毫米波多天线系统中基于加权容量增速的功率分配方法

摘要

本发明涉及一种毫米波多天线系统中基于加权容量增速的功率分配方法。目前的蜂窝无线通信频带难以满足日益增长的数据业务的需求。本发明方法利用了毫米波多天线系统中的容量的近似凸特性和单调性来分配功率。本发明方法利用这一特性计算各终端的加权的容量对功率的导数，即加权的容量增速，根据加权的容量增速给终端分配功率。在个终端的加权的容量增速相同的情况下，可以实现最大化的渐进系统容量，即基站天线数量趋于无穷下的系统容量。由于本发明方法利用的是毫米波多天线系统中的容量特性，即基站天线数量较多的情况下容量特性，其近似误差较小，能够取得更优的功率分配结果。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种用于毫米波多天线系统中基于加权容量增速的功率分配方法，是一种为多个终端分配基站的发射功率的方法。

背景技术

目前的蜂窝无线通信频带已经非常拥挤，并且难以满足日益增长的数据业务的需求。提高无线电波频率到毫米波的频率，可以有效解决目前频带拥挤的现状。并且，毫米波的波长短，天线的长度可以缩短，基站和终端都可以配置大量天线，提高传输频带的利用率。在毫米波多天线系统中，基站配置了几百或几千根天线，每个终端配置多根天线。由于信号的传播以直射路径为主，不同终端的信道存在相关性，导致终端间存在干扰。功率分配是减轻终端间干扰的一种有效方法。由于不同的终端间的干扰程度不同，合理分配基站功率可以尽量减小干扰，提高功率的利用效率。

毫米波多天线系统中的功率分配面临着问题。基于几何规划的功率分配方法和基于逐次凸近似的功率分配方法需要将原功率分配问题近似，近似的误差会造成功率分配结果不是最优的。基于分数规划的功率分配方法最大化功率效率而不是频谱效率，导致干扰不能降到最低。

发明内容

本发明的目的是针对现有方法不能以最优方式分配基站功率的问题，即通过分配基站功率以最大程度降低干扰的问题，提供一种毫米波多天线系统中基于加权容量增速的功率分配方法。

本发明方法基于一个包含一个基站和多个终端的通信系统，基站天线阵列为均匀矩形阵，且包含数百或数千根天线；基站采用波束空间方法降低信号维度，基站的发射功率受限。

本发明方法包括如下步骤：

步骤1.初始化阶段：

计算波束空间信道相关矩阵的奇异值分解，获得奇异向量组成的矩阵和奇异值组成的矩阵，计算每个终端的权重；按照均匀分配的方式分配总功率。

步骤2.迭代分配功率阶段：

2-1.对于所有的编号属于需要分配功率的终端的编号的集合的终端，计算加权的容量对功率的导数，然后计算这些导数的方差和：如果该方差和的值大于设定的阈值，进入2-2；如果该方差和的值小于等于设定的阈值，则结束步骤2，结束算法；

2-2.对于所有的编号属于集合需要分配功率的终端的编号的集合的终端，找到各终端的加权的容量对功率的导数的最大值和最小值，以及对应的终端的编号；计算这两个终端的加权的容量对功率的二阶导数；根据二阶导数，在保证总功率不变的条件下，计算具有加权的最大导数的终端的功率增加量和具有加权的最小导数的终端的功率减小量，使两个终端的加权的容量对功率的导数在改变后相等；计算按照功率减小量减小后具有加权的最小导数的终端的功率：

如果具有加权的最小导数的终端的功率减去减少量后大于零，按照功率增加量增加具有加权的最大导数的终端的功率，按照功率减小量减小具有加权的最小导数的终端的功率；

如果具有加权的最小导数的终端的减去减少量后功率小于等于零，重新将减少量设置为最小值对应的终端的功率，相应地在总功率不变的条件下重新设置增加量，将最大值对应的终端的功率按照增加量增加，将最小值对应的终端的功率按照减少量减小，并将其编号从需要分配功率的终端的编号的集合移到不需要分配功率的终端的编号的集合。

步骤3.返回步骤2判断迭代是否继续。

在毫米波多天线系统中，基站天线数量极多。因此，各终端的波束空间的信道向量之间具有近似正交性。这样，系统容量具有近似凸特性和单调性。因此，步骤2达到各终端的加权的容量的导数近似相等就几乎可以达到系统容量的最大值，可以忽略由近似带来的误差。

