CN1812283B - 一种用于两跳多天线中继系统的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

一种用于两跳多天线中继系统的功率分配方法，包括步骤：根据所述两跳多天线中继系统的结构，确定两跳链路的信道状况信息；对第一跳信道状态信息的矩阵H进行奇异值分解，并向所述信号发送端、所述中继器以及所述信号接收端分别反馈分解结果矩阵V、矩阵U以及对角矩阵S；所述信号发送端利用矩阵V对发送信号t进行预处理，使得发送信号变为V·t；所述多个中继器利用矩阵U处理所接收的第一跳信号V·t，并且向所述信号接收端转发处理后所得到的信号S·t；所述信号接收端根据两跳链路的信道状态信息以及对角矩阵S，以系统端到端的瞬时信息速率实现最大化为优化准则，计算第一跳链路的发射功率P₁以及第二跳链路的发射功率P₂，从而实现功率的自适应分配。

Description

一种用于两跳多天线中继系统的功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种适用于两跳多天线中继系统的功率分配方法。

背景技术

未来无线通信系统将致力于发展更高速率、更大动态范围的数据业务，同时需要扩大网络覆盖面积、提高频谱效率并加大系统的鲁棒性。与此同时，移动终端又需要保持相对简单并便于携带。多天线系统能够克服无线通信中的衰落，为系统提供更好的空间分集，获得更高容量。然而。由于复杂度以及尺寸的限制，在移动终端实现多天线的无线传输，其可行度不高。

多天线中继系统利用中继的协同传输以及有效的天线共享，可以在移动终端实现一个虚拟的天线阵列，克服移动终端复杂度以及尺寸大小的限制，同时可以克服无线信道的衰落特性，引入分集增益，提高无线网络的覆盖和容量，更好地保证不同种类业务的服务质量(QoS)，增强无线系统的各项性能。

在传统的多天线非中继系统中，功率分配仅在信号发送端(TX)的多根天线间完成，通过对信道信息的检测，可完成信源端发射功率的自适应调整，满足不同用户的QoS指标。由于非中继系统的通信直接建立于信源端TX和信宿端RX之间，不存在中继器(RS)的转发问题，相应地也就无须在信号发送端和转发中继器之间进行自适应的功率分配。

在两跳多天线中继系统中，由于中继传输的引入，信源端的信号到达信宿端需要经历两跳链路的传输过程，即从TX到各RS，再由各RS转发至RX。由于发射功率的限制以及信宿端不同QoS的需求，系统需要根据当前两跳链路的路径损耗以及衰落信息自适应地在第一跳链路和第二跳链路之间调整功率分配比例。另外，由于信号发送端TX具备多天线，而中继传输也基于多个中继器RS，因此，分配到两跳链路的发射功率需要被进一步在各个RS和各根天线上进行分配。这样，自适应功率分配问题就成为两跳多天线中继系统中重要的研究内容。

对于功率分配算法，一般分为平均功率分配(UPA)和最优功率分配(OPA)。采用UPA算法时，中继系统的两跳链路采用相等的发射功率，第一跳的发射功率再均匀分配至信号发送端TX的各根天线上，第二跳的发射功率也同样被均分至各中继器RS，并进一步均分至各天线。UPA算法虽然相对简单，但是由于算法本身没有考虑不同传输信道的瞬时信道特性，缺乏对链路变化的自适应性，因而极大地降低了系统资源的利用率。采用OPA算法时，系统针对不同的信道状态，通过自适应地调整TX处各天线的发射功率以及各个RS的发射功率，满足两跳链路以及每一跳中多天线无线链路的传输需求。OPA算法能最大限度的利用有限的系统资源，提高系统传输速率，但是其算法本身复杂度较高，而且需要大量的计算和信令交互，加重了网络信令负荷，因而可实现性较低。

因此，设计一种新型实用的功率分配的方法，尽可能合理、有效的利用有限的系统资源，优化功率配置，提高传输速率、通信质量和网络容量，成为两跳多天线中继系统需要面对的一个基本问题。

发明内容

针对两跳多天线中继系统的需求和现有技术中存在的问题，本发明提出了一种适用于两跳多天线中继系统的功率分配方法，在保证传输质量的同时获得了较高的传输速率，提高了资源利用率，并且通过对算法复杂度和性能增益的折衷考虑，减少了网络信令负荷，性能代价比高，具有较强的实用性。

