CN104684064A - 一种多小区多用户mimo系统的上下行功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多小区多用户MIMO系统的上下行功率分配方法，根据信道统计信息为每个用户分配上下行功率，使得系统总容量达到最优。步骤如下：基站估计出信道的统计特性，利用大尺度信息以及基站天线数和用户数，计算出每个用户的上行信道状况表征量，继而根据上行系统发射总功率的限制条件和每个用户不同的信道特征，进行功率分配。基站根据上行链路信道信息进行下行预编码传输，利用大尺度信息及基站天线数和用户数，计算出每个用户的下行信道状况表征量，继而根据下行系统发射总功率的限制和每个用户不同的信道特征进行下行功率分配。本发明提供的功率分配方案复杂度低，简单可行，且获得的信道容量与最优功率分配获得信道容量非常接近。

Description

一种多小区多用户MIMO系统的上下行功率分配方法

技术领域

本发明涉一种使用多个发送/接收天线来传输高速数据的移动通信系统，尤其涉及一种在多小区多用户的多天线系统中适用的上下行链路功率分配方法。

背景技术

近年来，无线数据业务需求增长迅猛，无线传输资源日趋紧张，为了充分利用频谱资源，多天线发送/接收(MIMO)系统成了无线通信系统的关键技术。相比较单天线传输，MIMO系统的优势明显。通过并行数据流的传输，MIMO可以获得与发送和接收天线数成线性增长关系的系统容量，同时还有传输分集以及更高的稳定性等优点。为了进一步减少小区间干扰，提高频谱利用率，令MIMO系统的一个基站在同一时频资源上同时服务多个用户，即形成了多用户MIMO技术。相比较传统的点对点MIMO技术，多用户MIMO可提供更高的空间复用增益，且其系统终端可以只配备廉价的单天线，同时资源分配也相对简单，因此多用户MIMO成为了近期的研究热点。

在实际网络中，系统总功率是受限的，简单的平均功率分配往往不能充分利用系统能量资源，使总容量无法达到最优，因此找到一个高效可行的功率分配方案是提高系统容量的关键。每个用户都有不同的信道状况，若已知每个用户的信道特征，利用注水算法即可获得最大的信道容量。然而，由于无线信道的时变性，很难获得信道的准确瞬时特性。所以一般的做法是假设信道是各态历经的，用一段时间内的信道平均值来代替瞬时值进行研究。功率分配的关键就是要在此各态历经信道中找到每个用户的信道特征表征量，既要简单可行又要接近真实的信道特征。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于多小区多用户MIMO系统的上下行功率分配方法，只需要信道大尺度衰落信息，在总功率不增加的前提下，能以较低的复杂度获得逼近信道容量的系统传输速率，有效地提高系统容量，获得较高的传输速率。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多小区多用户MIMO系统的上下行功率分配方法，包括如下步骤：

(1)该多小区多用户MIMO系统中，小区数为L，每个小区都有一个天线数为M的基站和N个随机分布的单天线用户；通过基站估计出每个信道的统计特性，即大尺度衰落信息表示第l₂个小区第n个用户到第l₁个小区基站的大尺度衰落系数；

(2)以第i个小区作为功率分配考虑对象，其他小区的分配功率已知；在上行链路中，根据大尺度衰落信息及基站天线数M和小区用户数N，得到第i个小区第n个用户的上行信道状况表征量

$t_{\mathrm{ni}}^u=\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ini}}(M-N+1)}{\underset{l=1,l\≠i}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{c=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{cl}}^u{\mathrm{\β}}_{\mathrm{icl}}+1}$

其中，表示第l个小区第c个用户的发射功率；

已知第i个小区的用户上行发射总功率最大值为则根据第i个小区中每个用户不同的上行信道状况，得到最优上行功率分配方案如下：

$p_{\mathrm{ni}}^u=\max (0,{\mathrm{\μ}}_i^u-\frac{1}{t_{\mathrm{ni}}^u})$

其中，是满足的常数，max(·)表示取(·)中的最大值；

(3)在下行链路中，基站利用上行信道信息进行下行预编码传输，根据上行信道得到的大尺度衰落信息及基站天线数和小区用户数，得到第i个小区第n个用户的下行信道状况表征量

$t_{\mathrm{ni}}^d=\frac{(M-N)/{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{ii}}}{\underset{l=1,l\≠i}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{c=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_{\mathrm{cl}}^d{\mathrm{\β}}_{\mathrm{lci}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{lcl}}{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{ll}}}+1}$

