本发明专利技术展示了在MU‑MIMO无线通信系统中对每个传输天线的每个数据流分配功率的方法，包括BS计算临时波束成型矩阵，根据每个天线的最大传输功率、每个数据流的分配功率、每个数据流的信道质量以及所述临时波束成型矩阵的每个元素的幅度，构造特殊的矩阵和向量，根据该特殊的矩阵和向量，计算分配给每个天线的每个数据流的功率，以及调节所述临时波束成型矩阵的每个元素以获取最终的波束成型矩阵。
A method of power allocation and precoding matrix calculation in wireless communication system
The present invention discloses a method for each data for each transmission antenna power flow distribution in the MU MIMO wireless communication system, including the calculation of BS temporary beam forming matrix, according to each antenna maximum transmission power, the power distribution of each data stream, each data stream channel quality and the temporary beam forming matrix of each element the magnitude of the special structure of the matrix and vector, according to the special matrices and vectors, each power allocated to each antenna data flow, and the regulation of the temporary beam forming matrix of each element in order to obtain the final beamforming matrix.
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种在无线通信系统中进行功率分配和预编码矩阵计算的方法本申请主张申请日为2015年6月28日的第62/185,674号美国在先申请的优先权。
本专利技术涉及无线通信领域，尤其涉及在大规模多输入多输出(MIMO)通信系统中基站(BS)分配功率并在信号传输至用户设备(UE)前对其进行预编码的原理。
技术介绍
大型的或者大规模的MIMO系统最初在文献[1]中提出，该系统中每个BS装备有数十到数百个传输天线。这种系统的一大优势在于其具有能在不增加功率或带宽的情况下提供线性容量增长的潜力[1]-[4]，而这一优势已通过采用多用户MIMO(MU-MIMO)来获取较传统系统明显更高的空间复用增益的方式实现。在这一系统中，所述BS在每个调度时隙中对UE分组，并在同样的时间和频率资源上向这些UE传输数据。总传输功率限制的迫零(ZF)预编码技术已被证实是最大化大型MU-MIMO系统速率和的几乎最佳的选择[2]。然而，在实际操作中，是每个天线的功率而不是所述总功率受到了限制。这意味着最大化功率的利用需要每个天线对应的所有用户的功率和是相同的。遗憾的是，由于ZF预编码矩阵随机性，在实际操作中基本不会是这种情形。因此，这将BS置入了一个两难的境地：一方面，ZF预编码技术不能充分利用传输功率，这会造成吞吐量损失；另一方面，充分利用功率意味着分组后的用户间会出现残余干扰，随着ZF预编码矩阵被打乱，这也会造成吞吐量的损失。共轭波束成型(CB)技术由于易于实现，是在大型MIMO通信系统中实现MU-MIMO预编码的另一种实用的预编码方法。与ZF相似，CB也面对着在每个天线的功率被限制时优化频率分配的问题。因此，本领域需要更加精良的功率分配方法来最大化MU-MIMO系统的速率和。出于上述原因，本专利技术提供四种不同的在BS采用ZF预编码时，基于两种不同的优化目标向每个数据流分配功率的方法。此外，本专利技术还提供BS采用CB时实现简单功率分配的方法。本专利技术的优势包括：1.当采用ZF预编码时，上述四种功率分配方法中有两种方法较余下方法具有较低的信噪比(SNR)，反之亦然。因此，针对不同的SNR区域可采用不同的功率分配方法来获取MU-MIMO系统的最大速率和；2.当采用CB时，可采用具有很少速率和损失的非常简单的频率分配方法；3.本专利技术提供的所有方法的速率和损失相较于总传输功率受限而非每个天线功率受限的情形而言都是可忽略不计的；4.最重要的是，这些方法不受每个信道向量的缩放因子的影响，因此利用任意缩放因子进行的信道估计都会是充分的，这会缓解大规模MIMO系统中信道管理的准确性要求。
技术实现思路
