專利名稱：多天線系統(tǒng)中基于信號(hào)干擾比的功率控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于移動(dòng)通信多輸入多輸出(MIMO)天線技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及平坦瑞利(Rayleigh)慢衰落信道下，多用戶垂直-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)處理(V-BLAST)系統(tǒng)中降低平均誤比特率(BER)的功率控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
V-BLAST收發(fā)系統(tǒng)是目前移動(dòng)通信領(lǐng)域廣泛研究的、提高無(wú)線鏈路傳輸速率和頻譜利用率的有效方法。《國(guó)際電子與電氣工程師協(xié)會(huì)通信快報(bào)》(IEEE Communications Letters，Vol.4，No.11，pp.334-336，Nov.2001)介紹了對(duì)多用戶V-BLAST收發(fā)系統(tǒng)的建模以及頻譜利用率的仿真，并指出，單用戶系統(tǒng)擴(kuò)展到多用戶后，由于信道復(fù)用造成嚴(yán)重的共信道干擾，接收端難以完全抵消干擾。該文章指出多用戶MIMO干擾的嚴(yán)重性，但并沒(méi)有給出解決方法。
功率控制技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域中被用于補(bǔ)償衰落，抑制共信道干擾?！秶?guó)際電子與電氣工程師協(xié)會(huì)移動(dòng)技術(shù)雜志》(IEEE Transaction on Vehicular Technology，vol 42，No.4，pp.466-468，Nov.1993)中提出了一種適用于單入單出(SISO)天線系統(tǒng)的集中式功率控制方法。但該文章的方法是基于SISO天線系統(tǒng)提出的，沒(méi)有在MIMO天線系統(tǒng)里的論述；V-BLAST系統(tǒng)干擾嚴(yán)重，需要改善BER的技術(shù)，但該文章里沒(méi)有涉及到功率控制對(duì)BER的改善。
技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明提出一種適用于多用戶的多天線系統(tǒng)中基于信號(hào)干擾比(SIR)的功率控制方法，以克服多用戶的多天線系統(tǒng)共信道干擾嚴(yán)重的問(wèn)題，達(dá)到在頻譜利用率不降低的前提下，降低接收端平均BER的目的。
本發(fā)明多天線系統(tǒng)中基于信號(hào)干擾比的功率控制方法，包括在接收端計(jì)算W矩陣，將接收信號(hào)表示為λP＝WP的形式，求解W矩陣的絕對(duì)值最大的特征值λ*，以及λ*對(duì)應(yīng)的特征向量P*；其特征在于多用戶的蜂窩多天線系統(tǒng)采用時(shí)分多址接入方式，在平坦瑞利慢衰落信道下，在接收端計(jì)算多天線系統(tǒng)的矩陣W，W是Q×Q的矩陣，Q為共信道小區(qū)數(shù)目，W矩陣的元素Wij=Gij||Hij||2Gii||Hii||2,j≠i0,j=i,]]>Gij、Gii分別表示小區(qū)j的移動(dòng)臺(tái)、小區(qū)i的移動(dòng)臺(tái)到小區(qū)i的基站的大尺度衰落因子，Hij、Hii的元素是獨(dú)立同分布，幅度歸一化的復(fù)高斯信號(hào)， 1≤j≤Q,]]>將W代入公式λP＝WP，計(jì)算得到W矩陣的絕對(duì)值最大的特征值λ*，P*為對(duì)應(yīng)λ*的特征向量，P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T]]>即功率控制后的發(fā)射功率，該發(fā)射功率通過(guò)反饋信道從接收端反饋給發(fā)送端，小區(qū)i的移動(dòng)臺(tái)在發(fā)送端對(duì)信號(hào)乘以功率Pi*發(fā)送，1≤i≤Q，移動(dòng)臺(tái)的M根發(fā)送天線均分功率，即各個(gè)天線發(fā)射功率為Pi*/M。
