專利名稱：增量迭代功率分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供了一種功率分配方法，特別是一種在時變信道多用戶下行鏈路系統(tǒng) 中，能跟蹤信道狀態(tài)變化進行實時更新、保持高性能、降低計算復(fù)雜度的功率分配方法。
背景技術(shù)：
提高信道容量，高效率利用資源是無線通信的目標(biāo)之一。在多用戶蜂窩通信系 統(tǒng)下行鏈路中，基站往往要與多個用戶同時進行通信，而它的發(fā)射功率是有限的，因此，一 個重要的問題是如何將有限的發(fā)射功率分配給各個用戶以盡可能達(dá)到最大的系統(tǒng)容量。 Palomar等用Game-Theoretic證明，在發(fā)送端對信道狀態(tài)信息一無所知的情況下，等功率 分配的策略是最佳的選擇，但系統(tǒng)性能受限于信道條件最差的用戶子信道。而當(dāng)發(fā)射端通 過反饋信道得到信道狀態(tài)信息時，Goldsmith與Varaiya提出的注水原理分配策略能使系 統(tǒng)達(dá)到理論上的最大信道容量。其基本思想是，在發(fā)射總功率一定的約束條件下，對信道條 件好的用戶，基站分配給它的功率大，而對信道差的用戶分配的功率則小，甚至不分配功率 將其截斷，從而充分利用信道資源。但是，注水功率分配策略是一個不定次數(shù)的多次反復(fù)迭 代過程，在時變信道中，若每時刻功率分配都使用注水策略，則系統(tǒng)復(fù)雜度非常高，幾乎不 可實現(xiàn)。因此，如何減少迭代次數(shù)和尋求運算量小的次優(yōu)解是當(dāng)前的研究重點?，F(xiàn)在研究 大部分都是將功率分配放在OFDM或OFDMA系統(tǒng)中，與子載波分配、調(diào)整方式選擇、比特分配 相結(jié)合形成聯(lián)合優(yōu)化問題，并且都是以注水分配策略為基礎(chǔ)，單純對功率分配策略進行優(yōu) 化的研究相對較少。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以大大降低系統(tǒng)的運算量的增量迭代功率分配方 法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的前一時刻功率分配已完成，基站已知各用戶子信道的瞬時信噪比以及分配給各用 戶的理論功率值，現(xiàn)在要實現(xiàn)對當(dāng)前時刻各用戶實際功率分配值的更新。第一步，在基站處檢測得到當(dāng)前時刻各用戶子信道的瞬時信噪比；第二步，根據(jù)第一步得到的當(dāng)前時刻各用戶子信道瞬時信噪比與已知的前一時刻 各用戶子信道的瞬時信噪比，計算得到當(dāng)前時刻各用戶子信道的信噪比增量，并將其進行 加權(quán)平均得到整個信道的平均信噪比增量；第三步，根據(jù)第二步得到的結(jié)果，利用增量迭代公式，計算得到各用戶在當(dāng)前時刻 的功率增量值；第四步，根據(jù)第三步得到的各用戶功率增量值與已知的前一時刻各用戶功率分配 值，計算得到當(dāng)前時刻各用戶的理論功率分配值，可正可負(fù)可零；第五步，根據(jù)基站發(fā)射總功率限制，對第四步得到的各用戶理論功率分配值進行 調(diào)整，得到各用戶的實際功率分配值；
第六步，根據(jù)第五步得到的實際功率分配值對各用戶進行功率分配，完成當(dāng)前時 刻功率分配策略的更新，并存儲當(dāng)前時刻各用戶子信道的瞬時信噪比和理論功率分配值， 為下一時刻進行增量迭代功率分配做準(zhǔn)備。本發(fā)明提供了一種在時變信道中，對多用戶下行鏈路功率分配策略進行實時更新 的方法，只需要一步增量迭代就可以得到與最優(yōu)注水功率分配策略幾乎一致的性能，而無 需注水算法中不定次數(shù)的反復(fù)迭代過程，大大降低了系統(tǒng)的運算量。本發(fā)明的主要特點體 現(xiàn)在1、只利用前一時刻信息，采用一步迭代來更新當(dāng)前時刻的功率分配策略，與注水 分配不使用已知信息、每次都重新進行反復(fù)迭代的方法完全不同。2、只需要根據(jù)前一時刻的理論功率分配策略，結(jié)合當(dāng)前時刻相對于前一時刻信道 狀態(tài)所發(fā)生的變化情況，就可以很容易的得到當(dāng)前時刻的實際功率分配策略，而最優(yōu)注水 分配不使用任何已知信息，每個時刻都重新進行反復(fù)迭代，且迭代次數(shù)是不確定的，計算非
