本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制方法及裝置。

背景技術(shù)：

多入多出(multiple-inputmultiple-output，mimo)技術(shù)是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號(hào)通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢，被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。

大規(guī)模mimo(massivemimo)時(shí)分雙工系統(tǒng)作為一種新穎的蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，在大規(guī)模mimo系統(tǒng)中，基站端有數(shù)量巨大的低功率小天線，天線數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同時(shí)調(diào)度的單天線用戶設(shè)備數(shù)量，基站和用戶設(shè)備之間通過時(shí)分雙工進(jìn)行通信。大規(guī)模天線陣列提供了很高的陣列增益和很高的空間分辨率。在較好的傳播條件下，線性大規(guī)模mimo系統(tǒng)可以有效地消除小區(qū)內(nèi)的干擾和噪聲。

目前，現(xiàn)有的大規(guī)模mimo系統(tǒng)在功率分配時(shí)，將總功率平均分配給所有用戶設(shè)備，這樣不能充分挖掘大規(guī)模mimo系統(tǒng)在單用戶功率控制方面的潛力；并且大規(guī)模mimo系統(tǒng)內(nèi)所有用戶設(shè)備的和速率也未達(dá)到最大，沒有發(fā)揮大規(guī)模mimo系統(tǒng)的優(yōu)勢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制方法及裝置。

第一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制方法，包括：s1，根據(jù)系統(tǒng)和速率上界建立非凸性優(yōu)化函數(shù)，并將所述非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)；s2，根據(jù)所述凸性優(yōu)化函數(shù)，獲取小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果。

其中，在所述s1之前還包括：s0，根據(jù)獲取的小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的發(fā)射功率、系統(tǒng)內(nèi)其他小區(qū)基站反饋的用戶設(shè)備的發(fā)射功率和大尺度衰落系數(shù)，獲取系統(tǒng)和速率上界。

其中，所述s0包括：s01，根據(jù)小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的發(fā)射功率、系統(tǒng)內(nèi)其他小區(qū)基站反饋的用戶設(shè)備發(fā)射功率和大尺度衰落系數(shù)，獲取本小區(qū)基站的接收信號(hào)；s02，根據(jù)所述基站接收的信號(hào)獲取信道狀態(tài)矩陣，并根據(jù)所述信道狀態(tài)矩陣獲取所述小區(qū)內(nèi)各用戶設(shè)備的信噪比；s03，根據(jù)所述信噪比及詹森不等式，獲得所述系統(tǒng)和速率上界。

其中，所述s1中的將所述非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)包括：s11，根據(jù)對數(shù)下界不等式和變量指數(shù)變換，將所述非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為半非凸性優(yōu)化函數(shù)；s12，通過一階泰勒級(jí)數(shù)展開，將所述半非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為所述凸性優(yōu)化函數(shù)；其中，所述半非凸性優(yōu)化函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)為凸、約束條件為非凸的函數(shù)。

其中，所述s2包括：s21，獲取所述凸性優(yōu)化函數(shù)的解，并根據(jù)所述解獲取所述非凸性優(yōu)化函數(shù)的解；s22，根據(jù)所述非凸性優(yōu)化函數(shù)的解更新對數(shù)下界不等式的參數(shù)，然后再次基于獲取的所述凸性優(yōu)化函數(shù)的解，獲取所述非凸性優(yōu)化函數(shù)的解；s23，直到獲取的所述非凸性優(yōu)化函數(shù)第t次與第t-1次的解的差的范數(shù)平方小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，得到小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果，其中t≥2。

其中，所述信噪比為：

其中，γlk為第l小區(qū)內(nèi)的第k個(gè)用戶設(shè)備的信噪比；plk為第l小區(qū)內(nèi)的第k個(gè)用戶設(shè)備的發(fā)射功率；為信道估計(jì)誤差的自相關(guān)矩陣；為小區(qū)間干擾的自相關(guān)矩陣；為噪聲的自相關(guān)矩陣；為信道狀態(tài)矩陣；為第i小區(qū)的第k個(gè)用戶設(shè)備到第l個(gè)小區(qū)基站的路損和陰影衰落效應(yīng)，即大尺度衰落系數(shù)；pik為第i小區(qū)內(nèi)的第k個(gè)用戶設(shè)備的發(fā)射功率。

