效功率分配机制。
[0066] 步骤3.I:信道容量问题。
[0067] 假定发送器码元经历了许多相干模块，遍历容量信道下界的信道估计损失可W通 过Rk得到
19)
[0069] 其中误差的影响被认为是一种干扰。
[0070] 为了清楚地构成遍历容量作为反馈信道函数的估计误差和反馈误差，有：
(10 )
[0072]其中，（a)为BackwardTriangle不等式，（b)为严格的Cauchy-Bunyakovskii-Sc hwarz不等式，且ef"很小。
[0073] 此外，有干扰的期望表示为：
[0074] E {i I化-矣)WSj-> = I间|2川）
[00巧]综上可得：
(12)
[0077]其中，A(|eff；)在|吟|《|问|范围内是关于I刮f的凸函数化可W使用Jensen 不等式E斯IIeffRA巧{|间|2}。I皆I很小时，运个不等式是严格的。
[007引 步骤3. 2:分配问题。
[0079] 发射端设计功率控制器的目标是最大化平均下界遍历的能源效率，其度量由下式 给出：
(13)
[0081] 它是系统状态热=圳％11，聲，终1和系统动作换HZf，6"，纠的函数，显然，参数 鶴是依赖于-巧_,，/f和b的马尔科夫链。其中，护是电路功耗，a是恒定功率放大器（PA) 的效率，T是每个时隙的符号数。
[0082] 本发明中，采取功率分配，在k-1时刻的发送端，基于k-1时刻的系统状态，最大化 k时刻的能量效率可通过下式得到：
(14、
[0084]显然，)是关于/f和巧。的非凹非线性分式函数，全局最大化可W很容 易解出。
[0085] 下面结合仿真实验结果，根据提出的方案，评估验证能效性能，对不同电路功率下 的能量效益和传统方法进行分析比较。
[0086] PA效率a= 2,信道的协方差〇>; = 1，噪声协方差式=1，时间相关参数a= 0. %。
[0087] 图2是在长时间内，天线总数Nt、符号数T、码本数CB分别变化时，电路电源护所 对应能效平均值的变化趋势，并将本发明与现存最优方案做了对比。在精确信道反馈下使 用差分反馈码本，用0.ImW的步长对Zf，巧"进行穷捜索，并将所提出的动态功耗分配和恒 功率分配相比较。结果表明，所提出的动态功率分配比最佳恒定方案更具能效性，特别在当 电路电源低或者码本的尺寸较小的情况下。
[008引图3展示了不同场景下的数据功率和训练功率曲线。在低功率电路护=20mW的 情况下，训练功率随时间变化不大，在零和某正定值间跳转。然而，在高功率电路护=60mW 的情况下，训练功率和数据功率的范围主要取决于当前的信道条件。
【主权项】
1. 多天线系统高能效动态功率分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤： 步骤1 :建立系统模型，即信道传输模型； 设计一个通信系统包含队个发送天线（Nt多2)和一个接收天线，通信链路的信道环境 为瑞利平坦衰落信道环境； 步骤2 :建立信道估计和反馈模型； 步骤2. 1 :建立信道估计模型； ⑴AR模型 信道随时间变化且在每个时隙内保持恒定，根据时间相关性，通过一阶的自回归模 型--AR模型表不； (2)信道估计 状态模型和观测模型允许使用卡尔曼滤波器来自适应地跟踪信道，因此，使用卡尔曼 进行滤波估计； 步骤2. 2 :反馈模型； 在此，采用差分反馈构建系统模型；发射端和接收端分别具有队和^根天线，下行 CSI (信道状态信息）首先由接收端估计得到，由接收端计算CSI的差分信息；差分信息量 化为有限的反馈比特数，并通过反馈信道发送给发射端； 步骤3 :建立能效功率分配机制； 步骤3. 1 :信道容量问题； 假定发送器码元经历了许多相干模块，建立受到不完美的信道估计和信道反馈作用的 在遍历容量信道的下界Rk; 步骤3. 2 :能量效率问题； 在发射端设计功率控制器的目标是最大化遍历的能源效率下界，经分析后，该功率分 配的设计可看作随机优化问题； 步骤3. 3 :最优功率的分配； if)是关于/f和if的非凹非线性分式函数，全局最大化的最佳变量较易计 算。2. 