专利名称：多天线系统中基于信号干扰比的功率控制方法
技术领域：
本发明属于移动通信多输入多输出(MIMO)天线技术领域，特别涉及平坦瑞利(Rayleigh)慢衰落信道下，多用户垂直-贝尔实验室分层空时处理(V-BLAST)系统中降低平均误比特率(BER)的功率控制技术。
背景技术：
V-BLAST收发系统是目前移动通信领域广泛研究的、提高无线链路传输速率和频谱利用率的有效方法。《国际电子与电气工程师协会通信快报》(IEEE Communications Letters，Vol.4，No.11，pp.334-336，Nov.2001)介绍了对多用户V-BLAST收发系统的建模以及频谱利用率的仿真，并指出，单用户系统扩展到多用户后，由于信道复用造成严重的共信道干扰，接收端难以完全抵消干扰。该文章指出多用户MIMO干扰的严重性，但并没有给出解决方法。
功率控制技术在移动通信领域中被用于补偿衰落，抑制共信道干扰。《国际电子与电气工程师协会移动技术杂志》(IEEE Transaction on Vehicular Technology，vol 42，No.4，pp.466-468，Nov.1993)中提出了一种适用于单入单出(SISO)天线系统的集中式功率控制方法。但该文章的方法是基于SISO天线系统提出的，没有在MIMO天线系统里的论述；V-BLAST系统干扰严重，需要改善BER的技术，但该文章里没有涉及到功率控制对BER的改善。
技术内容本发明提出一种适用于多用户的多天线系统中基于信号干扰比(SIR)的功率控制方法，以克服多用户的多天线系统共信道干扰严重的问题，达到在频谱利用率不降低的前提下，降低接收端平均BER的目的。
本发明多天线系统中基于信号干扰比的功率控制方法，包括在接收端计算W矩阵，将接收信号表示为λP＝WP的形式，求解W矩阵的绝对值最大的特征值λ*，以及λ*对应的特征向量P*；其特征在于多用户的蜂窝多天线系统采用时分多址接入方式，在平坦瑞利慢衰落信道下，在接收端计算多天线系统的矩阵W，W是Q×Q的矩阵，Q为共信道小区数目，W矩阵的元素Wij=Gij||Hij||2Gii||Hii||2,j≠i0,j=i,]]>Gij、Gii分别表示小区j的移动台、小区i的移动台到小区i的基站的大尺度衰落因子，Hij、Hii的元素是独立同分布，幅度归一化的复高斯信号， 1≤j≤Q,]]>将W代入公式λP＝WP，计算得到W矩阵的绝对值最大的特征值λ*，P*为对应λ*的特征向量，P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T]]>即功率控制后的发射功率，该发射功率通过反馈信道从接收端反馈给发送端，小区i的移动台在发送端对信号乘以功率Pi*发送，1≤i≤Q，移动台的M根发送天线均分功率，即各个天线发射功率为Pi*/M。
在下面的叙述中，为方便表达，小区i的移动台和基站分别用移动台i和基站i表示。本发明中使用以下运算符号(□)H表示转置共轭，|□|2表示绝对值平方，‖□‖2表示矢量或者矩阵的二阶范数，E[□]表示均值运算，Ex[□]表示对发送信号x取均值。
本发明多天线系统中基于信号干扰比的功率控制方法所依据的原理是基站根据移动台不同的信号环境计算优化的发送功率值，并且反馈给移动台，移动台可以按照信道的变化调整发送功率；从系统的角度出发，平衡每个基站接收到的信号干扰比，能够有效抑制共信道干扰，降低平均的接收误比特率。
多天线系统的多个用户采用时分多址接入(TDMA)，由于主要干扰来自共信道小区，所以不考虑邻信道小区的干扰和接收端的噪声。每个时刻小区内最多只有一个移动台和基站通信，发射端用M根天线，接收端用N根天线，接收端采用V-BLAST检测算法，这样构成一个TDMA方式下的多用户V-BLAST系统。每个移动台和基站构成一个V-BLAST收发系统。