本发明方法利用了毫米波多天线系统中的容量的近似凸特性和单调性来分配功率。本发明方法利用这一特性计算各终端的加权的容量对功率的导数，即加权的容量增速，根据加权的容量增速给终端分配功率。在个终端的加权的容量增速相同的情况下，可以实现最大化的渐进系统容量，即基站天线数量趋于无穷下的系统容量。由于本发明方法利用的是毫米波多天线系统中的容量特性，即基站天线数量较多的情况下容量特性，其近似误差较小，能够取得更优的功率分配结果。

本发明方法的创新关键是：利用毫米波系统的容量的近似凸特性和单调性，以最小化各终端的加权的容量的导数的差别为目标分配功率，可以近似达到系统容量的最大值。利用本发明方法可以减轻终端间的干扰，提高系统容量。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明实施例中系统频谱效率与信噪比关系的仿真图。

图3是本发明实施例中系统频谱效率与基站天线数量关系的仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

首先介绍本发明方法的应用场景：基站放置了一个有根天线的均匀矩形阵，每个小区内有个终端，每个终端有根天线；基站到所有终端的波束空间信道组成了矩阵H_b；H_b的共轭转置为基站分配给第个终端的功率为p_k；基站的发射功率为ρ；分配的功率不为零的终端的编号组成的集合为其余的终端的编号组成的集合为；第个终端的权值为b_k；具有最大的加权的容量对功率的导数的终端的编号为k_x，对应的功率增加量为δ(k_x)，具有最小的加权的容量对功率的导数的终端的编号为k_y，对应的功率减小量为δ(k_y)；f_k为第个终端的容量；为第个终端的容量对功率的导数，为加权的第个终端的容量对功率的导数；σ为迭代的阈值。

参见图1，介绍本发明方法的下列操作步骤：

(1)初始化阶段：按照均匀分配的方式，利用每个终端的权重和基站发射功率计算初始化的功率分配。该步骤的操作内容为：将设置为空集，将设置为包含所有终端的编号的集合。计算所有终端的权值b_k的和，计算发射功率ρ与所有终端的权值b_k的和的比值，将该比值作为每一个终端的功率。

(2)迭代分配功率阶段：计算加权的容量对功率的导数的方差的和，根据该数值与设定的阈值的大小关系决定是否进入迭代。如果该数值大于设定的阈值，继续迭代；否则停止迭代。找到最大加权的容量对功率的导数和最小加权的容量对功率的导数对应的终端。计算这两个终端的功率改变量并改变。重新判断是否迭代。该步骤的操作内容为：对于所有的编号属于集合的终端，计算加权的容量对功率的导数计算这些导数的方差的和，如果这个和值大于阈值σ,继续后续的迭代步骤，否则停止迭代。对于所有的编号属于集合的终端，找到加权的容量对功率的导数的最大值和最小值对应的终端的编号，最大值对应的终端的编号为k_x，最小值对应的终端的编号为k_y。计算这两个终端的加权的容量对功率的导数以及二阶导数。根据这些导数，在保证总功率不变的条件下，计算第k_x个终端的功率增加量δ(k_x)和第k_y个终端的功率减少量δ(k_y)，使两个终端的加权的容量对功率的导数在改变后相等。如果第k_y个终端的功率减去减少量δ(k_y)后大于零，将第k_x个终端的功率按照增加量增加，将第k_y个终端的功率按照减少量减小；如果第k_y个终端的功率减去减少量δ(k_y)后小于等于零，重新将δ(k_y)设置为第k_y个终端的功率，相应地在总功率不变的条件下重新设置δ(k_x)，将第k_x个终端的功率按照增加量增加，将第k_y个终端的功率按照减少量减小，并将k_y从集合移到集合。

(3)重新回到步骤(2)的起始判断迭代是否继续。

为了展示本发明方法的实用性能，申请人进行了多次仿真实施试验。仿真试验的结果如图2和图3所示，分别从信噪比和阵列天线数量两个方面进行了仿真。为了直观地体现出本发明方法的优越性，将本方法的仿真结果与现有的信道估计方法、完美信道估计方法进行了对比。

由图2可以看出，本发明方法在信噪比较低的情况下明显地提高了系统的频谱效率，也就是说本发明方法能够在低信噪比条件下减轻干扰。图3表明，本发明方法所获得频谱效率随着阵列天线数量增加而提高，并且相比传统功率分配方法的频谱效率的差距逐渐增大。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。