多小区BDMA传输功率分配方法组成比例

本发明专利技术公开了多小区BDMA传输功率分配方法，基于CCCP功率分配方法，计算和速率表达式中的被减项关于发射功率的导数，通过迭代求解凸优化问题获得功率分配结果。基于确定性等同功率分配方法，利用波束域特征模式能量耦合矩阵计算和速率及和速率表达式中被减项关于发射功率导数的确定性等同表达，通过求解分式方程获得功率分配结果。各用户波束等功率约束下用户间功率分配方法包括两个步骤：首先为各用户分配互不重叠的波束集合，其次在确定各用户传输波束的情况下，实施用户间发送功率分配。本发明专利技术功率分配算法解决了大规模通信系统中功率分配方案过于复杂的问题，提高了功率效率和频谱效率，计算复杂度低，且可以逼近最优功率分配性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信领域，具体涉及多小区BDMA传输功率分配方法。
技术介绍
大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)系统，基站利用大规模天线阵列(天线数量为几百甚至上千)同时服务若干用户(用户数为数十个)。利用大规模天线阵列，可以有效降低用户间干扰，简化收发机设计，在不增加带宽的情况下大幅度提高系统的频谱效率和功率效率。波束分多址(Beam Division Multiple Access,BDMA)传输利用大规模天线阵列的空间角度分辨率和各用户信道在波束域中的局部性特征，对不同位置不同方向的用户进行区分，实现波束域多用户空分多址传输。在BDMA下行传输中，为了获得更高的传输速率，需要对不同用户不同波束的发射功率进行优化。单用户的功率优化问题可以通过注水算法求解；多用户场景，尤其是在多数据流的时候，对于这类问题，往往不一定存在全局最优解，采用进化算法(如遗传算法、粒子群算法)，实现复杂度高，尤其当基站侧天线数量较大的时候。为此，本专利技术给出了多小区BDMA传输下低复杂度的功率分配方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供多小区BDMA传输场景下，计算复杂度低，且性能逼近最优解的功率分配方法。本专利技术采用的技术方案为：多小区BDMA传输功率分配方法,包括以下步骤：1)各小区的基站配置大规模天线阵列，天线单元间距为半个波长量级，基站利用统一的酉变换生成大规模波束覆盖整个小区，对不同位置不同方向的用户进行区分，实现波束分多址(Beam Division Multiple Access,BDMA)传输；2)基站获取长时信道信息，所述长时信道信息指波束域特征模式能量耦合矩阵，基站利用该长时信道信息进行功率分配计算，包括基于凹-凸过程(Concave-Convex Process,CCCP)功率分配方法、基于确定性等同功率分配方法、各用户波束等功率约束下用户间功率分配方法；3)基于CCCP功率分配方法，利用和速率表达式中的被减项关于发射功率的导数，将功率分配问题转化为凸优化问题，通过迭代求解凸优化获得功率分配结果；4)基于确定性等同功率分配方法，利用大维随机矩阵理论计算和速率及和速率表达式中的被减项关于发送功率矩阵导数的确定性等同表达，通过迭代确定性等同优化问题获得功率分配结果；5)各用户波束等功率约束下用户间功率分配方法，首先根据长时信道信息选择同时通信的用户，并为各用户分配互不重叠的波束集合，在波束分配确定之后，利用确定性等同及CCCP进行用户间功率分配。作为优选，所述步骤1)中的各个小区由多个扇区组成，每个扇区覆盖60°或者120°或者180°或者其他角度范围，每个扇区有一组天线阵列，其由大量的天线构成，各个扇区采用相同天线阵列结构时，可以使用相同的酉矩阵生成大规模波束，采用不同天线阵列结构时，各个扇区使用各自天线阵列对应的酉矩阵变换生成大规模波束，同一个扇区内波束变换的酉矩阵是唯一确定的，不随用户的位置以及信道状态而改变。作为优选，所述步骤2)中的长时信道信息为波束域特征模式能量耦合矩阵，利用上行信道探测过程，根据不同的频率复用因子，相邻小区用户在不同的子载波上发送探测信号，基站根据接收到的探测信号，估计各个用户的能量耦合矩阵，并通过光纤或其他高速链路与相邻小区进行交互，所述相邻基站交互的内容包括各小区及相邻干扰小区到本小区基站的信道能量耦合矩阵。作为优选，所述步骤3)中的基于CCCP功率分配方法包括：a.计算和速率表达式中的被减项关于功率分配矩阵的导数；b.迭代求解功率分配凸优化问题，所述功率分配凸优化问题为利用和速率表达式中的被减项关于功率分配矩阵的导数以及前一次迭代功率分配结果(第一次迭代时，前一次为初始设定值)将和速率表达式中被减项的非凸部分由其一阶展开近似，转化为线性函数，得到关于功率分配矩阵的凸优化问题；c.利用凸优化问题的解更新和速率表达式中的被减项关于功率分配矩阵的导数，迭代上述过程直至和速率收敛，即相邻两次迭代结果的和速率之差小于某个设定值。作为优选，所述步骤4)中的基于确定性等同的功率分配方法包括：a.利用波束域特征模式能量耦合矩阵，迭代计算确定性等同辅助变量Φk，j，直至收敛，所述的确定性等同辅助变量Φk,j可由单边相关阵ηQ,k,j,l(D)和表达为 Φ k , j = I + Σ l η ~ Q , k , j , l ( ( I + η Q , k , j , l ( Φ k , j - 1 ) ) - 1 ) ]]>其中，单边相关阵ηQ,k,j,l(D)和为对角矩阵，其对角线元素为Ωk,j,l为第l个基站到第j个小区第k个用户的特征模式能量耦合矩阵，Ql为第l个基站的发射信号协方差矩阵；b.利用确定性等同辅助变量Φk,j计算和速率表达式中的被减项关于功率分配矩阵导数的确定性等同表达；c.将和速率及和速率表达式中的被减项关于功率分配矩阵导数的确定性等同表达代入功率分配凸优化问题中，利用KKT条件得到与优化问题解等价的分式方程，通过求解分式方程获得功率分配结果；d.迭代上述功率分配过程，直至相邻两次功率分配结果的和速率确定性等同值相差在某个设定值之内。作本文档来自技高网...

