CN107733488A - 一种大规模mimo系统中注水功率分配改进方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO系统中注水功率分配改进方法及系统，该方法包括以下步骤：步骤1：以信道矩阵的特征值作为大规模MIMO系统等效信道模型中的r个不同传输路径的信道增益；步骤2：按照各信道增益比例对各信道和天线进行功率分配；步骤3：计算大规模MIMO系统容量和能效。通过对信道矩阵的分解得到等效信道模型中各子信道的增益，按照各信道增益比例对各信道和天线进行功率分配，使得在不增加传输带宽、发射功率的情况下进一步提高大规模MIMO系统的频谱效率和系统能效，且该方法容易实现，满足了绿色通信的要求。

Description

一种大规模MIMO系统中注水功率分配改进方法及系统
技术领域
本发明属于第五代无线通信领域，特别涉及一种大规模MIMO系统中注水功率分配改进方法及系统。
背景技术
4G建设方兴未艾，世界各国对5G的研究正如火如荼的展开。作为5G网络建设中最核心技术之一的大规模MIMO也一度成为了各科研学者、通信公司争相研究的热点。大规模MIMO系统主要通过在基站侧部署大量天线阵列，充分利用空间自由度，在同一时频资源上力求服务更多的用户，在不增加传输带宽和发射功率的情况大幅度提高系统的频谱效率和能量效率，改善系统性能，实现移动数据的爆炸增长。
功率分配是通信系统中非常重要的问题，决定了通信资源能否得到很好的利用，并在一定程度上决定了系统的频谱效率和能量效率。平均功率分配算法是当发送端不知道信道状态信息时，将发送功率均匀分配给每一个发射天线。它实现简单，但性能较低；注水功率分配算法是收发两端都获取了信道状态，发射端根据已知的信道状态好坏分配不同的功率，能实现传输速率的最大化。该方法是是功率分配的最优算法，但需要多次迭代，计算复杂度较大，且会出现负功率的情况。此外，由于大规模MIMO系统中基站侧部署了数十甚至数百根发射天线，天线间的相关性增加，且信道状态极差的传输路径会极大的干扰信息传输，造成传输信号的出错、缺失，导致一定的频谱损失和功率损耗。因此如何根据信道状况合理的分配功率一直是研究的热点。
发明内容
本发明提供了一种大规模MIMO系统中注水功率分配改进方法及系统，其目的在于，提高大规模MIMO系统的频谱效率和系统能效，降低运算复杂度，改善系统性能。
一种大规模MIMO系统中注水功率分配改进方法，包括以下步骤：
步骤1：对大规模MIMO系统中耦合的信道矩阵进行SVD分解，以信道矩阵的特征值作为大规模MIMO系统等效信道模型中的r个不同传输路径的信道增益；
步骤2：按照不同传输路径的信道增益的2次开方占所有传输路径信道增益2次开方总和的比例，对各个传输路径的信道和对应的天线进行信号接收功率和天线信号发射功率的分配；
步骤3：依据步骤2获得的各个传输路径的信道信号接收功率和对应的天线信号发射功率计算大规模MIMO系统容量和能效。
进一步地，所述对各个传输路径的信道和对应的天线进行信号接收功率和天线信号发射功率的分配按照以下公式计算进行：
Pri＝λiP
其中，Pi表示第i根天线的信号发射功率，Pri表示第i个传输路径所在信道的信号接收功率，P表示大规模MIMO系统总的信号发射功率，λi表示第i个传输路径所在信道的信道增益。
进一步地，所述大规模MIMO系统容量和能效分别按照以下公式计算获得：
其中，C和E分别表示大规模MIMO系统容量和能效，B、N、M、γ、Ps、Pr、σ2均为大规模MIMO系统的属性，分别表示大规模MIMO系统的带宽、发送天线个数、接收天线个数、天线发送效率、发送链路功率、接收链路功率以及噪声功率。
一种大规模MIMO系统中改进型注水功率分配系统，包括：
SVD分解单元，用于对大规模MIMO系统中耦合的信道矩阵进行SVD分解，获取与大规模MIMO系统为等效信道模型中的r个不同传输路径的信道增益；
功率分配单元，用于按照不同传输路径的信道增益的2次开方占所有传输路径信道增益2次开方总和的比例，对各个传输路径的信道和对应的天线进行信号接收功率和天线信号发射功率的分配；
大规模MIMO系统容量和能效计算单元，利用各个传输路径的信道信号接收功率和对应的天线信号发射功率计算大规模MIMO系统容量和能效。
有益效果
