CN101702700A - 基于对偶性的mimo-ofdm多用户***功率最小化分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MIMO-OFDM多用户***基于无线信道上行与下行功率对偶性的最优功率分配方法、用户设备以及通信***，用于无线传输技术领域。本发明中的发射端设备根据各个用户的信道条件，实现下行广播信道的多用户调度以及在满足多用户速率要求的约束条件下最小化发射端功率消耗；用户设备和发射端设备可以利用下行链路与上行链路的功率对偶性关系，实现下行链路功率最优分配上行链路的分配分配方案的转化。本发明提出了一种在满足各个用户的速率要求的前提下，最小化发射功率的功率分配方法，降低了发射端的功率开销，同时也达到了降低用户间和小区间干扰的目的。

Description

基于对偶性的MIMO-OFDM多用户***功率最小化分配方法

技术领域

本发明涉及一种多用户***功率最小化分配方法，特别是涉及一种MIMO-OFDM多用户***满足每个用户通信速率需要的条件的最小化发射功率的方法。

背景技术

在发射机和接收机上使用多根天线，即构成了多输入多输出(MIMO)传输模型，这种传输方式可以增强无线连接的可靠性和增加无线通信***的容量。在反射丰富的无线环境中，对于一个拥有Nt根发射天线和Nr根接收天线的***，MIMO传输方式对信道容量提高的贡献是和发射天线数和接收天线数相对较小的数值成线性关系的。对于宽带通信，正交频分复用(OFDM)技术将频率选择性信道分割成一组并行正交的平坦衰落信道，大大的提高了***频谱利用率，并能够有效的克服码间串绕(ISI)。OFDM技术与MIMO技术相结合，已成为未来宽带移动通信***优秀的备选方案。

目前，MIMO-OFDM多用户通信***的功率分配问题主要集中在基于在一定的功率约束条件下达到容量最大化。在理论上，多用户下行信道可以建模成广播信道(BC)，而上行信道可以建模为多址接入信道(MAC)。在BC和MAC中，功率控制是解决远近问题的重要方式。到目前为止，在多天线OFDM多用户***中，在可达速率域中基于期望速率的最优功率控制策略，并没有得到完全解决。目前的研究主要集中在基于每个用户的功率约束的条件下，达到速率最大化。也就是说，以前的研究主要集中于最大化总体速率，在这种情况下，具有较好信道条件的用户得到的服务机会大大高于具有较差信道条件用户，甚至有的用户根本得不到服务机会。因此，在实际***，以整体速率最大为用户调度准则，将会造成用户间的极度不公平性。针对这种情况，本发明考虑满足每个用户的速率要求条件下，最小化发射功率，从而达到既能满足***服务质量，又能降低发射功率的消耗，并能达到减少邻小区干扰的作用。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提出一种MIMO-OFDM多用户***满足每个用户通信速率需要的条件的最小化发射功率的方法。

本发明是通过以下述技术方案来解决上述技术问题的：本发明的目的在于克服现在技术中的不足已经不合理性，提供一种MIMO-OFDM多用户通信***中满足每个用户通信需求的情况下，最小化发射功率的方法，在优化资源分配的基础上，进一步降低多用户对相邻小区的干扰，本发明得到个功率分配策略，还可以通过上行链路和下行链路的对偶性，转化为上行链路的功率分配策略。本发明所提算法性能稳健，且易于实现。本发明是通过以下技术方案实现的，首先根据每个用户在每个子载波上的信道状态信息，在所有子载波上进行用户选择，所有子载波上信道条件最好的用户将会被选择，然后将此用户从候选用户集中删除。接下来在所选择用户所在的相同子载波上进行用户选择，以实现空分复用发射策略。在每个子载波上进行用户选择的过程中，每选择一个用户，都要将当前子载波上的整体速率R⁽ⁿ⁾与没有进行此次用户选择的当前子载波上的整体速率R^(n-1)进行比较，如果R⁽ⁿ⁾＜R^(n-1)，则取消当前用户选择，从而当前子载波上的用户为前面步骤所选择的用户，否则，以同样的方式进行下一轮用户选择。当一个子载波上的用户选择结束以后，即在剩余的子载波上按照同样的方式进行用户选择，如果所有的用户都已经被选择过一次，即候选用户集已经无用户可选时，则将候选用户集设为所有用户，直到最后一个子载波得到上分配完毕。最后，按照所选的用户子集和每个用户的功率分配要求进行功率分配，从而达到资源的最优化配置。

