专利名称：增量迭代功率分配方法
技术领域：
本发明提供了一种功率分配方法，特别是一种在时变信道多用户下行链路系统 中，能跟踪信道状态变化进行实时更新、保持高性能、降低计算复杂度的功率分配方法。
背景技术：
提高信道容量，高效率利用资源是无线通信的目标之一。在多用户蜂窝通信系 统下行链路中，基站往往要与多个用户同时进行通信，而它的发射功率是有限的，因此，一 个重要的问题是如何将有限的发射功率分配给各个用户以尽可能达到最大的系统容量。 Palomar等用Game-Theoretic证明，在发送端对信道状态信息一无所知的情况下，等功率 分配的策略是最佳的选择，但系统性能受限于信道条件最差的用户子信道。而当发射端通 过反馈信道得到信道状态信息时，Goldsmith与Varaiya提出的注水原理分配策略能使系 统达到理论上的最大信道容量。其基本思想是，在发射总功率一定的约束条件下，对信道条 件好的用户，基站分配给它的功率大，而对信道差的用户分配的功率则小，甚至不分配功率 将其截断，从而充分利用信道资源。但是，注水功率分配策略是一个不定次数的多次反复迭 代过程，在时变信道中，若每时刻功率分配都使用注水策略，则系统复杂度非常高，几乎不 可实现。因此，如何减少迭代次数和寻求运算量小的次优解是当前的研究重点。现在研究 大部分都是将功率分配放在OFDM或OFDMA系统中，与子载波分配、调整方式选择、比特分配 相结合形成联合优化问题，并且都是以注水分配策略为基础，单纯对功率分配策略进行优 化的研究相对较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以大大降低系统的运算量的增量迭代功率分配方 法。本发明的目的是这样实现的前一时刻功率分配已完成，基站已知各用户子信道的瞬时信噪比以及分配给各用 户的理论功率值，现在要实现对当前时刻各用户实际功率分配值的更新。第一步，在基站处检测得到当前时刻各用户子信道的瞬时信噪比；第二步，根据第一步得到的当前时刻各用户子信道瞬时信噪比与已知的前一时刻 各用户子信道的瞬时信噪比，计算得到当前时刻各用户子信道的信噪比增量，并将其进行 加权平均得到整个信道的平均信噪比增量；第三步，根据第二步得到的结果，利用增量迭代公式，计算得到各用户在当前时刻 的功率增量值；第四步，根据第三步得到的各用户功率增量值与已知的前一时刻各用户功率分配 值，计算得到当前时刻各用户的理论功率分配值，可正可负可零；第五步，根据基站发射总功率限制，对第四步得到的各用户理论功率分配值进行 调整，得到各用户的实际功率分配值；
第六步，根据第五步得到的实际功率分配值对各用户进行功率分配，完成当前时 刻功率分配策略的更新，并存储当前时刻各用户子信道的瞬时信噪比和理论功率分配值， 为下一时刻进行增量迭代功率分配做准备。本发明提供了一种在时变信道中，对多用户下行链路功率分配策略进行实时更新 的方法，只需要一步增量迭代就可以得到与最优注水功率分配策略几乎一致的性能，而无 需注水算法中不定次数的反复迭代过程，大大降低了系统的运算量。本发明的主要特点体 现在1、只利用前一时刻信息，采用一步迭代来更新当前时刻的功率分配策略，与注水 分配不使用已知信息、每次都重新进行反复迭代的方法完全不同。2、只需要根据前一时刻的理论功率分配策略，结合当前时刻相对于前一时刻信道 状态所发生的变化情况，就可以很容易的得到当前时刻的实际功率分配策略，而最优注水 分配不使用任何已知信息，每个时刻都重新进行反复迭代，且迭代次数是不确定的，计算非
吊 M-^k ο3、不只需要知道各用户子信道的状态变化，而且需要知道它们相对于整个信道状 态变化的关系，这样才能将有限的功率在各用户之间进行调配。4、用信噪比增量作为衡量信道状态变化的参量，而信噪比增量指的是信噪比倒数 的变化量，而不是信噪比的变化量。5、不考虑用户截断时通过公式计算得到的理论值，可正可负。6、先得到当前时刻的理论功率分配策略，然后将功率值为负的用户截断，并将剩 余用户的理论功率分配值对发射总功率限制进行归一化调整，得到最终的当前时刻的实际 功率分配策略。本发明的优点在于适用于时变信道，且只与前一时刻的信道状态与功率分配策 略有关，所以可以非常快速地根据信道状态变化来调整当前功率分配策略，无需注水算法 中复杂的不定次数的反复迭代过程，运算量大大减少，同时还能达到与最优注水策略几乎 完全一致的高性能。
图1是增量迭代功率分配方法的算法流程图。图2是时变信道中采用注水算法与增量迭代算法进行功率分配得到的系统瞬时 容量随时间变化的关系曲线。选取系统中用户个数#(§16，各用户子信道为独立同分布瑞利 衰落，发射总功率& # 16。由于假设各用户子信道为同分布，所以在初始阶段采用等功 率分配策略，即AP · PNp & /# 1。在接下来,@0的所有时刻，都根据增量迭代算 法实时更新功率分配值。图中，实线为采取注水功率分配策略得到的系统瞬时容量，虚线为 采取增量迭代功率分配策略得到的系统瞬时容量，可以看出增量迭代算法的系统瞬时容量 在整个仿真时间内都能很好地逼近注水算法的性能。图3是分别采取注水算法与增量迭代算法得到的系统各用户在整个仿真期间内 分配到的平均功率值。黑色柱为采用注水功率分配策略的仿真结果，白色柱为采用增量迭 代功率分配策略的仿真结果，可以看出对每个用户而言，采用两种算法分配得到的平均功 率值有些差别，但整体趋势基本保持一致。
