CN108964728B - 基于联合最优功率分配的多权重机会波束成形系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于联合最优功率分配的多权重机会波束成形系统及方法，属于无线通信技术领域。本发明系统包括发射端和用户端，发射端包括OBF矩阵选择器、功率分配器、叠加器以及辐射天线阵列；本发明方法首先OBF矩阵选择器利用联合最优功率分配算法确定该次传输的OBF矩阵输入值，并对每个用户均选择信噪比最大的OBF矩阵；功率分配器确定分配给各个用户的功率；然后叠加器将经过功率分配的用户数据进行叠加并传送至辐射天线阵列；辐射天线阵列再进行广播发送；最后每个用户端分别获取广播数据并进行解码。本发明解决了现有技术的发射端在一个传输时刻仅能够服务一个用户导致系统传输效率低的问题。本发明可用于机会波束成形。

Description

基于联合最优功率分配的多权重机会波束成形系统及方法

技术领域

本发明涉及多权重机会波束成形系统及方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

第五代移动通信技术(5th-Generation,5G)旨在提供更加高速、更加可靠的通信服务，在目前无线资源受限的情况下，为了达到更高的通信性能，就必须采用频谱利用更高的通信技术。MIMO波束成形技术利用了空间域极大的提高了无线通信系统的误码率和系统容量性能，因此波束成形技术已经成为了未来通信技术的核心技术，然而发射端需要完整的信道状态信息是波束成形技术可以引入分集和复用增益的最重要的前提假设，这种假设在一般的现有无线通信系统中往往是合理，但是对于一些特定的反馈链路搭建比较困难的通信环境，以及大量的天线数目和用户数目的情况下，发射端比较难以获得完整的信道状态信息，很明显传统的波束成形技术将无法继续引入分集增益和复用增益。因此如何利用波束成形技术在特殊信道环境下，以及大量的天线数目和用户数目的情况下继续获得分集增益和复用增益已经成为了5G后续演进技术中的重要研究内容。

最近几年，机会波束成形(Opportunistic Beamforming,OBF)技术逐渐引起无线通信研究者的重视，与传统波束技术相比机会波束成形的优势在于它的低反馈特性，传统波束成形技术需要接收机反馈完整的信道信息从而进行波束系数的配置，而机会波束成形技术仅仅需要接收机反馈用户的瞬时信噪比，基站选择最优的用户进行传输。但是目前的机会波束成形技术需要整个系统中有大量的用户等待服务，同时发射端在一个传输时刻仅仅能够服务一个用户，因此整个系统的传输效率比较低，为了进一步提高系统服务用户的能力，需要构建适用于低用户数目的下行MIMO广播系统的机会波束成形方案。

发明内容

本发明为解决现有下行链路多用户机会波束成形技术的发射端在一个传输时刻仅能够服务一个用户导致系统传输效率低的问题，提供了基于联合最优功率分配的多权重机会波束成形系统及方法。

本发明所述基于联合最优功率分配的多权重机会波束成形系统，包括：

发射端和用户端；

所述发射端包括OBF矩阵选择器、功率分配器、叠加器以及辐射天线阵列；OBF为机会波束成形；

所述OBF矩阵选择器用于接收需要发送的用户数据，确定OBF矩阵输入值，为每个用户数据选择OBF矩阵，并将用户数据传送到功率分配器；

所述功率分配器用于对用户数据进行联合最优功率分配，并传送至叠加器；

所述叠加器用于将经过功率分配的用户数据进行叠加并传送至辐射天线阵列；

所述辐射天线阵列用于接收从叠加器传送的数据并进行广播发送；

所述用户端用于获取辐射天线阵列发送的数据，并对获取的数据进行解码得到所需数据。

本发明所述基于联合最优功率分配的多权重机会波束成形方法，通过以下技术方案实现：

步骤一、发射端的OBF矩阵选择器利用联合最优功率分配算法确定该次传输的OBF矩阵输入值，并对每个用户均选择信噪比最大的OBF矩阵；OBF为机会波束成形；功率分配器根据OBF矩阵输入值确定分配给各个用户的功率，将用户数据对应进行功率分配后传送至叠加器；

