专利名称：无线电通信装置和无线电通信方法
技术领域：
这里公开的实施方式涉及用于在多用户MIMO下行链路中对每个发 送天线或每组发送天线施加某些发送功率电平约束的条件下进行无线电 通信的装置和方法。
背景技术：
近年来，为了改进频率或频谱效率并且增加通信容量，已集中研究 了MIMO (多输入多输出)传输方案。在该MIMO传输方案中，多用户 (MU) -MIMO系统正在吸引注意，该MU-MIMO系统被设计为对于多 个用户应用MIMO传输方案以进一步改进频谱效率。此外，正在研究为 MU-MIMO协调基站传输而设计的系统，并且据报导它可以实现吞吐量 的显著改进。
在该MU-MIMO协调基站传输系统中，因为对于不同的基站天线或 不同的基站使用不同的功率放大器，所以必须考虑功率放大器各自的特 性。特别是如果基于反馈信息，例如从用户提供的信道信息，来预编码 从用户发送的数据流，则每次更新反馈信息，例如信道信息时，由于在 基站上施加的对发送功率的约束，必须调整依赖于发送天线的预编码权 重为从用户发送的不同流分配的发送功率电平。
第一篇文章，G. J. Foschini， K. Karakayali and R. A. Valenzuela, "Coordinating multiple antenna cellular networks to achieve enormous spectral efficiency", IEE Proceedings Communications, vol. 153， No. 4， pp. 548-555， August 2006，公开了考虑到各单独功率放大器各自的特性 在MU-MIMO协调基站传输系统中使用块对角化迫零，来提出和求解可 以实现向各单独用户一致分配信道容量的发送功率优化问题，所述块对 角化迫零为被设计用于在单独用户之间无干扰地进行传输的预编码方
6案。在该文章中，还表明相比于在基站之间没有协调的系统，该方法可 以显著改进信道容量。
第二篇文章，S.Liu， N.Hu， Z.He， K. Niu and W. Wu， "Multi-level zero-forcing method for multiuser downlink system with per-antenna power constraint", VTC 2007-Spring, pp. 2248-2252， April 2007，公开了用于 为上述MU-MIMO协调基站传输系统中的预编码而优化发送权重和发送 功率以使得整个系统的信道容量可以最大化的优化问题。在该文章中， 还表明该方法可以改进信道容量。
第三篇文章，W. Yu and T. Lan， "Transmitter optimization for the multi-antenna downlink with per-antenna power constraints "， IEEE Trans.， Signal Processing, pp. 2646-2660， June 2007，公开了在上面的MU-MIMO 协调基站传输系统中使用上行链路和下行链路的对偶性的优化问题和求 解方法。
如上所述的功率分配优化问题对应于受约束的非线性优化问题，并 且求解它们可能需要更高的计算复杂度。例如，在使用根据最速下降法 的内点法求解功率分配优化问题的情况下，可以通过相对简单的算法来 以解析方式获得解，但是收敛可能需要更高的计算复杂度。
然而，第一和第二篇文章对于降低在求解如在文章中提出的优化问 题时的计算复杂度没有研究。
而且，第三篇文章仅涉及线性预编码，而没有提及非线性预编码。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供这样的无线电通信装置和方法，其 可以在对于不同的发送天线和不同的发送天线组而约束各自的发送功率 电平的情况下，计算分配给各单独用户的最优发送功率，同时降低与该 计算相关联的计算复杂度。
本发明的一个方面涉及一种用于以合适发送功率电平经由多个发送 天线组向多个用户发送无线电信号的无线电通信装置，每个所述发送天 线组包括一个或更多个发送天线，所述发送天线组具有各自的发送功率约束，该无线电通信装置包括预编码单元，其被配置为对为各单独用 户调制的信号执行预编码并且生成发送权重相关信息；最优发送功率计 算单元，其被配置为从所述预编码单元接收所述发送权重相关信息，并
且计算发送功率电平，以优化根据内点法的目标函数，该目标函数通过 将以障碍参数调整的障碍函数加上与受约束优化问题相关联的原始目标 函数而产生；以及发送单元，其被配置为以所计算的发送功率电平来发
送无线电信号，其中，所述原始目标函数包括根据所述发送权重相关信 息导出的针对各单独用户的相应信道容量的函数，并且其中，所述最优 发送功率计算单元被配置为适应性地更新所述障碍参数的对数，并且使 用通过关于所述障碍参数的对数的高阶导数而获得的梯度来计算所述发 送功率电平，以便对导出目标函数进行优化。
本发明的另一方面涉及一种用于以合适发送功率电平经由多个发送 天线组向多个用户发送无线电信号的无线电通信方法，每个所述发送天 线组包括一个或更多个发送天线，所述发送天线组具有各自的发送功率
