專利名稱：低復(fù)雜度的自適應(yīng)比特和功率分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種MIMO系統(tǒng)的低復(fù)雜度的自適應(yīng) 比特和功率分配技術(shù)，利用不精確的信道狀態(tài)信息，在保證系統(tǒng)誤比特率和信
息傳輸速率的前提下，最小化系統(tǒng)的總發(fā)射功率。
背景技術(shù)：
MIMO系統(tǒng)中，自適應(yīng)比特和功率分配技術(shù)可以根據(jù)信道狀態(tài)信息自適應(yīng) 地調(diào)整信息比特和功率在各發(fā)送天線上的分布，從而提高系統(tǒng)頻譜效率、保證 信息傳輸質(zhì)量，因此，在無線通信研究領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。信道狀態(tài)信息是自 適應(yīng)比特和功率分配的基礎(chǔ)，其質(zhì)量對自適應(yīng)比特和功率分配方法的性能有顯 著影響，然而在實(shí)際系統(tǒng)中，由于信道隨機(jī)變化、信道估計(jì)誤差和處理時延等 各方面因素的影響，發(fā)射端幾乎不可能獲得發(fā)送時刻精確的信道狀態(tài)信息，傳 統(tǒng)的基于精確信道狀態(tài)信息假設(shè)的自適應(yīng)比特和功率分配方法會有性能損失， 甚至因?yàn)椴荒軡M足系統(tǒng)通信質(zhì)量要求而不可用。因此，研究基于不精確信道狀 態(tài)信息的自適應(yīng)方法更具實(shí)際意義，已經(jīng)成為一個重要的研究熱點(diǎn)。
MIMO系統(tǒng)中基于不精確信道狀態(tài)信息的自適應(yīng)比特和功率分配方法根據(jù) 其優(yōu)化目標(biāo)大致可以分為三類發(fā)射功率和誤比特率受限的情況下最大化頻譜 效率、信息傳輸速率和誤比特率受限的情況下最小化總發(fā)射功率以及固定調(diào)制 方式功率受限的情況下最小化誤比特率。其中，最小化總發(fā)射功率的方法可以 靈活配置服務(wù)質(zhì)量參數(shù)(通常為信息傳輸速率和誤比特率性能)在實(shí)際應(yīng)用中 非常具有吸引力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在誤比特率和信息傳輸速率受限的情況下利用不精確的信道狀態(tài)信息最小化MIMO系統(tǒng)總發(fā)射功率的自適應(yīng)比特和功率分配
息條件下提供近似最優(yōu)的功率效率，而且運(yùn)算復(fù)雜度^^f氐。
本發(fā)明提供的方法首先給出了在各等效子信道瞬時誤比特率受限、信道狀 態(tài)信息誤差方差和噪聲方差固定的情況下，各子信道發(fā)射功率及總發(fā)射功率與 各子信道比特?cái)?shù)之間的關(guān)系表達(dá)式。然后，根據(jù)總發(fā)射功率表達(dá)式的特點(diǎn)，在
一步簡化，解簡化后的凸優(yōu)化問題得到實(shí)比特?cái)?shù)分配結(jié)果。最后，考慮實(shí)際可 選調(diào)制模式比特?cái)?shù)的要求，對各子信道分配的比特?cái)?shù)進(jìn)行調(diào)整使之是可選調(diào)制 模式對應(yīng)比特?cái)?shù)集合中的一個并且各子信道比特?cái)?shù)和滿足系統(tǒng)信息傳輸速率要 求。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下
1、 將系統(tǒng)誤比特率受限近似等效為各個等效子信道的瞬時誤比特率受限，利用 誤比特率近似公式，建立各子信道發(fā)射功率及總發(fā)射功率與各子信道比特?cái)?shù)之 間的顯式關(guān)系。
2、 總發(fā)射功率與各子信道比特?cái)?shù)關(guān)系的表達(dá)式可以表示為形如/0c)二ox/(l + x)
的函數(shù)關(guān)系，其中a為負(fù)常數(shù)，x是與各子信道比特?cái)?shù)有關(guān)的變量，并且x是關(guān) 于各子信道比特?cái)?shù)的凸函數(shù)。由于x在(-1,0)區(qū)間內(nèi)時，/(x)〉0且隨x單調(diào)
