多天線系統中基於信號幹擾比的功率控制方法
2023-04-27 04:05:31 1
專利名稱：多天線系統中基於信號幹擾比的功率控制方法
技術領域：
本發明屬於移動通信多輸入多輸出(MIMO)天線技術領域，特別涉及平坦瑞利(Rayleigh)慢衰落信道下，多用戶垂直-貝爾實驗室分層空時處理(V-BLAST)系統中降低平均誤比特率(BER)的功率控制技術。
背景技術：
V-BLAST收發系統是目前移動通信領域廣泛研究的、提高無線鏈路傳輸速率和頻譜利用率的有效方法。《國際電子與電氣工程師協會通信快報》(IEEE Communications Letters，Vol.4，No.11，pp.334-336，Nov.2001)介紹了對多用戶V-BLAST收發系統的建模以及頻譜利用率的仿真，並指出，單用戶系統擴展到多用戶後，由於信道復用造成嚴重的共信道幹擾，接收端難以完全抵消幹擾。該文章指出多用戶MIMO幹擾的嚴重性，但並沒有給出解決方法。
功率控制技術在移動通信領域中被用於補償衰落，抑制共信道幹擾。《國際電子與電氣工程師協會移動技術雜誌》(IEEE Transaction on Vehicular Technology，vol 42，No.4，pp.466-468，Nov.1993)中提出了一種適用於單入單出(SISO)天線系統的集中式功率控制方法。但該文章的方法是基於SISO天線系統提出的，沒有在MIMO天線系統裡的論述；V-BLAST系統幹擾嚴重，需要改善BER的技術，但該文章裡沒有涉及到功率控制對BER的改善。
技術內容本發明提出一種適用於多用戶的多天線系統中基於信號幹擾比(SIR)的功率控制方法，以克服多用戶的多天線系統共信道幹擾嚴重的問題，達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。
本發明多天線系統中基於信號幹擾比的功率控制方法，包括在接收端計算W矩陣，將接收信號表示為λP＝WP的形式，求解W矩陣的絕對值最大的特徵值λ*，以及λ*對應的特徵向量P*；其特徵在於多用戶的蜂窩多天線系統採用時分多址接入方式，在平坦瑞利慢衰落信道下，在接收端計算多天線系統的矩陣W，W是Q×Q的矩陣，Q為共信道小區數目，W矩陣的元素Wij=Gij||Hij||2Gii||Hii||2,ji0,j=i,]]>Gij、Gii分別表示小區j的移動臺、小區i的移動臺到小區i的基站的大尺度衰落因子，Hij、Hii的元素是獨立同分布，幅度歸一化的復高斯信號， 1jQ,]]>將W代入公式λP＝WP，計算得到W矩陣的絕對值最大的特徵值λ*，P*為對應λ*的特徵向量，P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T]]>即功率控制後的發射功率，該發射功率通過反饋信道從接收端反饋給發送端，小區i的移動臺在發送端對信號乘以功率Pi*發送，1≤i≤Q，移動臺的M根發送天線均分功率，即各個天線發射功率為Pi*/M。
在下面的敘述中，為方便表達，小區i的移動臺和基站分別用移動臺i和基站i表示。本發明中使用以下運算符號(□)H表示轉置共軛，|□|2表示絕對值平方，‖□‖2表示矢量或者矩陣的二階範數，E[□]表示均值運算，Ex[□]表示對發送信號x取均值。
本發明多天線系統中基於信號幹擾比的功率控制方法所依據的原理是基站根據移動臺不同的信號環境計算優化的發送功率值，並且反饋給移動臺，移動臺可以按照信道的變化調整發送功率；從系統的角度出發，平衡每個基站接收到的信號幹擾比，能夠有效抑制共信道幹擾，降低平均的接收誤比特率。
多天線系統的多個用戶採用時分多址接入(TDMA)，由於主要幹擾來自共信道小區，所以不考慮鄰信道小區的幹擾和接收端的噪聲。每個時刻小區內最多只有一個移動臺和基站通信，發射端用M根天線，接收端用N根天線，接收端採用V-BLAST檢測算法，這樣構成一個TDMA方式下的多用戶V-BLAST系統。每個移動臺和基站構成一個V-BLAST收發系統。
