CN1862985A - 多信道多天线系统中已知信道信息的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信领域中多信道多天线系统中已知信道信息的功率分配方法，把最大信噪比要求进行由高到低排序，使其和特征值的高低顺序一致；在所有的特征模式上进行灌水功率分配；如果存在分配的功率大于满足最大信噪比所需最大功率的特征模式，就把最大所需功率分配给此特征模式，然后用剩余的总功率在其余的特征模式中使用灌水重新分配；如果所分配功率满足每个特征模式都没有超过最大功率需求，则分配结束，否则继续利用灌水规则进行功率分配。本发明克服了现有技术存在的因最大信噪比要求低/高的数据流在特征值高/低的子信道上传输造成的功率分配无法接近灌水功率分配、系统容量无法达到最优的缺点。

Description

多信道多天线系统中已知信道信息的功率分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及多信道多天线(即多输入多输出，MIMO，Multiple-Input，Multiple-Output)无线通信系统中最大化信道容量的功率资源分配方法。

背景技术

MIMO技术在不增加带宽的情况下可以成倍提高通信系统的容量和频谱利用率，将是下一代无线通信系统中的关键技术。MIMO系统在发射端和接收端均采用多个天线，在这多个发射天线和多个接收天线之间形成多个并行空间子信道，利用这些信道传输数据，可以提高数据信号质量或传输速率，从而实现较高的通信系统容量和频谱利用率。

目前已经有许多文献讨论了多天线系统中的功率分配问题。虽然MIMO系统通过奇异值分解(SVD)可以实现多个空间子信道(与特征模式相对应)的独立并行传输，可以在不同的空间子信道上传输不同的独立数据流。但是，对于每个数据流而言都有一个实现最大数据数率所需的不同的最大信噪比(SNR)要求，达到最大SNR后，传输信道将处于饱和状态，分配更多的功率给这个信道对系统的性能和容量而言都是没有意义的。朗讯贝尔实验室的I.Emre Telatar在“Capacity of multi-antenna Gaussian channels”(EuropeTransactions on Telecommunications，Vol.10，No.6，pp.585-595，Nov.-Dec.1999)中研究了多天线高斯信道的容量问题，结果表明，在系统知道完全的信道状态信息(CSI)时，多天线高斯信道系统容量的最优功率分配是灌水功率分配(water-filling power allocation)，该方法给出了在完全CSI条件下，实现最优信道容量的功率分配方法，但是没有考虑具有SNR要求的功率分配。美国高通公司在专利申请(申请号为US 2003/0072379)“多输入多输出通信系统中决定功率分配的方法和装置(Method andapparatus for determining power allocation in a MIMO communicationsystem)”中，考虑每个天线具有有限功率的MIMO通信系统，设计了一个给每个发射天线的每个OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)载频确定能量水平分配的方法和装置，该方法主要解决每个天线都有发射功率限制，或者不能使用波束成形时每个发射天线上子载波发射功率的最优分配，并使用迭代方法求解，应用Newton-Raphson方法求解非线性方程，该方法虽然考虑了每个天线具有最大功率约束的条件下功率分配的方法，但没有考虑信道具有SNR要求的功率分配方案。在美国高通公司另外一件专利申请(申请号为US 2003/0139196)“完全信道状态信息多输入多输出系统中多余功率的再分配(Reallocation of excess power for fullchannel-state information(CSI) multiple-input multipie-output(MIMO)systems)”中，给出了在多信道通信系统中分配总发射功率从而实现更高频谱效率的技术。该方法中，初始总发射功率分配是基于一个特定的功率分配方案(如灌水功率)，这样的分配可能导致分配一些有SNR(如实现最大数据速率所需的SNR。Signal-Noise Ratio，信噪比)需求的信道更多的功率，从而使得传输信道处于饱和区域。因而有必要重新分配处于饱和区域的多余发射功率给其他低于饱和区域的信道，从而使得较差的传输信道可以获得更高的数据速率，但不牺牲较好传输信道的性能。该方法虽然考虑了具有最大SNR要求的功率分配方法，但并没有把最大SNR要求和信道的特征值联合起来考虑，没有达到最大化系统容量的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的因最大SNR要求低/高的数据流在特征值高/低的子信道上传输造成的功率分配无法接近灌水功率分配、系统容量无法达到最优的缺点，以期提出一种能够避免最大SNR要求低/高的数据流在特征值高/低的子信道上传输、使得功率分配更加接近灌水功率分配的多信道多天线系统中已知信道信息的功率分配方法。