在下面的敘述中，為方便表達(dá)，小區(qū)i的移動(dòng)臺(tái)和基站分別用移動(dòng)臺(tái)i和基站i表示。本發(fā)明中使用以下運(yùn)算符號(hào)(□)H表示轉(zhuǎn)置共軛，|□|2表示絕對(duì)值平方，‖□‖2表示矢量或者矩陣的二階范數(shù)，E[□]表示均值運(yùn)算，Ex[□]表示對(duì)發(fā)送信號(hào)x取均值。
本發(fā)明多天線系統(tǒng)中基于信號(hào)干擾比的功率控制方法所依據(jù)的原理是基站根據(jù)移動(dòng)臺(tái)不同的信號(hào)環(huán)境計(jì)算優(yōu)化的發(fā)送功率值，并且反饋給移動(dòng)臺(tái)，移動(dòng)臺(tái)可以按照信道的變化調(diào)整發(fā)送功率；從系統(tǒng)的角度出發(fā)，平衡每個(gè)基站接收到的信號(hào)干擾比，能夠有效抑制共信道干擾，降低平均的接收誤比特率。
多天線系統(tǒng)的多個(gè)用戶采用時(shí)分多址接入(TDMA)，由于主要干擾來(lái)自共信道小區(qū)，所以不考慮鄰信道小區(qū)的干擾和接收端的噪聲。每個(gè)時(shí)刻小區(qū)內(nèi)最多只有一個(gè)移動(dòng)臺(tái)和基站通信，發(fā)射端用M根天線，接收端用N根天線，接收端采用V-BLAST檢測(cè)算法，這樣構(gòu)成一個(gè)TDMA方式下的多用戶V-BLAST系統(tǒng)。每個(gè)移動(dòng)臺(tái)和基站構(gòu)成一個(gè)V-BLAST收發(fā)系統(tǒng)。
基站i的接收信號(hào)在忽略噪聲時(shí)表達(dá)式為ri=Pi/MGiiHiixi+Σj=1j≠iQPi/MGijHijxj=Di+Ii---(1)]]>Pi表示移動(dòng)臺(tái)i的發(fā)射功率，Pj表示移動(dòng)臺(tái)j的發(fā)射功率，M為移動(dòng)臺(tái)發(fā)射天線數(shù)目，Gij、Gii分別表示移動(dòng)臺(tái)j、移動(dòng)臺(tái)i到基站i的大尺度衰落因子，Q表示總的共信道數(shù)目， Hij、Hii矩陣的元素是獨(dú)立同分布，幅度歸一化的復(fù)高斯信號(hào)，xi＝[x1i，x2i，...，xMi]T、xj＝[x1j，x2j，...，xMj]T分別表示移動(dòng)臺(tái)i、移動(dòng)臺(tái)j的發(fā)送信號(hào)，Di和Ii分別表示接收到的目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)，Di和Ii都是0均值的信號(hào)，具體表述為Di=Pi/MGiiHiixi---(2)]]>Ii=Σj=1j≠iQPj/MGijHijxj---(3)]]>由(2)、(3)可以得到Pi,Desire=Ex[DiHDi]=PiMGiiEx[xiHHiiHHiixi]=PiMGii||Hii||2=PiMGiiχ2MN,ii2---(4)]]>Pi,Inter=Ex[IiHIi]=Ex[(Σj=1j≠iQPj/MGijHijxj)H(Σj=1j≠iQPj/MGijHijxj)]---(5)]]>=Σj=1j≠iQPjMGij||Hij||2=Σj=1j≠iQPjMGijχ2MN,ij2]]>其中Pi，Desire和Pi，Inter分別表示基站i接收到的目標(biāo)信號(hào)的能量和干擾信號(hào)的能量，Ex[□]表示在Block長(zhǎng)度內(nèi)，對(duì)發(fā)送信號(hào)取集平均，x2MN，ii2、x2MN，ij2均表示自由度是2MN的卡方變量。