步骤二、叠加器将经过功率分配的用户数据进行叠加并传送至辐射天线阵列；辐射天线阵列接收从叠加器传送的数据并进行广播发送；

步骤三、每个用户端分别获取辐射天线阵列发送的数据，并对获取的数据进行解码得到各自所需数据。

本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：

本发明所涉及的基于联合最优功率分配的多权重机会波束成形系统及方法，本发明将联合最优功率分配应用于多权重机会波束成形系统中，系统发送端通过对每个用户功率进行最优分配，以使得机会波束成形系统可以在同一时刻服务所有用户并且使得系统的速率和达到最大。本发明功率分配算法简单，波束成形矩阵设计便于实现，适用于任意用户数目的情况，同时可以保证多个用户之间的传输公平性的，系统传输效率高；仿真实验表明，本发明方法的传输和速率相比现有方法平均提高约40％。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为本发明方法步骤一流程图；

图3为本实施例中采用本发明方法与其他权重的和速率对比图；

图4为采用本发明方法与现有方法的效果对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1对本实施方式进行说明，本实施方式给出的基于联合最优功率分配的多权重机会波束成形系统，具体包括：

发射端和用户端；

所述发射端包括OBF矩阵选择器、功率分配器、叠加器以及辐射天线阵列；OBF为机会波束成形；

所述OBF矩阵选择器用于接收需要发送的用户数据，确定OBF矩阵输入值，为每个用户数据选择信噪比最大的OBF矩阵，并将用户数据传送到功率分配器；

所述功率分配器用于对一次传输中所有的用户数据进行联合最优功率分配，并传送至叠加器；

所述叠加器用于将经过功率分配的用户数据进行叠加并传送至辐射天线阵列；

所述辐射天线阵列用于接收从叠加器传送的数据并进行广播发送；

所述用户端用于获取辐射天线阵列发送的数据，并对获取的数据进行解码得到所需数据。

如图1所示，在一次传输中，发射端能够同时发送多个用户数据x₁,...,x_K，OBF矩阵选择器为每个用户数据选择信噪比最大的OBF矩阵；功率分配器通过联合最优功率分配算法将一次传输中所有的用户数据进行功率分配，叠加器对所有通过功率分配的用户数据进行叠加，再通过辐射天线阵列进行广播发送，每个用户端分别获取广播的数据并进行解码得到各自所需数据。这样本实施方式的系统即可在一次传输中同时传递多个用户的数据，提高了传送效率，同时功率分配器对所有用户数据的联合最优功率分配能够进一步提高系统的传输效率。

具体实施方式二：本实施方式给出的基于联合最优功率分配的多权重机会波束成形方法，具体包括以下步骤：

步骤一、发射端的OBF矩阵选择器利用联合最优功率分配算法确定该次传输的OBF矩阵输入值(选取出在一次传输中系统和速率最大时对应的发射端产生的OBF矩阵个数作为OBF矩阵输入值)，并对每个用户均选择信噪比SNR最大的OBF矩阵；OBF为机会波束成形；功率分配器根据OBF矩阵输入值确定分配给各个用户的功率，将用户数据对应进行功率分配后传送至叠加器；

系统发送端通过对每个用户功率进行最优分配，以使得机会波束成形系统可以在一次传输中服务多个用户，并且使得系统的速率和达到最大。

步骤二、叠加器将经过功率分配的用户数据进行叠加并传送至辐射天线阵列；辐射天线阵列接收从叠加器传送的数据并进行广播发送。

步骤三、每个用户端分别获取辐射天线阵列发送的数据，并对获取的数据进行解码得到各自所需数据。解码时，按照信道状况的优劣顺序，信道状态好的用户的数据先解其余用户的数据(比其信道状况差的用户的数据)，然后在所接收到的信号中减去其余用户数据(比其信道状况差的用户的数据)的影响，最后检测自身的数据。

具体实施方式三：结合图2对本实施方式进行说明，本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤一具体包括以下步骤：

步骤一一、发送端将K个用户按照信道状态从优至劣排序；K为该次传输的用户总数；令k＝1，P_y＝P_total；P_y表示分配给用户k至用户K的功率和，P_total表示发射端的总功率；

步骤一二、将用户k+1至用户K作为一个整体的虚拟用户i，则用户k至用户K的和速率形式为：

其中，R_∑为用户k至用户K的和速率，用户1至用户K的和速率即为系统的和速率，T_s为完成一次传输的总时间，τ为一次传输的导频时间，W_k(M)为用户k所选择的OBF矩阵，Wi(M)为虚拟用户i所选择的OBF矩阵；N₀为噪声功率；H_k为用户k的信道矩阵，Hi为虚拟用户i的信道矩阵；P_k为分配给用户k的功率，P_i为分配给虚拟用户i的功率(即，分配给用户k+1至用户K的功率和)；M表示在一次传输中发射端产生的OBF矩阵个数；