基站i的接收信號在忽略噪聲時表達式為ri=Pi/MGiiHiixi+j=1jiQPi/MGijHijxj=Di+Ii---(1)]]>Pi表示移動臺i的發射功率，Pj表示移動臺j的發射功率，M為移動臺發射天線數目，Gij、Gii分別表示移動臺j、移動臺i到基站i的大尺度衰落因子，Q表示總的共信道數目， Hij、Hii矩陣的元素是獨立同分布，幅度歸一化的復高斯信號，xi＝[x1i，x2i，...，xMi]T、xj＝[x1j，x2j，...，xMj]T分別表示移動臺i、移動臺j的發送信號，Di和Ii分別表示接收到的目標信號和幹擾信號，Di和Ii都是0均值的信號，具體表述為Di=Pi/MGiiHiixi---(2)]]>Ii=j=1jiQPj/MGijHijxj---(3)]]>由(2)、(3)可以得到Pi,Desire=Ex[DiHDi]=PiMGiiEx[xiHHiiHHiixi]=PiMGii||Hii||2=PiMGii2MN,ii2---(4)]]>Pi,Inter=Ex[IiHIi]=Ex[(j=1jiQPj/MGijHijxj)H(j=1jiQPj/MGijHijxj)]---(5)]]>=j=1jiQPjMGij||Hij||2=j=1jiQPjMGij2MN,ij2]]>其中Pi，Desire和Pi，Inter分別表示基站i接收到的目標信號的能量和幹擾信號的能量，Ex[□]表示在Block長度內，對發送信號取集平均，x2MN，ii2、x2MN，ij2均表示自由度是2MN的卡方變量。信號幹擾比定義為目標信號能量比上幹擾信號能量，可以得到多用戶V-BLAST系統中基站i的接收SIR，SIRi=Pi,DesirePi,Inter=PiMGii2MN,ii2j=1jiQPjMGij2MN,ij2=Pij=1jiQPjGij2MN,ij2Gii2MN,ii2---(6)]]>為了簡化表達，令Wij=Gij2MN,ij2Gii2MN,ii2,ji0,j=i---(7)]]>將(7)代入(6)，得到簡化的SIR表達式SIRi=Pij=1QPjWij---(8)]]>定義Q×Q的矩陣W，其元素為(7)定義的值。矩陣理論中有下面的定理。
定理設W是一個Q×Q的非負不可約矩陣，特徵值{λi}i＝1Q。
1)W唯一存在一個實特徵值λ*，有*=max{|i|}i=1Q;]]>2)對應λ*的特徵向量P*的每個元素有相同的符號，即同正或者同負，如果P*全負，可以在λ*P*＝WP*兩邊把符號約去，那麼我們可以得到全正的P*，即恆有P*≥o，o為全0向量，P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T]]>的元素分別代表M個移動臺的發射功率，下標對應用戶標號；3)滿足λP≥WP的最小實數λ在P*≥o條件下的解是λ＝λ*；4)滿足λP≤WP的最大實數λ在P*≥o條件下的解是λ＝λ*。
表達式A≥B或者A≤B表示矩陣A的元素大於等於或者小於等於B的對應元素。
下面給出W滿足上述定理條件的證明引理證明W是非負不可約矩陣。
證明由W的定義可知，除去對角線元素為0，其餘元素為正數。Q×Q矩陣W可約的定義是，存在轉置矩陣B，BABT=CDOE,]]>左下角的O表示全零矩陣，需要W至少有某行有多於兩個零元素，才可能構成可約矩陣。在公式(6)中給出矩陣W每個元素的表達式，除了對角線元素為0，非對角線元素Gij2MN,ij2Gii2MN,ii2,]]>其中大尺度衰落因子Gij、Gii為正數，卡方變量x2MN，ij2、x2MN，ii2分別表示信道傳遞函數Hij、Hii的二階範數的平方，Hij、Hii為0是沒有物理意義的，所以x2MN，ij2、x2MN，ii2恆為正數，從而W矩陣每行有且僅有一個0元素，為非負不可約的。
根據集中式功率控制方法，假設W完全已知，從定理1求出特徵值λ*，得到相應特徵向量P*，P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T.]]>由於W矩陣是在接收端得到的，所以λ*和P*也是在接收端計算出的值，需要通過反饋信道將P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T]]>反饋給各個移動臺，移動臺i按照P*的第i個元素Pi*值發送功率，使得接收端達到平衡的SIR*。