遞減，最小化/(" = ^/(1 +力可以等效為在此區(qū)間內(nèi)最大化義。因此在非負(fù)實(shí)
數(shù)域內(nèi)可以將非凸的自適應(yīng)比特和功率分配問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，并可以根 據(jù)x與各子信道比特?cái)?shù)的關(guān)系做進(jìn)一步簡化。
3、 利用拉格朗日方法求解簡化后的最優(yōu)化問題，在非負(fù)實(shí)數(shù)域內(nèi)得到各子信道 的比特?cái)?shù)閉合結(jié)果。此比特?cái)?shù)與最優(yōu)的比特?cái)?shù)接近，但是可能不符合實(shí)際提供 的調(diào)制方式比特?cái)?shù)約束，稱為首次比特分配結(jié)果。
4、 由于在實(shí)際系統(tǒng)中所提供的可選調(diào)制模式一定，各子信道比特?cái)?shù)必須符合可 選調(diào)制模式要求，因此需要二次比特調(diào)整將首次比特分配的連續(xù)比特?cái)?shù)結(jié)果調(diào)整為符合可選調(diào)制模式要求且滿足系統(tǒng)信息傳輸速率要求的比特?cái)?shù)。二次比特
調(diào)整的具體方法為
(1 )、將各子信道首次比特分配的比特?cái)?shù)調(diào)整為小于該比特?cái)?shù)的最高調(diào)制 模式所對應(yīng)的比特?cái)?shù)。
(2) 、計(jì)算調(diào)整后的各子信道比特?cái)?shù)之和與系統(tǒng)信息傳輸速率之差，并利 用各子信道比特?cái)?shù)和發(fā)射功率之間的關(guān)系計(jì)算相應(yīng)的各子信道功率值。
(3) 、計(jì)算各子信道上如果增加一個比特單元所需要的功率增量，其中比 特單元定義為系統(tǒng)所提供的相鄰調(diào)制模式之間的比特?cái)?shù)之差。
(4) 、依次在所需功率增量最小的子信道上增加一個比特單元和相應(yīng)的功 率增量，直至各子信道比特?cái)?shù)之和滿足系統(tǒng)信息傳輸速率要求。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于不但可以在不精確信道狀態(tài)信息條件下提供近似最優(yōu)的
功率效率，而且運(yùn)算復(fù)雜度很低。


圖l是采用本發(fā)明提供方法的MIMO系統(tǒng)基本原理框圖。 圖2是二次比特調(diào)整流程圖。
圖3是本發(fā)明提供方法和最優(yōu)方法的發(fā)射功率比較圖。
圖4是本發(fā)明提供方法和最優(yōu)方法的比特和功率分配結(jié)果比較圖。
圖5是本發(fā)明提供方法和最優(yōu)方法的復(fù)雜度比較圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。
本發(fā)明4是供的自適應(yīng)比特和功率分配方法適用于MIMO系統(tǒng)，也適用于 MIMO-OFDM系統(tǒng)。下面以MIMO系統(tǒng)為例進(jìn)行描述。
圖1是采用本發(fā)明提供的自適應(yīng)比特和功率分配方法的MIMO系統(tǒng)框圖。 在接收端通過信道估計(jì)或信道預(yù)測得到有誤差的信道矩陣H ,將fi進(jìn)行奇異值 分解后得到收、發(fā)信機(jī)加權(quán)矩陣t^和V以及奇異值矩陣入，(.f表示矩陣共軛轉(zhuǎn)置。將收、發(fā)信機(jī)加權(quán)矩陣分別反饋給發(fā)送端和接收端，而奇異值矩陣入反 饋給自適應(yīng)比特和功率分配模塊。自適應(yīng)比特和功率分配模塊利用子信道的信 道增益、噪聲方差《以及信道誤差方差《進(jìn)行比特和功率分配，并將分配結(jié)果 通知調(diào)制器、功率分配模塊和檢測器。在發(fā)送端，調(diào)制器根據(jù)自適應(yīng)比特和功 率分配模塊得到的比特分配結(jié)果將數(shù)據(jù)比特映射成相應(yīng)星座中的信號，功率分 配模塊根據(jù)自適應(yīng)比特和功率分配模塊得到的功率分配結(jié)果對相應(yīng)信號進(jìn)行功 率調(diào)整，最后發(fā)送向量乘以發(fā)信機(jī)加權(quán)矩陣々后通過多根發(fā)送天線發(fā)送至無線