约束，该方法包括以下步骤对于为各单独用户调制的信号进行预编码 并且生成发送权重相关信息；从预编码单元接收所述发送权重相关信息 并且计算发送功率电平以优化根据内点法的目标函数，该目标函数通过 将以障碍参数调整的障碍函数加上与受约束优化问题相关联的原始目标 函数而产生；以及以所计算的发送功率电平来发送无线电信号，其中， 所述原始目标函数包括根据所述发送权重相关信息导出的用于各单独用 户各自的信道容量的函数，并且其中，所述计算包括适应性地更新所述 障碍参数的对数，并且使用通过关于所述障碍参数的对数的高阶导数而 获得的梯度来计算所述发送功率电平，以便对导出目标函数进行优化。
根据本发明的这些方面，可以在对于不同的发送天线和不同的发送 天线组而约束各自的发送功率电平的情况下，为各单独用户分配最优发 送功率电平，同时降低与该计算相关联的计算复杂度。
本发明(实施方式)的其他目的和优点将在随后的描述中部分地阐 述，并且根据该描述将部分地变得明显，或者可以通过实践本发明而获 知。本发明的目的和优点将通过所附权利要求中具体指出的要素和组合来实现和获得。
应当理解，前述一般描述和以下详细描述都仅是示例性和说明性的， 而不对所要求保护的发明构成限制。
图1示出了根据第一实施方式的无线电通信装置的示例结构；
图2示出了在根据第一实施方式的无线电通信装置中的最优发送功
率计算单元的示例结构；
图3示出了在根据第一实施方式的无线电通信装置中的最优发送功 率计算单元中的障碍参数更新单元的示例结构；
图4A和4B示意性地示出了根据第一实施方式F(i)和log(r(i))以及 F'(i)和log(r(i))之间的示意关系；
图5示出了在根据第一实施方式的无线电通信装置中的最优发送功
率计算单元中的内点法处理单元的示例结构；
图6示出了在根据第一实施方式的无线电通信装置中的最优发送功 率计算单元中的内点法处理单元中的迭代单元；
图7是根据第一实施方式的无线电通信装置中的最优发送功率计算 单元的操作的流程图8是在根据第一实施方式的无线电通信装置中的最优发送功率计 算单元中的障碍参数更新单元的操作的流程图9是在根据第一实施方式的无线电通信装置中的最优发送功率计
算单元中的内点法处理单元的操作的流程图IO示意性地示出了在根据第一实施方式的无线电通信装置中的多 个发送天线的示例分组；
图11示意性地示出了根据第二实施方式的无线电通信装置的示例结
构；
图12示出了根据本发明与按照公平标准的收敛相关联的收敛性能和 计算复杂度；以及
图13示出了根据本发明与按照总和速率标准的收敛相关联的收敛性
9能和计算复杂度。
具体实施例方式
参考附图描述本发明的实施方式。
本发明的一个方面涉及用于以合适发送功率电平经由多个发送天线 组向多个用户发送无线电信号的无线电通信装置，每个发送天线组包括 一个或更多个发送天线，各发送天线组具有相应的发送功率约束，该无 线电通信装置包括预编码单元，其被配置为对于为各单独用户调制的 信号执行预编码并且生成发送权重相关信息；最优发送功率计算单元， 其被配置为从预编码单元接收发送权重相关信息并且计算发送功率电平 以优化根据内点法的目标函数，该目标函数通过将以障碍参数调整的障 碍函数加上与受约束优化问题相关联的原始目标函数而产生；以及发送
单元，其被配置为以所计算的发送功率电平来发送无线电信号，其中所 述原始目标函数包括根据发送权重相关信息导出的用于各单独用户各自 的信道容量的函数，并且其中所述最优发送功率计算单元被配置为适应 性地更新障碍参数的对数并且使用通过关于障碍参数的对数的高阶导数 而获得的梯度来计算发送功率电平，以便优化导出目标函数。 根据本发明的该方面，为内点法中的各单独步骤迭代设置合适的障
碍参数r(i)。结果，可以在对于单独发送天线或单独发送天线组各自的发 送功率限定值的某些约束下，为单独用户分配最优发送功率，同时减少 迭代，即降低在内点法中收敛所需的计算复杂度。
在一个实施方式中，最优发送功率计算单元可以使用导出目标函数 关于障碍参数的对数的高阶微分值作为梯度。在另一实施方式中，最优 发送功率计算单元可以使用原始目标函数关于障碍参数的对数的高阶微 分值。在又一实施方式中，最优发送功率计算单元可以使用障碍函数的 单调递减函数关于障碍参数的对数的高阶微分值。根据这些实施方式， 可以在上面的约束下为单独用户分配最优发送功率，同时降低计算复杂 度。
在一个实施方式中，最优发送功率计算单元可以使用二阶导数作为所述高阶导数。在另一实施方式中，最优发送功率计算单元可以在内点 法中使用最速下降法用于受约束的优化。根据这些实施方式，可以用简 单算法以解析方式来计算最优解。
在一个实施方式中，如果满足以下任一条件，最优发送功率计算单 元可以终止最速下降法中的步骤迭代。所述条件可以包括相对于发送 功率电平的变化根据内点法导出的导出目标函数的值的变化处于预定阈 值内的条件；相对于步骤迭代递增原始目标函数的值的变化处于预定阈
值内的条件；以及步骤迭代数超过预定阈值的条件。根据该实施方式， 可以确定最速下降法中的收敛点，并且可以导出最优解。
在一个实施方式中，如果满足以下任一条件，最优发送功率计算单 元可以终止内点法中的步骤迭代。所述条件可以包括障碍参数小于预 定阈值的条件；和相对于步骤迭代递增原始目标函数的值的变化处于预 定阈值内的条件。根据该实施方式，可以确定内点法中的收敛点，并且 可以导出最优解。
在一个实施方式中，最优发送功率计算单元可以执行受约束的优化 以使得多个用户各自的信道容量一致。根据该实施方式，可以导出最优 解以使得在功率分配之后各单独用户各自的信道容量一致。
在一个实施方式中，最优发送功率计算单元可以执行受约束的优化 以便最大化整个系统的信道容量。根据该实施方式，可以导出最优解以 便最大化在功率分配之后各单独用户各自的信道容量的总和。
