CN103369657B - 一种功率分配方法和通信节点 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率分配方法及通信节点，该方法包括：通信节点配置N个天线，且N个天线上同时传输K个数据流；所述通信节点根据以下条件在第n个天线上给第k个数据流分配功率p_nk：K个数据流在第n个天线上被分配的功率之和不超过该天线的最大发射功率Q_n；第k个数据流在每个天线上被分配的功率之和不超过第k个数据流的功率G_k；其中，G_k为所述通信节点预先分配给第k个数据流在当前资源块上的功率。通过本发明可以将每个数据流的功率在天线功率受限时进行最优的分配，从而提高系统性能。

Description

一种功率分配方法和通信节点

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体的，涉及一种控制节点同时传输多个数据流式的功率分配方法及通信节点。

背景技术

MIMO(multiple input multiple output，多输入多输出)技术是无线移动通信领域中智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率；可以利用多径来减轻多径衰落；并能有效地消除共道干扰，提高信道的可靠性，降低误码率，是新一代移动通信系统必须采用的关键技术。

多天线技术已经从传统的点对点通信中(单用户多输入多输出(Single UserMIMO，简称SU-MIMO))发展到点对多点通信(多用户MIMO(Multiple User MIMO，简称MU-MIMO))，无论是点对点还是点对多点通信中，都存在一种控制节点同时传输多个数据流给一个终端或者是多个终端。在这种通信中，控制节点首先将通过预编码操作(其中控制节点通过数据流对应的信道系数以及相应的最优化准则，计算获得每个数据流的预编码矩阵)，将每个数据流对应的数据形成用于在每个天线上发送的数据，从而在每个天线上发送的数据是这多个数据流形成的数据的叠加，这就需要控制节点将每个天线上有限的功率在这几个数据流之间进行分配，在传统的功率分配分析中，都假定了控制节点总功率受限，而不是每个天线功率单独受限，所以其功率分配往往就是按照预编码向量中每个元素的绝对值的平方的比例进行分配，而事实上，由于成本的原因，在控制节点往往是每个天线对应一个功放，即每个天线的发射功率是单独受限，这就给功率分配带来了一定的复杂度，尤其是在多数据流的时候，既要满足预编码向量系数之间的幅度比例，又要考虑每个天线上的功率约束，同时还要考虑数据流之间的功率分配问题，对于这类问题，一种通用的方法就是采用优化算法进行全局优化，但是这会带来两个麻烦：第一，该问题不一定存在最优解，第二，即使存在最优解，但是需要迭代去求解，实现复杂，尤其是当天线数数据流数目较多的时候。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种功率分配方法及通信节点，以将每个数据流的功率在天线功率受限时进行最优的分配，从而提高系统性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种功率分配方法，包括：