相應(yīng)地，所述和速率上界為：

其中，為信道估計(jì)帶來的速率損失，t為各信道相干間隔，為用戶設(shè)備發(fā)射的導(dǎo)頻序列長度，

其中，所述非凸性優(yōu)化函數(shù)為：

所述凸性優(yōu)化函數(shù)為：

第二方面，本發(fā)明提供一種大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制裝置，包括：獲取模塊，用于根據(jù)小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的發(fā)射功率、系統(tǒng)內(nèi)其他小區(qū)基站反饋的用戶設(shè)備發(fā)射功率和大尺度衰落系數(shù)，獲取系統(tǒng)和速率上界；轉(zhuǎn)化模塊，用于根據(jù)所述和速率上界，建立非凸性優(yōu)化函數(shù)，并將所述非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)；分配模塊，用于根據(jù)所述凸性優(yōu)化函數(shù)，獲取小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果。

第三方面，本發(fā)明提供一種大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制裝置，包括：至少一個(gè)處理器；以及與所述處理器通信連接的至少一個(gè)存儲(chǔ)器，其中，所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有可被所述處理器執(zhí)行的程序指令，所述處理器調(diào)用所述程序指令能夠執(zhí)行如權(quán)利要求1至7任一所述的方法。

第四方面，本發(fā)明實(shí)施例提供一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)指令，所述計(jì)算機(jī)指令使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行如權(quán)利要求1至7任一所述的方法。

本發(fā)明提供的一種大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制方法及裝置，通過根據(jù)系統(tǒng)和速率上界建立非凸性優(yōu)化函數(shù)，并將所述非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)；然后根據(jù)所述凸性優(yōu)化函數(shù)，獲取小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果。這樣在滿足本小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備速率需求的同時(shí)，使得大規(guī)模mimo系統(tǒng)內(nèi)所有用戶設(shè)備的速率之和達(dá)到最大，充分發(fā)揮了大規(guī)模mimo系統(tǒng)的潛力。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制方法的流程圖；

圖2為圖1所述的大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制方法中的大規(guī)模mimo系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1所述的大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制方法的根據(jù)凸性優(yōu)化函數(shù)獲取小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果的流程圖；

圖4為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制方法中系統(tǒng)和速率隨基站天線數(shù)的變化圖；

圖5為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制方法中優(yōu)化后的速率增益隨基站天線數(shù)的變化圖；

圖6為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制方法中本小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的總發(fā)射功率隨基站天線數(shù)的變化圖

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖8為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制方法的流程圖，如圖1所示，該方法包括：s1，根據(jù)系統(tǒng)和速率上界建立非凸性優(yōu)化函數(shù)，并將所述非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)；s2，根據(jù)所述凸性優(yōu)化函數(shù)，獲取小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果。

其中，mimo(multiple-inputmultiple-output)技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，使信號(hào)通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。它能充分利用空間資源，通過多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢、被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。

在本發(fā)明實(shí)施例中，以一個(gè)具有多個(gè)小區(qū)的大規(guī)模mimo系統(tǒng)為例，系統(tǒng)中由六邊形形狀的l個(gè)小區(qū)組成，每個(gè)小區(qū)的中心有一個(gè)基站，基站有m根天線，且假定每個(gè)小區(qū)內(nèi)有k個(gè)單天線用戶，滿足大規(guī)模mimo系統(tǒng)條件，即m＞＞k。另外，假定每個(gè)小區(qū)使用相同的頻率資源，即頻率再使用因子為1，整個(gè)系統(tǒng)操作在時(shí)分雙工(timedivisionduplexing，tdd)模式。圖2為一個(gè)有3個(gè)小區(qū)的大規(guī)模mimo系統(tǒng)，假定在上行接收，每個(gè)基站預(yù)先不知道對用戶的信道狀態(tài)信息(csi)，并采用破零(zf)濾波處理。csi的獲取通過導(dǎo)頻訓(xùn)練獲得，即在每個(gè)信道相干間隔(t)的開始，每個(gè)用戶都向所在的基站發(fā)射一個(gè)長度為τ的導(dǎo)頻序列，這里顯然滿足t＞τ。小區(qū)內(nèi)的用戶使用正交的導(dǎo)頻序列集，且正交導(dǎo)頻序列集在所有相鄰的小區(qū)中重復(fù)使用。

其中，凸函數(shù)就是一個(gè)定義在某個(gè)向量空間的凸子集c(區(qū)間)上的實(shí)值函數(shù)。

具體地，在控制大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率時(shí)，根據(jù)mimo系統(tǒng)的和速率上界建立非凸性優(yōu)化函數(shù)，為了較方便的獲得非凸性優(yōu)化函數(shù)的解，將該非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)。對凸性優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行求解，根據(jù)求得的凸性優(yōu)化函數(shù)的解獲取到非凸性優(yōu)化函數(shù)的解，即可以獲取到小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果。