基站i的接收信号在忽略噪声时表达式为ri=Pi/MGiiHiixi+Σj=1j≠iQPi/MGijHijxj=Di+Ii---(1)]]>Pi表示移动台i的发射功率，Pj表示移动台j的发射功率，M为移动台发射天线数目，Gij、Gii分别表示移动台j、移动台i到基站i的大尺度衰落因子，Q表示总的共信道数目， Hij、Hii矩阵的元素是独立同分布，幅度归一化的复高斯信号，xi＝[x1i，x2i，...，xMi]T、xj＝[x1j，x2j，...，xMj]T分别表示移动台i、移动台j的发送信号，Di和Ii分别表示接收到的目标信号和干扰信号，Di和Ii都是0均值的信号，具体表述为Di=Pi/MGiiHiixi---(2)]]>Ii=Σj=1j≠iQPj/MGijHijxj---(3)]]>由(2)、(3)可以得到Pi,Desire=Ex[DiHDi]=PiMGiiEx[xiHHiiHHiixi]=PiMGii||Hii||2=PiMGiiχ2MN,ii2---(4)]]>Pi,Inter=Ex[IiHIi]=Ex[(Σj=1j≠iQPj/MGijHijxj)H(Σj=1j≠iQPj/MGijHijxj)]---(5)]]>=Σj=1j≠iQPjMGij||Hij||2=Σj=1j≠iQPjMGijχ2MN,ij2]]>其中Pi，Desire和Pi，Inter分别表示基站i接收到的目标信号的能量和干扰信号的能量，Ex[□]表示在Block长度内，对发送信号取集平均，x2MN，ii2、x2MN，ij2均表示自由度是2MN的卡方变量。信号干扰比定义为目标信号能量比上干扰信号能量，可以得到多用户V-BLAST系统中基站i的接收SIR，SIRi=Pi,DesirePi,Inter=PiMGiiχ2MN,ii2Σj=1j≠iQPjMGijχ2MN,ij2=PiΣj=1j≠iQPjGijχ2MN,ij2Giiχ2MN,ii2---(6)]]>为了简化表达，令Wij=Gijχ2MN,ij2Giiχ2MN,ii2,j≠i0,j=i---(7)]]>将(7)代入(6)，得到简化的SIR表达式SIRi=PiΣj=1QPjWij---(8)]]>定义Q×Q的矩阵W，其元素为(7)定义的值。矩阵理论中有下面的定理。
定理设W是一个Q×Q的非负不可约矩阵，特征值{λi}i＝1Q。
1)W唯一存在一个实特征值λ*，有λ*=max{|λi|}i=1Q;]]>2)对应λ*的特征向量P*的每个元素有相同的符号，即同正或者同负，如果P*全负，可以在λ*P*＝WP*两边把符号约去，那么我们可以得到全正的P*，即恒有P*≥o，o为全0向量，P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T]]>的元素分别代表M个移动台的发射功率，下标对应用户标号；3)满足λP≥WP的最小实数λ在P*≥o条件下的解是λ＝λ*；4)满足λP≤WP的最大实数λ在P*≥o条件下的解是λ＝λ*。
表达式A≥B或者A≤B表示矩阵A的元素大于等于或者小于等于B的对应元素。
下面给出W满足上述定理条件的证明引理证明W是非负不可约矩阵。
证明由W的定义可知，除去对角线元素为0，其余元素为正数。Q×Q矩阵W可约的定义是，存在转置矩阵B，BABT=CDOE,]]>左下角的O表示全零矩阵，需要W至少有某行有多于两个零元素，才可能构成可约矩阵。在公式(6)中给出矩阵W每个元素的表达式，除了对角线元素为0，非对角线元素Gijχ2MN,ij2Giiχ2MN,ii2,]]>其中大尺度衰落因子Gij、Gii为正数，卡方变量x2MN，ij2、x2MN，ii2分别表示信道传递函数Hij、Hii的二阶范数的平方，Hij、Hii为0是没有物理意义的，所以x2MN，ij2、x2MN，ii2恒为正数，从而W矩阵每行有且仅有一个0元素，为非负不可约的。
根据集中式功率控制方法，假设W完全已知，从定理1求出特征值λ*，得到相应特征向量P*，P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T.]]>由于W矩阵是在接收端得到的，所以λ*和P*也是在接收端计算出的值，需要通过反馈信道将P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T]]>反馈给各个移动台，移动台i按照P*的第i个元素Pi*值发送功率，使得接收端达到平衡的SIR*。