这些实施方式确定在各单独发送天线或发送天线组各自的发送功率 电平的某些约束下，用于各单独用户各自的发送流的发送功率电平，并 且以所确定的发送功率电平来发送无线电信号。
参考附图来描述本发明的某些实施方式。
图1示出了根据第一实施方式的无线电通信装置10的示例结构。如 图1中所示，无线电通信装置IO包括对应于用户数(N)的多个调制单 元11、预编码单元12、最优发送功率计算单元13和发送功率控制单元 14。每个调制单元11包括串并行转换单元111和信号调制单元112。图2示出了根据第一实施方式的最优发送功率计算单元13的示例结 构。最优发送功率计算单元13包括内点法处理单元21、障碍参数更新单 元22和内点法收敛确定单元23。
图3示出了根据第一实施方式的障碍参数更新单元22的示例结构。 障碍参数更新单元22包括高阶微分值计算单元31、障碍参数比例因子计 算单元32和障碍参数比例因子乘法单元33。
接下来，下面描述上述无线电通信装置的示例操作和根据第一实施 方式的示例无线电通信方法。在下面，使用基于信道信息的块对角化迫 零(BD-ZF)来在使用Mt个发送天线、N个用户和N^个用户天线的 MU-MIMO传输中进行预编码。
在其它实施方式中，可以使用任何其它基于信道信息的MU-MIMO 预编码器，例如ZF、 MMSE或DPC，来进行预编码。或者，可以使用从 码本中选择发送权重向量的另一类预编码。
在图1中的调制单元11中，串并行转换单元111向各单独发送流分 配要发送到关联用户的信息信号序列。信号调制单元112调制这些发送 流并且生成发送信号Skj (1《k《N并且l《j《M》。符号Sk,j表示用于为 第k个用户发送第j个发送流的发送信号。用于第k个用户的Mr维发送
信号向量Sk被定义为
= [St， 1,…，y， ， '5V， A^]7 ( 1 )，
其中，上标T表示转置。
这里，令用于第k个用户的MfXMt个MIMO信道的信道矩阵为Hk， 生成用于第k个用户的大小为MtXMr的BD-ZF发送权重矩阵WBD_ZF,k， 以满足以下公式
H*Wa"《m = 0 (k-m) (2)。
根据BD-ZF的应用生成的用于第k个用户的大小为MfXMr的等同
信道矩阵Hk'如下定义，并且经受奇异值分解(SVD)。 Hk' = mW肪-z/.-, * = ILA*VZ
(3)，
<formula>formula see original document page 12</formula>其中，上标H表示厄密特转置，并且丄"表示M'"仏'的特征值。
使用从上面的公式获得的Vk以及WBD.ZF,k，令用于第k个用户的大 小为MtXMr的发送权重矩阵为Wk。换言之，
<formula>formula see original document page 13</formula>
预编码单元12导出矩阵Wk，并且向最优发送功率计算单元13提供 矩阵Wk的分量Wk，qj (l《q《Mt)和A'作为发送权重相关信息。而且， 预编码单元12向发送功率控制单元14提供矩阵Wk和向量Sk。
发送功率控制单元14接着使用所提供的Wk和Sk，连同如下所述在 最优发送功率计算单元13中导出的分配给用于第k个用户的第j个发送 流的发送功率Pkj—起，来如下生成预编码之后的Mt维发送信号向量Xk,
并且向用户提供向量Xk，
<formula>formula see original document page 13</formula>
而且，令用于第k个用户的Mr维接收信号向量为yk并且令MJ隹噪 声向量为nk，接收信号将表示为如下， yk=Hkxk+nk (6)。
这里，令公式(3)中用于第k个用户的大小为N^XNi的接收权重 矩阵为^"，接收权重矩阵""和接收信号向量yk的乘法表示为如下，
<formula>formula see original document page 13</formula>
因此，这表示可以没有干扰地接收己空间复用和发送给用户的信号。 而且，令噪声功率为^，用于第k个用户的第j个发送流的接收SNRkJ 表示为如下，
<formula>formula see original document page 13</formula>使用该接收SNRk,j，用于第k个用户的MIMO信道容量Ck表示为如
下，
C^Zlog2(l +纖i,乂)
/=1 (9)。
接下来，下面描述最优发送功率计算单元13的示例操作。最优发送
功率计算单元13从预编码单元12接收发送权重矩阵Wk的分量Wk，qj和
特征值A^作为发送权重相关信息，并且使用它们来导出P^，以满足第q 个发送天线的发送功率极限值Pmax,q。具体地说，这可以对应于求解如下 的优化问题，
max imize min Ct = min 5>经2(+雄*,》 (10)
产l
"S丄Z ^ I VW, *./ |2 乂 S尸max, V
"'(11)
A,^0VA:,;. (12)。
用于优化问题的公式(10)意味着最大化所有用户中的最小用户容 量。通过求解该优化问题，可以使得对于所有用户来说，各自的信道容 量几乎一致，这在这里称为公平标准。
可以基于内点法求解该优化问题。根据该内点法，将用于调整障碍
函数g(Pkj)的值的障碍参数r(i)添加到公式(10)，并且对用于没有约束(11 )
和(12)来最大化函数的新优化问题进行求解。这里，参数i表示内点法