信號(hào)干擾比定義為目標(biāo)信號(hào)能量比上干擾信號(hào)能量，可以得到多用戶V-BLAST系統(tǒng)中基站i的接收SIR，SIRi=Pi,DesirePi,Inter=PiMGiiχ2MN,ii2Σj=1j≠iQPjMGijχ2MN,ij2=PiΣj=1j≠iQPjGijχ2MN,ij2Giiχ2MN,ii2---(6)]]>為了簡(jiǎn)化表達(dá)，令Wij=Gijχ2MN,ij2Giiχ2MN,ii2,j≠i0,j=i---(7)]]>將(7)代入(6)，得到簡(jiǎn)化的SIR表達(dá)式SIRi=PiΣj=1QPjWij---(8)]]>定義Q×Q的矩陣W，其元素為(7)定義的值。矩陣?yán)碚撝杏邢旅娴亩ɡ怼?br> 定理設(shè)W是一個(gè)Q×Q的非負(fù)不可約矩陣，特征值{λi}i＝1Q。
1)W唯一存在一個(gè)實(shí)特征值λ*，有λ*=max{|λi|}i=1Q;]]>2)對(duì)應(yīng)λ*的特征向量P*的每個(gè)元素有相同的符號(hào)，即同正或者同負(fù)，如果P*全負(fù)，可以在λ*P*＝WP*兩邊把符號(hào)約去，那么我們可以得到全正的P*，即恒有P*≥o，o為全0向量，P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T]]>的元素分別代表M個(gè)移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率，下標(biāo)對(duì)應(yīng)用戶標(biāo)號(hào)；3)滿足λP≥WP的最小實(shí)數(shù)λ在P*≥o條件下的解是λ＝λ*；4)滿足λP≤WP的最大實(shí)數(shù)λ在P*≥o條件下的解是λ＝λ*。
表達(dá)式A≥B或者A≤B表示矩陣A的元素大于等于或者小于等于B的對(duì)應(yīng)元素。
下面給出W滿足上述定理?xiàng)l件的證明引理證明W是非負(fù)不可約矩陣。
證明由W的定義可知，除去對(duì)角線元素為0，其余元素為正數(shù)。Q×Q矩陣W可約的定義是，存在轉(zhuǎn)置矩陣B，BABT=CDOE,]]>左下角的O表示全零矩陣，需要W至少有某行有多于兩個(gè)零元素，才可能構(gòu)成可約矩陣。在公式(6)中給出矩陣W每個(gè)元素的表達(dá)式，除了對(duì)角線元素為0，非對(duì)角線元素Gijχ2MN,ij2Giiχ2MN,ii2,]]>其中大尺度衰落因子Gij、Gii為正數(shù)，卡方變量x2MN，ij2、x2MN，ii2分別表示信道傳遞函數(shù)Hij、Hii的二階范數(shù)的平方，Hij、Hii為0是沒(méi)有物理意義的，所以x2MN，ij2、x2MN，ii2恒為正數(shù)，從而W矩陣每行有且僅有一個(gè)0元素，為非負(fù)不可約的。
根據(jù)集中式功率控制方法，假設(shè)W完全已知，從定理1求出特征值λ*，得到相應(yīng)特征向量P*，P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T.]]>由于W矩陣是在接收端得到的，所以λ*和P*也是在接收端計(jì)算出的值，需要通過(guò)反饋信道將P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T]]>反饋給各個(gè)移動(dòng)臺(tái)，移動(dòng)臺(tái)i按照P*的第i個(gè)元素Pi*值發(fā)送功率，使得接收端達(dá)到平衡的SIR*。


圖1是單用戶V-BLAST系統(tǒng)框圖；圖2是1/3小區(qū)復(fù)用的多用戶V-BLAST系統(tǒng)示意圖；
圖3是1/3小區(qū)復(fù)用使用功率控制與不使用功率控制的性能比較圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合

本發(fā)明的實(shí)施例。
