CN103298094A - 一种功率分配方法及基站 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种功率分配方法，主要包括：基站根据用户上报的信道状态信息或测量得到的用户信道状态信息确定各个用户的信号质量；根据各个用户的信号质量通过树搜索确定各个用户的功率分配系数；以及根据各个用户的功率分配系数确定分配给各个用户的功率，并根据所确定的分配给各个用户的功率向各个用户发射信号或通知用户用此发送功率进行信号发射。对应上述功率分配方法，本发明还提供了一种执行该方法的基站。本发明采用树搜索确定各个用户的功率分配系数可以在实现最大化用户几何平均吞吐目标的同时大大降低功率分配方法的计算复杂度，更加适合实际应用。

Description

一种功率分配方法及基站

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别涉及到一种非正交接入方式下的功率分配方法及基站。

背景技术

非正交接入是目前新兴的一种无线接入方式，非常有希望成为未来的主流接入方式之一。在非正交接入系统中，接收端可以利用功率的不同以及干扰消除技术来区分不同用户，实现多用户检测。

目前，非正交接入系统一般采用最优功控算法，即通过控制每个用户的功率分配系数最大化用户几何平均吞吐。其中，某个用户的功率分配系数是指分配给该用户的功率占总发射功率的比率。上述最优功控算法可以取得最优的小区总吞吐和用户公平性的折衷，其目标函数如下公式(1)所示：

$\{{\mathrm{\β}}_1,...,{\mathrm{\β}}_M\}=\underset{{\mathrm{\β}}_1,...,{\mathrm{\β}}_M}{\arg \max }\left\{M\sqrt{\underset{m-1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}{\mathrm{SR}}_m}\right\}---\left(1\right)$

其中，M代表总的用户数；m代表用户索引；β₁，...，β_M分别代表M个用户的功率分配系数，满足β_m∈[0，1]且即P_m＝β_m×P_total，P_total为总发送功率(在下行时为基站eNB的发射功率，在上行时为所有用户的发送功率之和)，P_m为分配给第m个用户的功率；SR_m代表第m个用户的和速率。

在下行时，若将M个用户按照信干噪比进行降序排列，则这M个用户的和速率可以通过以下公式(2-1)计算得到：

${\mathrm{SR}}_m=\left\{\begin{array}{c}{\log }_2[1+\frac{{\mathrm{\β}}_m}{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_i+\frac{1}{{\mathrm{SINR}}_m}}]m=2,...,M\\ {\log }_2(1+{\mathrm{\β}}_m{\mathrm{SINR}}_m),m=1\end{array}\right.---(2-1)$

其中，SINR_m代表第m个用户的信干噪比。

在上行时，若将M个用户按照信干噪比进行升序排列，则这M个用户的和速率可以通过以下公式(2-2)计算得到：

${\mathrm{SR}}_m=\left\{\begin{array}{c}{\log }_2[1+\frac{{\mathrm{\β}}_m}{\underset{i=1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_i+\frac{M}{\mathrm{SINR}}}],m=2,...,M\\ {\log }_2(1+\frac{1}{M}{\mathrm{\β}}_m\mathrm{SINR}),m=1\end{array}\right.---(2-2)$

其中，SINR＝P_total/(P_N+P_I)，P_N和P_I分别表示噪声功率和干扰功率。从(2-2)不难看出，如果设SINR_m＝SINR/M，那么(2-2)与(2-1)具有相同的形式，因此可以采用相同的算法来求解。为了表述简便，以下我们主要以下行为例进行详细的算法说明。所述算法同样适用于上行的情况。

为了求解如上述公式(1)所示的目标函数，目前可以采用的是穷举搜索算法，即穷举M个用户所有可能的功率分配系数组合，从中找出使得用户几何平均吞吐最大的M个用户的功率分配系数组合。本领域的技术人员可以理解，这种穷举搜索算法虽然可以找到使得用户几何平均吞吐最大的M个用户的功率分配系数组合，但是这种算法的计算复杂度随着用户数的增加呈指数级增长，并不适合实际应用。例如，假设M＝8，每个用户功率分配系数β_m的搜索步长Δ＝0.001，也即对于每个β_m共有1001个可能的取值，这样，这8个用户的所有可能的功率分配系数组合共将有1001⁷≈10²¹种组合，使用上述穷举搜索算法就是要穷举这1001⁷≈10²¹种组合，从中找出满足公式(1)所述目标函数的一种功率分配系数组合。很明显，这种算法所要穷举的组合数表达式中的指数与用户数有关，也即随着用户数的增加，这种算法的计算复杂度呈指数级增长，因此，在用户数较多的情况下，这种算法并不适合实际的应用。