【技术保护点】
多小区BDMA传输功率分配方法，其特征在于：包括以下步骤：1)各小区的基站配置大规模天线阵列，天线单元间距为半个波长量级，基站利用统一的酉变换生成大规模波束覆盖整个小区，对不同位置不同方向的用户进行区分，实现BDMA传输；2)基站获取长时信道信息，所述长时信道信息指波束域特征模式能量耦合矩阵，基站利用该长时信道信息进行功率分配计算，包括基于CCCP功率分配方法、基于确定性等同功率分配方法、各用户波束等功率约束下用户间功率分配方法；3)基于CCCP功率分配方法，利用和速率表达式中的被减项关于发射功率的导数，将功率分配问题转化为凸优化问题，通过迭代求解凸优化获得功率分配结果；4)基于确定性等同功率分配方法，利用大维随机矩阵理论计算和速率及和速率表达式中的被减项关于发送功率矩阵导数的确定性等同表达，通过迭代确定性等同优化问题获得功率分配结果；5)各用户波束等功率约束下用户间功率分配方法，首先根据长时信道信息选择同时通信的用户，并为各用户分配互不重叠的波束集合，在波束分配确定之后，利用确定性等同及CCCP进行用户间功率分配。

【技术特征摘要】
1.多小区BDMA传输功率分配方法，其特征在于：包括以下步骤：1)各小区的基站配置大规模天线阵列，天线单元间距为半个波长量级，基站利用统一的酉变换生成大规模波束覆盖整个小区，对不同位置不同方向的用户进行区分，实现BDMA传输；2)基站获取长时信道信息，所述长时信道信息指波束域特征模式能量耦合矩阵，基站利用该长时信道信息进行功率分配计算，包括基于CCCP功率分配方法、基于确定性等同功率分配方法、各用户波束等功率约束下用户间功率分配方法；3)基于CCCP功率分配方法，利用和速率表达式中的被减项关于发射功率的导数，将功率分配问题转化为凸优化问题，通过迭代求解凸优化获得功率分配结果；4)基于确定性等同功率分配方法，利用大维随机矩阵理论计算和速率及和速率表达式中的被减项关于发送功率矩阵导数的确定性等同表达，通过迭代确定性等同优化问题获得功率分配结果；5)各用户波束等功率约束下用户间功率分配方法，首先根据长时信道信息选择同时通信的用户，并为各用户分配互不重叠的波束集合，在波束分配确定之后，利用确定性等同及CCCP进行用户间功率分配。2.根据权利要求1所述的多小区BDMA传输功率分配方法，其特征在于：所述步骤1)中的各个小区由多个扇区组成，每个扇区覆盖60°或者120°或者180°或者其他角度范围，每个扇区有一组天线阵列，其由大量的天线构成，各个扇区采用相同天线阵列结构时，使用相同的酉矩阵生成大规模波束，采用不同天线阵列结构时，各个扇区使用各自天线阵列对应的酉矩阵变换生成大规模波束，同一个扇区内波束变换的酉矩阵是唯一确定的，不随用户的位置以及信道状态而改变。3.根据权利要求1所述的多小区BDMA传输功率分配方法，其特征在于：所述步骤2)中的长时信道信息为波束域特征模式能量耦合矩阵，利用上行信道探测过程，根据不同的频率复用因子，相邻小区用户在不同的子载波上发送探测信号，基站根据接收到的探测信号，估计各个用户的能量耦合矩阵，并通过光纤或其他高速链路与相邻小区进行交互，所述相邻基站交互的内容包括各小区及相邻干扰小区到本小区基站的信道能量耦合矩阵。4.根据权利要求1所述的多小区BDMA传输功率分配方法，其特征在于：所述步骤3)中的基于CCCP功率分配方法包括：a.计算和速率表达式中的被减项关于功率分配矩阵的导数；b.迭代求解功率分配凸优化问题，所述功率分配凸优化问题为利用和速率表达式中的被减项关于功率分配矩阵的导数以及前一次迭代功率分配结果将和速率表达式中被减项的非凸部分由其一阶展开近似，转化为线性函数，得到关于功率分配矩阵的凸优化问题；c.利用凸优化问题的解更新和速率表达式中的被减项关于功率分配矩阵的导数，迭代上述过程直至和速率收敛，即相邻两次迭代结果的和速率之差小于某个设定值。5.根据权利要求1所述的多小区BDMA传输功率分配方法，其特征在于：所述步骤4)中的基于确定性等同的功率分配方法包括：a.利用波束域特征模式能量耦合矩阵，迭代计算确定性等同辅助变量Φk,j，直至收敛，所述的确定性等同辅助变量Φk,j由单边相关阵ηQ,k,j,l(D)和表达为 Φ k , j = I + Σ l η ~ Q , k , j , l ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：高西奇，孙晨，王闻今，丁峙，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32