本發(fā)明實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過根據(jù)系統(tǒng)和速率上界建立非凸性優(yōu)化函數(shù)，并將非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)，然后通過求解凸性優(yōu)化函數(shù)獲取到非凸性優(yōu)化函數(shù)的解，進(jìn)而得到小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果，這樣在滿足本小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備速率需求的同時(shí)，使得大規(guī)模mimo系統(tǒng)內(nèi)所有用戶設(shè)備的速率之和達(dá)到最大，充分發(fā)揮了大規(guī)模mimo系統(tǒng)的潛力。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，在所述s1之前還包括：s0，根據(jù)獲取的小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的發(fā)射功率、系統(tǒng)內(nèi)其他小區(qū)基站反饋的用戶設(shè)備的發(fā)射功率和大尺度衰落系數(shù)，獲取系統(tǒng)和速率上界。

其中，大尺度衰落系數(shù)是指系統(tǒng)內(nèi)所有用戶設(shè)備到本小區(qū)基站的路損和陰影衰落效應(yīng)對應(yīng)的參數(shù)。

具體地，在根據(jù)系統(tǒng)和速率上界建立非凸性優(yōu)化函數(shù)之前，需要先獲取到系統(tǒng)的和速率上界。在每個(gè)小區(qū)的用戶設(shè)備同時(shí)向各自所在對的小區(qū)基站發(fā)射導(dǎo)頻訓(xùn)練序列后，各個(gè)小區(qū)的基站都會(huì)獲取到小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的發(fā)射功率，并根據(jù)發(fā)射功率計(jì)算出大尺度衰落系數(shù)，然后系統(tǒng)內(nèi)其他小區(qū)基站會(huì)將小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的發(fā)射功率和大尺度衰落系數(shù)反饋至本小區(qū)。然后根據(jù)本小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的發(fā)射功率、系統(tǒng)內(nèi)其他小區(qū)基站反饋的用戶設(shè)備的發(fā)射功率和所有用戶設(shè)備到本小區(qū)基站的大尺度衰落系數(shù)，可以獲取到系統(tǒng)的和速率上界。

在本發(fā)明實(shí)施例中，通過根據(jù)本小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的發(fā)射功率、系統(tǒng)內(nèi)其他小區(qū)基站反饋的用戶設(shè)備的發(fā)射功率和所有用戶設(shè)備到本小區(qū)基站的大尺度衰落系數(shù)，獲取到系統(tǒng)的和速率上界，這樣保證了在系統(tǒng)的速率之和達(dá)到最大時(shí)進(jìn)行小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配，充分發(fā)揮的大規(guī)模mimo系統(tǒng)的潛能。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述s0包括：s01，根據(jù)小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的發(fā)射功率、系統(tǒng)內(nèi)其他小區(qū)基站反饋的用戶設(shè)備發(fā)射功率和大尺度衰落系數(shù)，獲取本小區(qū)基站的接收信號(hào)；s02，根據(jù)所述基站接收的信號(hào)獲取信道狀態(tài)矩陣，并根據(jù)所述信道狀態(tài)矩陣獲取所述小區(qū)內(nèi)各用戶設(shè)備的信噪比；s03，根據(jù)所述信噪比及詹森不等式，獲得所述系統(tǒng)和速率上界。

其中，信道狀態(tài)信息(channelstateinformation，csi)在無線通信領(lǐng)域就是通信鏈路的信道屬性，它描述了信號(hào)在每條傳輸路徑上的衰弱因子，即信道增益矩陣h中每個(gè)元素的值，如信號(hào)散射(scattering)，環(huán)境衰弱(fading，multipathfadingorshadowingfading)，距離衰減(powerdecayofdistance)等信息。csi可以使通信系統(tǒng)適應(yīng)當(dāng)前的信道條件，在多天線系統(tǒng)中為高可靠性高速率的通信提供了保障。

其中，信噪比英文名稱叫做snr或s/n(signal-noiseratio)，又稱為訊噪比，是指一個(gè)電子設(shè)備或者電子系統(tǒng)中信號(hào)與噪聲的比例。這里面的信號(hào)指的是來自設(shè)備外部需要通過這臺(tái)設(shè)備進(jìn)行處理的電子信號(hào)，噪聲是指經(jīng)過該設(shè)備后產(chǎn)生的原信號(hào)中并不存在的無規(guī)則的額外信號(hào)(或信息)，并且該種信號(hào)并不隨原信號(hào)的變化而變化。

其中，詹森不等式是關(guān)于凸性(convexity)的不等式，它給出積分的凸函數(shù)值和凸函數(shù)的積分值間的關(guān)系。其中，凸性是非常好的性質(zhì)，在最優(yōu)化問題里面，線性和非線性不是本質(zhì)的區(qū)別，只有凸性才是。如果最優(yōu)化的函數(shù)是凸的，那么局部最優(yōu)就意味著全局最優(yōu)，否則無法推得全局最優(yōu)。