本申请提供多种在MU-MIMO系统中实现功率分配和预编码矩阵计算的方法。对于ZF预编码，本申请提供两种最大化功率利用的方法，其中一种是基于正交投影，另一种是基于限制区域的最优解迭代搜索。此外，本申请还提供两种在MU-MIMO用户分组的UE中最小化用户间干扰的方法，其中一种是基于线性放大，另一种是基于迭代搜索。在上述四种方法中，前两种方法是在低SNR区域中的优选项，后两种方法是在高SNR区域中的优选项。对于CB，本申请提供一种简单但速率无损的方法，其中每个天线的功率可被完全消耗。附图说明根据下面结合附图对本专利技术的多个方面的描述，上述本专利技术的实现方式将更容易理解。附图中与不同部分对应的参考编号将在所有附图中保持一致。图1的方块图示出了方程式(12)搜索最优解的迭代过程。图2的方块图示出了方程式(19)搜索最优解的迭代过程。图3的方块图示出了功率分配和预编码矩阵计算的过程。具体实施方式对于一个大型的MIMO系统，假设BS的天线数量为M，下行链路中资源元素(RE)，如子载波，或资源块(RB)等等上的复用数据流数量为K。值得注意的是，所述K个数据流属于N个用户，其中N≤K。假设与所述K个数据流对应的信道矩阵为H＝[h1h2…hK]T，该矩阵可由BS通过上行信道管理或上行反馈信道获取。在当前RE上的K个调制信号在进一步处理前要在最前面加上矩阵W，矩阵W的维度为M×K，且第(m,k)个元素为wmk，其中m＝1,2,…,M，且k＝1,2,…,K。如果采用ZF预编码方法，所述BS首先计算一个临时矩阵：Hinv＝HH(HHH)-1,(1)接着，矩阵Hinv的第(m,k)个元素可表示为：令为分配给当前RE的分属于所述M个天线的功率，由所述BS分配给第k个数据流的功率为Pk，其满足一个可能的示例如下：为了完成所述功率分配，本专利技术提供可分为两类的四种方法，其中第一类是基于最大化功率利用，第二类是基于最小化用户间干扰。类-1：最大化功率利用。在这一类中，所述BS通过删除如下临时矩阵的第kd行向量来构造一个(M+K-1)×MK的矩阵A：其中AT的第(i,j)个元素满足条件且kd∈{1,…,MK}可以是任何可能的MK值。所述BS通过删除临时向量的第kd个元素来构造一个(M+K-1)×1的向量b一个MK×1的向量r构造成r＝[r11…rM1r12…rM2…r1K…rMK]T,(7)其中r的元素满足根据上述矩阵A和向量b及r，可采用两种方法来计算分配给每个天线上的每个数据流的功率。方法-1：正交投影。在这一方法中，所述BS首先通过如下公式将向量r投影至方程式Ax＝b的解空间中：其中且a为正实数。接着，所述功率分配矩阵的元素按照如下公式计算：方法-2：迭代搜索。在这一方法中，功率分配向量通过解如下方程组来计算:方程组(11)可在限制区域中通过迭代搜索来解。一个可能的解法为首先将方程组(11)转换为等效方程组接着利用图1所示的迭代搜索过程来寻找最优p。具体而言，在搜索过程开始(步骤1)后，输入参数初始化为t>0,εo>0,εi>0,p0∈{Ap＝b,pi≥0},μ>0,且γ>0,其中∈o和∈i分别为外圈搜索和内圈搜索的可容忍误差，p0是初始的功率分配矩阵，μ和γ是两个调节参数(步骤2)。接着，在时进行外圈搜索(步骤3)，在λ(p)/2>εi时进行内圈搜索(步骤4)。在内圈搜索中，首先解方程其中χ为调节参数(步骤5)。接着，按照计算牛顿减量(步骤6)。之后，按照p←p+γΔpt更新变量p(步骤7)。在内圈搜索结束(步骤8)后，按照t←μt更新参数t(步骤9)。在外圈搜索结束(步骤10)后，整个过程结束(步骤11)。最后，所述向量p根据元素pmk重塑进矩阵中，其中m＝1,…,M且k＝1,…,K。根据pmk，所述预编码矩阵W的元素wmk可按如下方式计算：类2：最小化用户间干扰。在这一类中，本专利技术提供两种最小化用户间干扰的方法。方法1：线性放大。在这一方法中，所述BS首先根据元素计算一个临时的功率分配矩阵，其中与等式(2)中的相同，接着按照m＝1,…,M计算每个天线消耗的功率。之后，所述BS选取Qm的最大值，表示为Qmax。最后，所述功率分配矩阵按照如下方式计算：方法-2：迭代式注水方法。在这一方法中，所述BS按如下形式构造一个(M+K)×K的矩阵A：其中m＝1,…,M,且k＝1,…,K，元素amk满足：所述BS按照如下方式构造一个(M+K)×1的向量b：令所述功率分配向量ps为其中为分配给第k个数据流的功率,k＝1,本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种在MU‑MIMO无线通信系统中进行功率分配的方法，包括：具有M个阵列天线的BS在一个资源元素中提供K个数据流服务，其中M≥K；以及所述BS对功率进行分配以最大化所述功率的利用。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.28 US 62/185,6741.一种在MU-MIMO无线通信系统中进行功率分配的方法，包括：具有M个阵列天线的BS在一个资源元素中提供K个数据流服务，其中M≥K；以及所述BS对功率进行分配以最大化所述功率的利用。2.权利要求1所述的方法，其中所述BS通过正交投影最大化所述功率的利用。3.权利要求1所述的方法，其中所述BS通过迭代搜索最大化所述功率的利用。4.权利要求1所述的方法，其进一步包括：所述BS基于与所述天线、给每个数据流分配的功率和信道质量相关的数值构造特殊的矩阵和向量；所述BS使用所述构造的特殊矩阵和向量计算分配给每个天线的每个数据流的功率，并使用这一计算结果获取一个最终的波束成型矩阵以最大化所述功率的利用。5.权利要求4所述的方法，其中所述BS通过正交投影使用所述构造的特殊矩阵和向量计算分配给每个天线的每个数据流的功率。6.权利要求4所述的方法，其中所述BS通过迭代搜索使用所述构造的特殊矩阵和向量计算分配给每个天线...
【专利技术属性】
技术研发人员：梁平，朱登魁，李博宇，
申请(专利权)人：梁平，
类型：发明
国别省市：美国,US
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