CN110445520A - 基于频分双工多用户多天线系统的下行功率分配方法 - Google Patents

Abstract

基于频分双工多用户多天线系统的下行功率分配方法，以最大化系统能效函数目标，以导频信号功率和数据信号功率为优化变量建立数学模型。首先利用大维随机矩阵理论，得到能效目标函数的解析表达式求解即可得到最优分配方案。本发明有益效果：从能效角度出发，对下行导频信号功率和数据信号功率进行联合分配，与传统只考虑传输速率的准则不同，通过本方法可以在信道估计精度、传输速率和能量消耗三者之间进行折中得到下行功率分配的最优方案。

Description

基于频分双工多用户多天线系统的下行功率分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地说是基于频分双工多用户多天线系统的下行功率分配方法。

背景技术

为了满足无线传输在容量、速率、广域覆盖以及多样化业务等方面的需求，无线通信设备的能量消耗迅猛增长，这使得运营商的成本支出也大幅攀升，而更为重要的是，越来越多的无线设备能量消耗对全球温室气体效应也造成了巨大压力。正因为如此，以能效为设计准则的绿色通信理念吸引了学术界和工业界越来越多的关注，也成为未来无线通信系统的主流发展趋势。绿色通信以单位功耗下的传输速率为衡量指标，由传统的单一追求速率最大化或功率最小化为设计准则，转向兼顾速率性能与功率消耗的折中设计，在追求高速率的同时尽可能降低功率消耗，从而达到能量利用率的最大化，以减少对环境造成的影响。

近年来提出的大规模多输入多输出技术(Massive MIMO,Massive Multiple-Input Multiple-Output)通过开发大维天线阵列空域资源，配备数十根到上百根天线，在不增加额外时域、频域和功率域资源的前提下，可有效提升频谱效率、降低发射功耗、减轻多用户间干扰、简化上层调度等等。因此，大规模MIMO技术也被业内给予厚望，在5G移动通信系统的关键性能指标实现过程中扮演了重要的角色。

值得注意的是，现有蜂窝移动通信系统中大都采用的是频分双工(FDD，FrequencyDivision Duplexing)双工制式，而针对FDD大规模MIMO系统的研究大多关注于下行导频(也称为训练序列)开销分析、导频信号设计、低开销反馈量化方案等。这主要是因为FDD制式中上下行信道不再满足互易性，信道估计需要由基站向下发送导频，再由用户向上反馈，这一信道信息获取方式会导致导频和反馈开销随基站天线数的增加而大幅增加。尽管导频开销在信道信息获取过程中十分重要，但是导频信号的功率也决定了信道估计的精度。特别是，有效数据信号的功率更直接关系着通信系统最终的速率性能，以及由此带来的用户间干扰量级。此外，导频功率和数据功率还影响着整个系统的总功率消耗，而在能效准则下对导频功率和数据功率的分配问题尚未深入研究。在近期的研究中，有关于FDD大规模MIMO系统下行导频与功率资源分配问题，但是该方法只考虑简单的单用户场景，并未考虑实际的多用户模型。还有文献研究了TDD制式多用户大规模MIMO系统的能效资源分配问题，但其主要考虑的是理想信道估计条件。而在实际的多用户通信系统中，特别是存在估计误差的信道信息条件下，用户间干扰会变得更为复杂，这些会对解决能效准则下的功率分配问题带来诸多困难。基于上述考虑，本申请针对FDD制式下多用户大规模MIMO下行系统，从绿色通信的设计准则出发，对基站下行导频信号功率和数据功率进行联合优化建立模型以得到下行功率分配方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供基于频分双工多用户多天线系统的下行功率分配方法，解决现有频分双工多用户大规模天线系统的能效性能问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于频分双工多用户多天线系统的下行功率分配方法，所述无线通信系统包含一个配备大规模天线阵列的基站和M个地理位置分散的单天线用户，基站与用户采用频分双工制式，上下行信道服从平坦块衰落，具有以符号时长计的相干间隔T_c；基站使用前L个符号用于从基站的N根天线上发送导频信号L＜T_c，所述功率分配方法包括以下步骤：