吊 M-^k ο3、不只需要知道各用戶子信道的狀態(tài)變化，而且需要知道它們相對于整個信道狀 態(tài)變化的關(guān)系，這樣才能將有限的功率在各用戶之間進行調(diào)配。4、用信噪比增量作為衡量信道狀態(tài)變化的參量，而信噪比增量指的是信噪比倒數(shù) 的變化量，而不是信噪比的變化量。5、不考慮用戶截斷時通過公式計算得到的理論值，可正可負(fù)。6、先得到當(dāng)前時刻的理論功率分配策略，然后將功率值為負(fù)的用戶截斷，并將剩 余用戶的理論功率分配值對發(fā)射總功率限制進行歸一化調(diào)整，得到最終的當(dāng)前時刻的實際 功率分配策略。本發(fā)明的優(yōu)點在于適用于時變信道，且只與前一時刻的信道狀態(tài)與功率分配策 略有關(guān)，所以可以非常快速地根據(jù)信道狀態(tài)變化來調(diào)整當(dāng)前功率分配策略，無需注水算法 中復(fù)雜的不定次數(shù)的反復(fù)迭代過程，運算量大大減少，同時還能達(dá)到與最優(yōu)注水策略幾乎 完全一致的高性能。


圖1是增量迭代功率分配方法的算法流程圖。圖2是時變信道中采用注水算法與增量迭代算法進行功率分配得到的系統(tǒng)瞬時 容量隨時間變化的關(guān)系曲線。選取系統(tǒng)中用戶個數(shù)#(§16，各用戶子信道為獨立同分布瑞利 衰落，發(fā)射總功率& # 16。由于假設(shè)各用戶子信道為同分布，所以在初始階段采用等功 率分配策略，即AP · PNp & /# 1。在接下來,@0的所有時刻，都根據(jù)增量迭代算 法實時更新功率分配值。圖中，實線為采取注水功率分配策略得到的系統(tǒng)瞬時容量，虛線為 采取增量迭代功率分配策略得到的系統(tǒng)瞬時容量，可以看出增量迭代算法的系統(tǒng)瞬時容量 在整個仿真時間內(nèi)都能很好地逼近注水算法的性能。圖3是分別采取注水算法與增量迭代算法得到的系統(tǒng)各用戶在整個仿真期間內(nèi) 分配到的平均功率值。黑色柱為采用注水功率分配策略的仿真結(jié)果，白色柱為采用增量迭 代功率分配策略的仿真結(jié)果，可以看出對每個用戶而言，采用兩種算法分配得到的平均功 率值有些差別，但整體趨勢基本保持一致。
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圖4是每個時刻進行一次注水分配與增量迭代分配所需要的實數(shù)加法運算次數(shù) 與該時刻截斷子信道數(shù)目的關(guān)系曲線，可以根據(jù)各自的算法流程圖計算出來。實線為進行 一次注水功率分配所需的實數(shù)加法運算次數(shù)，帶星號的虛線為進行一次增量迭代功率分配 所需的實數(shù)加法運算次數(shù)?？梢钥闯?，注水算法所需的實數(shù)加法運算次數(shù)呈拋物線形狀，說 明其運算次數(shù)與截斷子信道數(shù)目的2次方成比例，而增量迭代算法所需的實數(shù)加法運算次 數(shù)為一條直線，且斜率很小，說明其運算次數(shù)與截斷子信道數(shù)目的1次方成比例。并且，由 于注水分配中需要對子信道進行排序，所以其實數(shù)加法運算次數(shù)在整個區(qū)間內(nèi)都大于增量 迭代算法，并且隨著截斷子信道數(shù)目的增大，二者的差距越來越大，增量迭代算法最多可以 節(jié)約3/4的實數(shù)加法運算量。圖5是每個時刻進行一次注水分配與增量迭代分配所需要的實數(shù)乘法運算次數(shù) 與該時刻截斷子信道數(shù)目的關(guān)系曲線，同樣可以根據(jù)各自的算法流程圖計算出來。實線為 進行一次注水功率分配所需的實數(shù)乘法運算次數(shù)，帶星號的虛線為進行一次增量迭代功率 分配所需的實數(shù)乘法運算次數(shù)?？