根据本发明，提供了一种用于两跳多天线中继系统的功率分配方法，所述两跳多天线中继系统包括信号发送端、多个中继器以及信号接收端，所述信号发送端具有多根发射天线，所述信号接收端具有一根接收天线，所述方法包括步骤：

(1)根据所述两跳多天线中继系统的结构，确定两跳链路的信道状态信息；

(2)对第一跳信道状态信息的矩阵H进行奇异值分解，并向所述信号发送端反馈分解结果矩阵V，向所述多个中继器反馈分解结果矩阵U，以及向所述信号接收端反馈分解结果对角矩阵S；

(3)所述信号发送端利用矩阵V对发送信号t进行预处理，使得发送信号变为V·t；

(4)所述多个中继器利用矩阵U处理所接收的第一跳信号H·V·t，并且向所述信号接收端转发处理后所得到的信号S·t；

(5)所述信号接收端根据两跳链路的信道状态信息以及对角矩阵S，以系统端到端的瞬时信息速率实现最大化为优化准则，计算第一跳链路的发射功率P₁以及第二跳链路的发射功率P₂；

当信号发送端的各根天线不相关，并且各个接收单元的噪声不相关时，按照以下公式可计算出第一跳链路分配的功率P₁，0＜P₁≤P₀：

$\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{-{\mathrm{\γ}}_{1m}{\mathrm{\γ}}_{2m}{P}_1^2-{2\mathrm{\γ}}_{1m}{\mathrm{\γ}}_{3m}{P}_1+{\mathrm{\γ}}_{1m}{\mathrm{\γ}}_{3m}{P}_0}{[-{\mathrm{\γ}}_{1m}{P}_1^2+({\mathrm{\γ}}_{2m}+{\mathrm{\γ}}_{1m}{P}_0)P_1+{\mathrm{\γ}}_{3m}]\·({\mathrm{\γ}}_{2m}{P}_1+{\mathrm{\γ}}_{3m})}+\frac{{\mathrm{\γ}}_0}{1+{\mathrm{\γ}}_0{P}_1}=0$

其中，

N表示信号发送端的天线数量，M表示单天线中继器数量，s_m为S的对角线元素，g_mn ⁽¹⁾和h_mn ⁽¹⁾分别表示第一跳中从信号发送端的第n根天线到第m个中继器的路径损耗及衰落，g_mm ⁽²⁾和h_mm ⁽²⁾分别对应于第二跳第m条链路，即从第m个中继器到信号接收端的路径损耗和衰落，

和分别是第一跳和第二跳的噪声功率，

所计算的第二跳发射功率P₂，0≤P₂＜P₀，通过下式计算：

                P₂＝P₀-P₁

其中P₀是系统总功率限制；

(6)将所计算的第一跳发射功率P₁反馈给所述信号发送端，所计算的第二跳发射功率P₂反馈至所述多个中继器，从而实现功率的自适应分配。

在本发明中，通过对两跳非再生无线中继链路的自适应功率分配，不仅提高了传输质量，获得了较高的端到端信息速率，还使有限的无线资源得到了有效的利用。另外，通过在每跳的多根发射天线间采用平均功率分配，实现了对算法复杂度和性能增益的折衷考虑，减少了网络信令负荷，性能代价比高，具有较强的实用性。

附图说明

下面参照附图并结合实施例来进一步描述本发明。其中：

图1示出了实现本发明的自适应功率分配方案的方框图；

图2示出了本发明的自适应功率分配方案适用的两跳多天线中继系统的模型；

图3示出了系统总功率限制为2W时，随中继位置在由TX和RX包围的矩形区域内变化时，根据本发明的自适应功率分配方案和平均功率分配算法，系统端到端单位带宽信息速率的性能变化曲线；

图4示出了系统总功率限制分别为2W和20W时，随中继位置在TX和RX连线上变化时，根据本发明的自适应功率分配方案，平均功率分配算法以及直传非中继传输方式，系统端到端单位带宽信息速率的性能变化曲线。