通信节点配置N个天线，且N个天线上同时传输K个数据流；

所述通信节点根据以下条件在第n个天线上给第k个数据流分配功率p_nk：

K个数据流在第n个天线上被分配的功率之和不超过该天线的最大发射功率Q_n；

第k个数据流在每个天线上被分配的功率之和不超过第k个数据流的功率G_k；

其中，G_k为所述通信节点预先分配给第k个数据流在当前资源块上的功率；N为自然数，且大于等于2；K小于等于N；n＝1，…，N；k＝1，…，K。

进一步地，上述方法还具有下面特点：所述资源块包括以下的一种或多种：

正交频分复用技术系统中的一个子载波；

正交频分多址系统中的一个子载波；

同一个正交频分复用技术符号上的多个子载波；

时域多个正交频分复用技术符号在频域的多个子载波构成的资源块。

进一步地，上述方法还具有下面特点：所述通信节点分配功率p_nk包括：

所述通信节点根据每个数据流的信道状态信息，自适应的分配功率p_nk。

进一步地，上述方法还具有下面特点：所述通信节点自适应的分配功率p_nk包括：

根据每个数据流的功率G_k和每个天线的发射功率Q_n构造以下方程组，以获得到所有可能的功率分配方案：

根据所述方程组中选择任意N+K-1个方程构造矩阵方程：

其中，

A为系数矩阵，

计算系数矩阵

计算每个天线上的功率比例因子

其中，

包含N*K个元素；

r_nk＝|w_nk|²，w_nk为第n个天线上第k个数据流对应的预编码向量；

其中，n＝1，…，N，k＝1，…，K；

分配功率p_nk。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种通信节点，包括：

配置模块，用于配置N个天线，且N个天线上同时传输K个数据流；

分配模块，用于在第n个天线上给第k个数据流分配功率p_nk，其中，p_nk满足下面的约束条件：

K个数据流在第n个天线上被分配的功率之和不超过该天线的最大发射功率Q_n；

第k个数据流在每个天线上被分配的功率之和不超过第k个数据流的功率G_k；

其中，G_k为所述通信节点预先分配给第k个数据流在当前资源块上的功率；N为自然数，且大于等于2；K小于等于N；n＝1，…，N；k＝1，…，K。

进一步地，上述通信节点还具有下面特点：所述资源块包括以下的一种或多种：

正交频分复用技术系统中的一个子载波；

正交频分多址系统中的一个子载波；

同一个正交频分复用技术符号上的多个子载波；

时域多个正交频分复用技术符号在频域的多个子载波构成的资源块。

进一步地，上述通信节点还具有下面特点：

所述配置模块是根据每个数据流的信道状态信息，自适应的分配功率p_nk的。

进一步地，上述通信节点还具有下面特点：

所述配置模块包括：

第一单元，用于根据每个数据流的功率G_k和每个天线的发射功率Q_n构造以下方程组，以获得到所有可能的功率分配方案：

第二单元，用于根据所述方程组中选择任意N+K-1个方程构造矩阵方程：

其中，

A为系数矩阵，

第三单元，用于计算系数矩阵计算每保证天线上的功率比例因子和p_nk：

其中， 包含N*K个元素；r_nk＝|w_nk|²，w_nk为第n个天线上第k个数据流对应的预编码向量；k＝1，…，K；

第四单元，用于分配功率p_nk。

综上，本发明提供一种功率分配方法及通信节点，以将每个数据流的功率在天线功率受限时进行最优的分配，从而提高系统性能。

附图说明

图1为本发明实施例的功率分配方法的流程图；

图2为本发明实施例的通信节点的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1为本发明实施例的功率分配方法的流程图，如图1所示，本实施例的方法包括下面步骤：

S10、通信节点配置N个天线，且N个天线上同时传输K个数据流；

S20、所述通信节点在第n个天线上给第k个数据流分配功率p_nk。

在无线通信系统链路中，控制节点根据下面的条件将每个天线上的功率分配给在给定资源上同时传输的多个数据流：

通信节点配置有N(其中，N为自然数，且大于等于2)个发送天线，N个天线同时传输K个数据流，控制节点在第n(n＝1，…，N)个天线上给第k(k＝1，…，K，K小于等于N)个数据流分配的功率为p_nk(k＝1，…，K；n＝1，…，N)。其中p_nk满足下述的约束条件：

p_nk为大于0的实数，且K个数据流在第n(n＝1，…，N)个天线上被分配的功率之和不超过该天线的最大发射功率Q_n，即第k(k＝1，…，K)个数据流在每个天线上被分配的功率之和不超过第k个数据流的功率G_k，即

其中，G_k表示通信节点预先分配给第k(k＝1，…，K)个数据在当前资源块上的功率。

其中，所述的当前资源块可以是一个OFDM(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，正交频分复用技术)/OFDMA(Orthogonal Frequency Division MultipleAccess，正交频分多址)系统中的一个子载波，或者是同一个OFDM符号上的多个子载波，又或者是时域多个OFDM符号在频域的多个子载波构成的资源块。当然也可以是其他无线系统中一个资源单位(频域子载波或者时域符号)。

进一步的，通信节点根据每个数据流的信道状态信息，自适应的分配功率p_nk；

其中，所述自适应分配功率包括：通信节点利用每个数据流的功率约束和每个天线的发射功率约束得到所有可能功率分配方案，这些所有可能的功率分配方案形成一个子空间，然后再将每个数据流在每个天线上期望的功率分配向量投影到所述的子空间中，从而找到最终的功率分配方案；