實(shí)施例1本實(shí)施例應(yīng)用于多用戶V-BLAST系統(tǒng)，采用時(shí)分多址接入(TDMA)方式，由于主要干擾來(lái)自共信道小區(qū)，所以不考慮鄰信道小區(qū)的干擾和接收端的噪聲。每個(gè)時(shí)刻小區(qū)內(nèi)最多只有一個(gè)移動(dòng)臺(tái)和基站通信，發(fā)射端用M根天線，接收端用N根天線，接收端采用V-BLAST檢測(cè)算法，這樣構(gòu)成一個(gè)TDMA方式下的多用戶V-BLAST系統(tǒng)。移動(dòng)臺(tái)和基站的收發(fā)結(jié)構(gòu)為圖1所示的單用戶V-BLAST系統(tǒng)的收發(fā)結(jié)構(gòu)。如圖1所示，移動(dòng)臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)1經(jīng)過(guò)發(fā)送基帶處理單元2，通過(guò)多根發(fā)射天線的射頻處理模塊3將基帶信號(hào)調(diào)制到射頻信號(hào)，發(fā)送到無(wú)線信道4，信道4為瑞利慢衰落信道，發(fā)送信號(hào)通過(guò)信道4之后被多根接收天線的射頻處理模塊5接收，所有接收信號(hào)被送到接收端的基帶處理單元6，得到輸出7，接收端根據(jù)測(cè)量的SIR在6計(jì)算得到調(diào)整后的功率值，通過(guò)反饋信道8反饋給發(fā)送端2。發(fā)送天線M根，接收天線N根，多個(gè)發(fā)送端信號(hào)之間是不相關(guān)的。
基站i的接收信號(hào)表達(dá)式，忽略噪聲，為ri=Pi/MGiiHiixi+Σj=1j≠iQPj/MGijHijxj=Di+Ii---(1)]]>Pi表示移動(dòng)臺(tái)i的發(fā)射功率，Pj表示移動(dòng)臺(tái)j的發(fā)射功率，M為移動(dòng)臺(tái)發(fā)射天線數(shù)目，Gij、Gii分別表示移動(dòng)臺(tái)j、移動(dòng)臺(tái)i到基站i的大尺度衰落因子，Q表示總的共信道數(shù)目， Hij、Hii矩陣的元素是獨(dú)立同分布，幅度歸一化的復(fù)高斯信號(hào)，xi＝[x1i，x2i，...，xMi]T、xj＝[x1j，x2j，...，xMj]T分別表示移動(dòng)臺(tái)i、移動(dòng)臺(tái)j的發(fā)送信號(hào)，Di和Ii分別表示接收到的目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)，Di和Ii都是0均值的信號(hào)，具體表述為Di=Pi/MGiiHiixi---(2)]]>Ii=Σj=1j≠iQPj/MGijHijxj---(3)]]>由(2)、(3)可以得到
Pi,Desire=Ex[DiHDi]=PiMGiiEx[xiHHiiHHiixi]=PiMGii||Hii||2=PiMGiiχ2MN,ii2---(4)]]>Pi,Inter=Ex[IiHIi]=Ex[(Σj=1j≠iQPj/MGijHijxj)H(Σj=1j≠iQPj/MGijHijxj)]---(5)]]>=Σj=1j≠iQPjMGij||Hij||2=Σj=1j≠iQPjMGijχ2MN,ij2]]>其中Pi，Desire和Pi，Inter分別表示基站i接收到的目標(biāo)信號(hào)的能量和干擾信號(hào)的能量，Ex[□]表示在Block長(zhǎng)度內(nèi)，對(duì)發(fā)送信號(hào)取集平均，x2MN，ii2、x2MN，ij2均表示自由度是2MN的卡方變量。