梢钥闯觯挥挟?dāng)截斷子信道數(shù)目為0，即所有用戶均未被 截斷時，兩種算法所需的實數(shù)乘法運算次數(shù)才相等，而這種情況在時變信道中很少出現(xiàn)；而 當(dāng)截斷子信道數(shù)目大于0，即只要有用戶被截斷時，注水算法所需的實數(shù)乘法運算次數(shù)就會 大于增量迭代算法，并且隨著截斷子信道數(shù)目的增大，二者的差距越來越大，增量迭代算法 所需的實數(shù)乘法運算量最多可以降低到注水算法的1/5。在計算機運算過程中，乘法需要的 運算量遠(yuǎn)大于加法，對整個算法的計算量起決定性作用，因此增量迭代算法的全部運算量 始終小于注水算法，最小可達(dá)到注水算法的1/5。此外，隨著系統(tǒng)中總用戶數(shù)的增多，這個比 值會越來越小。圖6是采用注水算法與增量迭代算法進行功率分配時，在整個仿真期間內(nèi)得到的 系統(tǒng)容量與用戶子信道平均信噪比之間的關(guān)系曲線。實線為采用注水功率分配策略得到的 系統(tǒng)容量，帶星號的虛線為采用增量迭代功率分配策略得到的系統(tǒng)容量?？梢钥闯觯谡麄€ 信噪比區(qū)間上，增量迭代算法能夠達(dá)到與注水算法幾乎完全一致的性能。
具體實施例方式結(jié)合圖1，本發(fā)明專利提供一種在時變信道多用戶下行鏈路系統(tǒng)中只進行一步增 量迭代的準(zhǔn)最優(yōu)功率分配方法。在下面的描述中，假設(shè)基站配置1個發(fā)射天線，且發(fā)射總功 率為Pall，系統(tǒng)中共有N個用戶接收端，在時刻已經(jīng)完成了功率分配且存儲相關(guān)信息，即 第η個用戶子信道的瞬時信噪比/ /「1與理論功率分配值「1，nm，· #，則在t時刻 重新進行功率分配的具體實現(xiàn)步驟如下1.首先，在基站處通過訓(xùn)練序列對各用戶子信道狀態(tài)進行檢測，得到t時刻第η個 用戶子信道的瞬時信噪比7 /，”釘’.N。2.計算各用戶子信道的信噪比增量和整個信道的平均信噪比增量。1)研究t時刻的信道狀態(tài)相對于時刻發(fā)生了怎樣的變化，定義第η個用戶在t 時刻的信噪比增量氣/為
權(quán)利要求
一種增量迭代功率分配方法，其特征是第一步，在基站處檢測得到當(dāng)前時刻各用戶子信道的瞬時信噪比；第二步，根據(jù)第一步得到的當(dāng)前時刻各用戶子信道瞬時信噪比與已知的前一時刻各用戶子信道的瞬時信噪比，計算得到當(dāng)前時刻各用戶子信道的信噪比增量，并將其進行加權(quán)平均得到整個信道的平均信噪比增量；第三步，根據(jù)第二步得到的結(jié)果，利用增量迭代公式，計算得到各用戶在當(dāng)前時刻的功率增量值；第四步，根據(jù)第三步得到的各用戶功率增量值與已知的前一時刻各用戶功率分配值，計算得到當(dāng)前時刻各用戶的理論功率分配值；第五步，根據(jù)基站發(fā)射總功率限制，對第四步得到的各用戶理論功率分配值進行調(diào)整，得到各用戶的實際功率分配值；第六步，根據(jù)第五步得到的實際功率分配值對各用戶進行功率分配，完成當(dāng)前時刻功率分配策略的更新，并存儲當(dāng)前時刻各用戶子信道的瞬時信噪比和理論功率分配值，為下一時刻進行增量迭代功率分配做準(zhǔn)備。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種增量迭代功率分配方法。在基站處檢測得到當(dāng)前時刻各用戶子信道的瞬時信噪比；與已知的前一時刻各用戶子信道的瞬時信噪比，計算得到當(dāng)前時刻各用戶子信道的信噪比增量，并將其進行加權(quán)平均得到整個信道的平均信噪比增量；計算得到各用戶在當(dāng)前時刻的功率增量值；計算得到當(dāng)前時刻各用戶的理論功率分配值；對各用戶理論功率分配值進行調(diào)整，得到各用戶的實際功率分配值；完成當(dāng)前時刻功率分配策略的更新，并存儲當(dāng)前時刻各用戶子信道的瞬時信噪比和理論功率分配值。本發(fā)明適用于時變信道，且只與前一時刻的信道狀態(tài)與功率分配策略有關(guān)，運算量小，能達(dá)到與最優(yōu)注水策略幾乎完全一致的高性能。
文檔編號H04W52/24GK101986753SQ20101054723
公開日2011年3月16日 申請日期2010年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者張曙, 郭冬梅 申請人:哈爾濱工程大學(xué)