其中，所述的所有可能功率分配方案的计算方法为：

方程组的所有解形成的子空间记为所有可能的功率分配方案；

选择上述所有方程中的任意N+K-1个方程，将除去p_nk以外的所有系数写成系数矩阵A，其方法如下：

将每一个方程除去未知数之外的系数写成矩阵中的一行，总共形成N+K-1行，每一行包含NK+1个元素，上述矩阵的第i行第j列位置的元素A(i，j)属于集合{0，1，-1，Q₁，…，Q_N，-Q₁，…-Q_N，G₁，…，G_K，-G₁，…，-G_K}；或者

将每一个方程中除去未知数之外的系数写成矩阵中的一列，总共形成N+K-1列，每一列包含NK+1个元素，上述矩阵的第i行第j列位置的元素A(i，j)属于集合{0，1，-1，Q₁，…，Q_N，-Q₁，…-Q_N，G₁，…，G_K，-G₁，…，-G_K}；

将期望功率向量投影到该方程的解子空间的操作为：

是每个天线上的功率比例因子；

其中，a是任意的实数；

r为所有数据流在所有天线上的期望功率分配向量，其具体数值由控制节点根据数据流对应信道系数获得，比如，通过数据流对应预编码向量系数的幅度的平方，即

r_nk＝|w_nk|²，n＝1，…，n；k＝1，…，K，

r_nk是第k个数据流在第n个天线上的期望功率分配向量。

包含N*K个元素；

r_nk＝|w_nk|²，w_nk为第n个天线上第k个数据流对应的预编码向量；

k＝1，…，K；

其中，p_nk表示第n个数据流在第k个天线上分配的功率；

通信节点分配功率p_nk。

通过本发明实施例的功率分配方案，一方面最大化的利用了控制节点的功率，在每天线功率受限条件下的几乎最优分配，提高了功率在有用方向上的利用率，最终提高了系统的频谱效率，同时该方法计算非常简单，且容易实现。

实施例1

在本实施例中，设定通信节点具有4根发送天线，且每个天线的最大发射功率都为Q，即Q₁＝Q₂＝Q₃＝Q₄＝Q，设每根天线同时传输两个不同的数据流，且通过预先分配方法给每个数据流分配的功率相等，即G₁＝G₂＝G，同时两个数据流对应的预编码向量分别为：

和

则利用本方案的功率分配方案分配功率如下：

显然每个数据流在每个天线上的功率分配可以由下述的方程中

任意选择其中5个方程，构造约束矩阵方程其中，各个矩阵分别为：

计算系数矩阵：

则将期望功率分配投影到功率约束方程解的子空间，其方法如下

其中，

且有r_nk＝|w_nk|²，n＝1，…，4；k＝1，…，2，即为预编码向量的每个元素的绝对值的平方。

然后，将该功率分配向量进行缩放，使得所有分配功率之和等于控制节点所有天线功率之和：

k＝1，…，K；

其中，p_nk表示第n个数据流在第k个天线上分配的功率。

p＝[p₁，…，p₈]，该向量中第l(l＝1，…，8)个元素表示第k个(k＝lmod2)数据流在第n个(n＝l-4k)天线上的被分配的功率。

实施例2

在本实施例中，设定通信节点具有4根发送天线，且每个天线的最大发射功率都为Q，即Q₁＝Q₂＝Q₃＝Q₄＝Q，设它同时传输两个不同的数据流，且通过预先分配方法给每个数据流分配的功率相等，即G₁＝G₂＝G，同时两个数据流对应的预编码向量分别为：