其中， 表示第l个小区基站向本小区第c个用户的发射功率；

已知第i个小区的用户下行发射总功率最大值为则根据第i个小区中每个用户不同的下行信道状况，得到最优下行功率分配方案如下：

$p_{\mathrm{ni}}^d=\max (0,{\mathrm{\μ}}_i^d-\frac{1}{t_{\mathrm{ni}}^d})$

其中，是满足的常数，max(·)表示取(·)中的最大值。

具体的，所述步骤(2)中，最优上行功率分配方案的具体方法如下：

(21)初始化用户集合indexN＝{1,2,…,N}；

(22)统计集合indexN中的元素个数为Q，计算同时初始化用户索引值n＝1，标记变量flag＝1；

(23)使用计算n∈indexN：若为负值，则令同时将n从集合indexN中删除，flag＝0，n＝n+1，返回步骤(23)；若为非负值，n＝n+1，返回步骤(23)；若n>max(indexN)，则进入步骤(24)；

(24)若flag＝1，计算完成；若flag＝0，进入步骤(22)。

具体的，所述步骤(3)中，最优下行功率分配方案的具体方法如下：

(31)初始化用户集合indexN＝{1,2,…,N}；

(32)统计集合indexN中的元素个数为Q，计算同时初始化用户索引值n＝1，标记变量flag＝1；

(33)使用计算n∈indexN：若为负值，则令同时将n从集合indexN中删除，flag＝0，n＝n+1，返回步骤(33)；若为非负值，n＝n+1，返回步骤(33)；若n>max(indexN)，则进入步骤(34)；

(34)若flag＝1，计算完成；若flag＝0，进入步骤(32)。

有益效果：本发明提供的多小区多用户MIMO系统的上下行功率分配方法，具有如下优点：1、本方法只需要基站估计出信道的大尺度衰落信息，这在实际系统中是较容易获得的；2、本方法的功率分配方案复杂度低，简单可行，且获得的信道容量与最优功率分配所获得的信道容量非常接近。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作更进一步的说明。

考虑一个多小区多用户MIMO系统，小区数为L，每个小区都有一个天线数为M的基站和N个随机分布的单天线用户。在实际信道中，大尺度信息变化非常慢，因此基站可利用信道统计特性估计方法得到信道的大尺度衰落系数表示第l₂个小区第n个用户到第l₁个小区基站的大尺度衰落系数。

以第i个小区作为功率分配考虑对象，其他小区的分配功率已知。首先考虑上行链路，在上行链路中，根据大尺度衰落信息及基站天线数M和小区用户数N，得到第i个小区第n个用户的上行信道状况表征量

$t_{\mathrm{ni}}^u=\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ini}}(M-N+1)}{\underset{l=1,l\≠i}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{c=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{cl}}^u{\mathrm{\β}}_{\mathrm{icl}}+1}$

其中，表示第l个小区第c个用户的发射功率；已知第i个小区的用户上行发射总功率最大值为则根据第i个小区中每个用户不同的上行信道状况，得到最优上行功率分配方案如下：

$p_{\mathrm{ni}}^u=\max (0,{\mathrm{\μ}}_i^u-\frac{1}{t_{\mathrm{ni}}^u})$

其中，是满足的常数，max(·)表示取(·)中的最大值，实现该最优上行功率分配方案的具体方法如下：

(a1)初始化用户集合indexN＝{1,2,…,N}；

(a2)统计集合indexN中的元素个数为Q，计算同时初始化用户索引值n＝1，标记变量flag＝1；

(a3)使用计算n∈indexN：若为负值，则令同时将n从集合indexN中删除，flag＝0，n＝n+1，返回步骤(a3)；若为非负值，n＝n+1，返回步骤(a3)；若n>max(indexN)，则进入步骤(a4)；

(a4)若flag＝1，计算完成；若flag＝0，进入步骤(22)。

利用上述算法得到的上行发射功率，可使得第i个小区的上行传输速率总和达到最大。

其次考虑下行链路，根据信道的互异性，基站利用上行信道信息进行下行预编码传输，根据上行信道得到的大尺度衰落信息及基站天线数和小区用户数，得到第i个小区第n个用户的下行信道状况表征量

$t_{\mathrm{ni}}^d=\frac{(M-N)/{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{ii}}}{\underset{l=1,l\≠i}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{c=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_{\mathrm{cl}}^d{\mathrm{\β}}_{\mathrm{lci}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{lcl}}{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{ll}}}+1}$

其中， 表示第l个小区基站向本小区第c个用户的发射功率；已知第i个小区的用户下行发射总功率最大值为则根据第i个小区中每个用户不同的下行信道状况，得到最优下行功率分配方案如下：