具体实施方式

下面结合图1和图2来描述本发明的自适应功率分配方法。

第一步，根据两跳多天线中继系统的结构确定两跳链路的信道状况。本发明的两跳多天线中继系统由一个具有多根发射天线的信号发送端、多个中继器以及一个单天线的信号接收端构成，其中所述中继器每个可有一根或多根天线。在本发明中，第一跳信道是指从信号发送端的各根天线到各个中继器的多输入多输出信道，第二跳信道是指从各中继器到信号接收端的多输入单输出信道。确定信道信息包括确定在自由空间的传播损耗，阴影衰落以及多径衰落等无线传播过程中存在的各种对信号有所影响的因素。

如果所述信号接收端还合并直接来自所述信号发送端的信号，那么第一跳信道还包括从信号发送端的各根天线到信号接收端的直传路径，直传信号在第一跳被信号接收端直接接收，在第二跳时无需转发。

如图2所示，当信号发送端TX有N根天线，系统有M个单天线中继器RS时，第一跳的信道信息可用(M+1)×N的矩阵H表示，H＝[h_r1，…，h_rM，h_d]^T，其中，向量h_d和h_rm(m＝1，2，…，M)分别对应于从TX到RX的直传路径，以及从TX到第m个RS的中继路径。当TX的各根天线发送信号不相关时，第二跳信道采用正交传输，信道信息可用(M+1)×(M+1)的对角矩阵A表示。如果RX仅处理来自RS的信号，而不合并来自TX的直传信号，则H中不包含向量h_d，A中也没有对直传径信号的第二跳保存。

第二步，对第一跳信道状态信息矩阵H进行奇异值分解，结果为H＝U·S·V^H，将分解出的酉矩阵U反馈至中继端，酉矩阵V反馈至信号发送端，对角矩阵S则被反馈至信号接收端。

第三步，针对发送信号向量t，信号发送端利用反馈结果对发送信号进行预处理，使得发送信号变为V·t。

第四步，中继端获得反馈结果酉矩阵U，先取其共轭转置U^H，再用U^H左乘第一跳的接收信号H·V·t，使接收信号变为S·t。在转发信号之前，各个中继器先归一化其天线上接收信号的功率，然后采用非再生方式，即将信号放大后再向信号接收端转发该信号。

第五步，根据两跳信道状态信息，以及第一跳信道状态信息的奇异值分解结果S，信号接收端可由接收到的信号确定端到端的瞬时信息速率。可通过以下公式确定：

$C=\frac{B}{M+1}{\log }_2\det [I_{M+1}+\frac{E[(A\·S\·t)\·{(A\·S\·t)}^H]}{E[(A\·U^H\·n_1+n_2)\·{(A\·U^H\·n_1+n_2)}^H]}]$

其中，C为系统端到端瞬时信道信息速率，B为系统可用带宽，I_M+1是(M+1)阶的单位阵，E为统计期望值算子符号，由于在某个研究时刻，信道是固定的，因此这里E针对n₁，n₂和t进行操作，n₁和n₂分别是第一跳和第二跳的加性白高斯噪声向量。这里，系统端到端的瞬时信息速率是在某个特定研究时刻，信号从信号发送端经由多个中继器接收并放大后，再转发至信号接收端时，信号接收端所能获得的信息速率；如果信号接收端还合并直接来自信号发送端的信号，那么最终的信息速率将由合并信号确定。

将信号发送端的每根天线设置为相等的发射功率，各中继器所采用的发射功率也相等，如果中继器有多根天线，那么中继器上各天线的功率相等。当TX处各根天线不相关，且各接收单元的噪声不相关时，以系统端到端的瞬时信息速率为优化准则，按照以下公式可计算出第一跳链路分配的功率P₁(0＜P₁≤P₀)：

$\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{-{\mathrm{\γ}}_{1m}{\mathrm{\γ}}_{2m}{P}_1^2-{2\mathrm{\γ}}_{1m}{\mathrm{\γ}}_{3m}{P}_1+{\mathrm{\γ}}_{1m}{\mathrm{\γ}}_{3m}{P}_0}{[-{\mathrm{\γ}}_{1m}{P}_1^2+({\mathrm{\γ}}_{2m}+{\mathrm{\γ}}_{1m}{P}_0)P_1+{\mathrm{\γ}}_{3m}]\·({\mathrm{\γ}}_{2m}{P}_1+{\mathrm{\γ}}_{3m})}+\frac{{\mathrm{\γ}}_0}{1+{\mathrm{\γ}}_0{P}_1}=0$