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图4是每个时刻进行一次注水分配与增量迭代分配所需要的实数加法运算次数 与该时刻截断子信道数目的关系曲线，可以根据各自的算法流程图计算出来。实线为进行 一次注水功率分配所需的实数加法运算次数，带星号的虚线为进行一次增量迭代功率分配 所需的实数加法运算次数。可以看出，注水算法所需的实数加法运算次数呈抛物线形状，说 明其运算次数与截断子信道数目的2次方成比例，而增量迭代算法所需的实数加法运算次 数为一条直线，且斜率很小，说明其运算次数与截断子信道数目的1次方成比例。并且，由 于注水分配中需要对子信道进行排序，所以其实数加法运算次数在整个区间内都大于增量 迭代算法，并且随着截断子信道数目的增大，二者的差距越来越大，增量迭代算法最多可以 节约3/4的实数加法运算量。图5是每个时刻进行一次注水分配与增量迭代分配所需要的实数乘法运算次数 与该时刻截断子信道数目的关系曲线，同样可以根据各自的算法流程图计算出来。实线为 进行一次注水功率分配所需的实数乘法运算次数，带星号的虚线为进行一次增量迭代功率 分配所需的实数乘法运算次数。可以看出，只有当截断子信道数目为0，即所有用户均未被 截断时，两种算法所需的实数乘法运算次数才相等，而这种情况在时变信道中很少出现；而 当截断子信道数目大于0，即只要有用户被截断时，注水算法所需的实数乘法运算次数就会 大于增量迭代算法，并且随着截断子信道数目的增大，二者的差距越来越大，增量迭代算法 所需的实数乘法运算量最多可以降低到注水算法的1/5。在计算机运算过程中，乘法需要的 运算量远大于加法，对整个算法的计算量起决定性作用，因此增量迭代算法的全部运算量 始终小于注水算法，最小可达到注水算法的1/5。此外，随着系统中总用户数的增多，这个比 值会越来越小。图6是采用注水算法与增量迭代算法进行功率分配时，在整个仿真期间内得到的 系统容量与用户子信道平均信噪比之间的关系曲线。实线为采用注水功率分配策略得到的 系统容量，带星号的虚线为采用增量迭代功率分配策略得到的系统容量。可以看出，在整个 信噪比区间上，增量迭代算法能够达到与注水算法几乎完全一致的性能。
具体实施例方式结合图1，本发明专利提供一种在时变信道多用户下行链路系统中只进行一步增 量迭代的准最优功率分配方法。在下面的描述中，假设基站配置1个发射天线，且发射总功 率为Pall，系统中共有N个用户接收端，在时刻已经完成了功率分配且存储相关信息，即 第η个用户子信道的瞬时信噪比/ /「1与理论功率分配值「1，nm，· #，则在t时刻 重新进行功率分配的具体实现步骤如下1.首先，在基站处通过训练序列对各用户子信道状态进行检测，得到t时刻第η个 用户子信道的瞬时信噪比7 /，”釘’.N。2.计算各用户子信道的信噪比增量和整个信道的平均信噪比增量。1)研究t时刻的信道状态相对于时刻发生了怎样的变化，定义第η个用户在t 时刻的信噪比增量气/为
权利要求
一种增量迭代功率分配方法，其特征是第一步，在基站处检测得到当前时刻各用户子信道的瞬时信噪比；第二步，根据第一步得到的当前时刻各用户子信道瞬时信噪比与已知的前一时刻各用户子信道的瞬时信噪比，计算得到当前时刻各用户子信道的信噪比增量，并将其进行加权平均得到整个信道的平均信噪比增量；第三步，根据第二步得到的结果，利用增量迭代公式，计算得到各用户在当前时刻的功率增量值；第四步，根据第三步得到的各用户功率增量值与已知的前一时刻各用户功率分配值，计算得到当前时刻各用户的理论功率分配值；第五步，根据基站发射总功率限制，对第四步得到的各用户理论功率分配值进行调整，得到各用户的实际功率分配值；第六步，根据第五步得到的实际功率分配值对各用户进行功率分配，完成当前时刻功率分配策略的更新，并存储当前时刻各用户子信道的瞬时信噪比和理论功率分配值，为下一时刻进行增量迭代功率分配做准备。
全文摘要
本发明提供的是一种增量迭代功率分配方法。在基站处检测得到当前时刻各用户子信道的瞬时信噪比；与已知的前一时刻各用户子信道的瞬时信噪比，计算得到当前时刻各用户子信道的信噪比增量，并将其进行加权平均得到整个信道的平均信噪比增量；计算得到各用户在当前时刻的功率增量值；计算得到当前时刻各用户的理论功率分配值；对各用户理论功率分配值进行调整，得到各用户的实际功率分配值；完成当前时刻功率分配策略的更新，并存储当前时刻各用户子信道的瞬时信噪比和理论功率分配值。本发明适用于时变信道，且只与前一时刻的信道状态与功率分配策略有关，运算量小，能达到与最优注水策略几乎完全一致的高性能。
文档编号H04W52/24GK101986753SQ20101054723
公开日2011年3月16日 申请日期2010年11月17日 优先权日2010年11月17日
发明者张曙, 郭冬梅 申请人:哈尔滨工程大学