$p_{\mathrm{ni}}^d=\max (0,{\mathrm{\μ}}_i^d-\frac{1}{t_{\mathrm{ni}}^d})$

其中，是满足的常数，max(·)表示取(·)中的最大值，实现该最优下行功率分配方案的具体方法如下：

(b1)初始化用户集合indexN＝{1,2,…,N}；

(b2)统计集合indexN中的元素个数为Q，计算同时初始化用户索引值n＝1，标记变量flag＝1；

(b3)使用计算n∈indexN：若为负值，则令同时将n从集合indexN中删除，flag＝0，n＝n+1，返回步骤(b3)；若为非负值，n＝n+1，返回步骤(b3)；若n>max(indexN)，则进入步骤(b4)；

(b4)若flag＝1，计算完成；若flag＝0，进入步骤(b2)。

利用上述算法得到的下行发射功率，可使得第i个小区的下行传输速率总和达到最大。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种多小区多用户MIMO系统的上下行功率分配方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)该多小区多用户MIMO系统中，小区数为L，每个小区都有一个天线数为M的基站和N个随机分布的单天线用户；通过基站估计出每个信道的统计特性，即大尺度衰落信息表示第l₂个小区第n个用户到第l₁个小区基站的大尺度衰落系数；

(2)以第i个小区作为功率分配考虑对象，其他小区的分配功率已知；在上行链路中，根据大尺度衰落信息及基站天线数M和小区用户数N，得到第i个小区第n个用户的上行信道状况表征量

$t_{\mathrm{ni}}^u=\frac{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ini}}(M-N+1)}{\underset{l=1,l\≠i}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{c=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{cl}}^u{\mathrm{\β}}_{\mathrm{icl}}+1}$

其中，表示第l个小区第c个用户的发射功率；

已知第i个小区的用户上行发射总功率最大值为则根据第i个小区中每个用户不同的上行信道状况，得到最优上行功率分配方案如下：

$p_{\mathrm{ni}}^u=\max (0,{\mathrm{\μ}}_i^u-\frac{1}{t_{\mathrm{ni}}^u})$

其中，是满足的常数，max(·)表示取(·)中的最大值；

(3)在下行链路中，基站利用上行信道信息进行下行预编码传输，根据上行信道得到的大尺度衰落信息及基站天线数和小区用户数，得到第i个小区第n个用户的下行信道状况表征量

$t_{\mathrm{ni}}^d=\frac{(M-N)/{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{ii}}}{\underset{l=1,l\≠i}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{c=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{p_{\mathrm{cl}}^d{\mathrm{\β}}_{\mathrm{lci}}}{{\mathrm{\β}}_{\mathrm{lcl}}{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{ll}}}+1}$

其中， ${\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{ii}}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}1/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ici}},{\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{ll}}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}1/{\mathrm{\β}}_{\mathrm{lcl}},$ 表示第l个小区基站向本小区第c个用户的发射功率；

已知第i个小区的用户下行发射总功率最大值为则根据第i个小区中每个用户不同的下行信道状况，得到最优下行功率分配方案如下：

$p_{\mathrm{ni}}^d=\max (0,{\mathrm{\μ}}_i^d-\frac{1}{t_{\mathrm{ni}}^d})$

其中，是满足的常数，max(·)表示取(·)中的最大值。

2.根据权利要求1所述的多小区多用户MIMO系统的上下行功率分配方法，其特征在于：所述步骤(2)中，最优上行功率分配方案的具体方法如下：

(21)初始化用户集合indexN＝{1,2,…,N}；

(22)统计集合indexN中的元素个数为Q，计算同时初始化用户索引值n＝1，标记变量flag＝1；

(23)使用计算n∈indexN：若为负值，则令同时将n从集合indexN中删除，flag＝0，n＝n+1，返回步骤(23)；若为非负值，n＝n+1，返回步骤(23)；若n>max(indexN)，则进入步骤(24)；

(24)若flag＝1，计算完成；若flag＝0，进入步骤(22)。

3.根据权利要求1所述的多小区多用户MIMO系统的上下行功率分配方法，其特征在于：所述步骤(3)中，最优下行功率分配方案的具体方法如下：

(31)初始化用户集合indexN＝{1,2,…,N}；

(32)统计集合indexN中的元素个数为Q，计算同时初始化用户索引值n＝1，标记变量flag＝1；

(33)使用计算n∈indexN：若为负值，则令同时将n从集合indexN中删除，flag＝0，n＝n+1，返回步骤(33)；若为非负值，n＝n+1，返回步骤(33)；若n>max(indexN)，则进入步骤(34)；

(34)若flag＝1，计算完成；若flag＝0，进入步骤(32)。