中的步骤迭代的数量，下面将详细描述。具体地说，它以较大的障碍参
数开始，并且对于每个障碍参数计算最优功率Pkj。使用所计算的值作为
初始值来迭代该过程，同时减小障碍参数。 一旦障碍参数r(i)达到足够小
的值，则可求解出原始受约束优化问题。使用障碍函数和障碍参数的新
优化问题可以表示为如下，
maximize F=f+r(i)g(Pk》 (13) 其中/ = minQ (14)。
函数f是与关于用户信道容量的受约束优化问题相关联的示例原始 目标函数。函数F为通过将障碍函数和用于调整障碍函数的值的障碍参
14数加到原始目标函数而导出的示例目标函数，并且用作为用于新优化问 题的目标函数。
在某些实施方式中，障碍函数g(Pk」)可以是包括发送权重、发送功率 极限值和/或发送功率值的函数。例如，可以使用如下给出的障碍函数，
g( a,》=-艺(户隨, - ￡ i肌9,,卩a,》-'一J艺(a,》-' (15)。
— "i 乂=
k i /=1
在另一示例中，可以使用如下给出的障碍函数g(Pkj)，
AY, W Mr W 格
g(尸l/)-l;iogCP隨,广艺艺l WM./卩/Vv) +22>gCP") (16)。
k-l ./=1 k=l 乂-1
接下来，详细描述图2中示出的内点法处理单元21、障碍参数更新 单元22和内点法收敛确定单元23的示例操作。对于内点法中的每个步 骤迭代i，内点法处理单元21使用从最优发送功率计算单元13提供的发 送权重分量wMj和特征值，来执行对于目标函数F (包括如公式(13 ) 中示出的障碍函数和障碍参数)的优化，并且将在第i次步骤迭代处导出 的发送功率电平Pk，j提供到内点法收敛确定单元23。内点法收敛确定单元 23确定如下给出的内点法中的步骤迭代收敛条件是否得到满足，
J (17)， jj mjn Q(/) - mjn Gt(!' _ 1) |< "
其中，参数(i)表示内点法中的第i次步骤迭代。而且，假设参数a和" 是足够小的值。换言之，如果以下条件子句中指定的任一条件得到满足 如果障碍参数变得小于预定的足够小的值，以及如果随着步骤迭代递增 原始目标函数的值的变化处于预定的足够小的值内，那么内点法中的步 骤迭代就收敛了。
注意，上面的内点法中的步骤迭代收敛条件是示例性的，并且可以 使用任何其它合适的条件。
如果内点法收敛确定单元23确定不满足上面的收敛条件中的任何一 个，则内点法收敛确定单元23将当前发送功率电平Pkj设置为针对障碍 参数r(i)的最优解，并且提供障碍参数r(i)，以及如公式(13)中定义的 用于内点法的目标函数F或者如公式(14)中定义的用于发送功率优化 问题的目标函数f。
15接下来，参考图3描述障碍参数更新单元22的示例操作。尽管这里
使用了二阶导数，但可在其它实施方式中使用更高阶的导数。障碍参数
更新单元22根据如下公式减小障碍参数r(i)，
<formula>formula see original document page 16</formula> 其中，参数a (i)表示在内点法中的第i次步骤迭代时的障碍参数的比例因 子。对于公式(18)两侧取对数，得到
<formula>formula see original document page 16</formula>
在本实施方式中，因为使用内点法求解发送功率优化问题，所以i 的递增可以减小障碍参数r(i)。因此，更大的i可以导致更小的log(r(i))。
而且，令包括最优发送功率电平Pkj的目标函数和在第i次步骤迭代 的目标函数F分别为F(i)和f(i)，更小的r(i)可以导致优化问题的收敛。因 此，包括障碍函数的项在F(i)内的影响可以变得更小，并且f(i)可以变成 占主导。随着参数i递增，换言之，随着r(i)和log(r(i))减小，f(i)逼近最 大值，因此F(i)也逼近最大值。
图4A示出了在上面的情况下，F(i)和log(r(i))之间的示例关系。该关 系可以导致下面定义的偏导数F'(i)和log(r(i))之间的关系，如图4B中所 示，<formula>formula see original document page 16</formula>根据参数i和log(r(i))之间的关系和图4B中的例示，可以通过设置 log(r(i))以最大化F，(i)来使内点法处理收敛。为了最大化F'(i)，可以在F'(i) 的方向导数上，即，基于F(i)针对log(r(i))的二阶偏导数，改变log(r(i))， 如图4B中所示。这可以表达如下，<formula>formula see original document page 16</formula>
其中，P是方向导数和任意正值的比例因子。
因为难于以解析方式求解公式(20)，它可以近似如下，
<formula>formula see original document page 16</formula>(23)o
A log / (/) = log,'(/) - log r(, 一 1)
公式(22)的右手侧必须取绝对值，以使得公式(21)中的包括P 的第二项总是具有负值，以减小log(r(i))。
高阶微分值计算单元31根据公式(22)计算二阶微分值，并且将它 提供到障碍参数比例因子计算单元32。然后，障碍参数比例因子计算单 元32使用根据公式(19)、 (21)和(22)导出的公式(24)来计算a (i)，
loga(0 = 〃 1
厶log/-(!')