本发明所述多信道多天线系统中已知信道信息的功率分配方法包括以下步骤：

把最大SNR要求进行由高到低排序，使其和特征值的高低顺序一致；

在所有的特征模式上进行灌水功率分配；

如果存在分配的功率大于满足最大SNR所需最大功率的特征模式，就把最大所需功率分配给此特征模式，然后用剩余的总功率在其余的特征模式中使用灌水重新分配；

如果所分配功率满足每个特征模式都没有超过最大功率需求，则分配结束，否则继续利用灌水规则进行功率分配。

本发明所述方法充分考虑了MIMO系统中每个空间并行子信道具有不同的最大SNR要求的高频谱效率，由于多个信道是并行独立传输的，每个数据流由哪个信道进行传输可根据最大SNR要求决定，最大SNR要求较高的数据流在特征值较高的信道上传输，这样可以避免最大SNR要求低/高的数据流在特征值高/低的子信道上传输，进而使得功率分配更加接近灌水功率分配，因而系统容量是最优的。

附图说明

图1是本发明所述方法工作流程图。

图2是在本发明所述方法中根据最大SNR要求排序示意图。

图3是本发明所述方法应用的MIMO系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明所述方法作进一步说明。

功率分配是在多天线(MIMO)无线通信系统中无线资源优化的一个重要方法，也是提高系统信道容量的重要手段。本发明给出了在MIMO系统中每个并行空间子信道具有不同的最大信噪比(SNR)需求条件下的最优功率分配方法。该功率分配方法在不牺牲好的传输信道的传输质量的前提下获得了接近灌水功率分配的最优的信道容量。

本发明包括如图1所示的几个基本步骤。

步骤101：初始化最大发射功率P_T，信道响应矩阵H，进行特征模式分解，确定特征值λ及待功率分配的特征模式集合F，集合G＝Φ(Φ为空集)，集合G＝F-G，迭代次数k＝0；

步骤102：将每个子信道所需最大SNR  γ _i ^max由高到低进行排序，排序后的γ_i ^max和特征模式相对应，参见图2；

步骤103：k＝k+1，集合 G中，在总功率P_T下使用灌水功率分配方法为每个特征模式分配功率P_i(k)；

步骤104：如果对于集合F中的每个特征模式都有P_i(k)＜＝P_i ^max，则转步骤107；否则，转步骤105；

步骤105：把集合 G中满足P_i(k)＞＝P_i ^max的特征模式加入集合G，分配功率给集合G使得其中每个特征模式的功率为最大功率，即P_j(k)＝P_j ^max(j∈G)；则总剩余功率为 $P_T=P_T-\underset{j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{P}_j^{\max },$ 更新集合 G；

步骤106：如果 G＝Φ，则转步骤7；否则，转步骤103；

步骤107：功率分配过程结束。

本发明所述方法中具体的MIMO系统结构如图3所示。考虑MIMO通信系统具有N个发射天线和M个接收天线，描述发射天线和接收天线之间的信道响应矩阵H可以表示为：

$H=\left[\begin{array}{ccc}{h}_{11}& K& h_{1N}\\ M& O& M\\ h_{M1}& L& h_{\mathrm{MN}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，h_ij是第i个发射天线和第j个接收天线之间的复增益。MIMO系统模型可以表示为：

           y＝Hx+n                       (2)

其中，x是发射信号向量，y是接收信号向量，n是附加白高斯噪声，其均值为0，方差为η²I。

对信道响应矩阵进行奇异值分解为：

           H＝UAV^H                               (3)