和

则利用本方案的功率分配方案分配功率如下：

显然每个数据流在每个天线上的功率分配应当由下述的方程

任意选择其中5个方程，构造约束矩阵方程其中各个矩阵分别为：

计算系数矩阵：

则将期望功率分配投影到功率约束方程解的子空间，其方法如下

其中，

且有r_nk＝|w_nk|²，n＝1，…，4；k＝1，…，2，即为预编码向量的每个元素的绝对值的平方。

然后，将该功率分配向量进行缩放，使得所有分配功率之和等于控制节点所有天线功率之和：

k＝1，…，K；

其中，p_nk表示第n个数据流在第k个天线上分配的功率。

实施例3

在本实施例中，设定通信节点具有N根发送天线，且每个天线的最大发射功率分别为Q_n，n＝1，…，N，设它同时传输K个不同的数据流，且通过预先分配方法给每个数据流分配的功率分别为G_k，k＝1，…，K，同时K个数据流对应的预编码向量分别为：

k＝1，…，K，

则利用本方案的功率分配方案分配功率如下：

显然每个数据流在每个天线上的功率分配应当由下述的方程

选择其中前N+K-1个方程，构造约束矩阵方程其中各个矩阵分别为：

计算系数矩阵则将期望功率分配投影到功率约束方程解的子空间，其方法如下

其中，

且有r_nk＝|w_nk|²，n＝1，…，N；k＝1，…，K，即为预编码向量的每个元素的绝对值的平方。

然后将该功率分配向量进行缩放，使得所有分配功率之和等于控制节点所有天线功率之和：

k＝1，…，K；

其中，p_nk表示第n个数据流在第k个天线上分配的功率。

图2为本发明实施例的通信节点的示意图，如图2所示，本实施例的通信节点包括：

配置模块，用于配置N个天线，且N个天线上同时传输K个数据流；

分配模块，用于在第n个天线上给第k个数据流分配功率p_nk，其中，p_nk满足下面的约束条件：

K个数据流在第n个天线上被分配的功率之和不超过该天线的最大发射功率Q_n；

第k个数据流在每个天线上被分配的功率之和不超过第k个数据流的功率G_k；

其中，G_k为所述通信节点预先分配给第k个数据流在当前资源块上的功率；N为自然数，且大于等于2；K小于等于N；n＝1，…，N；k＝1，…，K。

其中，所述资源块包括以下的一种或多种：

正交频分复用技术系统中的一个子载波；

正交频分多址系统中的一个子载波；

同一个正交频分复用技术符号上的多个子载波；

时域多个正交频分复用技术符号在频域的多个子载波构成的资源块。

其中，所述配置模块是根据每个数据流的信道状态信息，自适应的分配功率p_nk的。

其中，所述配置模块可以包括：

第一单元，用于根据每个数据流的功率G_k和每个天线的发射功率Q_n构造以下方程组，以获得到所有可能的功率分配方案：

第二单元，用于根据所述方程组中选择任意N+K-1个方程构造矩阵方程：

其中，

A为系数矩阵，

第三单元，用于计算系数矩阵，计算每保证天线上的功率比例因子和p_nk：

其中，

r_nk＝|w_nk|²，w_nk为第n个天线上第k个数据流对应的预编码向量，

k＝1，…，K；

其中，p_nk表示第n个数据流在第k个天线上分配的功率。

第四单元，用于分配功率p_nk。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种功率分配方法，包括：

通信节点配置N个天线，且N个天线上同时传输K个数据流；

所述通信节点根据以下条件在第n个天线上给第k个数据流分配功率p_nk：

K个数据流在第n个天线上被分配的功率之和不超过该天线的最大发射功率Q_n；

第k个数据流在每个天线上被分配的功率之和不超过第k个数据流的功率G_k；

其中，G_k为所述通信节点预先分配给第k个数据流在当前资源块上的功率；N为自然数，且大于等于2；K小于等于N；n＝1,…,N；k＝1,…,K；

所述通信节点分配功率p_nk包括：

所述通信节点根据每个数据流的信道状态信息，自适应的分配功率p_nk；

所述自适应分配功率包括：通信节点利用每个数据流的功率约束和每个天线的发射功率约束得到所有可能功率分配方案，这些所有可能的功率分配方案形成一个子空间，然后再将每个数据流在每个天线上期望的功率分配向量投影到所述的子空间中，从而找到最终的功率分配方案。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述资源块包括以下的一种或多种：

正交频分复用技术系统中的一个子载波；

正交频分多址系统中的一个子载波；

同一个正交频分复用技术符号上的多个子载波；

时域多个正交频分复用技术符号在频域的多个子载波构成的资源块。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述通信节点自适应的分配功率p_nk包括：