图1是单用户V-BLAST系统框图；图2是1/3小区复用的多用户V-BLAST系统示意图；
图3是1/3小区复用使用功率控制与不使用功率控制的性能比较图。
具体实施例方式以下结合
本发明的实施例。
实施例1本实施例应用于多用户V-BLAST系统，采用时分多址接入(TDMA)方式，由于主要干扰来自共信道小区，所以不考虑邻信道小区的干扰和接收端的噪声。每个时刻小区内最多只有一个移动台和基站通信，发射端用M根天线，接收端用N根天线，接收端采用V-BLAST检测算法，这样构成一个TDMA方式下的多用户V-BLAST系统。移动台和基站的收发结构为图1所示的单用户V-BLAST系统的收发结构。如图1所示，移动台发送数据1经过发送基带处理单元2，通过多根发射天线的射频处理模块3将基带信号调制到射频信号，发送到无线信道4，信道4为瑞利慢衰落信道，发送信号通过信道4之后被多根接收天线的射频处理模块5接收，所有接收信号被送到接收端的基带处理单元6，得到输出7，接收端根据测量的SIR在6计算得到调整后的功率值，通过反馈信道8反馈给发送端2。发送天线M根，接收天线N根，多个发送端信号之间是不相关的。
基站i的接收信号表达式，忽略噪声，为ri=Pi/MGiiHiixi+Σj=1j≠iQPj/MGijHijxj=Di+Ii---(1)]]>Pi表示移动台i的发射功率，Pj表示移动台j的发射功率，M为移动台发射天线数目，Gij、Gii分别表示移动台j、移动台i到基站i的大尺度衰落因子，Q表示总的共信道数目， Hij、Hii矩阵的元素是独立同分布，幅度归一化的复高斯信号，xi＝[x1i，x2i，...，xMi]T、xj＝[x1j，x2j，...，xMj]T分别表示移动台i、移动台j的发送信号，Di和Ii分别表示接收到的目标信号和干扰信号，Di和Ii都是0均值的信号，具体表述为Di=Pi/MGiiHiixi---(2)]]>Ii=Σj=1j≠iQPj/MGijHijxj---(3)]]>由(2)、(3)可以得到
Pi,Desire=Ex[DiHDi]=PiMGiiEx[xiHHiiHHiixi]=PiMGii||Hii||2=PiMGiiχ2MN,ii2---(4)]]>Pi,Inter=Ex[IiHIi]=Ex[(Σj=1j≠iQPj/MGijHijxj)H(Σj=1j≠iQPj/MGijHijxj)]---(5)]]>=Σj=1j≠iQPjMGij||Hij||2=Σj=1j≠iQPjMGijχ2MN,ij2]]>其中Pi，Desire和Pi，Inter分别表示基站i接收到的目标信号的能量和干扰信号的能量，Ex[□]表示在Block长度内，对发送信号取集平均，x2MN，ii2、x2MN，ij2均表示自由度是2MN的卡方变量。信号干扰比定义为目标信号能量比上干扰信号能量，可以得到多用户V-BLAST系统中基站i的接收SIR，SIRi=Pi,DesirePi,Inter=PiMGiiχ2MN,ii2Σj=1j≠iQPjMGijχ2MN,ij2=PiΣj=1j≠iQPjGijχ2MN,ij2Giiχ2MN,ii2---(6)]]>为了简化表达，令Wij=Gijχ2MN,ij2Giiχ2MN,ii2,j≠i0,j=i---(7)]]>将(7)代入(6)，得到简化的SIR表达式SIRi=PiΣj=1QPjWij---(8)]]>定义Q×Q的矩阵W，其元素为公式(7)定义的值。按照λP＝WP计算出矩阵W最大绝对值的特征值λ*和对应的特征向量P*，将P*通过反馈信道反馈给移动台，移动台i按照总功率Pi*发送信号能量，每根天线发射功率为Pi*/M。本发明讨论的是慢衰落信道，信道特性在数据块(Block)内不变，Block间可变，相应的，W矩阵和发送功率也是在Block内不变，Block间可变。本方法的优点是，充分利用接收端信道信息，根据接收端的SIR值，调整移动台的发射功率，而不作功率控制的系统，各个移动台以相同功率发送，没有考虑接收端的不同接收性能。