信道；在接收端，多根接收天線得到的接收向量乘以收信機(jī)加權(quán)矩陣(jw后，通 過檢測器檢測輸出信息比特。 一、系統(tǒng)模型
不精確的信道狀態(tài)信息H和實(shí)際信道狀態(tài)信息H之間的關(guān)系可以建模為
H = H + E (1)
其中，E是信道誤差矩陣，其每一個元素都服從均值為0,方差為《的高斯分
布。而H的奇異值分解可以表示為
H = U入；" (2) 其中，tl〃和；分別是收、發(fā)信機(jī)加權(quán)矩陣，其維度分別是WxA^和A^xiV, W
是H的秩，A是對角矩陣，其維度是7VxW，對角元素是(^,…,TI^。
在發(fā)送端，輸入信息比特經(jīng)過調(diào)制器后得到復(fù)符號向量x二(;q,…,Xwf ,其 中(.f表示矩陣轉(zhuǎn)置。將自適應(yīng)比特和功率分配模塊得到的功率分配結(jié)果用對 角矩陣P表示，其對角元素為{^—7^},則經(jīng)過功率調(diào)制后的復(fù)信道向量可 以表示為
x' = Px (3)
最后，復(fù)符號向量x'乘以發(fā)信機(jī)加權(quán)矩陣眾得到發(fā)送符號向量
s =々Px (4) 對于MIMO系統(tǒng)，其輸入和輸出信號之間的關(guān)系為r = Hs + n (5)
上式中，"2 ... "^:T表示噪聲向量，其元素服從均值為0，方差為《
的復(fù)高斯分布，A^表示接收天線數(shù)目；r = ^ r2…、f表示接收信號向量； H是A^x^維的信道矩陣，其元素服從均值為0，方差為l的復(fù)高斯分布。將 式(4)帶入式(5)得到
r = H々Px + n (6)
乘以收信機(jī)加權(quán)矩陣后得到
y = APx + EPx + A (7) 其中，y二tl ，e:u〃E々，fi = u"n。 第/個子信道接收到的信號為
x=>/仏+2X乂 V^o+A (8)
期望信號 &
信號干擾和噪聲
其中l(wèi)和分別是￡和fi的元素，由于d和々的列向量是正交的，《,.和的方
差分別是of和o;2。
則第/個子信道的信干噪比表示為
纖,=_^5(9)
二、子信道瞬時誤比特率受限條件下功率值與比特?cái)?shù)的關(guān)系
將系統(tǒng)誤比特率受限近似等效為各個子信道的瞬時誤比特率受限。以偶數(shù) 比特?cái)?shù)的方形多進(jìn)制正交幅度調(diào)制(M-QAM)為例，假設(shè)第/個子信道傳輸比 特?cái)?shù)為 可以表示為2^,將A,e(0，l，2，3,…)稱為比特單元數(shù)，每個比特單元中
有2個比特。第/個子信道的誤比特率近似為
H層
= 0.2exp(—F 丄'),1S 7V
(10)
假設(shè)系統(tǒng)最大容許的誤比特率為S^ target ，則子信道瞬時誤比特率受限的條 件下，發(fā)射功率與比特?cái)?shù)的關(guān)系可以表示為<formula>formula see original document page 9</formula>根據(jù)式(ll)可以得到各子信道功率與比特?cái)?shù)之間的關(guān)系表達(dá)式以及總發(fā)射 功率與比特?cái)?shù)之間的顯式關(guān)系
<formula>formula see original document page 9</formula>三、自適應(yīng)比特和功率分配問題的簡化與首次比特分配
系統(tǒng)信息傳輸速率和誤比特率受限條件下最小化總發(fā)射功率的自適應(yīng)比特
和功率分配方法目標(biāo)可以表示為
<formula>formula see original document page 9</formula>其中萬五i 是系統(tǒng)誤比特率，i^get是系統(tǒng)所要求的信息傳輸速率。
將系統(tǒng)誤比特率受限近似等效為各個子信道的瞬時誤比特率受限?？紤]子 信道瞬時誤比特率受限條件下各子信道總發(fā)射功率與各子信道比特?cái)?shù)的關(guān)系式
(14),該式可以看作形如/(x):ox/(l + x)的函數(shù)關(guān)系，其中"=-《/《為負(fù)常 數(shù)，x是與各子信道比特?cái)?shù)有關(guān)的變量，并且;c-Z:A是關(guān)于各子信道比特?cái)?shù) 的凸函數(shù)。由于x在(-1, 0)區(qū)間內(nèi)時，/(x)〉0且隨x單調(diào)遞減，最小化/(JC) = + X)可以等效為在此區(qū)間內(nèi)最大化JC ,即在非負(fù)實(shí)數(shù)域內(nèi)非凸優(yōu)化