发明内容

本发明的实施例提供了一种功率分配方法及基站，并可以大大降低计算复杂度，适合实际应用。

本发明所述的功率分配方法包括：基站根据用户上报的信道状态信息或测量得到的用户信道状态信息确定各个用户的信号质量；基站根据各个用户的信号质量通过树搜索确定各个用户的功率分配系数；基站根据各个用户的功率分配系数确定分配给各个用户的功率，并根据所确定的分配给各个用户的功率向各个用户发射信号或通知用户用此发送功率进行信号发射。

其中，基站根据各个用户的信号质量通过树搜索确定各个用户的功率分配系数包括：

a，将M个用户按照信号质量进行排列；

b，建立根节点，并根据用户1可以选择的N个功率分配系数建立第1级的N个节点和N个分支；

c，预设m＝2；

d，确定在各个m-1级分支基础之上用户m所有可以选择的功率分配系数值，建立第m级上的备选节点以及备选分支；

e，分别计算上述所有第m级上备选分支的分支度量和节点度量；

f，将所有具有相同分支度量的备选分支组成一组，分别比较每一组内各个分支的节点度量，选择节点度量最大的备选分支作为第m级的分支，该分支上的备选节点作为第m级的节点，并删除其他备选分支及备选节点；

g，令m＝m+1，并判断m是否等于M，如果是，则执行h，否则，返回d；

h，确定在各个M-1级分支基础之上用户M的功率分配系数，建立第M级节点及第M级分支，并计算所有第M级分支的节点度量，从中选择具有最大节点度量的分支，并根据该分支上节点确定M个用户的功率分配系数。

在基站根据用户上报的信道状态信息确定各个用户的信号质量时，所述将M个用户按照信号质量进行排列包括：将M个用户按照信号质量进行降序排列，令用户1的信号质量最好，用户M的信号质量最差；在基站根据测量得到的用户信道状态信息确定各个用户的信号质量时，所述将M个用户按照信号质量进行排列包括：将M个用户按照信号质量进行升序排列，令用户1的信号质量最差，用户M的信号质量最好。

上述信号质量为信干噪比、信噪比、信干比或信道增益。

上述分别计算上述所有第m级上备选分支的分支度量和节点度量包括：

根据公式

计算某一备选分支的分支度量，其中，β_i代表该备选分支上第i级节点对应用户的功率分配系数；

根据公式

计算某一备选分支的节点度量，其中，SR_i代表该备选分支上第i级节点所对应用户的和速率。

或者，上述分别计算上述所有第m级上备选分支的分支度量和节点度量包括：

根据公式

计算某一备选分支的分支度量，其中，β_i代表该备选分支上第i级节点对应用户的功率分配系数；

根据公式

计算某一备选分支的节点度量，其中，SE_i代表该备选分支上第i级节点所对应用户的频谱效率。

其中，

Δ₁为用户1功率分配系数的搜索步长，

表示用户1功率分配系数β_i取值的最大值和最小值。

上述确定在各个m-1级分支基础之上用户m所有可以选择的功率分配系数值，建立第m级上的备选节点以及备选分支包括：

确定在各个m-1级分支基础之上用户m所有可以选择的功率分配系数值

建立第m级的备选节点以及备选分支；

对于每个m-1级分支，可建立的备选节点和备选分支数为 $1+\max (\frac{\min ({\mathrm{\β}}_m^{\max },1-{\mathrm{\Ω}}_{m-1}){\mathrm{\β}}_m^{\min }}{{\mathrm{\Δ}}_m},0).$ 其中，Ω_m-1为当前m-1级分支的分支度量，Δ_m为用户m功率分配系数的搜索步长，Δ_m∈(0，1)；

表示用户功率分配系数β_m取值的最大值和最小值。

本发明实施例还提供了一种基站，包括：

信号质量确定单元，用于根据用户上报的信道状态信息或测量得到的用户信道状态信息确定各个用户的信号质量；

功率分配系数确定单元，用于根据各个用户的信号质量通过树搜索确定各个用户的功率分配系数；以及

功率分配单元，用于根据各个用户的功率分配系数确定分配给各个用户的功率，并根据所确定的分配给各个用户的功率向各个用户发射信号或通知用户用此发送功率进行信号发射。

本发明实施例所述的功率分配方法，采用树搜索确定各个用户的功率分配系数可以在实现最大化用户几何平均吞吐目标的同时大大降低功率分配方法的计算复杂度，更加适合实际应用。

