[發明專利]大規模多輸入多輸出系統中異構用戶導頻功率優化分配方法

在審

• 申請號: 201410253635.2
• 申請日: 2014-06-09
• 公開（公告）號: CN104039004A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 張華;鄭心如;許威
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04W52/32
• 分類號: H04W52/32
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務所 32250
• 代理人: 王斌

1.一種大規模多輸入多輸出系統中異構用戶的導頻功率優化分配方法，其特征在于，該分配方法包括以下步驟：

步驟1)小區中有一個基站和K個異構用戶，用g_k＝[g_1k,g_2k,...,g_Mk]^T表示小區中第k個用戶到基站的信道矢量，其中，M為基站的天線總數，k＝1、2、3…K，小區中第k個用戶終端到基站的第m根天線的復傳輸系數為g_mk，m為正整數，且1≤m≤M，h_mk表示小區中第k個用戶終端到基站的第m根天線的復快衰落因子，β_k表示小區中第k個用戶終端到基站的慢衰落系數，所謂異構用戶，即對于不同的k，β_k互異；用戶采用長時估計方法獲得慢衰落系數β_k；

步驟2)用戶首先進行上行導頻傳輸，用ρ_k表示第k個用戶發送的平均導頻功率，則在信道估計階段，基站的接收信號為：

其中是第k個用戶的導頻信號，τ≥K，其中Z的每個元素都服從采用MMSE估計，可以得到：

可以將信道矢量分解為信道估計矢量為根據MMSE估計的性質，其中σk2=τρkβk21+τρkβk,ϵk2=βk-σk2;]]>

步驟3)接著基站進行下行數據傳輸；假設s_t是要傳輸給第t個用戶的信號且Ε[|s_t|²]＝1，基站利用信道估計信息對要傳輸的信號進行線性預編碼，假設p_t是第t個用戶的預編碼矢量，則第k個用戶接收的下行信號為：

yk=Σt=1KPdgkHptst+υk]]>???式(3)

其中P_d為下行數據功率，υ_k是單位加性噪聲，由上式(3)可以看出，第k個用戶的下行接收信號受其他用戶下行數據的干擾；

步驟4)計算第k個用戶的下行信干噪比(SINR)，將式(3)重寫為：

其中，式(4)標出了信號、干擾和噪聲部分，從而得到第k個用戶的下行可達速率為：

SINRk=Pd|gkHpk|2Σt=1,t≠kKPd|gkHpt|2+1]]>???式(5)

步驟5)計算系統下行可達速率；基于MF的預編碼矢量為：

pk=g^kK||g^k||=g^kαkMK]]>???式(6)

其中，是歸一化因子，且為了保證基站總的發射功率隨基站天線數M增加保持不變，考慮下行數據功率P_d以的方式隨著M進行變化，其中E_d不變，從而，用戶k的下行SINR在M趨于無窮的近似值為：

limM→∞SINRk=limM→∞Pd|gkHpk|2Σt=1,t≠kKPd|gkHpt|2+1=limM→∞Edαk2K|(g^k+g~k)Hg^kM|2Σt=1,t≠kKEdαt2K|(g^k+g~k)Hg^tM|2+1=EdKτρkβk21+τρkβk]]>??式(7)

則系統下行可達速率為：

C∞=ΔlimM→∞R=Σk=1Klog2(1+EdKτρkβk21+τρkβk)]]>???式(8)

步驟6)利用拉格朗日乘數法求解問題；假設P為總導頻功率，首先將問題用如下優化公式表示：

minρk,k=1,2,···,K-C∞s.t.Σk=1Kρk≤P]]>???式(9)

其中，將式(8)中的τρ_k用ρ_k表示，假設λ為非負拉格朗日因子，構造拉格朗日函數如下：

L=-Σk=1Klog2(1+EdKρkβk21+ρkβk)+λ(Σk=1Kρk-P)]]>???式(10)

將L關于ρ_k和λ求導可得：

∂L∂ρk=λ-Edβk2ln2(K+Kρkβk+ρkβk2Ed)(1+ρkβk)∂L∂λ=Σk=1Kρk-P]]>???式(11)

令式(11)為0從而得到各用戶導頻功率的表達式為：

ρk=Ed2+4EdKλln2+4Ed2βkλln22(K+Edβk)-(2K+Edβk)2(βkK+Edβk2)]]>???式(12)

步驟7)利用二分搜索法求異構用戶導頻功率的優化值；利用0≤ρ_k≤P的功率限制條件，基于式(12)求得一組λ的下限和上限{λ_k,max}和{λ_k,min}，λ的目標值λ^*位于如下區間：保證每個用戶的導頻功率不超過P，令λ_l和λ_u分別為二分搜索每個迭代的下限和上限，λ₀是每個迭代采用的λ值，則二分搜索的過程如下：

i.初始化λl=maxk{λk,min}]]>和λu=maxk{λk,max};]]>

ii.令根據式(12)求解ρ_k，并計算總的導頻功率

iii.如果P_all＞P，則令λ_l＝λ₀，否則令λ_u＝λ₀；

iv.跳轉到ii.直到滿足P-P_all＜∈，其中∈為誤差限；

在上述過程中，若對于用戶k計算得到的導頻功率值小于零，則將其置為零。