具體地，在根據(jù)獲取的小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的發(fā)射功率、系統(tǒng)內(nèi)其他小區(qū)基站反饋的用戶設(shè)備的發(fā)射功率和系統(tǒng)內(nèi)所有用戶設(shè)備到本小區(qū)基站的大尺度衰落系數(shù)，獲取系統(tǒng)和速率上界時(shí)，先根據(jù)小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的發(fā)射功率、系統(tǒng)內(nèi)其他小區(qū)基站反饋的用戶設(shè)備的發(fā)射功率和所有用戶設(shè)備到本小區(qū)基站的大尺度衰落系數(shù)，獲取本小區(qū)基站的接收信號(hào)。然后對本小區(qū)基站的接收信號(hào)進(jìn)行處理得到所有用戶設(shè)備到本小區(qū)基站的信道矩陣，并根據(jù)基站接收的信號(hào)和該信道矩陣可以獲得本小區(qū)內(nèi)各用戶設(shè)備的信噪比。最后通過應(yīng)用詹森不等式和根據(jù)該信噪比，以獲得系統(tǒng)的和速率上界。

在本發(fā)明實(shí)施例中，通過根據(jù)獲得的信噪比和應(yīng)用詹森不等式獲得系統(tǒng)的和速率上界，這樣在滿足小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率需求的同時(shí)，可以使系統(tǒng)的速率之和達(dá)到最大，充分體現(xiàn)了大規(guī)模mimo系統(tǒng)的優(yōu)勢。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述s1中的將所述非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)包括：s11，根據(jù)對數(shù)下界不等式和變量指數(shù)變換，將所述非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為半非凸性優(yōu)化函數(shù)；s12，通過一階泰勒級(jí)數(shù)展開，將所述半非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為所述凸性優(yōu)化函數(shù)；其中，所述半非凸性優(yōu)化函數(shù)為目標(biāo)函數(shù)為凸、約束條件為非凸的函數(shù)。

其中，對數(shù)下界不等式是指有最小值的對數(shù)不等式。

其中，指數(shù)變換是指將變量用其對應(yīng)的指數(shù)替換。

其中，泰勒級(jí)數(shù)用無限項(xiàng)連加式——級(jí)數(shù)來表示一個(gè)函數(shù)，這些相加的項(xiàng)由函數(shù)在某一點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)求得。泰勒級(jí)數(shù)是以于1715年發(fā)表了泰勒公式的英國數(shù)學(xué)家布魯克·泰勒(sirbrooktaylor)的名字來命名的。通過函數(shù)在自變量零點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)求得的泰勒級(jí)數(shù)又叫做邁克勞林級(jí)數(shù)，以蘇格蘭數(shù)學(xué)家科林·麥克勞林的名字命名。泰勒級(jí)數(shù)在近似計(jì)算中有重要作用。

具體地，在根據(jù)獲取的和速率上界建立好非凸性歐化函數(shù)之后，需要將建立的非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)，首先根據(jù)對數(shù)下界不等式和變量的指數(shù)變換，將非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為半非凸性優(yōu)化函數(shù)，即目標(biāo)函數(shù)為凸、約束條件為非凸的函數(shù)。然后再通過一階泰勒級(jí)數(shù)展開，將半非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)，這樣就可以通過使用離線優(yōu)化工具包求解凸性優(yōu)化函數(shù)，例如，用cvx獲取凸性優(yōu)化函數(shù)的解，然后根據(jù)獲取的凸性優(yōu)化函數(shù)的解來得到非凸性優(yōu)化函數(shù)的解，進(jìn)而獲得本小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果。

在本發(fā)明實(shí)施例中，通過根據(jù)對數(shù)不等式、變量的指數(shù)變換以及一階泰勒級(jí)數(shù)展開，將非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)，這樣可以較簡單和快速的得到凸性優(yōu)化函數(shù)的解，進(jìn)而得到非凸性優(yōu)化函數(shù)的解，達(dá)到簡化求解過程的目的，并且使得獲得本小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配更準(zhǔn)確。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，結(jié)合圖3，所述s2包括：s21，獲取所述凸性優(yōu)化函數(shù)的解，并根據(jù)所述解獲取所述非凸性優(yōu)化函數(shù)的解；s22，根據(jù)所述非凸性優(yōu)化函數(shù)的解更新對數(shù)下界不等式的參數(shù)，然后再次基于獲取的所述凸性優(yōu)化函數(shù)的解，獲取所述非凸性優(yōu)化函數(shù)的解；s23，直到獲取的所述非凸性優(yōu)化函數(shù)第t次與第t-1次的解的差的范數(shù)平方小于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，得到小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果，其中t≥2。