附图说明

图1为本发明实施例所述的功率分配方法的流程图；

图2为本发明实施例所述的功率分配方法中树搜索方法的流程图；

图3a、3b、3c、3d以及3e分别显示了本发明实施例所述的功率分配方法中树搜索方法各步骤的执行结果示例；

图4为本发明实施例所述的基站内部结构示意图。

具体实施方式

为了解决上述问题，本发明的实施例提供了一种功率分配方法，如图1所示，该方法主要包括：

步骤101，基站eNB根据用户上报的信道状态信息(下行)或测量得到的用户信道状态信息(上行)确定各个用户的信道质量；

步骤102，基站eNB根据各个用户的信道质量通过树搜索确定各个用户的功率分配系数；

步骤103，基站eNB根据各个用户的功率分配系数确定分配给各个用户的功率，并根据所确定的分配给各个用户的功率向各个用户发射信号(下行)或通知用户用此发送功率进行信号发射(上行)。

如图1的步骤102所示，在本发明的实施例中，采用树搜索方法确定各个用户的功率分配系数。下面将结合附图详细描述上述树搜索方法，同时，为了使描述更加清楚明白，预先定义了如下概念：

1)级：按照用户的总数M将整个树搜索方法分成M级，每个用户对应树搜索方法中的一级。在本实施例所述的树搜索方法中，需要首先将M个用户按照信号质量进行排列，这样第m个用户就对应树搜索方法的第m级。具体而言，在基站根据用户上报的信道状态信息确定各个用户的信号质量时，将M个用户按照信号质量进行降序排列，也即令用户1的信号质量最好，用户M的信号质量最差；而在基站根据测量得到的用户信道状态信息确定各个用户的信号质量时，将M个用户按照信号质量进行升序排列，也即令用户1的信号质量最差，用户M的信号质量最好。

2)第m级的节点：每个第m级的节点代表第m个用户一种功率分配系数的可能。

3)第m级的分支：每个第m级分支上的节点代表第1个用户至第m个用户的一种功率分配系数组合。

4)分支度量：

表示到达树搜索方法的第m级时，某一第m级分支上所有节点已分配的功率分配系数之和。

5)节点度量：表示到达树搜索方法的第m级时，某一第m级分支上所有节点所对应用户的几何平均吞吐。

或者，在本发明的实施例中，还可以用各个用户的频谱效率表征上述节点度量，令

其中，SE_i代表某一分支上第i级节点所对应用户的频谱效率，可以用如下的公式(3)或(4)表示：

SE_i＝SE_AMC_i×(1-BLER)(3)

SE_i＝SE_AMC_i×(1-BER)(4)

其中，SE_AMC_i表示某一分支上第i级节点所采用调制编码的频谱效率；BLER和BER分别代表误包率和误比特率。

图2显示了本发明实施例所述的树搜索方法的流程，如图2所示，该方法主要包括：

步骤201：将M个用户按照信号质量进行排列。

如前所述，在本步骤中，在基站根据用户上报的信道状态信息确定各个用户的信号质量(下行)时，可以将M个用户按照信号质量进行降序排列，也即令用户1的信号质量最好，用户M的信号质量最差；而在基站根据测量得到的用户信道状态信息确定各个用户的信号质量(上行)时，可以将M个用户按照信号质量进行升序排列，也即令用户1的信号质量最差，用户M的信号质量最好。

另外，在本步骤中，上述信号质量可以为信干噪比、信噪比、信干比或信道增益。例如，信号质量若为信干噪比，则在下行时经过本步骤所述的排序，用户1的信干噪比最大，而用户M的信干噪比最小。

步骤202：建立根节点，并根据用户1可以选择的N个功率分配系数建立第1级的N个节点和N个分支。

在本步骤中，所建立的分支的数目N与用户1功率分配系数的搜索步长Δ₁和功率分配系数β₁的取值范围有关，满足

其中

表示β₁取值的最大值和最小值，Δ₁∈(0，1)。例如，Δ₁＝0.001，

则N＝1001，因此，所建立的N个分支的分支度量不同；在第1级，分支度量Ω₁＝β₁。

步骤203：预设m＝2。

步骤204：确定在各个m-1级分支基础之上用户m所有可以选择的功率分配系数值

建立第m级的备选节点以及备选分支。

对于每个m-1级分支，可建立的备选节点和备选分支数为 $1+\max (\frac{\min ({\mathrm{\β}}_m^{\max },1-{\mathrm{\Ω}}_{m-1}){\mathrm{\β}}_m^{\min }}{{\mathrm{\Δ}}_m},0).$ 其中，Ω_m-1为当前m-1级分支的分支度量，Δ_m为用户m功率分配系数的搜索步长，Δ_m∈(0，1)；