进行如下的变量替换和定义：

|H_kW_k(M)||²＝α₁(M)

||H_iW_i(M)||²＝α₂(M) (3)

||H_iW_k(M)||²＝α₃(M)

其中，β_k表示分配给用户k的功率占P_y的比重，0≤β_k≤1；α₁(M)为用户k的等效信道增益的平方，α₂(M)为虚拟用户i的等效信道增益的平方，α₃(M)为用户k和虚拟用户i之间干扰增益的平方。

由于M只能取整数，所以可以将上面的联合最优功率分配分为两个部分，先对任意给定的M，求解最优的β_k(步骤一三)；再对所有的M进行最优化(步骤一四)；

步骤一三、对于给定的M，将式(1)转化为如下的优化问题：

由于log₂是单调递增的函数，所以可以将上面的公式继续简化为：

令：

求解式(7)得到β_k的两个解：

由于OBF矩阵选择器对每个用户均是选择信噪比SNR最大的OBF矩阵，并且用户k的信道状况好于虚拟用户i的信道状况，因此有α₁(M)≥α₂(M)≥α₃(M)，且0≤β_k≤1，则设定的β_k为：

β_k＝min(β_k，2，1) (10)

步骤一四、若k≠1，进入步骤一五；

若k＝1，将公式(1)转换为如下的优化问题：

表示向下取整；选择式(11)最大时对应的M作为OBF矩阵输入值，并根据该OBF矩阵输入值对所有用户分别选择信噪比SNR最大的OBF矩阵W_k(M)；

步骤一五、功率分配器将β_k代入式(2)得到P_k和P_i；

步骤一六、若k＜K，则令k＝k+1，P_y＝P_i，重复步骤一二至一五，直至k＝K。当k＝K-1时，对应求得的P_i即为P_K。

步骤一七、功率分配器将用户数据对应进行功率分配后传送至叠加器。

步骤一一至步骤一七为一次传输的过程。

其他步骤及参数与具体实施方式二相同。

实施例

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

本实施例中下行MIMO广播系统的用户总数K＝2，发射端配置N_T＝2根天线，传输导频时间为τ＝0.5％T_s，传输采用二进制相移键控((Binary Phase Shift Keying，BPSK)调制方式；用户端采用串行干扰消除来消除用户间的干扰，信号传播的信道为瑞利衰落信道。

所述基于联合最优功率分配的多权重机会波束成形方法按照以下步骤进行：

步骤一、OBF矩阵选择器利用联合最优功率分配算法确定该次传输的OBF矩阵输入值，并对每个用户均选择信噪比最大的OBF矩阵；OBF为机会波束成形；功率分配器根据OBF矩阵输入值确定分配给各个用户的功率，将用户数据对应进行功率分配后传送至叠加器；

具体为：

用户1的信道状态好于用户2的信道状态；在不考虑误码传播的情况下，系统的和速率为：

令：

||H₁W₁(M)||²＝α₁(M)

||H₂W₂(M)||²＝α₂(M) (3)

||H₂W₁(M)||²＝α₃(M)

对于给定的M，将式(1)转化为如下的优化问题：

由于log₂是单调递增的函数，所以将上面的公式继续简化为：

令：

求解式(7)得到β1的两个解：

则设定的β₁为：

β₁＝min(β_1，2，1) (10)

将式(1)转换为如下的优化问题：

其中，从

中选择式(11)最大时对应的M作为OBF矩阵输入值，并根据该OBF矩阵输入值对用户1和用户2分别选择信噪比最大的OBF矩阵W1(M)、W₂(M)；

功率分配器将β₁代入式(2)得到P₁和P₂。

步骤二、叠加器将经过功率分配的用户数据进行叠加并传送至辐射天线阵列；辐射天线阵列接收从叠加器传送的数据并进行广播发送；

步骤三、每个用户端分别获取辐射天线阵列发送的数据，并对获取的数据进行解码得到各自所需数据。对于用户1的解码顺序是先解用户2的数据，然后在所接收到的信号中减去用户2数据的影响，最后检测自身的数据；用户2仅仅需要解码自身的数据。