信號(hào)干擾比定義為目標(biāo)信號(hào)能量比上干擾信號(hào)能量，可以得到多用戶V-BLAST系統(tǒng)中基站i的接收SIR，SIRi=Pi,DesirePi,Inter=PiMGiiχ2MN,ii2Σj=1j≠iQPjMGijχ2MN,ij2=PiΣj=1j≠iQPjGijχ2MN,ij2Giiχ2MN,ii2---(6)]]>為了簡(jiǎn)化表達(dá)，令Wij=Gijχ2MN,ij2Giiχ2MN,ii2,j≠i0,j=i---(7)]]>將(7)代入(6)，得到簡(jiǎn)化的SIR表達(dá)式SIRi=PiΣj=1QPjWij---(8)]]>定義Q×Q的矩陣W，其元素為公式(7)定義的值。按照λP＝WP計(jì)算出矩陣W最大絕對(duì)值的特征值λ*和對(duì)應(yīng)的特征向量P*，將P*通過(guò)反饋信道反饋給移動(dòng)臺(tái)，移動(dòng)臺(tái)i按照總功率Pi*發(fā)送信號(hào)能量，每根天線發(fā)射功率為Pi*/M。本發(fā)明討論的是慢衰落信道，信道特性在數(shù)據(jù)塊(Block)內(nèi)不變，Block間可變，相應(yīng)的，W矩陣和發(fā)送功率也是在Block內(nèi)不變，Block間可變。本方法的優(yōu)點(diǎn)是，充分利用接收端信道信息，根據(jù)接收端的SIR值，調(diào)整移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率，而不作功率控制的系統(tǒng)，各個(gè)移動(dòng)臺(tái)以相同功率發(fā)送，沒(méi)有考慮接收端的不同接收性能。
在方法的分析中，使用通用的V-BLAST系統(tǒng)通信模型，因而本方法適用于不同小區(qū)復(fù)用因子，同樣適用于任意的發(fā)送天線數(shù)目和任意的接收天線數(shù)目，接收天線多于發(fā)送天線。
為了具體的說(shuō)明本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)，給出計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。仿真采用圖2的蜂窩結(jié)構(gòu)，存在三個(gè)鄰信道小區(qū)9、10和11，頻率復(fù)用為1/3。7個(gè)共信道小區(qū)9，分別標(biāo)記為9(1)-9(7)，記為Q＝7。歸一化小區(qū)半徑R＝1，路徑衰減因子α＝4，正態(tài)陰影衰落σ2＝8dB。移動(dòng)臺(tái)在各自小區(qū)內(nèi)均勻分布。發(fā)射天線M，接收天線N，比較(M，N)組合為(1，1)，(4，6)下的BER性能。每根天線的發(fā)送功率為移動(dòng)臺(tái)的總功率除以發(fā)送天線數(shù)目。發(fā)送信號(hào)1經(jīng)過(guò)2的串并轉(zhuǎn)換，無(wú)信道編碼，調(diào)制方式采用格雷編碼的4相移鍵控(QPSK)，調(diào)制星座點(diǎn)集合相同。調(diào)制后的符號(hào)被送到射頻處理模塊3發(fā)射到無(wú)線信道4。信道4的特性每個(gè)塊(Block)內(nèi)穩(wěn)定，塊間可變，Block定義為100符號(hào)(Symbol)長(zhǎng)，用20Symbol傳導(dǎo)頻信號(hào)(Pilot)，80Symbol傳用戶數(shù)據(jù)。假設(shè)接收端理想信道估計(jì)，忽略估計(jì)誤差。接收模塊5將接收到的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶，送到接收基帶處理單元6。6對(duì)接收到的基帶信號(hào)采用迫零方法加優(yōu)化順序的串行干擾抵消(ZF-OSIC)，恢復(fù)出發(fā)送信號(hào)，得到輸出7。Q個(gè)移動(dòng)臺(tái)同時(shí)發(fā)送，每個(gè)基站接收到來(lái)自Q-1個(gè)干擾小區(qū)的信號(hào)。