在方法的分析中，使用通用的V-BLAST系统通信模型，因而本方法适用于不同小区复用因子，同样适用于任意的发送天线数目和任意的接收天线数目，接收天线多于发送天线。
为了具体的说明本实施例的优点，给出计算机仿真结果。仿真采用图2的蜂窝结构，存在三个邻信道小区9、10和11，频率复用为1/3。7个共信道小区9，分别标记为9(1)-9(7)，记为Q＝7。归一化小区半径R＝1，路径衰减因子α＝4，正态阴影衰落σ2＝8dB。移动台在各自小区内均匀分布。发射天线M，接收天线N，比较(M，N)组合为(1，1)，(4，6)下的BER性能。每根天线的发送功率为移动台的总功率除以发送天线数目。发送信号1经过2的串并转换，无信道编码，调制方式采用格雷编码的4相移键控(QPSK)，调制星座点集合相同。调制后的符号被送到射频处理模块3发射到无线信道4。信道4的特性每个块(Block)内稳定，块间可变，Block定义为100符号(Symbol)长，用20Symbol传导频信号(Pilot)，80Symbol传用户数据。假设接收端理想信道估计，忽略估计误差。接收模块5将接收到的射频信号转换为基带，送到接收基带处理单元6。6对接收到的基带信号采用迫零方法加优化顺序的串行干扰抵消(ZF-OSIC)，恢复出发送信号，得到输出7。Q个移动台同时发送，每个基站接收到来自Q-1个干扰小区的信号。
按照公式(1)-(8)的定义，计算基站接收到的SIR值，Ex[□]表示在Block时间内对信号取集平均。按照(7)求出W矩阵，由λP＝WP计算出λ*和对应的P*，将P*的元素通过反馈信道反馈给移动台，移动台i按照总功率Pi*发送信号能量，每根天线发射功率为Pi*/M。依照上面步骤，得到如图3所示的数值仿真结果。横坐标为共信道小区的标号，标号1-7分别对应图2中的小区9(1)-9(7)，纵坐标为平均BER。曲线A表示8PSK调制的(4，6)MIMO系统，曲线B表示使用BPSK调制的(1，1)SISO系统，曲线C表示8PSK调制并且使用本发明的功率控制方法的(4，6)MIMO系统。假设符号传输速率为1Symbol/s/Hz对(1，1)的SISO系统来说，使用BPSK调制，频谱利用率为1bps/Hz；而对于(4，6)的MIMO系统，使用8PSK调制，频谱利用率为4*3＝12bps/Hz，比SISO系统提高了12倍！从图3看出，A曲线的BER高于B曲线，而C曲线普遍低于B曲线，这充分体现了本发明在MIMO系统中的优势。由于功率控制的使用，在干扰严重的小区9(1)内，(4，6)的MIMO系统的平均BER下降了将近5倍。
权利要求
1.一种多天线系统中基于信号干扰比的功率控制方法，包括在接收端计算W矩阵，将接收信号表示为λP＝WP的形式，求解W矩阵的绝对值最大的特征值λ*，以及λ*对应的特征向量P*；其特征在于多用户的蜂窝多天线系统采用时分多址接入方式，在平坦瑞利慢衰落信道下，在接收端计算多天线系统的矩阵W，W是Q×Q的矩阵，Q为共信道小区数目，W矩阵的元素 Gij、Gii分别表示小区j的移动台、小区i的移动台到小区i的基站的大尺度衰落因子，Hij、Hii的元素是独立同分布，幅度归一化的复高斯信号， 1≤j≤Q，将W代入公式λP＝WP，计算得到W矩阵的绝对值最大的特征值λ*，P*为对应λ*的特征向量，P*=[P1*,P2*,...,PQ*]T]]>即功率控制后的发射功率，该发射功率通过反馈信道从接收端反馈给发送端，小区i的移动台在发送端对信号乘以功率Pi*发送，1≤i≤Q，移动台的M根发送天线均分功率，即各个天线发射功率为Pi*/M。
全文摘要
本发明多天线系统中基于信号干扰比的功率控制方法，特征是，在接收端计算Q×Q矩阵W，其元素见上式,代入公式λP＝WP，计算W矩阵绝对值最大的特征值λ
文档编号H04B7/005GK1635715SQ200310125418
公开日2005年7月6日 申请日期2003年12月31日 优先权日2003年12月31日
发明者赵昆, 邱玲, 朱近康 申请人:中国科学技术大学