步骤一、基站通过下行信道矩阵先后向M个用户发送导频信号和预编码数据向量，其中H表示基站到M个用户的信道矩阵，h_m表示基站与第m个用户之间的信道系数向量，且其各个元素为服从独立同分布的零均值单位方差循环对称复高斯随机变量，即m∈[1,M]。

步骤二、基站发送导频信号后，M个用户接收到的导频信号为Y_p，如下所示，

其中，y_p,m表示第m个用户接收到的导频信号，p_p表示每一列导频信号的平均发射功率，表示M个用户下行信道估计阶段各用户端的零均值单位方差加性复高斯白噪声，且

步骤三、由于各用户在地理上是分散的，各用户收到导频信号后独立进行信道估计，基于步骤二的导频接收信号y_p,m，第m个用户采用最小均方误差估计器，得到对应的下行信道向量估计值h_m，如下所示，

其中，此时，信道向量h_m可分解为如下形式，

h_m＝h_m+h_m

其中，为误差向量，且h_k与h_k相互统计独立。

步骤四、各用户估计出下行信道向量后，将其通过上行信道反馈至基站；基站获得步骤三中的信道估计向量h_m后，采用最大比发送预编码方案进行下行数据发送，则基站的发射信号向量s可以表示为：

其中，x＝[x₁,x₂,...,x_M]^T表示基站发送给M个用户的有效数据符号，且满足功率归一化H＝[h₁,h₂,...,h_M]，θ表示基站对每用户的发射信号平均功率归一化因子，即或由此可以得到θ的表达式为(·)^H表示矩阵或向量的共轭转置运算。

步骤五、根据最差情况不相干加性噪声理论，得到第m个用户的遍历速率R_m如下：

其中，表示第m个用户端的等效接收信噪比。

步骤六、基于步骤五中得到的遍历速率R_m，在基站处建立以能效函数η(p_d,p_p)最大化为目标，以导频信号功率p_p和数据信号功率p_d为变量的数学优化模型，如下所示，

其中，R表示系统下行遍历可达和速率，且 表示在一个信道相干间隔内的导频资源开销，P表示系统的总功率消耗，且P＝μp_pL+μMp_d(T_c-L)+T_c(NP₁+P₂)，μ≥1为基站射频功率放大器的功率转换损失因子，P₁表示基站端每根天线的射频电路功耗，P₂表示各电路模块的静态功耗，且P₂与信号发射功率和天线数均无关。

步骤七、对模型进行求解运算得到最优解即多用户多天线系统下行功率分配的最优方案。

本发明的有益效果是：从能效角度出发，对下行导频信号功率和数据信号功率进行联合分配，与传统只考虑传输速率的准则不同，通过本方法可以在信道估计精度、传输速率和能量消耗三者之间进行折中得到下行功率分配的最优方案。本发明方法利用确定性等价原理，推导得出能效目标函数的解析表达式，该表达式仅与系统静态参数有关，而与信道瞬时信息无关，在功率分配时无需瞬时信道状态信息，仅由系统参数决定，降低了对瞬时信道信息的依赖程度，同时简化了功率分配的时间频次，可以在相对较长的周期内进行一次功率分配，而无需频繁功率分配计算。

附图说明

图1为本发明方法的系统模型图；

图2为本发明实施例基本流程图；

图3为仿真实验中在不同的导频信号长度条件下，本方法利所提出的遍历可达和速率解析表达式与蒙特卡洛仿真结果对比图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明实施例进行详细的阐述。