根据每个数据流的功率G_k和每个天线的发射功率Q_n构造以下方程组，以获得到所有可能的功率分配方案：

$|\left\{\begin{array}{c}\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{p}_{nk}=Q_n,n=1,...,N\\ \underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{p}_{nk}=G_k,k=1,...,K\end{array}\right.;$

根据所述方程组中选择任意N+K-1个方程构造矩阵方程：

其中，

A为系数矩阵，

b＝[G₁ … G_K-1 Q₁ … Q_N]，

x＝[p₁₁ … p_N1 p₁₂ … p_N2 … p_1K … p_NK]^T；

计算系数矩阵

计算每个天线上的功率比例因子

$\tilde{p}=(I-{\tilde{A}}^T{\left(\tilde{A}{\tilde{A}}^T\right)}^{-1}\tilde{A})\tilde{r},$

其中，r＝[r₁₁ … r_N1 r₁₂ … r_N2 … r_1K … r_NK]^T，

包含N*K个元素；

r_nk＝|w_nk|²，w_nk为第n个天线上第k个数据流对应的预编码向量；

其中，n＝1,…,N,k＝1,…,K；

分配功率p_nk。

4.一种通信节点，包括：

配置模块，用于配置N个天线，且N个天线上同时传输K个数据流；

分配模块，用于在第n个天线上给第k个数据流分配功率p_nk，其中，p_nk满足下面的约束条件：

K个数据流在第n个天线上被分配的功率之和不超过该天线的最大发射功率Q_n；

第k个数据流在每个天线上被分配的功率之和不超过第k个数据流的功率G_k；

其中，G_k为所述通信节点预先分配给第k个数据流在当前资源块上的功率；N为自然数，且大于等于2；K小于等于N；n＝1,…,N；k＝1,…,K；

所述配置模块是根据每个数据流的信道状态信息，自适应的分配功率p_nk的；

所述自适应分配功率包括：通信节点利用每个数据流的功率约束和每个天线的发射功率约束得到所有可能功率分配方案，这些所有可能的功率分配方案形成一个子空间，然后再将每个数据流在每个天线上期望的功率分配向量投影到所述的子空间中，从而找到最终的功率分配方案。

5.如权利要求4所示的通信节点，其特征在于，所述资源块包括以下的一种或多种：

正交频分复用技术系统中的一个子载波；

正交频分多址系统中的一个子载波；

同一个正交频分复用技术符号上的多个子载波；

时域多个正交频分复用技术符号在频域的多个子载波构成的资源块。

6.如权利要求4所示的通信节点，其特征在于，所述配置模块包括：

第一单元，用于根据每个数据流的功率G_k和每个天线的发射功率Q_n构造以下方程组，以获得到所有可能的功率分配方案：

$|\left\{\begin{array}{c}\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{p}_{nk}=Q_n,n=1,...,N\\ \underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{p}_{nk}=G_k,k=1,...,K\end{array}\right.;$

第二单元，用于根据所述方程组中选择任意N+K-1个方程构造矩阵方程：

其中，

A为系数矩阵，

b＝[G₁ … G_K-1 Q₁ … Q_N]，

x＝[p₁₁ … p_N1 p₁₂ … p_N2 … p_1K … p_NK]^T；

第三单元，用于计算系数矩阵计算每保证天线上的功率比例因子和p_nk：

$\tilde{p}=(I-{\tilde{A}}^T{\left(\tilde{A}{\tilde{A}}^T\right)}^{-1}\tilde{A})\tilde{r},$

其中，r＝[r₁₁ … r_N1 r₁₂ … r_N2 … r_1K … r_NK]^T，

包含N*K个元素；

r_nk＝|w_nk|²，w_nk为第n个天线上第k个数据流对应的预编码向量；

$p_{nk}=\frac{{\tilde{p}}_{nk}}{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}\underset{l=1}{\overset{K}{\Σ}}{\tilde{p}}_{nl}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{Q}_n,n=1,...,N,k=1,...,K;$

第四单元，用于分配功率p_nk。