其中，

s_m为S的对角线元素，g_mn ⁽¹⁾和h_mn ⁽¹⁾分别表示第一跳中从信号发送端的第n根天线到第m个中继器的路径损耗及衰落，g_mm ⁽²⁾和h_mm ⁽²⁾分别对应于第二跳第m条链路(从第m个中继器到信号接收端)的路径损耗和衰落，

和

分别是第一跳和第二跳的噪声功率。给定中继数目M，即可通过求解上述方程并根据功率限制条件确定第一跳链路所分配的功率P₁。

如果RX仅处理来自各中继器RS的信号，而不合并来自TX的直传信号，即H中不包含向量h_d，那么相应的SVD分解结果就会改变，这样上式中γ₀＝0。

第二跳链路分配的功率P₂(0≤P₂＜P₀)可通过下式计算：

                P₂＝P₀-P₁

其中P₀是系统总功率限制，由信号发送端和各中继器的发射功率限制决定。两跳发射功率P₁和P₂的取值还受到各跳信号发送设备的功率限制。

第六步，根据两跳发射功率实际的限制、中继技术的特点以及优化准则，在已计算出的两跳发射功率组合中选择最优解进行反馈。将所分配的第一跳发射功率反馈给信号发送端，所分配的第二跳发射功率反馈至中继端。

图3示出了本发明的自适应功率分配方案和平均功率分配算法，随中继位置在由TX和RX包围的矩形区域内变化时，系统端到端单位带宽信息速率的性能变化曲线。该仿真基于(2，2)的两跳多天线中继系统，即TX有两根发射天线，两个RS各有一根发射天线，RX是单天线的终端。TX位于坐标(0，0)处，RX位于坐标(1，0)处，两个RS在横坐标0～1的范围，纵坐标-0.5～0.5的矩形范围内移动。假设两个RS的距离足够近，有一致的路径损耗，但它们在空间上又保持足够的距离使其各自的多径衰落不相关。此外，直传非中继系统与两跳中继系统消耗的能量相等，功率限制P₀＝2W。

从图3可以看出，虽然两个RS的位置在不断变化，但本发明的自适应功率分配方案在性能上始终优于平均功率分配算法。

图4示出了本发明的自适应功率分配方案，平均功率分配算法以及直传非中继系统，随中继位置在TX和RX连线上变化时，系统端到端单位带宽信息速率的性能变化曲线。功率限制P₀分别取为2W和20W。

从图4可以看出，中继传输的性能在大部分的研究区域要优于直传非中继系统，尤其是在发射功率较低的时候。在中继系统中，不论两个RS的位置如何变化，采用本发明的自适应功率分配方案，性能都将优于采用平均功率分配算法的系统。

需要指出的是，虽然仿真针对的是(2，2)的两跳多天线中继系统，但是由于本发明方案采用的算法及公式本身具有一定的普遍性，因此当应用于信号发送端具有更多天线，系统具有更多联合工作的中继器等其他结构的两跳多天线中继系统时，仍能体现本发明方案的优越性。

综合图例可见，本发明的功率分配方案不仅提高了传输质量，获得了较高的端到端信息速率，还使有限的无线资源得到了有效的利用。另外，本发明方案通过在每跳的发射天线间采用平均功率分配，实现了对算法复杂度和性能增益的折衷考虑，减少了网络信令负荷，性能代价比高，具有较强的实用性。。

尽管参照优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员通过参考说明书实施例和附图可以对本发明做出各种修改和替换，而不会背离本发明的精神和范围。因此这些修改和替换都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于两跳多天线中继系统的功率分配方法，所述两跳多天线中继系统包括信号发送端、多个中继器以及信号接收端，所述信号发送端具有多根发射天线，所述信号接收端具有一根接收天线，所述方法包括步骤：

(1)根据所述两跳多天线中继系统的结构，确定两跳链路的信道状态信息；

(2)对第一跳信道状态信息的矩阵H进行奇异值分解，并向所述信号发送端反馈分解结果矩阵V，向所述多个中继器反馈分解结果矩阵U，以及向所述信号接收端反馈分解结果对角矩阵S；