問題(l 5)可以轉(zhuǎn)化為 一個凸優(yōu)化問題
<formula>formula see original document page 10</formula> (16) 在實(shí)際系統(tǒng)中一般5^^get《1 Wpln(55￡i target)<0)，優(yōu)化問題(16)可以進(jìn) 一步簡化為
孤=argmin鮮;s.t |> =《卿 (17) 根據(jù)拉格朗日最優(yōu)化方法可以得到第/個子信道分配的比特?cái)?shù)《的閉合表
達(dá)式<formula>formula see original document page 10</formula>
其中，(a)+表示max(a,O), //為常數(shù)，可由系統(tǒng)信息傳輸速率受限確定<formula>formula see original document page 10</formula> (19)
,=1
首次比特分配后各子信道所包含的比特單元數(shù)^ =《/2 。 圖2表示二次比特分配的流程圖 該方法流程步-驟如下
步驟l、將&調(diào)整為小于它的最大整數(shù)，各子信道比特?cái)?shù)6,=2&。 步驟2、計(jì)算各子信道比特?cái)?shù)之和與系統(tǒng)信息傳輸速率要求之間的差值
tv
步驟3、利用公式(11)-(14)計(jì)算各子信道相應(yīng)的發(fā)射功率值f ,并利用如 下式子計(jì)算子信道上增加一個比特單元(2比特)所需的功率增量<formula>formula see original document page 10</formula>步驟4、依次在所需功率增量最小的子信道上增加一個比特單元和相應(yīng)的 功率增量，直至各子信道比特?cái)?shù)之和滿足系統(tǒng)信息傳輸速率要求。具體做法為 while A>0<formula>formula see original document page 11</formula>圖3和圖4示出了本發(fā)明提供方法與最優(yōu)方法的比較結(jié)果，其中最優(yōu)方法 是以魯棒貪婪(Robust Greedy)方法實(shí)現(xiàn)的。仿真中，信道是獨(dú)立同分布的平 坦瑞利衰落信道，所使用的調(diào)制模式都是方形M-QAM，系統(tǒng)要求的信息傳輸
速率《arget為10比特/抽樣，系統(tǒng)最大容許誤比特率為10-3 ,噪聲方差設(shè)為 《=0.1。
圖3為4發(fā)4收天線和3發(fā)4收MIMO系統(tǒng)中，兩種方法總發(fā)射功率的比 較結(jié)果。
圖4為4發(fā)4收MIMO系統(tǒng)中單次實(shí)現(xiàn)中，本發(fā)明^是供方法與最優(yōu)方法比 特和功率分配結(jié)果的比較圖。
圖5為本發(fā)明提供方法與最優(yōu)方法的平均計(jì)算復(fù)雜度比較圖，圖中的橫軸 表示系統(tǒng)要求的信息傳輸速率i t^t ，縱軸為實(shí)現(xiàn)一次比特和功率分配所需要的
平均浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)，其他仿真參數(shù)與圖3中的設(shè)定相同。
權(quán)利要求
1、一種適用于發(fā)送端已知不精確信道狀態(tài)信息的MIMO系統(tǒng)的低復(fù)雜度自適應(yīng)比特和功率分配方法，在系統(tǒng)誤比特率和信息傳輸速率受限的情況下最小化系統(tǒng)總發(fā)射功率，其處理過程包括如下步驟在各等效子信道瞬時誤比特率受限、信道狀態(tài)信息誤差方差和噪聲方差固定的情況下，得到各子信道發(fā)射功率及總發(fā)射功率與各子信道比特?cái)?shù)之間的關(guān)系表達(dá)式；利用總發(fā)射功率表達(dá)式的特點(diǎn)，在非負(fù)實(shí)數(shù)域內(nèi)將非凸的自適應(yīng)比特和功率分配問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，并做進(jìn)一步簡化；解簡化后的凸優(yōu)化問題得到閉合的實(shí)比特?cái)?shù)分配結(jié)果，此過程稱為首次比特分配。通過首次比特分配結(jié)果，考慮實(shí)際可選調(diào)制模式比特?cái)?shù)的要求，對各子信道分配的比特?cái)?shù)進(jìn)行調(diào)整使其成為可選調(diào)制模式對應(yīng)比特?cái)?shù)集合中的一個并且各子信道比特?cái)?shù)之和滿足系統(tǒng)信息傳輸速率要求，此過程稱為二次比特調(diào)整。