其中，U是M×M的酉矩阵，A是M×N的矩阵，V是N×N的酉矩阵，[·]^H指矩阵的共轭转置。矩阵A的对角元素是矩阵B＝H^HH的特征值λ_i(1≤i≤L)的平方根。

奇异值分解(305)把信道响应矩阵H分解为两个酉矩阵U和V以及对角阵A，矩阵A描述了MIMO信道的特征模式，对应于空间子信道。信号向量s在从MIMO信道发射前乘以矩阵V(303)，在接收时再乘以矩阵U^H(304)，这样得到一个接收恢复向量r，表示为：

$r=U^H\mathrm{HVs}+U^{H}n$

这样，MIMO信道就被分解为了L个独立、无相互干扰、正交、并行的信道，即MIMO信道空间子信道。空间子信道i或特征模式i的增益等于特征值λ_i。接收机对信道响应矩阵H进行估计，然后反馈给发射端(306)，从而发射端利用信道响应矩阵信息H对MIMO信道进行对角化，获得L个独立正交空间子信道。

设MIMO系统总的发射功率为P_T。一个最大化系统容量的功率分配方法为灌水功率分配，即把全部发射功率分配给L个特征模式对应的空间子信道，具有较大的模式奇异值的信道分配给较高的功率。信道i分配的功率可以表示为：

$P_i={[\mathrm{\μ}-\frac{{\mathrm{N\η}}^2}{P_T{\mathrm{\λ}}_i}]}^{+},$ 其中[a]⁺表示max(0，a)                               (5)

选择μ使得

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{P}_i=P_T---\left(6\right)$

基于分配的发射功率，则特征模式i的有效信噪比γ_i为

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{P_i}{{\mathrm{\η}}^2}{\·\mathrm{\λ}}_i---\left(7\right)$

则L个空间子信道的容量为

$C=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_i)---\left(8\right)$

设每个特征模式i的频谱效率为

δ_i＝log₂(1+γ_i)                                     (9)

设空间子信道i所需最大的SNR为γ_i ^max，则空间子信道i所需最大功率为

$P_i^{\max }=\frac{{\mathrm{\γ}}_i^{\max }{\mathrm{\η}}^2}{{\mathrm{\λ}}_i}---\left(10\right)$

本实施例中，假设系统发射天线数目N和接收天线数目M分别为N＝M＝4，特征模式数目L＝4，特征模式值分别为λ₁＝2.4，λ₂＝1.0，λ₃＝0.4，λ₄＝0.2。设每个发射天线的峰值发射功率归一化为P_m＝1，则发射机总的最大发射功率P_T＝4×1＝4，接收机噪声方差η²＝0.0316，每个子信道所需的最大SNR反馈给发送端(307)，分别为 γ ₁ ^max＝39.8107＝16dB， γ ₂ ^max＝15.8489＝12dB， γ ₃ ^max＝63.0957＝18dB， γ ₄ ^max＝25.1189＝14dB。