表示用户功率分配系数β_m取值的最大值和最小值。

步骤205：分别计算上述所有备选分支的分支度量和节点度量。

在本步骤中，根据公式

计算某一备选分支的分支度量，其中，β_i代表该备选分支上第i级节点对应用户的功率分配系数；

在本步骤中，可以根据公式

计算某一备选分支的节点度量，其中，SR_i代表该备选分支上第i级节点所对应用户的和速率。

或者，还可以根据公式

计算某一备选分支的节点度量，其中，SE_i代表该备选分支上第i级节点所对应用户的频谱效率。

步骤206：将所有具有相同分支度量的备选分支组成一组，分别比较每一组内各个分支的节点度量，选择节点度量最大的备选分支作为第m级的分支，该分支上的备选节点作为第m级的节点，并删除其他备选分支及备选节点。

步骤207：令m＝m+1，并判断m是否等于M，如果是，则执行步骤208，否则，返回步骤204。

步骤208：确定在各个M-1级分支基础之上用户M的功率分配系数，建立第M级节点及第M级分支，并计算所有第M级分支的节点度量，从中选择具有最大节点度量的分支，并根据该分支上节点确定M个用户的功率分配系数。

下面将结合一个具体的示例详细说明本发明实施例所述的树搜索方法，在本例中，假设M＝3，Δ₁＝Δ₂＝Δ₃＝0.5， ${\mathrm{\β}}_1^{\min }={\mathrm{\β}}_2^{\min }={\mathrm{\β}}_3^{\min }=0,$ ${\mathrm{\β}}_1^{\min }={\mathrm{\β}}_2^{\min }={\mathrm{\β}}_3^{\min }=1.$

在上述步骤202，建立一个根节点S0，并根据用户1可以选择的3个功率分配系数建立第1级的3个节点S11、S12、S13和3个分支B11、B12、B13，如图3a所示，其中，每个节点内所示数字为该节点对应的功率分配系数。

当m＝2时，在步骤204，可以在第1级的3个分支B11、B12、B13基础之上确定第2个用户可以选择的功率分配系数，建立6个备选节点S21’、S22’、S23’、S24’、S25’、S26’和6个备选分支B21’、B22’、B23’、B24’、B25’、B26’，如图3b所示。然后，在步骤205和步骤206，在计算上述6个备选分支的分支度量和节点度量之后，将上述6个备选分支分为3组G21、G22和G23，如图3c所示。再然后，分别在每个备选分支的分组G21、G22和G23内选择一个具有最大节点度量的分支作为第2级的3个节点S21、S22、S23和3个分支B21、B22、B23，并删除其他备选分支和备选节点，如图3d所示。对比图3c和图3d可以看出，在步骤206中，删除了备选分支B22’、B23’、B26’，并删除了备选节点S22’、S23’、S26’。

当m＝3时，在步骤208，确定在各个2级分支基础之上第3个用户的功率分配系数，建立3个第3级节点S31、S32、S33及3个第3级分支B31、B32、B33，并计算该3个第3级分支的节点度量，从中选择具有最大节点度量的分支，并根据该分支上节点确定这3个用户的功率分配系数，如图3e所示，在本步骤208中，选择了分支B12、B22和B32，如此可以确定3个用户的功率分配系数分别为0.5、0以及0.5。

从上述树搜索方法可以看出，在上述树搜索方法的每一级都可以将该级的节点数以及分支数限制在

之下，其中

该值仅与搜索步长有关而与当前已经处理的用户数无关，因此，与穷举搜索算法相比，本发明实施例所提出的树搜索方法可以在实现最大化用户几何平均吞吐目标的同时大大降低计算的复杂度。例如在Δ_min＝0.001，用户数是4时，功率分配系数组合数将由10⁹数量级降低为10⁵数量级；在Δ_min＝0.001，用户数是6时，功率分配系数组合数将由10¹⁵数量级降低为10⁵数量级；在Δ_min＝0.001，用户数是8时，功率分配系数组合数将由10²¹数量级降低为10⁵数量级，也即采用本发明实施例所述的方法，计算复杂度将随着用户数的增加线型增加，而不会呈指数增加，因而，本发明的方法更加适合实际应用。