2、根據(jù)權(quán)利要求書l所述的各子信道發(fā)射功率與比特?cái)?shù)之間的關(guān)系既可 以表示為各子信道發(fā)射功率與總發(fā)射功率及各子信道比特?cái)?shù)之間的等式關(guān)系， 也可以表述為各子信道發(fā)射功率與各子信道比特?cái)?shù)之間的矩陣等式關(guān)系。
3 、根據(jù)權(quán)利要求書1所述的總發(fā)射功率與各子信道比特?cái)?shù)之間的關(guān)系表 達(dá)式可以表示為形如/(x:^ox/(l + x)的函數(shù)關(guān)系，其中a為負(fù)常數(shù)，x是與各子 信道比特?cái)?shù)有關(guān)的變量。
4.權(quán)利要求書3所述的總發(fā)射功率與各子信道比特?cái)?shù)之間關(guān)系表達(dá)式的部分單調(diào) 性進(jìn)行的。
5、 根據(jù)權(quán)利要求書l所述的非負(fù)實(shí)數(shù)域內(nèi)簡化了的凸優(yōu)化問題，可以通過 拉格朗日方法進(jìn)行求解，從而得到各子信道的實(shí)比特?cái)?shù)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求書l所述的二次比特調(diào)整，其調(diào)整方法是首先將首次比特 分配的比特?cái)?shù)離散化，然后比較調(diào)整后的總比特?cái)?shù)與系統(tǒng)信息傳輸速率要求之 間的差值，最后對各子信道比特?cái)?shù)進(jìn)行微調(diào)使其成為既符合實(shí)際調(diào)制需要又滿足系統(tǒng)信息傳輸速率要求的比特?cái)?shù)。統(tǒng)，還適用于MIMO-OFDM系統(tǒng)中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于MIMO系統(tǒng)的低復(fù)雜度自適應(yīng)比特和功率分配方法，在發(fā)送端無法獲得精確信道狀態(tài)信息且系統(tǒng)誤比特率和信息傳輸速率受限的條件下最小化系統(tǒng)總發(fā)射功率。其主要特點(diǎn)是首先對不精確信道狀態(tài)信息條件下的MIMO系統(tǒng)的各等效子信道的信干噪比進(jìn)行分析并得到各子信道發(fā)射功率和比特?cái)?shù)之間的顯式關(guān)系；然后利用函數(shù)的部分單調(diào)性將非凸優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問題，并利用拉格朗日方法計(jì)算最優(yōu)化問題在非負(fù)實(shí)數(shù)域的閉合最優(yōu)結(jié)果；最后將實(shí)比特?cái)?shù)調(diào)整為滿足實(shí)際系統(tǒng)需要的比特分配結(jié)果，并給出相應(yīng)的功率分配。本發(fā)明不僅適用于MIMO系統(tǒng)，對于MIMO-OFDM系統(tǒng)也同樣適用。本發(fā)明提供的自適應(yīng)比特和功率分配方法優(yōu)點(diǎn)在于不但可以在不精確信道狀態(tài)信息條件下提供近似最優(yōu)的功率效率，而且運(yùn)算復(fù)雜度很低。
文檔編號H04L1/00GK101304298SQ20081011661
公開日2008年11月12日 申請日期2008年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月14日
發(fā)明者罡 劉, 劉元安, 劉凱明, 劉思楊, 唐碧華, 孫劍鋒, 張然然, 莉 李, 楊愛敏, 林曉峰, 胡鶴飛, 袁東明, 剛 謝, 高錦春, 黎淑蘭 申請人:北京郵電大學(xué)