，
△ log r(z') 厶log ■(! —1)
(24),
1 fAF(O W-"
a(/) = e
障碍参数比例因子计算单元32向障碍参数比例因子乘法单元33提 供所计算的a(i)。接着，障碍参数比例因子乘法单元33根据如下给出的 公式(25)计算新障碍参数r(i+l)，以更新障碍参数，
1 I"
(25)。
障碍参数比例因子乘法单元33向内点法处理单元21提供新障碍参 数r(i+l)和Pk，j，内点法处理单元21继续内点法中的步骤迭代。另一方面， 如果内点法收敛确定单元23确定满足上面收敛条件中的任何一个，则内 点法收敛确定单元23向发送功率控制单元14提供当前的发送功率Pk,j， 作为来自内点法处理单元21的最优解。
在该实施方式中，障碍参数更新单元22基于目标函数F(i)关于 log(r(i))的二阶导数来设置障碍参数的比例因子a (i)。在其它实施方式中， 障碍参数更新单元22可以基于目标函数f(i)关于log(r(i))的更高阶导数来 设置a (i)。
在该实施方式中，障碍参数更新单元22基于目标函数F(i)关于 log(r(i))的二阶导数来设置障碍参数的比例因子a (i)。在其它实施方式中， 障碍参数更新单元22可以基于障碍函数g的单调递减函数关于log(r(i》 的更高阶导数来设置a(i)。
接下来，参考图5来描述在内点法处理中使用最速下降法来进行优 化的内点法处理单元21的示例结构。如图5中所示，内点法处理单元21包括初始功率计算单元51、障碍参数乘法单元52、信道容量计算单元53、 最速下降处理单元54和迭代单元55。
接下来，参考图6来描述迭代单元55的示例结构。迭代单元55包 括后预处理功率计算单元61、约束确定单元62、最速下降法步长更新单 元63和最速下降法收敛确定单元64。
下面描述在内点法中使用最速下降法进行优化的示例特定操作。将
进入到内点法处理单元21的Wk，q,j和力^提供到初始功率计算单元51。初
始功率计算单元51使用Pkj的初始值以及所提供的Wk,qj和A"来计算用 于单独发送天线的发送功率电平Pq。使用公式(11)的左手侧，发送功
率电平Pq表示如下，
/^ = ZZ|M^, '_/|2i\y (26)。
初始功率计算单元51向障碍参数乘法单元52提供Pq。障碍参数乘 法单元52将障碍参数r(i)与障碍函数相乘。
然后，信道容量计算单元53使用所提供的Wk,q，j和A"以及Pk」来根
据公式(9)计算用于各单独用户各自的信道容量，并且将它们提供到最
速下降处理单元54。最速下降处理单元54根据最速下降法优化与使用障
碍函数的优化问题相关联的公式(13)。最速下降法是使用公式(13)中
的梯度信息进行优化的方案，并且执行如下所述的迭代操作，
A,乂(w十l)-A,;(w) + yx~^~F (27)，
奶,乂
其中，参数U表示第U次迭代，并且Y表示步长。
将在最速下降处理单元54中优化的发送功率电平Pk,j提供给迭代单 元55。响应于接收该发送功率电平Pkj，迭代单元55中的后预编码功率
计算单元61基于所提供的Pk」和Wk，q，j来计算用于单独发送天线的发送功
率电平Pq，并且将Pq提供到约束确定单元62。约束确定单元62确定如 下给出的条件是否满足，
如果公式(28)中的任一条件不满足，则最速下降法步长更新单元 63减小步长Y ，并且将它提供给信道容量计算单元53。使用与公式(27)的先前操作相关联的Pkj，约束确定单元62迭代上面的操作，直到公式 (28)中指定的约束得到满足为止。如果约束得到满足，则约束确定单 元62将发送功率电平Pk,j提供到最速下降法收敛确定单元64。接着，最 速下降法收敛确定单元64确定如下给出的用于最速下降法的收敛条件是 否得到满足，
<formula>formula see original document page 19</formula>其中，参数U表示最速下降法中的迭代次数，参数Imax被定义为迭代的最 大次数。而且，参数4和&是足够小的值。换言之，满足以下条件子句中
指定的任何条件如果与发送功率的变化对应的目标函数的变化处于预 定的足够小的值内，如果与迭代递增对应的原始目标函数的变化处于预 定的足够小的值内，以及如果迭代次数超过预定的阈值，那么最速下降 法中的步骤迭代收敛。
注意，上面用于最速下降法的收敛条件是例示性的，并且可以使用 其它收敛条件。
如果最速下降法收敛确定单元64确定不满足公式(29)中的任一条
件，则最速下降法收敛确定单元64将当前发送功率Pkj提供到信道容量 计算单元53，以进行另外的迭代。迭代上面的操作，直到最速下降法收 敛确定单元64确定满足了公式(29)中的任一条件为止。另一方面，如 果最速下降法收敛确定单元64确定满足了任一条件，则最速下降法收敛 确定单元64向内点法收敛确定单元23提供发送功率值Pkj。
参考图7中的流程图来描述最优发送功率计算单元13的示例操作。 在最优发送功率计算单元13中，在步骤71，指定障碍参数r(i)、初始发
送功率电平Pk，j、最速下降法中的最大迭代次数Imax以及参数S,到^。在