以下对本发明方法作进一步说明，包括如下步骤：

1、接收端获取信道状态信息，该信道状态信息可以利用某种信道估计方法获得。

2、并假设每个用户将信道状态信息反馈回发射端，即发射端知道准确的信道状态信息。

3、比较每个用户在每个子载波上面的信道强度，以此开始用户选择算法。信道强度以每个用户在每个子载波上每个用户的信道向量的模表示。即用户k在子载波N_s上的模r_k(N_s)＝h_k(N_s)h_k(N_s)^H，具体选择方式是：

$s_1=\arg \underset{\{k\∈T,N_s\∈N\}}{\max }{r}_{1,k}\left(N_s\right)$

其中s₁为选择的第一个用户，T为候选用户集合，N为候选子载波数。

4、在当前子载波上进行下一个用户选择，选择的用户个数N_u不大于发射端天线数N_t。选择的原则为容量最优准则。设R_zf为迫零波束形成的多用户速率，则选择的用户为

$s_n=\arg \underset{s_n\∈T}{\max }{R}_{\mathrm{zf}}(S\left(N_s\right)\∪\{s_n\left\}\right).$

5、在每个子载波上进行下一次用户选择的时候，计算当前子载波上的总体速率，并与没有进行当前用户选择时子载波总体容量进行比较，如果容量有提升，则进行下一轮的用户选择，否则，终止当前子载波上的用户选择。并开始在剩余的子载波上进行用户选择。

6、如果所有可用子载波上的用户选择工作已经完成，则终止用户选择工作，并开始功率分配工作。功率分配的目标是为了最小化发射端功率消耗。功率分配的问题可以总结成一个最优化的问题，即

$\left\{\begin{array}{cc}\min & \underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N_c}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{j,n}\\ s.t.& \underset{n=1}{\overset{N_c}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+d_{1,n}{p}_{1,n})\≥R_1,\\ & .\\ & .\\ & .\\ & \underset{n=1}{\overset{N_c}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+d_{K,n}{p}_{K,n})\≥R_K,\end{array}\right.$

其中，p_j，n为分配到第j个用户的第n个子载波上的功率，R₁，...R_K为用户1，...，K的速率要求，d_j，n为第j个用户的第n个子载波上的信道增益。

7、通过对上面最有化问题的求解，得到每个用户的最优功率分配方案为

$p_{j,n}={[2^{\frac{R_j-{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{\tilde{N}\left(j\right)}{\log }_2\left(d_{j,n}{\log }_{2}e\right)}{\tilde{N}\left(j\right)}}/\ln 2-\frac{1}{d_{j,n}}]}^{+}$

其中[x]⁺为取0与x之间的最大值，

为分配给用户j的子载波数。

8、对于上行和下行的对偶关系，可以由上行与下行的对偶关系得到。设p_i ^M和p_i ^B分别为用户i在上行和下行的功率，用户总数为K，h_i和v_i分别为用户i的信道增益和波束形成向量，则

$p_i^B=p_i^M\frac{1}{1+{\mathrm{\Σ}}_{j=i+1}^K{p}_j^M{\left|h_j{v}_1\right|}^2}$

$p_i^M=p_i^B\frac{1+p_{i+1}^M{\left|h_{i+1}{v}_i\right|}^2}{1+{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{i-1}{p}_j^B{\left|h_i{v}_j\right|}^2}$

本发明的积极进步效果在于：本发明基于用户选择与功率分配得到最优化的资源分配策略。相对于传统的用户选择方法，本发明具有更好的公平性，从而使***具有更好的公平性，同时本发明从理论上得出了最优的功率分配方法，从而使发射功率最小。非常适用于发射机和接收机均为无线节点的情况。同时由于对偶性的使用。可以使每个用户使用最低功率，从而降低了能耗，而且能够进一步降低对邻小区的同频干扰。具有较高的实用价值，可以为第三代(3G)、超三代(B3G)、***(4G)蜂窝移动通信和数字电视、无线局域网(WLAN)、无线广域网(WWAN)等***的预编码方案提供重要的理论依据和具体的实现方法。

附图说明

图1是带有用户选择的MIMO-OFDM多用户***原理图；

图2是在各个子载波上的用户分配的示意图；

图3是本发明的算法流程图；

图4是带有4个发射天线的多用户***的各种发射策略所需要的功率仿真曲线图；

图5是带有4个发射天线的多用户***的各种发射策略所需要的功率(不考虑公平性)仿真曲线图；

图6是带有公平性考虑的用户选择次数的仿真曲线图；

图7是多用户分集的影响仿真曲线图；

图8是发射天线的影响仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

(1)带有用户选择的MIMO-OFDM多用户***的构造

带有用户选择的MIMO-OFDM***的构造如图1所示，本发明采用4发2收的带有用户选择的MIMO-OFDM***，采用QPSK调制方式。信道状态信息在接收端获取，本发明不涉及具体的获取方式。并假设每个用户反馈给发射机各自的信道状态信息，发射端根据反馈的信道状态信息完成用户选择和功率分配。为了全面测试本发明对***性能的影响，采用多径Rayleigh信道模型进行***级性能仿真。多径Rayleigh信道模型的信道多径数目为3，其归一化功率、延时参数为[1 1/exp(1)1/exp(2)]，其中exp(α)代表自然对数的底数的α次幂。