根据权利要求1所述的多天线系统高能效动态功率分配方法，其特征在于：包括以 下步骤： 步骤1 :建立系统模型，即信道传输模型； 设计包含Nt个发送天线和一个接收天线通信链路，链路的信道满足瑞利平坦衰落信道 环境，假定训练信号&的大小是JXN t，被用于在时间块k内（k彡4000)，其中J代表训练 时间间隔的持续时间，至少满足J彡Nt;且snt，ke C;X1，表示发送训练信 号向量中元素；nt= 1，…，Ντ，其中\表示发送天线的数量； 接收机获得所接收的信号.vf是大小为JX 1的矩阵；其中C：v^表示信道矢量，其元素是独立分布的高斯变量，用〇,<)描述；η是 均值为零，协方差矩阵为I的白复高斯噪声向量；最佳训练信号的形式为： if是每个天线上的训练功 率； 需要归一化共辄转置hk作为波束形成向量，使接收端的信噪比（SNR)最大化；但是，hk实际上是未知的，接收端仅能通过进行信道估计获得氣； 因此，假设信道在每个时隙内是恒定的，在每个时间间隔内，使用Ntbk个比特的基于 码本的反馈信道^，发射器从信道反馈获得的信道信息被描述为ξ 其标准化的共辄转置被用作波束形成向量；因此，数据xk的接收信号y k由下式给出：其中/f是数据功率分配，= ?假定为功率归一化符号； 步骤2 :建立信道估计和反馈模型； 步骤2. 1建立信道估计模型； ⑴AR模型 信道随时间变化且在每个时隙内保持恒定，根据信道时间相关性，可以通过一阶的自 回归模型来表示：参数α，α =以2 3^；1'；3)是时间相关系数.其中以*)是第一类零阶贝塞尔函数，心 表示最大多普勒频率，Ts表示连续时隙之间的时间间隔，wk是一个满足d(Ο,σ,：； >啲独立同 分布的复高斯随机变量；(2)信道估计 状态模型，和观测模型 允许使用卡尔曼滤波器来自 适应地跟踪信道，如下公式：其中分别是先验和后验估计误差协方差矩阵；&是卡尔曼增益，是所估计的信道；初始值为步骤2. 2 :反馈模型； 在第k个时隙时，时间相关参数α在基站中是已知的；量化矢量氣可以通过量化估计 的信道向量4.和先验CSIc4_,之间的差< =4 -^4来给定，然后BS可以根据量化差矢量 是来更新信道忌；其中是:是dk的量化形式，从2 b个向量组成的码本中选择； 对于给定的量化信道/1；,和量化误差矢量々以，根据公式（3)(4)，第k个信道估计可表 示为：其中- ξ是反馈误差；因此，误差矢量可以表示为：高斯假设下的量化误差矢量，满足π( (),〇的独立同分布的复高 斯随机变量，误差矢量dk的方差可通过下式表示：(7) 根据速率失真理论，对于每个单元满足〇,#)分布的b比特量化失真，基于形状增 益比单独量化形状增益联合量化产生更大的量化误差的事实，可得出量化误差方差的上下 界，如下式所示：其中C是一个系数； 步骤3 :建立能效功率分配机制； 步骤3. 1 :信道容量问题； 假定发送器码元经历了许多相干模块，遍历容量信道下界的信道估计损失可以通过Rk 得到其中误差的影响被认为是一种干扰； 为了清楚地构成遍历容量作为反馈信道函数的估计误差和反馈误差，有：其中，（a)为 Backward Triangle 不等式，（b)为严格的 Cauchy-Bunyakovskii-Schwarz 不等式，且I卜f I很小； 此外，有干扰的期望表示为：其中，范围内是关弓的凸函数时，可以使用Jensen不等 式很小时，这个不等式是严格的； 步骤3. 2:分配问题； 发射端设计功率控制器的目标是最大化平均下界遍历的能源效率，其度量由下式给 出：它是系统状态氣:=% ||,sf 丨和系统动作％ =彳f 翁的函数，显然，参数麫是 依赖于魏v if和b的马尔科夫链；其中，K是电路功耗，a是恒定功率放大器（PA)的效 率，T是每个时隙的符号数； 本发明中，采取功率分配，在k-Ι时刻的发送端，基于k-Ι时刻的系统状态，最大化k时 刻的能量效率可通过下式得到：显然，if)是关于If和/f的非凹非线性分式函数，全局最大化可以很容易解 出。
【专利摘要】本发明涉及一种多天线系统中高能效性的动态功率分配方法，包括建立系统模型；建立卡尔曼信道估计、差分反馈模型并分析时间相关性；基于时间相关性建立能效功率分配机制。考虑在多输入输出系统中，基于高斯马尔科夫信道特性分析卡尔曼滤波的信道估计和估计误差。基于信道估计值进一步分析信道差分反馈中的信道反馈和反馈误差。进而基于信道估计、信道反馈及其误差的时间相关性，给出系统的遍历能效下界，以最大化该能效指标为目标给出动态的训练序列功率和数据传输功率分配方法。
【IPC分类】H04W52/34
【公开号】CN105338609
【申请号】CN201510639181
【发明人】杨睿哲, 杨旭月, 郑晨, 张延华, 王朱伟, 司鹏搏, 孙恩昌, 孙艳华
【申请人】北京工业大学
【公开日】2016年2月17日
【申请日】2015年9月29日