本发明提供了一种大规模MIMO系统中注水功率分配改进方法及系统，该方法包括以下步骤：步骤1：对大规模MIMO系统中耦合的信道矩阵进行SVD分解，以信道矩阵的特征值作为大规模MIMO系统等效信道模型中的r个不同传输路径的信道增益；步骤2：按照不同传输路径的信道增益的2次开方占所有传输路径信道增益2次开方总和的比例，对各个传输路径的信道和对应的天线进行信号接收功率和天线信号发射功率的分配；步骤3：依据步骤2获得的各个传输路径的信道信号接收功率和对应的天线信号发射功率计算大规模MIMO系统容量和能效。通过对信道矩阵的分解得到等效信道模型中各子信道的增益，按照各信道增益比例对各信道和天线进行功率分配，使得在不增加传输带宽、发射功率的情况下进一步提高大规模MIMO系统的频谱效率和系统能效，且该方法容易实现，满足了绿色通信的要求。
附图说明
图1为大规模MIMO系统模型示意图；
图2为大规模MIMO系统发射端单个发射链路电路示意图；
图3为大规模MIMO系统发射端单个接收链路电路示意图；
图4为发射功率一定时，四种功率分配算法下系统容量随发射天线数量变化示意图；
图5为发射功率一定时，四种功率分配算法下系统能耗随发射天线数量变化示意图；
图6为收发端天线数固定时，四种功率分配算法下系统容量随信噪比的变化示意图；
图7为收发端天线数固定时，四种功率分配算法下系统能效随信噪比的变化示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。
一种大规模MIMO系统中注水功率分配改进方法，包括以下步骤：
步骤1：对大规模MIMO系统中耦合的信道矩阵进行SVD分解，以信道矩阵的特征值作为大规模MIMO系统等效信道模型中的r个不同传输路径的信道增益；
一般的，大规模MIMO系统中(如图1所示)，发射端天线数大于接收端天线数，即N>M。由信道估计，可以得到信道矩阵H：
对该矩阵进行SVD分解，即：
其中，λ1、λ2...λM为信道矩阵的特征值；
步骤2：按照不同传输路径的信道增益的2次开方占所有传输路径信道增益2次开方总和的比例，对各个传输路径的信道和对应的天线进行信号接收功率和天线信号发射功率的分配；
所述对各个传输路径的信道和对应的天线进行信号接收功率和天线信号发射功率的分配按照以下公式计算进行：
Pri＝λiP
其中，Pi表示第i根天线的信号发射功率，Pri表示第i个传输路径所在信道的信号接收功率，P表示大规模MIMO系统总的信号发射功率，λi表示第i个传输路径所在信道的信道增益。
步骤3：依据步骤2获得的各个传输路径的信道信号接收功率和对应的天线信号发射功率计算大规模MIMO系统容量和能效。
根据大规模MIMO系统发射端单个接收链路和发射链路电路(如2和图3所示)，和大规模MIMO系统信道状态、电路功耗、传输效率，所述大规模MIMO系统容量和能效分别按照以下公式计算获得：
其中，C和E分别表示大规模MIMO系统容量和能效，B、N、M、γ、Ps、Pr、σ2均为大规模MIMO系统的属性，分别表示大规模MIMO系统的带宽、发送天线个数、接收天线个数、天线发送效率、发送链路功率、接收链路功率以及噪声功率。
一种大规模MIMO系统中改进型注水功率分配系统，包括：
SVD分解单元，用于对大规模MIMO系统中耦合的信道矩阵进行SVD分解，获取与大规模MIMO系统为等效信道模型中的r个不同传输路径的信道增益；
功率分配单元，用于按照不同传输路径的信道增益的2次开方占所有传输路径信道增益2次开方总和的比例，对各个传输路径的信道和对应的天线进行信号接收功率和天线信号发射功率的分配；
大规模MIMO系统容量和能效计算单元，利用各个传输路径的信道信号接收功率和对应的天线信号发射功率计算大规模MIMO系统容量和能效。
图4-图7是本发明的性能仿真结果图。从图中可以看出，相同条件下，与传统的功率分配算法相比，本发明可以在减少运算量的情况下进一步提高大规模MIMO的系统容量和能效；且随着信噪比的增加，四种算法性能最后趋于相同。因此，本发明与传统的分配算法相比，具有明显的性能提升。
从以上实施例可以看出，本发明能用来有效改善大规模MIMO系统的容量和能效性能。与传统方法相比，在提高系统容量和能效的情况下，本发明具有更低的运算复杂度，提高系统可靠性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种大规模MIMO系统中注水功率分配改进方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对大规模MIMO系统中耦合的信道矩阵进行SVD分解，以信道矩阵的特征值作为大规模MIMO系统等效信道模型中的r个不同传输路径的信道增益；
步骤2：按照不同传输路径的信道增益的2次开方占所有传输路径信道增益2次开方总和的比例，对各个传输路径的信道和对应的天线进行信号接收功率和天线信号发射功率的分配；