结合图2所示的流程图对本发明的基于频分双工多用户大规模多天线系统的下行功率方法作具体说明，包括如下步骤：

步骤一、基站与用户采用频分双工制式，上下行信道服从平坦块衰落，具有以符号时长计的相干间隔T_c；基站使用前L(＜T_c)个符号用于从基站的N根天线上发送导频信号且导频信号矩阵满足等功率列正交特性，即Ψ^HΨ＝I_L；基站通过下行信道矩阵先后向M个用户发送导频信号和预编码数据向量，H表示基站到M个用户的信道矩阵，h_m表示基站与第m个用户之间的信道系数向量，且其各个元素为服从独立同分布的零均值单位方差循环对称复高斯随机变量，即该式表明基站天线之间无空间相关性。

步骤二、基站发送导频信号后，M个用户接收到的导频信号为Y_p，如下所示，

其中，y_p,m表示第m个用户接收到的导频信号，p_p表示每一列导频信号的平均发射功率，表示M个用户下行信道估计阶段各用户端的零均值单位方差加性复高斯白噪声，且

步骤三、由于各用户在地理上是分散的，各用户收到导频信号后独立进行信道估计，基于步骤二的导频接收信号y_p,m，第m个用户采用最小均方误差估计器，得到对应的下行信道向量估计值h_m，如下所示，

其中，此时，信道向量h_m可分解为如下形式，

h_m＝h_m+h_m

其中，为误差向量，且h_k与h_k相互统计独立；

步骤四、各用户估计出下行信道向量后，将其通过上行信道反馈至基站；基站获得步骤三中的信道估计向量h_m后，采用最大比发送预编码方案进行下行数据发送，则基站的发射信号向量s可以表示为：

其中，x＝[x₁,x₂,...,x_M]^T表示基站发送给M个用户的有效数据符号，且满足功率归一化H＝[h₁,h₂,...,h_M]，θ表示基站对每用户的发射信号平均功率归一化因子，即或由此可以得到θ的表达式为(·)^H表示矩阵或向量的共轭转置运算；

步骤五、根据最差情况不相干加性噪声理论，得到第m个用户的遍历速率R_m如下：

其中，表示第m个用户端的等效接收信噪比；

步骤六、基于步骤五中得到的遍历速率R_m，在基站处建立以能效函数η(p_d,p_p)最大化为目标，以导频信号功率p_p和数据信号功率p_d为变量的数学优化模型，如下所示，

R表示系统下行遍历可达和速率，且 表示在一个信道相干间隔内的导频资源开销，P表示系统的总功率消耗，且P＝μp_pL+μMp_d(T_c-L)+T_c(NP₁+P₂)，μ≥1为基站射频功率放大器的功率转换损失因子，P₁表示基站端每根天线的射频电路功耗，P₂表示各电路模块的静态功耗，且P₂与信号发射功率和天线数均无关；

步骤七、对模型进行求解运算得到最优解即多用户多天线系统下行功率分配的最优方案。

下面介绍利用确定性等价近似方法对模型求解的具体方法：

1).利用确定性等价近似方法，可得到遍历速率R_m的近似解析表达式如下所示，

2).基于步骤1)中的解析表达式考虑高发射功率区间，即p_d＞＞1且p_p＞＞1，将目标函数进行近似替换，转化为如下形式的优化问题，

3).将最优导频信号功率和数据信号功率的数学关系式代入步骤2)中的目标函数，将原问题简化为单变量优化问题，如下所示，

其中，ρ＝T_c(NP₁+P₂)。

4).基于步骤3)中的优化问题，采用交替迭代方法求解最优发射功率值，具体步骤如下，

4.1).设定迭代终止ε，迭代次数变量i＝0，给定能效参量初始值η₀＞0；

4.2).利用η_i，求解最优导频功率值p_p,i，如下所示

4.3).利用p_p,i，更新能效值η_i+1，如下所示，

其中，

4.4).更新迭代次数变量i＝i+1；

4.5).判断时，终止迭代运算，最优导频功率最优数据功率最优能效值η^opt＝η_i；若不满足终止条件，返回步骤4.2)重新进行迭代。

上述实施方式中所涉及的数学运算符号及参数说明：(·)^H—表示矩阵或向量的共轭转置运算，(·)^T—表示矩阵或向量的转置运算，—复数集合，—针对随机量的数学期望运算，表示已知样本y时的关于随机变量x的条件期望，Tr{·}—矩阵的迹，表示服从均值向量为n协方差阵为R的循环对称复高斯分布的随机向量，|·|—表示实数绝对值或复数模值运算，||·||—表示欧几里得范数，N—基站天线数，—表示几乎确定收敛，I_N—表示N×N维单位阵。

