4)，π(s)表示排在第s位的接收端的原序号；本实施例中，N₁=3.6、N₂=4.5、N₃=3.2、N₄=2.7，则π(1)=4、π(2)=3、π(3)=1、π(4)=2；

三、确定权值步骤：根据每个接收端期望达到的通信速率确定每个接收端的权值，其中第π(s)个接收端的权值

r_π(s)为第π(s)个接收端期望达到的通信速率；本实例中，四个接收端端期望达到的通信速率分别为r₁=1，r₂=2，r₃=3，r₄=4，四个接收端端的权值分别为w_π（1）=0.4，w_π（2）=0.3，w_π（3）=0.1，w_π（4）=0.2；

四、功率选择值计算步骤：计算功率选择值β_π(1),π(2)，β_π(1),π(3)，β_π(1),π(4)，β_{π(2)，π(3)}，β_{π(2)，π(4)}，β_{π(3)，π(4)}：

其中P_total为系统总发射功率，P_total=1，m=1,2,3，n=2,3,4，且m<n，运算符

表示：

以β_{π(3)，π(4)}为例，因为w_π(3)<wπ(4)，

本实施例中，β_π(1),π(2)=β_4,3=1，β_π(1),π(3)=β_4,1=1，β_π(1),π(4)=β_4,2=1，β_{π(2)，π(3)}=β_3,1=1，β_{π(2)，π(4)}=β_3,2=1，β_{π(3)，π(4)}=β_1,2=0；

五、分配发射功率步骤：通过下述公式为每个接收端分配发射功率：

P_π(1)=min{β_{π(1)，π(2)},β_{π(1)，π(3)},β_{π(1)，π(4)}}＝1，

P_π(4)=P_total-P_π(1)-P_π(2)-P_π(3)=0。

根据各接收端分配的发射功率P₁，P₂，P₃，P₄，各接收端的通信速率R_i为：

$R_{\mathrm{\&pi;}\left(1\right)}\&le;\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{\&pi;}\left(1\right)}}{N_{\mathrm{\&pi;}\left(1\right)}})=\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{1}{2.7})=0.2273,$

$R_{\mathrm{\&pi;}\left(2\right)}\&le;\frac{1}{2}{\log }_2(1+\frac{P_{\mathrm{\&pi;}\left(2\right)}}{N_{\mathrm{\&pi;}\left(2\right)}+P_{\mathrm{\&pi;}\left(1\right)}})=0,$

$R_{\mathrm{\&pi;}\left(3\right)}\&le;\frac{1}{2}{\mathrm{kog}}_2(1+\frac{P_{\mathrm{\&pi;}\left(3\right)}}{N_{\mathrm{\&pi;}\left(3\right)}+\underset{j=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{\&pi;}\left(j\right)}})=0,$

$R_{\mathrm{\&pi;}\left(4\right)}\&le;\frac{1}{2}{\mathrm{kog}}_2(1+\frac{P_{\mathrm{\&pi;}\left(4\right)}}{N_{\mathrm{\&pi;}\left(4\right)}+\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{\&pi;}\left(j\right)}})=0;$

广播信道的吞吐量将本发明分配的发射功率P_i代入，可证明此时系统可以实现最大化的吞吐量。

Claims (1)

1.一种广播信道发送功率分配方法，包括：

一、获取信道状态步骤：获取广播信道中发送端到K个接收端每个信道的信道增益系数和每个接收端处的噪声方差，其中第i个信道的信道增益系数g_i，第i个接收端处的噪声方差i＝1,…,K，接收端个数K为大于或等于2的自然数；

二、增益信噪比排序步骤：令增益噪声比i＝1,…,K；将增益噪声比N₁,…,N_K按照从小到大的顺序排列为N_π(1)≤…≤N_π(K)，π(s)表示排在第s位的接收端的原序号，s=1,…,K；

三、确定权值步骤：根据每个接收端期望达到的通信速率确定每个接收端的权值，其中第π(s)个接收端的权值

r_π(s)为第π(s)个接收端期望达到的通信速率，s=1,…,K；

四、功率选择值计算步骤：计算功率选择值β_{π(m)，π(n)}：

其中P_total为系统总发射功率，m、n均为接收端的序号，m=1,…,K-1，n=2,…,K，且m<n，运算符

表示：

五、分配发射功率步骤：通过下述公式为每个接收端分配发射功率：当K＞2时：

P_π(1)=min{β_{π(1)，π(2)},β_{π(1)，π(3)},…,β_{π(1)，π(K)}}，

$P_{\mathrm{\&pi;}\left(K\right)}=P_{\mathrm{total}}-\underset{j=1}{\overset{K-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{\&pi;}\left(j\right)},$ 上式中，2≤l≤K－1；

当K＝2时：

P_π(1)=β_{π(1)，π(2)}，

P_π(2)=P_total-P_π(1)。

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