对应上述功率分配方法，本发明的实施例还提供了一种基站eNB，其内部结构如图4所示，主要包括：

信号质量确定单元401，用于根据用户上报的信道状态信息(下行)或测量得到的用户信道状态信息(上行)确定各个用户的信号质量；

功率分配系数确定单元402，用于根据各个用户的信号质量通过树搜索确定各个用户的功率分配系数；以及

功率分配单元403，用于根据各个用户的功率分配系数确定分配给各个用户的功率，并根据所确定的分配给各个用户的功率向各个用户发射信号(下行)或通知用户用此发送功率进行信号发射(上行)。

在本实施例中，上述功率分配系数确定单元402可以根据如图2所示的树搜索方法确定各个用户的功率分配系数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种功率分配方法，其特征在于，包括：

基站根据用户上报的信道状态信息或测量得到的用户信道状态信息确定各个用户的信号质量；

基站根据各个用户的信号质量通过树搜索确定各个用户的功率分配系数；

基站根据各个用户的功率分配系数确定分配给各个用户的功率，并根据所确定的分配给各个用户的功率向各个用户发射信号或通知用户用此发送功率进行信号发射。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站根据各个用户的信号质量通过树搜索确定各个用户的功率分配系数包括：

a，将M个用户按照信号质量进行排列；

b，建立根节点，并根据用户1可以选择的N个功率分配系数建立第1级的N个节点和N个分支；

c，预设m＝2；

d，确定在各个m-1级分支基础之上用户m所有可以选择的功率分配系数值，建立第m级上的备选节点以及备选分支；

e，分别计算上述所有第m级上备选分支的分支度量和节点度量；

f，将所有具有相同分支度量的备选分支组成一组，分别比较每一组内各个分支的节点度量，选择节点度量最大的备选分支作为第m级的分支，该分支上的备选节点作为第m级的节点，并删除其他备选分支及备选节点；

g，令m＝m+1，并判断m是否等于M，如果是，则执行h，否则，返回d；

h，确定在各个M-1级分支基础之上用户M的功率分配系数，建立第M级节点及第M级分支，并计算所有第M级分支的节点度量，从中选择具有最大节点度量的分支，并根据该分支上节点确定M个用户的功率分配系数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

在基站根据用户上报的信道状态信息确定各个用户的信号质量时，所述将M个用户按照信号质量进行排列包括：将M个用户按照信号质量进行降序排列，令用户1的信号质量最好，用户M的信号质量最差；

在基站根据测量得到的用户信道状态信息确定各个用户的信号质量时，所述将M个用户按照信号质量进行排列包括：将M个用户按照信号质量进行升序排列，令用户1的信号质量最差，用户M的信号质量最好。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信号质量为信干噪比、信噪比、信干比或信道增益。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述分别计算上述所有第m级上备选分支的分支度量和节点度量包括：

根据公式

计算某一备选分支的分支度量，其中，β_i代表该备选分支上第i级节点对应用户的功率分配系数；

根据公式

计算某一备选分支的节点度量，其中，SR_i代表该备选分支上第i级节点所对应用户的和速率。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述分别计算上述所有第m级上备选分支的分支度量和节点度量包括：

根据公式

计算某一备选分支的分支度量，其中，β_i代表该备选分支上第i级节点对应用户的功率分配系数；

根据公式

计算某一备选分支的节点度量，其中，SE_i代表该备选分支上第i级节点所对应用户的频谱效率。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述

其中，Δ₁为用户1功率分配系数的搜索步长，

表示用户1功率分配系数β_i取值的最大值和最小值。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述确定在各个m-1级分支基础之上用户m所有可以选择的功率分配系数值，建立第m级上的备选节点以及备选分支包括：

确定在各个m-1级分支基础之上用户m所有可以选择的功率分配系数值

建立第m级的备选节点以及备选分支；

对于每个m-1级分支，可建立的备选节点和备选分支数为 $1+\max (\frac{\min ({\mathrm{\β}}_m^{\max },1-{\mathrm{\Ω}}_{m-1}){\mathrm{\β}}_m^{\min }}{{\mathrm{\Δ}}_m},0),$ 其中，Ω_m-1为当前m-1级分支的分支度量，Δ_m为用户m功率分配系数的搜索步长，Δ_m∈(0，1)；表示用户功率分配系数β_m取值的最大值和最小值。

9.一种基站，其特征在于，包括：

信号质量确定单元，用于根据用户上报的信道状态信息或测量得到的用户信道状态信息确定各个用户的信号质量；

功率分配系数确定单元，用于根据各个用户的信号质量通过树搜索确定各个用户的功率分配系数；以及

功率分配单元，用于根据各个用户的功率分配系数确定分配给各个用户的功率，并根据所确定的分配给各个用户的功率向各个用户发射信号或通知用户用此发送功率进行信号发射。

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