仿真实验

图3给出在不同的导频信号长度条件下，本方法利所提出的遍历可达和速率解析表达式与蒙特卡洛仿真结果对比图，仿真参数为M＝10，p_d＝p_p＝10W，T_c＝1000。从图中可以看到，本专利所提出的解析近似表达式具有非常好的近似效果，与蒙特卡洛数值仿真曲线之间的差异几乎可以忽略不计，表明了本专利所提出的近似解析表达式具有很好地效果。

Claims (1)

1.基于频分双工多用户多天线系统的下行功率分配方法，所述无线通信系统包含一个配备大规模天线阵列的基站和M个地理位置分散的单天线用户，基站与用户采用频分双工制式，上下行信道服从平坦块衰落，具有以符号时长计的相干间隔T_c；基站使用前L个符号用于从基站的N根天线上发送导频信号L＜T_c，其特征在于：所述下行功率分配方法包括以下步骤：

步骤一、基站通过下行信道矩阵先后向M个用户发送导频信号和预编码数据向量，其中H表示基站到M个用户的信道矩阵，h_m表示基站与第m个用户之间的信道系数向量，且其各个元素为服从独立同分布的零均值单位方差循环对称复高斯随机变量，即m∈[1,M]；

步骤二、基站发送导频信号后，M个用户接收到的导频信号为Y_p，如下所示，

其中，y_p,m表示第m个用户接收到的导频信号，p_p表示每一列导频信号的平均发射功率，表示M个用户下行信道估计阶段各用户端的零均值单位方差加性复高斯白噪声，且

步骤三、由于各用户在地理上是分散的，各用户收到导频信号后独立进行信道估计，基于步骤二的导频接收信号y_p,m，第m个用户采用最小均方误差估计器，得到对应的下行信道向量估计值h_m，如下所示，

其中， 此时，信道向量h_m可分解为如下形式，

h_m＝h_m+h_m

其中，为误差向量，且h_k与h_k相互统计独立；

步骤四、各用户估计出下行信道向量后，将其通过上行信道反馈至基站；基站获得步骤三中的信道估计向量h_m后，采用最大比发送预编码方案进行下行数据发送，则基站的发射信号向量s可以表示为：

其中，x＝[x₁,x₂,…,x_M]^T表示基站发送给M个用户的有效数据符号，且满足功率归一化H＝[h₁,h₂,...,h_M]，θ表示基站对每用户的发射信号平均功率归一化因子，即或由此可以得到θ的表达式为(·)^H表示矩阵或向量的共轭转置运算；

步骤五、根据最差情况不相干加性噪声理论，得到第m个用户的遍历速率R_m如下：

其中，表示第m个用户端的等效接收信噪比；

步骤六、基于步骤五中得到的遍历速率R_m，在基站处建立以能效函数η(p_d,p_p)最大化为目标，以导频信号功率p_p和数据信号功率p_d为变量的数学优化模型，如下所示，

R表示系统下行遍历可达和速率，且 表示在一个信道相干间隔内的导频资源开销，P表示系统的总功率消耗，且P＝μp_pL+μMp_d(T_c-L)+T_c(NP₁+P₂)，μ≥1为基站射频功率放大器的功率转换损失因子，P₁表示基站端每根天线的射频电路功耗，P₂表示各电路模块的静态功耗，且P₂与信号发射功率和天线数均无关；

步骤七、对模型进行求解运算得到最优解即多用户多天线系统下行功率分配的最优方案。