圖1是單用戶V-BLAST系統框圖；圖2是1/3小區復用的多用戶V-BLAST系統示意圖；
圖3是1/3小區復用使用功率控制與不使用功率控制的性能比較圖。
具體實施例方式以下結合
本發明的實施例。
實施例1本實施例應用於多用戶V-BLAST系統，採用時分多址接入(TDMA)方式，由於主要幹擾來自共信道小區，所以不考慮鄰信道小區的幹擾和接收端的噪聲。每個時刻小區內最多只有一個移動臺和基站通信，發射端用M根天線，接收端用N根天線，接收端採用V-BLAST檢測算法，這樣構成一個TDMA方式下的多用戶V-BLAST系統。移動臺和基站的收髮結構為圖1所示的單用戶V-BLAST系統的收髮結構。如圖1所示，移動臺發送數據1經過發送基帶處理單元2，通過多根發射天線的射頻處理模塊3將基帶信號調製到射頻信號，發送到無線信道4，信道4為瑞利慢衰落信道，發送信號通過信道4之後被多根接收天線的射頻處理模塊5接收，所有接收信號被送到接收端的基帶處理單元6，得到輸出7，接收端根據測量的SIR在6計算得到調整後的功率值，通過反饋信道8反饋給發送端2。發送天線M根，接收天線N根，多個發送端信號之間是不相關的。
基站i的接收信號表達式，忽略噪聲，為ri=Pi/MGiiHiixi+j=1jiQPj/MGijHijxj=Di+Ii---(1)]]>Pi表示移動臺i的發射功率，Pj表示移動臺j的發射功率，M為移動臺發射天線數目，Gij、Gii分別表示移動臺j、移動臺i到基站i的大尺度衰落因子，Q表示總的共信道數目， Hij、Hii矩陣的元素是獨立同分布，幅度歸一化的復高斯信號，xi＝[x1i，x2i，...，xMi]T、xj＝[x1j，x2j，...，xMj]T分別表示移動臺i、移動臺j的發送信號，Di和Ii分別表示接收到的目標信號和幹擾信號，Di和Ii都是0均值的信號，具體表述為Di=Pi/MGiiHiixi---(2)]]>Ii=j=1jiQPj/MGijHijxj---(3)]]>由(2)、(3)可以得到
Pi,Desire=Ex[DiHDi]=PiMGiiEx[xiHHiiHHiixi]=PiMGii||Hii||2=PiMGii2MN,ii2---(4)]]>Pi,Inter=Ex[IiHIi]=Ex[(j=1jiQPj/MGijHijxj)H(j=1jiQPj/MGijHijxj)]---(5)]]>=j=1jiQPjMGij||Hij||2=j=1jiQPjMGij2MN,ij2]]>其中Pi，Desire和Pi，Inter分別表示基站i接收到的目標信號的能量和幹擾信號的能量，Ex[□]表示在Block長度內，對發送信號取集平均，x2MN，ii2、x2MN，ij2均表示自由度是2MN的卡方變量。信號幹擾比定義為目標信號能量比上幹擾信號能量，可以得到多用戶V-BLAST系統中基站i的接收SIR，SIRi=Pi,DesirePi,Inter=PiMGii2MN,ii2j=1jiQPjMGij2MN,ij2=Pij=1jiQPjGij2MN,ij2Gii2MN,ii2---(6)]]>為了簡化表達，令Wij=Gij2MN,ij2Gii2MN,ii2,ji0,j=i---(7)]]>將(7)代入(6)，得到簡化的SIR表達式SIRi=Pij=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計算出矩陣W最大絕對值的特徵值λ*和對應的特徵向量P*，將P*通過反饋信道反饋給移動臺，移動臺i按照總功率Pi*發送信號能量，每根天線發射功率為Pi*/M。本發明討論的是慢衰落信道，信道特性在數據塊(Block)內不變，Block間可變，相應的，W矩陣和發送功率也是在Block內不變，Block間可變。本方法的優點是，充分利用接收端信道信息，根據接收端的SIR值，調整移動臺的發射功率，而不作功率控制的系統，各個移動臺以相同功率發送，沒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系統通信模型，因而本方法適用於不同小區復用因子，同樣適用於任意的發送天線數目和任意的接收天線數目，接收天線多於發送天線。