步骤72，在执行了内点法中的第i次步骤迭代时的内点法处理和随后的 发送功率优化之后，将与公式(13)中的发送功率优化问题相关联的发 送功率电平Py、障碍参数r(i)和目标函数F提供到步骤73。在该实施方式中，在步骤71设置用于最速下降法和内点法的初始值。在其它实施方
式中，可以根据所应用的优化方案和收敛条件来优选地设置某些参数。
在步骤73，确定公式(17)中指定的内点法中的收敛条件是否得到 满足。如果公式(17)中的任一收敛条件都不满足，则将当前发送功率 Pk,j确定为障碍参数r(i)下的最优解，并且将r(i)和F(i)、 f(i)或g(i)的单调 递减函数提供到步骤74。
接下来，参考图8中的流程图来描述步骤74的示例详细操作。在步 骤81，使用提供到步骤74的r(i)和F(i)、 f(i)或g(i)的单调递减函数来根 据公式(22)计算高阶微分值，并且将所计算的高阶微分值提供到步骤 82。在步骤82，根据公式(24)导出a(i)并且将其提供到步骤83。在步 骤83,使用导出的a(i)来计算新障碍参数，并且将Pw和r(Hl)提供到步 骤72用于内点法中的其他步骤迭代。另一方面，如果公式(17)中的任 一收敛条件得到满足，则将当前发送功率电平P^作为最优解提供到步骤 75。
接下来，参考图9中的流程图来描述在步骤72使用最速下降法进行 优化的示例详细操作。在步骤91，如上所述计算单独发送天线的发送功 率电平Pq并且将其提供到步骤92。在步骤92，执行与障碍参数r(i)的乘 法以生成用于新优化问题的目标函数F，并且将它连同Pq—起提供到步 骤93。在步骤93，计算用于各单独用户各自的信道容量。在步骤94，基 于信道容量计算目标函数F的梯度，即目标函数F的微分值。然后，根 据公式(27)基于该梯度计算新的Pkj，并且将它提供到步骤95。在步骤 95，在根据公式(26)计算了用于单独发送天线的发送功率电平之后， 确定在公式(28)中指定的约束是否得到满足。如果不满足任一条件， 则在步骤96，减小步长Y并且将它提供到步骤93以进行另外的迭代。对 上面的操作进行迭代，直到约束得到满足为止。另一方面，如果在步骤 95，满足了公式(28)中指定的所有条件，则在步骤97确定公式(29) 中指定的最速下降法中的收敛条件是否得到满足。如果公式(29)中的 任一收敛条件都不满足，则将发送功率电平Pkj提供到步骤93以进行另 外的迭代。对上面的操作进行迭代，直到满足公式(29)中任一收敛条件为止。另一方面，如果满足任一收敛条件，则将当前发送功率电平Pk，j
作为最速下降法的最优解提供到步骤73。
在该实施方式中，使用在内点法处理中使用最速下降法的优化方案。 在其它实施方式中，可以使用其它合适优化方案来进行内点法处理。即
使在该情况下，也可使用包括障碍函数的目标函数F或原始目标函数f 的单调递减函数，例如-g、 l/g、 (r*g)或(-l/(r*g))，关于障碍参数r(i) 的对数值log(r(i))的高阶微分值，来适应性地更新适于内点法中的步骤的
在上面的优化方案中，求解优化问题以使得信道容量对于各单独用 户一致。在其它实施方式中，可以求解优化问题以使得整个系统的信道 容量C最大化。在该情况下，优化问题再形成为下面的形式，
腿imizeC-Z》og2(l + S農,》 (30)
w 仏
"^丄S 2] i 9. ■/卩尸*, _/ ^户max,
— (31) 尸"^0VA:,/ (32)。
针对最大化整个系统的信道容量C的优化问题在这里称为总和速率 标准。该优化问题的求解类似于公平标准。
在上述的实施方式中，对于单独发送天线例示性地提供了功率极限
值Pn^，q。在其它实施方式中，可把发送天线分为多个组，并且可为该多
个组提供功率极限值。图io示出了无线电通信装置中的发送天线的示例
分组。在该图中，标号L (1《1《L)表示组号，并且标号S,表示属于组 1的一组发送天线号。该实施方式的根据公平标准的优化问题表示为， max imize min= min log2 (1 + 5TW a, 乂) (33)
艺艺lw屮卩i\，
■ k=l ./=1
s户
i\A0V、_/ (35)，
其中，用于组1的功率极限值记号为Pmax，,。可以类似于上述求解来求解 该优化问题。而且，还可以类似地求解根据总和速率标准的优化问题。
在上述实施方式中，对于预编码例示性地应用了BD-ZF方案，但是可以通过使用其它预编码方案来将给出的实施方式应用于发送功率优化 问题。
在第一实施方式中，假定多个发送天线安装在无线电通信装置上。 在第二实施方式中，多个发送天线可以与无线电通信装置分离并且以有 线和/或无线方式连接到该无线电通信装置。
图11示出了根据本发明第二实施方式的无线电通信装置。无线电通
信装置10以有线和/或无线方式耦接到发送天线单元1A，各天线单元1A
都具有多个发送天线。
在操作中，无线电通信装置10可以按与第一实施方式类似的方式操 作，除了无线电通信装置10与发送天线单元1A分离之外。 [应用示例]
下面描述用于如上所述的第一实施方式的示例应用示例。为了验证 本实施方式的有效性，对于其中为预编码应用BD-ZF并且为单独发送天