其中，范數(shù)是數(shù)學(xué)中的一種基本概念，在泛函分析中，范數(shù)是一種定義在賦范線性空間中函數(shù)，滿足相應(yīng)條件后的函數(shù)都可以被稱為范數(shù)。

具體地，在根據(jù)系統(tǒng)和速率上界建立好非凸性優(yōu)化函數(shù)，并將非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)之后，先求解轉(zhuǎn)化得到的凸性優(yōu)化函數(shù)，并根據(jù)獲得的凸性優(yōu)化函數(shù)的解得到之前非凸性優(yōu)化函數(shù)的解。然后根據(jù)獲取的非凸性優(yōu)化函數(shù)的解更新對數(shù)下界不等式中的參數(shù)，然后根據(jù)更新后的對數(shù)下界不等式再次對凸性優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行求解，并根據(jù)求得的解再次對凸性優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行求解。這樣一直循環(huán)直到獲取的非凸性優(yōu)化函數(shù)第t次與第t-1次的解的差的范數(shù)平方小區(qū)預(yù)設(shè)閾值，其中t≥2，例如，非凸性優(yōu)化函數(shù)第t次與第t-1次的解的差的范數(shù)平方小于10^-6，則可以結(jié)束循環(huán)，將該第t次獲得的非凸性優(yōu)化函數(shù)的解作為最終解，即可以得到小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果。

在本發(fā)明實(shí)施例中，通過不斷的更新對數(shù)不等式的參數(shù)，并且對每次獲得的非凸性優(yōu)化函數(shù)的解進(jìn)行檢測，直到相近兩次非凸性優(yōu)化函數(shù)的解滿足條件時(shí)，才停止更新對數(shù)不等式，并將最后一次非凸性優(yōu)化函數(shù)的解作為本小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果，這樣可以提高本小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備功率分配的準(zhǔn)確性，使得功率分配更合理。

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述信噪比為：

其中，γlk為第l小區(qū)內(nèi)的第k個(gè)用戶設(shè)備的信噪比；plk為第l小區(qū)內(nèi)的第k個(gè)用戶設(shè)備的發(fā)射功率；為信道估計(jì)誤差的自相關(guān)矩陣；為小區(qū)間干擾的自相關(guān)矩陣；為噪聲的自相關(guān)矩陣；為估計(jì)的信道矩陣；為第i小區(qū)的第k個(gè)用戶設(shè)備到第l個(gè)小區(qū)基站的路損和陰影衰落效應(yīng)，即大尺度衰落系數(shù)；pik為第i小區(qū)內(nèi)的第k個(gè)用戶設(shè)備的發(fā)射功率；相應(yīng)地，所述和速率上界為：

其中，為信道估計(jì)帶來的速率損失，t為各信道相干間隔，為用戶設(shè)備發(fā)射的導(dǎo)頻序列長度，

具體地，在獲取到小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的發(fā)射功率、系統(tǒng)內(nèi)其他小區(qū)基站反饋的用戶設(shè)備發(fā)射功率和大尺度衰落系數(shù)之后，則小區(qū)內(nèi)的基站接收的數(shù)據(jù)為：

其中，pl是對角矩陣，其對角元素[pl]k,k＝plk表示第l個(gè)小區(qū)內(nèi)的第k個(gè)用戶的數(shù)據(jù)發(fā)射功率，si是第i個(gè)小區(qū)內(nèi)k個(gè)用戶發(fā)射的數(shù)據(jù)向量，滿足nl表示第l個(gè)小區(qū)基站m根天線上接收到的獨(dú)立加性高斯噪聲向量，假定噪聲的功率已被歸一化，即

利用估計(jì)的信道矩陣，基站執(zhí)行破零(zeroforcing，zf)檢測后輸出的信號(hào)可寫成，

這里的為zf濾波器，i1,i2,i3定義如下，

其中，i1,i2和i3分別代表由信道估計(jì)誤差帶來的干擾，小區(qū)間干擾和噪聲。它們的均值都為零，自相關(guān)矩陣計(jì)算如下，

根據(jù)基站輸出的信號(hào)可以獲得第l小區(qū)內(nèi)的第k個(gè)用戶設(shè)備的信噪比，用γlk表示，即

其中，是第i小區(qū)的第k個(gè)用戶設(shè)備到第l個(gè)小區(qū)基站的路損和陰影衰落效應(yīng)，即大尺度衰落系數(shù)。

根據(jù)香農(nóng)公式，于是第l個(gè)小區(qū)遍歷的上行可達(dá)和速率可表示為：

其中，是信道估計(jì)帶來的速率損失。

由于估計(jì)矩陣的復(fù)雜分布和信噪比公式中的矩陣求逆操作，導(dǎo)致γlk的分布將更加復(fù)雜，再加上和速率公式中的對數(shù)操作，使得求解精確的和速率rl變得非常困難。于是，我們可以求出精確速率的邊界。