步骤3：依据步骤2获得的各个传输路径的信道信号接收功率和对应的天线信号发射功率计算大规模MIMO系统容量和能效。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对各个传输路径的信道和对应的天线进行信号接收功率和天线信号发射功率的分配按照以下公式计算进行：
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>P</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msqrt> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>i</mi> </msub> </msqrt> <mo>/</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>r</mi> </munderover> <msqrt> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>i</mi> </msub> </msqrt> </mrow>
Pri＝λiP
其中，Pi表示第i根天线的信号发射功率，Pri表示第i个传输路径所在信道的信号接收功率，P表示大规模MIMO系统总的信号发射功率，λi表示第i个传输路径所在信道的信道增益。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述大规模MIMO系统容量和能效分别按照以下公式计算获得：
<mrow> <mi>C</mi> <mo>=</mo> <mi>B</mi> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>r</mi> </munderover> <msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msub> <mi>P&amp;lambda;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mfrac> <msqrt> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>i</mi> </msub> </msqrt> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mn>2</mn> </msup> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>r</mi> </munderover> <msqrt> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>i</mi> </msub> </msqrt> <mo>)</mo> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>C</mi> <mrow> <mfrac> <mi>P</mi> <mi>&amp;gamma;</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <msub> <mi>NP</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>MP</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，C和E分别表示大规模MIMO系统容量和能效，B、N、M、γ、Ps、Pr、σ2均为大规模MIMO系统的属性，分别表示大规模MIMO系统的带宽、发送天线个数、接收天线个数、天线发送效率、发送链路功率、接收链路功率以及噪声功率。
4.一种大规模MIMO系统中改进型注水功率分配系统，其特征在于，包括：
SVD分解单元，用于对大规模MIMO系统中耦合的信道矩阵进行SVD分解，获取与大规模MIMO系统为等效信道模型中的r个不同传输路径的信道增益；
功率分配单元，用于按照不同传输路径的信道增益的2次开方占所有传输路径信道增益2次开方总和的比例，对各个传输路径的信道和对应的天线进行信号接收功率和天线信号发射功率的分配；
大规模MIMO系统容量和能效计算单元，利用各个传输路径的信道信号接收功率和对应的天线信号发射功率计算大规模MIMO系统容量和能效。
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