(3)所述信号发送端利用矩阵V对发送信号t进行预处理，使得发送信号变为V·t；

(4)所述多个中继器利用矩阵U处理所接收的第一跳信号H·V·t，并且向所述信号接收端转发处理后所得到的信号S·t；

(5)所述信号接收端根据两跳链路的信道状态信息以及对角矩阵S，以系统端到端的瞬时信息速率实现最大化为优化准则，计算第一跳链路的发射功率P₁以及第二跳链路的发射功率P₂；

当信号发送端的各根天线不相关，并且各个接收单元的噪声不相关时，按照以下公式可计算出第一跳链路分配的功率P₁，0＜P₁≤P₀：

$\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{-{\mathrm{\γ}}_{1m}{\mathrm{\γ}}_{2m}{P}_1^2-2{\mathrm{\γ}}_{1m}{\mathrm{\γ}}_{3m}{P}_1+{\mathrm{\γ}}_{1m}{\mathrm{\γ}}_{3m}{P}_0}{[-{\mathrm{\γ}}_{1m}{P}_1^2+({\mathrm{\γ}}_{2m}+{\mathrm{\γ}}_{1m}{P}_0)P_1+{\mathrm{\γ}}_{3m}]\·({\mathrm{\γ}}_{2m}{P}_1+{\mathrm{\γ}}_{3m})}+\frac{{\mathrm{\γ}}_0}{1+{\mathrm{\γ}}_0{P}_1}=0$

其中，

N表示信号发送端的天线数量，M表示单天线中继器数量，s_m为S的对角线元素，g_mn ⁽¹⁾和h_mn ⁽¹⁾分别表示第一跳中从信号发送端的第n根天线到第m个中继器的路径损耗及衰落，g_mm ⁽²⁾和h_mm ⁽²⁾分别对应于第二跳第m条链路，即从第m个中继器到信号接收端的路径损耗和衰落，

和

分别是第一跳和第二跳的噪声功率，

所计算的第二跳发射功率P₂，0≤P₂＜P₀，通过下式计算：

                        P₂＝P₀-P₁

其中P₀是系统总功率限制；

(6)将所计算的第一跳发射功率P₁反馈给所述信号发送端，所计算的第二跳发射功率P₂反馈至所述多个中继器，从而实现功率的自适应分配。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中确定的信道状态信息包括确定自由空间的传播损耗、阴影衰落以及多径衰落的存在对信号的影响。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(1)中的第一跳信道状态信息利用(M+1)×N的矩阵H表示，H＝[h_r1，…，h_rM，h_d]^T，

其中向量h_d和h_rm分别对应于从信号发送端到信号接收端的直传路径，以及从信号发送端到第m个中继器的中继路径；

第二跳信道状态信息利用(M+1)×(M+1)的对角矩阵A表示；

其中，m＝1，2，…，M。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)还包括步骤：

所述中继器利用反馈矩阵U的共轭转置U^H左乘所接收的第一跳信号H·V·t，使接收信号变为S·t。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)还包括步骤：

在转发信号之前，各个中继器先归一化其天线上接收信号的功率，然后采用非再生方式，将信号放大后再向所述信号接收端转发所述信号。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述信号发送端中的每根天线的发射功率相等，每个所述中继器所采用的发射功率也相等。

7.根据权利要求6所述的方法，其中在每个所述中继器具有多根天线时，各个天线上的发射功率也相等。

8.根据权利要求6所述的方法，其中在步骤(5)中所述信号接收端根据接收到的信号确定系统端到端的瞬时信息速率C如下：

$C=\frac{B}{M+1}{\log }_2\det [I_{M+1}+\frac{E[(A\·S\·t)\·{(A\·S\·t)}^H]}{E[(A\·U^H\·n_1+n_2)\·{(A\·U^H\·n_1+n_2)}^H]}],$

其中B为系统可用带宽，I_M+1是(M+1)阶的单位阵，E为统计期望值算子符号，n₁和n₂分别是第一跳链路和第二跳链路的加性白高斯噪声向量。

9.根据权利要求8所述的方法，其中P₀由信号发送端和各个中继器的发射功率限制决定。

10.根据权利要求1所述的方法，其中在所述信号接收端还合并直接来自所述信号发送端的信号时，第一跳信道还包括从所述信号发送端的各根天线到信号接收端的直传路径，直传信号在第一跳直接被所述信号接收端接收，在第二跳时无需转发。

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