如图3所示为本实施例中采用本发明方法与其他权重的和速率对比图，其中横坐标为发射功率与噪声功率的比，纵坐标为速率，可以看到使用联合最优功率分配算法时系统的和速率大于使用其他权重个数以及功率分配的方法，说明了联合最优功率分配算法的有效性。图4为采用本发明方法与现有方法(传统的机会波束成形技术)的效果对比图，可以看出，采用本发明方法的传输和速率相比现有方法平均提高约40％。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域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 (2)

1.基于联合最优功率分配的多权重机会波束成形系统，其特征在于，包括：发射端和用户端；

所述发射端包括OBF矩阵选择器、功率分配器、叠加器以及辐射天线阵列；OBF为机会波束成形；

所述OBF矩阵选择器用于接收需要发送的用户数据，确定OBF矩阵输入值，为每个用户数据选择OBF矩阵，并将用户数据传送到功率分配器；

所述功率分配器用于对用户数据进行联合最优功率分配，并传送至叠加器，其具体过程为

步骤一一、发送端将K个用户按照信道状态从优至劣排序；K为该次传输的用户总数；令k＝1，P_y＝P_total；P_y表示分配给用户k至用户K的功率和，P_total表示发射端的总功率；

步骤一二、将用户k+1至用户K作为一个整体的虚拟用户i，则用户k至用户K的和速率形式为：

其中，R_∑为用户k至用户K的和速率，用户1至用户K的和速率即为系统的和速率，T_s为完成一次传输的总时间，τ为一次传输的导频时间，W_k(M)为用户k所选择的OBF矩阵，W_i(M)为虚拟用户i所选择的OBF矩阵；N₀为噪声功率；H_k为用户k的信道矩阵，H_i为虚拟用户i的信道矩阵；P_k为分配给用户k的功率，P_i为分配给虚拟用户i的功率；M表示在一次传输中发射端产生的OBF矩阵个数；

令：

其中，β_k表示分配给用户k的功率占P_y的比重，0≤β_k≤1；α₁(M)为用户k的等效信道增益的平方，α₂(M)为虚拟用户i的等效信道增益的平方，α₃(M)为用户k和虚拟用户i之间干扰增益的平方；

步骤一三、对于给定的M，将式(1)转化为如下的优化问题：

令：

求解式(7)得到β_k的两个解：

由于OBF矩阵选择器对每个用户均是选择信噪比最大的OBF矩阵，并且用户k的信道状况好于虚拟用户i的信道状况，因此有α₁(M)≥α₂(M)≥α₃(M)，且0≤β_k≤1，则设定的β_k为：

β_k＝min(β_k,2,1) (10)

步骤一四、若k≠1，进入步骤一五；

若k＝1，将公式(1)转换为如下的优化问题：

其中，

表示向下取整；选择式(11)最大时对应的M作为OBF矩阵输入值，并根据该OBF矩阵输入值对所有用户分别选择信噪比最大的OBF矩阵W_k(M)；

步骤一五、功率分配器将β_k代入式(2)得到P_k和P_i；

步骤一六、若k＜K，则令k＝k+1，P_y＝P_i，重复步骤一二至一五，直至k＝K；

步骤一七、功率分配器将用户数据对应进行功率分配后传送至叠加器；

所述叠加器用于将经过功率分配的用户数据进行叠加并传送至辐射天线阵列；

所述辐射天线阵列用于接收从叠加器传送的数据并进行广播发送；

所述用户端用于获取辐射天线阵列发送的数据，并对获取的数据进行解码得到所需数据。

2.一种应用于权利要求1所述基于联合最优功率分配的多权重机会波束成形系统的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、发射端的OBF矩阵选择器利用联合最优功率分配算法确定该次传输的OBF矩阵输入值，并对每个用户均选择信噪比最大的OBF矩阵；OBF为机会波束成形；功率分配器根据OBF矩阵输入值确定分配给各个用户的功率，将用户数据对应进行功率分配后传送至叠加器；

步骤二、叠加器将经过功率分配的用户数据进行叠加并传送至辐射天线阵列；辐射天线阵列接收从叠加器传送的数据并进行广播发送；

步骤三、每个用户端分别获取辐射天线阵列发送的数据，并对获取的数据进行解码得到各自所需数据。

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