(2)MIMO-OFDM多用户***在子载波间的分配

在本发明中，在用户维和子载波维进行用户选择。图2所示是采用空分复用的方式作为发射机的发射策略的用户在各子载波上的分布模式，同时得到相应的用户选择方式。首先在一个子载波上进行用户选择，通过采用空分复用的方式(SDMA)的方式，每一个子载波可以同时为几个用户服务，即每个子载波可以选择几个用户。然后在其余的子载波上以同样的原理进行用户选择。当子载波数量较大时，有的用户会得到多次选择机会，这样使选择机会更加均等，从而使***具备更好的公平性。

(3)实施例

本实施例基于上述的多径Rayleigh信道模型。首先假设信道状态是准静态的，即在一个数据包的传输过程中信道状态是不变的。本案例的数据比特经过符号映射和QPSK调制。假设在接收端已知信道状态信息，则每个用户将信道状态信息反馈至发射端，发射端则通过反馈回来的各个用户的信道信息进行用户选择和功率优化设计。每个选中用户的信号通过预编码之后，信号被加载到4根发射天线发射，发射的信号为多个用户信号的叠加信号，经过多径Rayleigh信道，在接收端被每个用户的单个接收天线接收。由于选择的用户的信道在空间处于准正交，因此，各个用户的预编码向量也具有准正交关系，因此，经过信道的作用以后，干扰信号的影响将会很小，因此波束形成达到了多用户干扰消除的作用。同时接收天线的接收信号分别进行OFDM解调。接收端同样根据预编码码本序号反馈比特信息从码本中提取预编码矢量，对解调信号加权合并。合并信号最终依据最大似然准则进行译码获得数据符号，经过QPSK解调获得数据比特。

图1所示多径Rayleigh信道模型下的MIMO-OFDM***，发射天线数为4，每个用户的接收天线数为1。每个OFDM符号的子载波数为64，循环前缀数为16。图3中的Rate0为从0.01到0.16之间产生的随机数，以代表用户随机速率。假设实验中的用户总数为80。图4显示，与传统的TDMA接入方式相比较，采用脏纸编码(DPC)技术，迫零脏纸编码(ZFDPC)技术和迫零波束形成技术仅仅需要很少的功率。从理论上，DPC是最优方案，也是所需要功率最少的一种发射方案，ZFDPC是一种次优的发射方案，所需要的功率也很少，但是由于这两种方案需要进行脏纸编码，具有很高的复杂度，目前还没有一种方案在实际中实现脏纸编码，而ZFBF的性能非常接近脏纸码的性能，而比目前的TDMA接入方式节省大量的发射功率。因此，本发明具有较高的实用价值。

图5所示为不考虑公平性的情况下的各种发射方案的所需功率的仿真曲线，其中OFDM的配置为子载波数为64，循环前缀为16。Rate0为从0.01到0.16之间产生的随机数，以代表用户的随机速率。和图4比较，TDMA，DPC，ZF-DPC和ZFBF所消耗的功率要比图4所示的考虑公平性所消耗的功率更小，但是付出的代价就是公平性的降低。因此公平性和功率消耗之间有一个折衷。

图6所示为公平性考虑的仿真图。这里，子载波数为1024，循环前缀数为256。考虑有100个用户，从图中可以看到，每个用户的选择频率非常近似，说明***具有较好的公平性。

图7所示为多用户分集的作用。这里，每个用户的速率从0.0156到0.25之间随机产生。不失一般性，用户数为64的倍数，OFDM符号的子载波数为64，循环前缀为16。图7显示出当用户数较大时，用户需要的功率将会进一步降低。这是因为，随着用户数的增多，发射机能够以更高的概率选择正交性较好的用户子集，从而提升***的性能。

图8所示为发射端天线数量的影响。这里，每个OFDM符号的子载波数为64，循环前缀数为16。各个用户的随机速率为从1到8之间产生的随机数，并假设用户数为64。从图8中可以看出，随着天线数的增加，各中发射方案所需的功率将会进一步降低，但是当发射天下大于4时，所需功率的下降已经不明显。因此可以得出结论，发射机的天线数并不需要很大。