為了具體的說明本實施例的優點，給出計算機仿真結果。仿真採用圖2的蜂窩結構，存在三個鄰信道小區9、10和11，頻率復用為1/3。7個共信道小區9，分別標記為9(1)-9(7)，記為Q＝7。歸一化小區半徑R＝1，路徑衰減因子α＝4，正態陰影衰落σ2＝8dB。移動臺在各自小區內均勻分布。發射天線M，接收天線N，比較(M，N)組合為(1，1)，(4，6)下的BER性能。每根天線的發送功率為移動臺的總功率除以發送天線數目。發送信號1經過2的串並轉換，無信道編碼，調製方式採用格雷編碼的4相移鍵控(QPSK)，調製星座點集合相同。調製後的符號被送到射頻處理模塊3發射到無線信道4。信道4的特性每個塊(Block)內穩定，塊間可變，Block定義為100符號(Symbol)長，用20Symbol傳導頻信號(Pilot)，80Symbol傳用戶數據。假設接收端理想信道估計，忽略估計誤差。接收模塊5將接收到的射頻信號轉換為基帶，送到接收基帶處理單元6。6對接收到的基帶信號採用迫零方法加優化順序的串行幹擾抵消(ZF-OSIC)，恢復出發送信號，得到輸出7。Q個移動臺同時發送，每個基站接收到來自Q-1個幹擾小區的信號。
按照公式(1)-(8)的定義，計算基站接收到的SIR值，Ex[□]表示在Block時間內對信號取集平均。按照(7)求出W矩陣，由λP＝WP計算出λ*和對應的P*，將P*的元素通過反饋信道反饋給移動臺，移動臺i按照總功率Pi*發送信號能量，每根天線發射功率為Pi*/M。依照上面步驟，得到如圖3所示的數值仿真結果。橫坐標為共信道小區的標號，標號1-7分別對應圖2中的小區9(1)-9(7)，縱坐標為平均BER。曲線A表示8PSK調製的(4，6)MIMO系統，曲線B表示使用BPSK調製的(1，1)SISO系統，曲線C表示8PSK調製並且使用本發明的功率控制方法的(4，6)MIMO系統。假設符號傳輸速率為1Symbol/s/Hz對(1，1)的SISO系統來說，使用BPSK調製，頻譜利用率為1bps/Hz；而對於(4，6)的MIMO系統，使用8PSK調製，頻譜利用率為4*3＝12bps/Hz，比SISO系統提高了12倍！從圖3看出，A曲線的BER高於B曲線，而C曲線普遍低於B曲線，這充分體現了本發明在MIMO系統中的優勢。由於功率控制的使用，在幹擾嚴重的小區9(1)內，(4，6)的MIMO系統的平均BER下降了將近5倍。
權利要求
1.一種多天線系統中基於信號幹擾比的功率控制方法，包括在接收端計算W矩陣，將接收信號表示為λP＝WP的形式，求解W矩陣的絕對值最大的特徵值λ*，以及λ*對應的特徵向量P*；其特徵在於多用戶的蜂窩多天線系統採用時分多址接入方式，在平坦瑞利慢衰落信道下，在接收端計算多天線系統的矩陣W，W是Q×Q的矩陣，Q為共信道小區數目，W矩陣的元素 Gij、Gii分別表示小區j的移動臺、小區i的移動臺到小區i的基站的大尺度衰落因子，Hij、Hii的元素是獨立同分布，幅度歸一化的復高斯信號， 1≤j≤Q，將W代入公式λP＝WP，計算得到W矩陣的絕對值最大的特徵值λ*，P*為對應λ*的特徵向量，P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T]]>即功率控制後的發射功率，該發射功率通過反饋信道從接收端反饋給發送端，小區i的移動臺在發送端對信號乘以功率Pi*發送，1≤i≤Q，移動臺的M根發送天線均分功率，即各個天線發射功率為Pi*/M。
全文摘要
本發明多天線系統中基於信號幹擾比的功率控制方法，特徵是，在接收端計算Q×Q矩陣W，其元素見上式,代入公式λP＝WP，計算W矩陣絕對值最大的特徵值λ
文檔編號H04B7/005GK1635715SQ200310125418
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月31日 優先權日2003年12月31日
發明者趙昆, 邱玲, 朱近康 申請人:中國科學技術大學