线设置一致的功率极限值Pmax的第一实施方式示出了某些计算机模拟结
果。而且，将公式(15)中指定的障碍函数用于该模拟。此外，假定发 送天线的数量Mt等于6，用户的数量N等于2，用户天线的数量Mr等于 3，并且对于每个用户空间复用和发送三个流。而且，假定对于每个发送
天线，功率极限值Pmax等于1/6，并且总的可用发送功率等于l。对于传
播环境，假定用于各用户的各MIMO信道是独立同分布(i.i.d.)瑞利衰 落。下面设置其它参数。注意，把参数^设置为0以观察本模拟中的收敛。 [在固定公式(18)中的a(i)的情况下的参数]
PkJ(0)=10—'。， r(0)=1.0， a(i)=0.05， 1隨=2000, si=10—3， &=10—6，并且￡4=10_11 [根据第一实施方式的参数]
Pkj(0)-1(T1。， r(0)=100.0，々=0.1, 1國=2000， a-l(T3， "-l(T6，并且e产10一'1
在根据第一实施方式的优化中，需要第(i-l)和第(i-2)次步骤迭 代中的目标函数和障碍参数的相应值来设置a(i)。因此，存在对于较小 的i， a(i)可能依赖于初始发送功率电平Pk，j的可能性。为此原因，对于 i<3，将a(i)设置为0.05。而且，在该应用示例中，对于i-3、 5、 7、 9等应用第一实施方式，而对于1=4、 6、 8、 10等使用a(3)、 a (5)、 a (7)、 a (9)等。
图12示出了用于在公式(18)中使用固定a(i)的优化和根据第一实 施方式的优化的收敛性能和乘法次数的示例结果。在该图中，"常规"示 出了使用固定a(i)时的优化的性能，而"梯度"示出了根据第一实施方 式的优化的性能。而且，"收敛"在纵轴左手侧示出了内点法的步骤i处 的最小用户信道容量。另一方面，"乘法器"在纵轴的右手侧示出了累积 乘法的数量。注意，横轴表示内点法中的第i次步骤迭代。
根据图12中的例示，可以观察到，如果收敛值设置为大约1.71，则 "常规"需要6次迭代和L^xl()6次乘法来实现收敛。另一方面，可以观 察到，在该情况下，根据第一实施方式的"梯度"需要6次迭代和0.95x106 次乘法来实现收敛，这导致减少了大约38%的乘法。
图13示出了用于在公式(18)中使用固定a(i)的优化和按照总和速 率标准根据第一实施方式的优化的收敛性能和乘法数量的示例结果。在 该图中，"常规"示出了使用固定a(i)时的优化的性能，而"梯度"示出
了根据第一实施方式的优化的性能。而且，"收敛"在纵轴的左手侧示出 了内点法中的步骤i处的整个系统的信道容量。另一方面，"乘法器"在 纵轴的右手侧示出了累积乘法的数量。注意，横轴表示内点法中的第i 次步骤迭代。
根据图13中的例示，可以观察到，如果收敛值设置为大约3.58，则 "常规"需要6次迭代和L1^106次乘法来实现收敛。另一方面，可以观 察到，在该情况下，根据第一实施方式的"梯度"需要6次迭代和0.7^106 次乘法来实现收敛，这导致减少了大约33%的乘法。
为了方便，已参考不同的实施方式描述了本发明，但是实施方式的 分开对于本发明来说不是必需的，而是根据需要可以一起使用两个或更 多个实施方式。己使用了某些特定数字以便于理解本发明，但是除非另 外注明，否则这些数字仅仅是例示性的，并且可以使用任何其它合适的 值。
已参考了本发明的特定实施方式描述了本发明，但是这些实施方式
23仅仅是例示性的，本领域技术人员可以构想出各种变化、修改、变更和 替换。为了方便说明，已参考功能框图描述了根据本发明实施方式的装 置，但是这些装置可以用硬件、软件或其组合实现。本发明不限于上面 的实施方式，本领域技术人员在不偏离本发明的精神的情况下可以做出 各种变化、修改、变更和替换。本申请基于并且要求2008年5月12日提交的在先日本专利申请No. 2008-125341的优先权，通过引用将其整个内容合并于此。
权利要求
1、一种用于以合适发送功率电平经由多个发送天线组向多个用户发送无线电信号的无线电通信装置，每个所述发送天线组包括一个或更多个发送天线，所述发送天线组具有各自的发送功率约束，该无线电通信装置包括预编码单元，其被配置为对为各单独用户调制的信号执行预编码并且生成发送权重相关信息；最优发送功率计算单元，其被配置为从所述预编码单元接收所述发送权重相关信息，并且计算发送功率电平，以优化根据内点法的目标函数，该目标函数通过将以障碍参数调整的障碍函数加上与受约束优化问题相关联的原始目标函数而产生；以及发送单元，其被配置为以所计算的发送功率电平来发送无线电信号，其中，所述原始目标函数包括根据所述发送权重相关信息导出的针对各单独用户的相应信道容量的函数，并且其中，所述最优发送功率计算单元被配置为适应性地更新所述障碍参数的对数，并且使用通过关于所述障碍参数的对数的高阶导数获得的梯度来计算所述发送功率电平，以便对导出目标函数进行优化。
2、 根据权利要求l所述的无线电通信装置，其中，所述最优发送功 率计算单元被配置为使用所述导出目标函数关于所述障碍参数的对数的高阶微分值作为梯度。