定義則γlk可以表示成由估計(jì)理論和隨機(jī)矩陣?yán)碚摽芍?imgfile="bda0001318295270000135.gif"wi="138"he="79"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>是服從自由度為m的維希特(wishart)分布，即

其中，根據(jù)wishart分布的變換性質(zhì)，即

變換矩陣m是秩為k的k×m維矩陣，當(dāng)m取特殊的形式時(shí)，可知是服從δllkx～w1(m-k+1,δllk)分布，其相應(yīng)的概率密度函數(shù)為：

其中，m-k+1是形狀參數(shù)影響著分布的形狀不僅包括位置移動(dòng)及伸展/收縮，δllk是速率參數(shù)，該值越大概率密度函數(shù)的形狀拉伸的越厲害，該值越小概率密度的形狀函數(shù)越集中。

利用f(x)＝log2(1+x)是x的凹函數(shù)的結(jié)論，并對和速率表達(dá)式應(yīng)用詹森不等式，可以得到，

因?yàn)?imgfile="bda0001318295270000142.gif"wi="508"he="157"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>則函數(shù)x＞0也是關(guān)于x的凹函數(shù)，再次使用詹森不等式，e(γlk)可進(jìn)一步放大為：

由(11)和(12)可得：

根據(jù)(10)式容易計(jì)算出e(x)＝(m-k+1)δllk。將這個(gè)結(jié)果帶入(13)，可得到上行速率的上界：

這里，和

其中，在信道矩陣估計(jì)階段，每個(gè)小區(qū)的用戶設(shè)備同時(shí)都向各自所在的小區(qū)基站發(fā)射長度為τ的導(dǎo)頻訓(xùn)練序列，用符號(hào)表示每個(gè)小區(qū)內(nèi)k個(gè)用戶的正交導(dǎo)頻序列集，滿足φ^hφ＝ik。用戶設(shè)備發(fā)射完導(dǎo)頻序列后，第l小區(qū)的基站接收的訓(xùn)練信號(hào)可以表示成，

其中，yp,l的下標(biāo)p表示導(dǎo)頻(pilot)信號(hào)，下標(biāo)l指第l個(gè)小區(qū)；表示第i小區(qū)內(nèi)的k個(gè)用戶到第l個(gè)小區(qū)基站的信道矩陣；表示用戶到基站的瑞利衰落效應(yīng)，其中的元素都是均值為零、方差為1的獨(dú)立同分布(i.i.d.)復(fù)高斯隨機(jī)變量，即對角陣表示第i小區(qū)內(nèi)的k個(gè)用戶到第l個(gè)小區(qū)基站的路損和陰影衰落效應(yīng)，并假定是已知的；對角陣q的對角元素[qi]k,k＝qik表示第i小區(qū)內(nèi)的第k個(gè)用戶發(fā)射的導(dǎo)頻功率；矩陣nl表示第l個(gè)小區(qū)基站的m根天線上接收的噪聲，滿足

為了估計(jì)信道狀態(tài)信息(channelstateinformation，csi)，基站首先對接收到的信號(hào)乘以正交的導(dǎo)頻序列集φ并進(jìn)行預(yù)處理可得，

由于用戶設(shè)備位置獨(dú)立，所以gll的各列向量gllk，k＝1,2,…,k也是獨(dú)立的，因而可以取出gll中的某個(gè)列向量單獨(dú)進(jìn)行估計(jì)，于是

ek表示第k個(gè)元素為1，其余元素為0的k×1維的列向量。注意：由于正交變換不影響元素的分布特性，故上式中省略了nl后的正交矩陣φ。

利用mmse估計(jì)理論，可得gllk的mmse估計(jì)結(jié)果為：

因此，要估計(jì)的信道矩陣可以寫成如下形式

類似地，還能容易地得出第i個(gè)小區(qū)的k個(gè)用戶到第l個(gè)小區(qū)基站的信道矩陣即

其中，

根據(jù)估計(jì)理論，估計(jì)向量和誤差矢量是相互獨(dú)立的，并分別服從分布和其中，

在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，所述非凸性優(yōu)化函數(shù)為：

所述凸性優(yōu)化函數(shù)為：

具體地，在根據(jù)系統(tǒng)和速率上界建立好非凸性優(yōu)化函數(shù)時(shí)，對于其他小區(qū)固定而已知的發(fā)射功率，通過下行控制優(yōu)化用戶的發(fā)射功率以獲得最大小區(qū)吞吐量，則非凸性優(yōu)化函數(shù)可建模為，