按照公式(1)-(8)的定義，計(jì)算基站接收到的SIR值，Ex[□]表示在Block時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)取集平均。按照(7)求出W矩陣，由λP＝WP計(jì)算出λ*和對(duì)應(yīng)的P*，將P*的元素通過(guò)反饋信道反饋給移動(dòng)臺(tái)，移動(dòng)臺(tái)i按照總功率Pi*發(fā)送信號(hào)能量，每根天線發(fā)射功率為Pi*/M。依照上面步驟，得到如圖3所示的數(shù)值仿真結(jié)果。橫坐標(biāo)為共信道小區(qū)的標(biāo)號(hào)，標(biāo)號(hào)1-7分別對(duì)應(yīng)圖2中的小區(qū)9(1)-9(7)，縱坐標(biāo)為平均BER。曲線A表示8PSK調(diào)制的(4，6)MIMO系統(tǒng)，曲線B表示使用BPSK調(diào)制的(1，1)SISO系統(tǒng)，曲線C表示8PSK調(diào)制并且使用本發(fā)明的功率控制方法的(4，6)MIMO系統(tǒng)。假設(shè)符號(hào)傳輸速率為1Symbol/s/Hz對(duì)(1，1)的SISO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，使用BPSK調(diào)制，頻譜利用率為1bps/Hz；而對(duì)于(4，6)的MIMO系統(tǒng)，使用8PSK調(diào)制，頻譜利用率為4*3＝12bps/Hz，比SISO系統(tǒng)提高了12倍！從圖3看出，A曲線的BER高于B曲線，而C曲線普遍低于B曲線，這充分體現(xiàn)了本發(fā)明在MIMO系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)。由于功率控制的使用，在干擾嚴(yán)重的小區(qū)9(1)內(nèi)，(4，6)的MIMO系統(tǒng)的平均BER下降了將近5倍。
權(quán)利要求
1.一種多天線系統(tǒng)中基于信號(hào)干擾比的功率控制方法，包括在接收端計(jì)算W矩陣，將接收信號(hào)表示為λP＝WP的形式，求解W矩陣的絕對(duì)值最大的特征值λ*，以及λ*對(duì)應(yīng)的特征向量P*；其特征在于多用戶的蜂窩多天線系統(tǒng)采用時(shí)分多址接入方式，在平坦瑞利慢衰落信道下，在接收端計(jì)算多天線系統(tǒng)的矩陣W，W是Q×Q的矩陣，Q為共信道小區(qū)數(shù)目，W矩陣的元素 Gij、Gii分別表示小區(qū)j的移動(dòng)臺(tái)、小區(qū)i的移動(dòng)臺(tái)到小區(qū)i的基站的大尺度衰落因子，Hij、Hii的元素是獨(dú)立同分布，幅度歸一化的復(fù)高斯信號(hào)， 1≤j≤Q，將W代入公式λP＝WP，計(jì)算得到W矩陣的絕對(duì)值最大的特征值λ*，P*為對(duì)應(yīng)λ*的特征向量，P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T]]>即功率控制后的發(fā)射功率，該發(fā)射功率通過(guò)反饋信道從接收端反饋給發(fā)送端，小區(qū)i的移動(dòng)臺(tái)在發(fā)送端對(duì)信號(hào)乘以功率Pi*發(fā)送，1≤i≤Q，移動(dòng)臺(tái)的M根發(fā)送天線均分功率，即各個(gè)天線發(fā)射功率為Pi*/M。
全文摘要
本發(fā)明多天線系統(tǒng)中基于信號(hào)干擾比的功率控制方法，特征是，在接收端計(jì)算Q×Q矩陣W，其元素見(jiàn)上式,代入公式λP＝WP，計(jì)算W矩陣絕對(duì)值最大的特征值λ
文檔編號(hào)H04B7/005GK1635715SQ200310125418
公開(kāi)日2005年7月6日 申請(qǐng)日期2003年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月31日
發(fā)明者趙昆, 邱玲, 朱近康 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)