(A)灌水功率分配

P₁(1)＝1.0573，P₂(1)＝1.0388，P₃(1)＝0.9914，P₄(1)＝0.9124。

相应的SNR为：γ₁＝80.3013，γ₂＝32.8734，γ₃＝12.5494，γ₄＝5.7747。

系统容量为：

C＝6.3452+5.0821+3.7602+2.7602＝17.9476。

(B)本发明的功率分配

首先对最大SNR要求进行排序，由高到低的顺序为3、1、4、2。则

γ₁ ^max＝ γ ₃ ^max＝18dB，γ₂ ^max＝ γ ₁ ^max＝16dB，

γ₃ ^max＝ γ ₄ ^max＝14dB，γ₄ ^max＝ γ ₂ ^max＝12dB。

进行灌水功率分配，分配的P_i(1)参见(A)。

则处于饱和区域的只有特征模式1，即G＝{1}

P₁(2)＝P₁ ^max＝63.0957×0.0316/2.4＝0.8308

ΔP＝P₁(1)-P₁ ^max＝1.0573-0.8308＝0.2265

重新分配功率，有

P₂(2)＝1.1143，P₃(2)＝1.0669，P₄(2)＝0.9879。

相应的SNR为：γ₂＝35.2627，γ₃＝13.5051，γ₄＝6.2525。

每个特征模式的SNR均小于其最大值，分配结束。重新排序的信息发送给接收端(308)。

系统容量为：

C＝6.0022+5.1804+3.8585+2.8585＝17.8996。

(C)现有技术3的功率分配(不对最大SNR要求进行排序)

特征模式1和2处于饱和区域，则需要重新分配，G＝{1，2}

P₁(2)＝P₁ ^max＝39.8107×0.0316/2.4＝0.5242；

P₂(2)＝P₂ ^max＝15.8489×0.0316/1.0＝0.5008；

ΔP＝(P₁(1)-P₁ ^max)+(P₂(1)-P₂ ^max)＝(1.0573-0.5242)+(1.0388-0.5008)＝1.0711。

重新分配功率，有

P₃(2)＝1.5270，P₄(2)＝1.4480。

相应的SNR为：

γ₃＝19.3291，γ₄＝9.1646。

均小于最大SNR，功率分配结束。

功率分配为：

P₁(2)＝0.5242，P₂(2)＝0.5008，P₃(2)＝1.5270，P₄(2)＝1.4480。

SNR为：

γ₁＝39.8107，γ₂＝15.8489，γ₃＝19.3291，γ₄＝9.1646。

系统容量为：

C＝5.3509+4.0746+4.3455+3.3455＝17.1165

结果表明：同不进行最大SNR要求排序的功率分配方相比，本发明给出的功率分配方法实现了在不牺牲好的子信道传输的条件下非常接近灌水功率分配方法的最优信道容量。

Claims (4)

1、一种多信道多天线系统中已知信道信息的功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

把最大信噪比要求进行由高到低排序，使其和特征值的高低顺序一致；

在所有的特征模式上进行灌水功率分配；

如果存在分配的功率大于满足最大信噪比所需最大功率的特征模式，就把最大所需功率分配给此特征模式，然后用剩余的总功率在其余的特征模式中使用灌水重新分配；

如果所分配功率满足每个特征模式都没有超过最大功率需求，则分配结束，否则继续利用灌水规则进行功率分配。

2、根据权利要求1所述的多信道多天线系统中已知信道信息的功率分配方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：

步骤101：初始化最大发射功率P_T，信道响应矩阵H，进行特征模式分解，确定特征值λ及待功率分配的特征模式集合F，集合G＝Φ，集合 G＝F-G，迭代次数k＝0；

步骤102：将每个子信道所需最大信噪比 Y _i ^max由高到低进行排序，排序后的Y_i ^max和特征模式相对应；

步骤103：k＝k+1，集合 G中，在总功率P_T下使用灌水功率分配方法为每个特征模式分配功率P_i(k)；

步骤104：如果对于集合F中的每个特征模式都有P_i(k)＜＝P_i ^max，则转步骤107；否则，转步骤105；

步骤105：把集合 G中满足P_i(k)＞＝P_i ^max的特征模式加入集合G，分配功率给集合G使得其中每个特征模式的功率为最大功率，即P_j(k)＝P_j ^max(j∈G)；则总剩余功率为 $P_T=P_T-\underset{j\∈G}{\mathrm{\Σ}}{P}_j^{\max },$ 更新集合 G；

步骤106：如果 G＝Φ，则转步骤7；否则，转步骤103；

步骤107：功率分配过程结束。

3、根据权利要求2所述的多信道多天线系统中已知信道信息的功率分配方法，其特征在于，Φ为空集。

4、根据权利要求1所述的多信道多天线系统中已知信道信息的功率分配方法，其特征在于，每个多信道多天线空间子信道具有不同的最大信噪比要求。

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