由于上面的目標(biāo)函數(shù)

具有凸差分(d.c.)結(jié)構(gòu)，因此該非凸性優(yōu)化函數(shù)關(guān)于pl1,pl2,…,plk是非凸的，則通過下面的辦法轉(zhuǎn)化成凸性優(yōu)化函數(shù)。

將下面的對數(shù)下界不等式，

log2(1+z)≥ξlog2z+μ(24)

當(dāng)近似常數(shù)作如下選擇時(shí)，上面的不等式在z＝z0時(shí)將非常的緊，

為此，定義將和帶入到zk可得：

應(yīng)用(24)式和變量指數(shù)變換到問題非凸性優(yōu)化函數(shù)可松弛為下面的半非凸性優(yōu)化函數(shù)

其中，

上式中的ck定義為ξk和μk由(25)式和(26)式分別給出。

給定ξk和μk，由于(29)式中第一項(xiàng)是線性函數(shù)和凹函數(shù)之和(注意log-sum-exp是凸函數(shù))，因此，問題的目標(biāo)按說關(guān)于變量是凹函數(shù)。很明顯，(28)式中的第一個(gè)約束條件也是凸函數(shù)，但第二個(gè)約束條件還是非凸的，此時(shí)得到的是半非凸性優(yōu)化函數(shù)。則對第二個(gè)約束條件的左邊用一階泰勒級(jí)數(shù)展開，通過迭代逼近該約束條件，于是可轉(zhuǎn)換為下面的凸性優(yōu)化函數(shù)

其中，是第t-1次的迭代結(jié)果，因而在第t次迭代求解時(shí)是已知的。顯然，已經(jīng)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的凸性優(yōu)化函數(shù)了，可以用離線優(yōu)化工具包，比如cvx進(jìn)行有效求解。

通過不斷地進(jìn)行迭代，直到非凸性優(yōu)化函數(shù)的解收斂，例如，非凸性優(yōu)化函數(shù)第t次與第t-1次的解的差的范數(shù)平方小于預(yù)設(shè)閾值，例如，預(yù)設(shè)閾值為10^-6。這樣就可以得到最終的非凸性優(yōu)化函數(shù)的解，即可以得到本小區(qū)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果。

以下對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行舉例說明，但不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。假設(shè)有3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)有5個(gè)用戶設(shè)備，以第1個(gè)小區(qū)為例，設(shè)第1個(gè)小區(qū)的用戶設(shè)備到本基站的大尺度衰落系數(shù)為β11＝[1,0.8,0.4,0.1,0.05]，第2個(gè)小區(qū)的用戶設(shè)備到第1個(gè)小區(qū)的基站的大尺度衰落系數(shù)為β12＝10^-2×[0.17,0.15,0.14,0.105,0.08]，第3個(gè)小區(qū)的用戶設(shè)備到第1個(gè)小區(qū)的基站的大尺度衰落系數(shù)為β13＝10^-2×[0.18,0.16,0.13,0.07,0.06]。第1個(gè)小區(qū)內(nèi)的每個(gè)用戶設(shè)備發(fā)射功率都為30db，第2個(gè)和第3個(gè)小區(qū)的5個(gè)用戶設(shè)備的發(fā)射功率取相同的一組值，即5db，10db，15db，20db，30db。每個(gè)用戶的最大發(fā)射功率為50db，最小發(fā)射功率為5db?？梢缘玫?，如圖4所示的系統(tǒng)和速率隨基站天線數(shù)的變化情況；如圖5所示的優(yōu)化功率控制獲得的速率增益隨基站天線數(shù)的變化情況；如圖6所示的優(yōu)化功率控制后的用戶設(shè)備的發(fā)射功率之和隨基站天線數(shù)的變化情況。

圖4中帶星號(hào)的虛線是每個(gè)用戶設(shè)備以30db的功率發(fā)射時(shí)獲得的仿真和速率；菱形的虛線是每個(gè)用戶設(shè)備以30db的功率發(fā)射時(shí)得到的可達(dá)和速率的上界；帶星號(hào)的實(shí)線是通過本發(fā)明實(shí)施例提供的方法進(jìn)行優(yōu)化功率控制以后的得到的仿真和速率，帶菱形的實(shí)線是通過本發(fā)明實(shí)施例提供的方法進(jìn)行優(yōu)化功率控制以后的得到的可達(dá)和速率上界。從圖4可以看出，無論是否進(jìn)行功率控制，增加基站天線數(shù)都可以提高系統(tǒng)的可達(dá)和速率；且得到的閉式的可達(dá)和速率上界表達(dá)式在整個(gè)基站天線范圍內(nèi)都能精確地匹配仿真得到的速率；基站對用戶設(shè)備的發(fā)射功率進(jìn)行優(yōu)化控制以后，在考慮的基站天線數(shù)范圍內(nèi)都可以使得系統(tǒng)獲得的可達(dá)和速率得到明顯地提高。