从以上图示可以看出，本发明具有较好的公平性，同时和目前使用的TDMA接入方式相比较，所消耗的能量将会大大降低，而且也非常接近理论上的最优性能。考虑到本发明中的迫零波束形成(ZFBF)技术的低复杂度性，使得本发明在实际中易于实现，具有较高的实际应用价值。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于对偶性的MIMO-OFDM多用户***功率最小化分配方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

A、根据信道条件，发射端设备选择各个子载波上具有最优信道条件的一个用户；

B、发射端设备在所选择用户所在的子载波上进行用户选择，选择的标准为最大化信道容量或者用户设备联合速率；

C、发射端设备在当前子载波的用户选择结束以后，将所选择的用户在可选用户集中删除，并进行下一轮的用户选择，即在剩余的子载波以及剩余的用户中选择信道条件最好的新用户，然后在所选用户所在子载波上继续选择其他用户；

D、直到所有的可用子载波全部分配完毕，然后进行最优化功率分配，使每一个用户设备的速率要求得到满足；

E、下行的功率分配方案通过功率对偶关系转化为上行链路的功率分配方案。

2.根据权利要求1所述的基于对偶性的MIMO-OFDM多用户***功率最小化分配方法，其特征在于：所述步骤A中所述的发射端设备根据信道条件选择所有子载波上信道条件最好的一个用户，在这里，信道条件的好坏基于信道矢量模的大小；

步骤B中使用的是具有较低的复杂度、能够达到接近最优容量的性能的迫零波束形成(ZFBF)技术；

步骤C中所述的在第一个子载波上的调度结束以后，将已经选择的用户从可选用户集中删除，是出于***公平性考虑；

步骤D中所述的进行最优化功率分配，使每个用户的速率要求得到满足，是将***资源分配问题转化为最优化问题，通过注水原理，求得每个用户的功率分配最优解，并保证每个用户的速率要求得到满足；

步骤E中所述的关于上行链路的最优功率分配方案，可以由MIMO多用户***的上行链路与下行链路的对偶性得到。

3.根据权利要求1或2所述的基于对偶性的MIMO-OFDM多用户***功率最小化分配方法，其特征在于：所述步骤A中所述根据信道状态信息选择各个子载波上信道条件最优的用户，以作为用户选择的起点，其中信道状态信息是用户设备通过信道估计技术获得，发射端设备的具体选择方式是：

$s_1=\arg \underset{\{k\∈T,N_s\∈N\}}{\max }{r}_{1,k}\left(N_s\right)$

其中s₁为选择的第一个用户，N_s子载波号，r_1，k(N_s)＝h_k(N_s)h_k(N_s)^H为信道第N_s子载波上的用户k的信道向量的模值。

4.根据权利要求1或2所述的基于对偶性的MIMO-OFDM多用户***功率最小化分配方法，其特征在于：所述步骤B中在最初选定的子载波上进行用户选择，进一步包括：在前一个用户的基础上，发射端设备从剩余的用户集合中选择一个用户，与前面已选择的用户组成一个用户集，然后计算联合速率，发射端设备选择联合速率最大的那个用户作为待选择的用户，然后将当前的这个联合速率R⁽ⁿ⁾和没有选择这个用户的用户子集的联合速率R^(n-1)相比较，如果R⁽ⁿ⁾＞R^(n-1)，则当前选择的用户有效，并进行下一轮的用户搜索，如果R⁽ⁿ⁾≤R^(n-1)，则当前搜索的用户被认为无效，然后发射端设备终止在当前子载波上面的用户搜索，并开始在下一个子载波上的用户搜索。

5.根据权利要求1或2所述的基于对偶性的MIMO-OFDM多用户***功率最小化分配方法，其特征在于：所述步骤C中所述的在一个子载波上用户搜索结束以后，将开始下一个子载波上的用户搜索，进一步包括：发射端设备在已经进行过用户选择的子载波之外的子载波里选择用户，主要表现在在剩余的子载波上选择选择一个信道条件最优的用户，然后在这一个子载波上进行用户选择，从而实现空分复用。

6.根据权利要求1或2所述的基于对偶性的MIMO-OFDM多用户***功率最小化分配方法，其特征在于：所述步骤D中的使每一个用户设备的速率要求得到满足，是考虑到在用户选择过程结束以后各个子载波上一般分配有多个用户，而有的用户可能出现在几个子载波上，发射端设备对多个子载波和多个用户的功率进行联合优化，从而实现资源的最优分配，发射端设备进行的功率优化算法为注水算法。

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