3、 根据权利要求l所述的无线电通信装置，其中，所述最优发送功 率计算单元被配置为使用所述原始目标函数关于所述障碍参数的对数的高阶微分值。
4、 根据权利要求l所述的无线电通信装置，其中，所述最优发送功 率计算单元被配置为使用所述障碍函数的单调递减函数关于所述障碍参数的对数的高阶微分值。
5、 根据权利要求l所述的无线电通信装置，其中，所述最优发送功 率计算单元被配置为使用二阶导数作为高阶导数。
6、 根据权利要求l所述的无线电通信装置，其中，所述最优发送功 率计算单元被配置为针对受约束优化在内点法中使用最速下降法。
7、 根据权利要求6所述的无线电通信装置，其中，所述最优发送功 率计算单元被配置为如果满足以下任一条件，就终止最速下降法中的步骤迭代，并且所述条件包括针对所述发送功率电平的变化根据内点法导出的导出目标函数的值的变化处于预定阈值内的条件，针对步骤迭代的递增所 述原始目标函数的值的变化处于预定阈值内的条件，和步骤迭代次数超 过预定阈值的条件。
8、 根据权利要求l所述的无线电通信装置，其中， 所述最优发送功率计算单元被配置为如果满足以下任一条件，就终止内点法中的步骤迭代，并且所述条件包括所述障碍参数小于预定阀值的条件，和针对步骤迭 代的递增所述原始目标函数的值的变化处于预定阈值内的条件。
9、 根据权利要求l所述的无线电通信装置，其中，所述最优发送功率计算单元被配置为执行受约束优化以使得针对各用户的相应信道容量 一致。
10、 根据权利要求1所述的无线电通信装置，其中，所述最优发送功率计算单元被配置为执行受约束优化以最大化整个系统的信道容量。
11、 一种用于以合适发送功率电平经由多个发送天线组向多个用户 发送无线电信号的无线电通信方法，每个所述发送天线组包括一个或更 多个发送天线，所述发送天线组具有各自的发送功率约束，该方法包括以下步骤对于为各单独用户调制的信号进行预编码并且生成发送权重相关信息；从预编码单元接收所述发送权重相关信息并且计算发送功率电平以 优化根据内点法的目标函数，该目标函数通过将以障碍参数调整的障碍函数加上与受约束优化问题相关联的原始目标函数而产生；以及 以所计算的发送功率电平来发送无线电信号，其中，所述原始目标函数包括根据所述发送权重相关信息导出的用 于各单独用户各自的信道容量的函数，并且其中，所述计算包括适应性地更新所述障碍参数的对数，并且使用 通过关于所述障碍参数的对数的高阶导数而获得的梯度来计算所述发送 功率电平，以便对导出目标函数进行优化。
12、 根据权利要求ll所述的无线电通信方法，其中，所述计算包括< >使用所述导出目标函数关于所述障碍参数的对数的高阶微分值作为梯 度。
13、 根据权利要求ll所述的无线电通信方法，其中，所述计算包括 使用所述原始目标函数关于所述障碍参数的对数的高阶微分值。
14、 根据权利要求ll所述的无线电通信方法，其中，所述计算包括 使用所述障碍函数的单调递减函数关于所述障碍参数的对数的高阶微分 值。
15、 根据权利要求ll所述的无线电通信方法，其中，所述计算包括 使用二阶导数作为高阶导数。
16、 根据权利要求ll所述的无线电通信方法，其中，所述计算包括 针对受约束优化在内点法中使用最速下降法。
17、 根据权利要求16所述的无线电通信方法，其中，所述计算包括 如果满足以下任一条件，就终止最速下降法中的步骤迭代，并且所述条件包括针对所述发送功率电平的变化根据内点法导出的导 出目标函数的值的变化处于预定阈值内的条件，针对步骤迭代递增所述 原始目标函数的值的变化处于预定阈值内的条件，和步骤迭代次数超过 预定阈值的条件。
18、 根据权利要求ll所述的无线电通信方法，其中，所述计算包括 如果满足以下任一条件，就终止内点法中的步骤迭代，并且所述条件包括所述障碍参数小于预定阈值的条件，和针对步骤迭 代递增所述原始目标函数的值的变化处于预定阈值内的条件。
19、 根据权利要求ll所述的无线电通信方法，其中，所述计算包括 执行受约束优化以使得各个用户各自的信道容量一致。
20、根据权利要求11所述的无线电通信方法，其中，所述计算包括 执行受约束优化以最大化整个系统的信道容量。
全文摘要
本发明公开了一种无线电通信装置和无线电通信方法。该无线电通信装置包括预编码单元、最优发送功率计算单元和发送单元。最优发送功率计算单元从预编码单元接收发送权重相关信息并且计算发送功率电平以优化根据内点法的目标函数。该目标函数是通过将以障碍参数调整的障碍函数加上与受约束优化问题相关联的原始目标函数而产生的。原始目标函数包括根据发送权重相关信息导出的用于各单独用户各自的信道容量的函数。最优发送功率计算单元适应性地更新障碍参数的对数，并且使用通过关于障碍参数的对数的高阶导数而获得的梯度来计算发送功率电平，以便对导出目标函数进行优化。
文档编号H04B7/04GK101583182SQ200910140820
公开日2009年11月18日 申请日期2009年5月12日 优先权日2008年5月12日
发明者大渡裕介, 大矢智之, 萩原淳一郎, 阿那须·本杰博 申请人:株式会社Ntt都科摩