圖5給出了速率增益δr＝r^opt-r隨基站天線數(shù)的變化情況，其中，r^opt表示基站對用戶設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化功率控制后系統(tǒng)獲得的可達(dá)和速率，r表示基站對用戶設(shè)備沒有進(jìn)行優(yōu)化功率控制，即基站都按照30db發(fā)射功率時(shí)系統(tǒng)獲得的可達(dá)和速率。從圖5可以明顯地看出，當(dāng)基站的天線數(shù)增加時(shí)，功率控制的優(yōu)勢也越來越明顯，即功率控制后獲得的速率增益隨著基站天線數(shù)的增加也在不斷增加。

圖6給出了優(yōu)化功率控制后第l個(gè)小區(qū)所有用戶設(shè)備總的發(fā)射功率隨基站天線數(shù)的變化情況。從圖6可以看出，隨著基站天線數(shù)的增加，所有用戶設(shè)備總的發(fā)射功率在不斷減小，特別是基站天線數(shù)比較小時(shí)，增加天線數(shù)會(huì)使總的發(fā)射功率得到明顯降低。應(yīng)該注意的是，即使是總的發(fā)射功率降低了，從圖5可知，系統(tǒng)獲得的可達(dá)和速率是在增大的，所以說，使用本發(fā)明實(shí)施例提供的功率控制方法，不僅可以提高系統(tǒng)的可達(dá)和速率，還可以減少用戶設(shè)備的輻射功率。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖，如圖7所示，該功率控制裝置包括：獲取模塊701、轉(zhuǎn)化模塊702及分配模塊703。

具體地，在控制大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率時(shí)，每個(gè)小區(qū)的用戶設(shè)備同時(shí)向各自所在對的小區(qū)基站發(fā)射導(dǎo)頻訓(xùn)練序列，然后獲取模塊701會(huì)獲取到小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的發(fā)射功率、系統(tǒng)內(nèi)其他小區(qū)基站反饋的用戶設(shè)備的發(fā)射功率以及所有用戶設(shè)備到本小區(qū)基站的大尺度衰落系數(shù)。獲取模塊701則根據(jù)本小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的發(fā)射功率、系統(tǒng)內(nèi)其他小區(qū)基站反饋的用戶設(shè)備的發(fā)射功率和大尺度衰落系數(shù)，可以獲取到系統(tǒng)的和速率上界。然后轉(zhuǎn)化模塊702根據(jù)和速率上界建立非凸性優(yōu)化函數(shù)，且將非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)。最后分配模塊703對凸性優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行求解，進(jìn)而獲取到非凸性優(yōu)化函數(shù)的解，即得到小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果。

本發(fā)明實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過轉(zhuǎn)化模塊根據(jù)系統(tǒng)和速率上界建立非凸性優(yōu)化函數(shù)，并將非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)，然后通過分配模塊求解凸性優(yōu)化函數(shù)獲取到非凸性優(yōu)化函數(shù)的解，進(jìn)而得到小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果，這樣在滿足本小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備速率需求的同時(shí)，使得大規(guī)模mimo系統(tǒng)內(nèi)所有用戶設(shè)備的速率之和達(dá)到最大，充分發(fā)揮了大規(guī)模mimo系統(tǒng)的潛力。

圖8為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的大規(guī)模mimo系統(tǒng)的上行功率控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖，如圖8所示，該識(shí)別裝置包括：處理器801、存儲(chǔ)器802和總線803；

其中，處理器801和存儲(chǔ)器802通過總線83完成相互間的通信；所述處理器801用于調(diào)用所述存儲(chǔ)器802中的程序指令，以執(zhí)行上述各方法實(shí)施例所提供的方法，例如包括：根據(jù)系統(tǒng)和速率上界建立非凸性優(yōu)化函數(shù)，并將所述非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)；根據(jù)所述凸性優(yōu)化函數(shù)，獲取小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果。

在另一實(shí)施例中，提供一種非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)指令，所述計(jì)算機(jī)指令使所述計(jì)算機(jī)執(zhí)行上述各方法實(shí)施例所提供的方法，例如包括：根據(jù)系統(tǒng)和速率上界建立非凸性優(yōu)化函數(shù)，并將所述非凸性優(yōu)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為凸性優(yōu)化函數(shù)；根據(jù)所述凸性優(yōu)化函數(shù)，獲取小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備的功率分配結(jié)果。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。