专利名称：一种分布式天线系统及其功率分配方法
技术领域：
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种分布式天线系统及其功率分配方法。
背景技术：
传统的蜂窝系统中，每个小区的多个天线的物理位置位于一个基站上，由于无线信号传输会经历路径损耗和阴影衰落等原因，导致一个小区内不同位置的接收信号能量差异很大，靠近基站的用户的接收信号能量很强，而距离基站较远的用户的接收信号能量很弱，从而无法保证其通信质量。分布式天线系统可以一定程度上解决这种通信质量不均衡的问题。分布式天线系统也即将原来位于一个基站上的多个天线散布在一个小区的不同地点，这样能够减少通信死角的存在，使信号覆盖更均勻。分布式天线系统相对于传统蜂窝系统的一个很大的不同在于传统蜂窝系统的多个天线可以接在一个射频链路功率放大器上，多天线的发射功率和受到基站的总发射功率限制，也即和功率受限(SPC)；但是对于分布式天线系统，由于在实际应用中每个天线的射频链路都存在着独立的功率放大器，对于在地理位置上散布的多个天线和多个基站，它们的发射功率不可能互相共享，因此每个天线的发射功率都独立的受限于各自的功率放大器的线性区间，我们称之为单天线功率受限(PAPC)。如果将迫零预编码(ZFBF)与调度相结合，那么在一定条件下可以实现系统最优性能。迫零预编码(ZFBF)的优点在于其计算复杂度远远低于最优的非线性预编码。 考虑到PAPC，最优的ZFBF可以通过凸优化的方式获得(参考文献Wiesel A, Eldar Y C, Shamai S, Zero-forcing precoding andgeneralized inverses[J]. IEEE Trans, Signal Processing, 2008,56 :4409-4418,以及 Karakayali K, Yates R, Foschini G, et al. Optimum zero-forcing beamformingwith per-antenna power constraints[A]. Proceedings of Int, Symp. hformationTheory (ISIT)，2007)，但是由此得到的数值结果丧失了 ZFBF低复杂度的优点。为了保证ZFBF满足一定的发射功率约束，系统需要根据ZF波束形成矩阵对多用户进行功率分配。基于SPC，最优功率分配具有灌水结构，并且只包含一个水平面变量(参考文献Caire G，Shamai S. On the achievab 1 ethroughput of amuIti-antenna Gaussian broadcast channel[J]. IEEETrans, Inform, Theory,2003,49 :1691-1706)。有人研究了基于PAPC的功率分配方法。并指出以最大化和数据率为准则的功率分配问题是一个凸问题，可以通过多种优化方法进行数值求解，但是其计算复杂度随着变量维数的增加而快速增长(参考文献:BoccardiF, Huang H. Zero-forcing precoding for the MIMO broadcast channel underper-antenna power constraints[A]. Proceedings of IEEE Signal ProcessingAdvances in Wireless Communications (SPAWC)，2006)。为了降低功率分配的复杂度，有人提出了一种启发式方法它首先假设基于 PAPC的功率分配仍具有单水平面的灌水结构，然后通过适当的选择水平面变量以保证
4所有的天线满足 PAPC(参考文献A. Tolli and Μ. Codreanuand Μ. Juntti. Cooperative MIMO-OFDM cellular system with soft handoverbetween distributed base station antennas [J] · IEEE Trans. Wireless Commun. 2008，7 :1428-1440)。有人又提出了更简单的等功率分配方法，并指出在最大化用户的最小数据率准则下等功率分配时最优的功率分配方案(参考文献Karakayali K, Foschini G, Valenzuela R. Network coordination for spectrallyefficient communications in cellular systems[J]. IEEE Trans. WirelessCommun. . 2008, 7 155-165)。与最优的分配方法相比，启发式方法和等功率分配有效的降低了计算复杂度，但是其性能与最优性能之间存在着较大的差距。
发明内容
本发明针对ZFBF提出了一种分布式天线系统及其功率分配方法，与最优的方法相比，性能损失很小，并且具有较低的计算复杂度。本发明实施例提出一种分布式天线系统的功率分配方法，包括如下步骤A、将分布式天线系统中每个用户的信道向量合并，组成一个等效的信道矩阵H = Lh1,…，tiK]T，IiiteC^为第k个用户与基站的多天线间信道向量，计算出这个等效的信道
广 H" (HH")-'
矩阵的伪逆，并进行能量归一化，得到迫零波束形成矩阵。=jj^^pTyrj—，迫零波束形成矩阵G的第m行第k列的元素为gm,k ；B、定义矩阵A的第m行第k列的元素为^ ；，定义1为已选天
!-kρ
线序号的集合，Tj为剩余天线序号的集合；设置&二 0 (空集)，T。= {1,…，M}， M M
WjApt(Wj) = 1求出功率分配的初始值ρ (W。)= [Pl (w0),…，Pk(Wq)L并进一步求出qm(w0) = afflpT (w0)-l,m= 1,…，Μ，(χ)+ = max (χ, 0) 为矩阵A的第m行，ο 2为接收机热噪声功率；C、设 j = j+Ι，丨二 arS 巧X ^ (、V})，更新 Sj = Sj^1 U {Sj}，Γ； = {駐 Γ,丨’所茫 S1}；根据公式I (U’ "Γ''更新 Wj ；D、根据更新后的再计算出qm(Wj)，m= {1，…，Μ}，并定义A, =;扎(W/)， 《「, =maxme「^m(Wi);Ε、判断是否如，>和，，若是，返回步骤C;否则，由A(W/) = ( f—4)+，
Au j ,m m M m=\
k = 1，…，K及WjApT(Wj) = 1计算出p(Wj)，并得到最终的功率分配结果为
P (W )
P =-则功率分配矩阵P = diag{Pj}；
maxm amp (w,)JF、计算出迫零预编码矩阵为Z = GV ，并以该迫零预编码矩阵对待发射信号进行预编码。较佳地，步骤C中，当j = 1的时候，μ = 0 ；当j > 1的时候，由下述流程计算得到μ (4)C1、定义 Pmin = O 和 μΜΧ = 1;
1 2 +(5)C2、计算 μ = ( μ min+ μ max) /2，更新 Wj，并且由) = ( * “―— )+1 =
/ L·^ j,m m,k m=\
1，…，K，及 WjApT (Wj) = 1，来求得 ρ (Wj)和 qm (Wj), m e Sj ；(6) C3、如果义,=max_Y qjw ^，更新 μ max = μ，否则，更新 μ mim = μ ；C4、判断是否μ_-μω η< ε，若是，则完成对μ的计算，否则，返回步骤C2，ε为特定的门限值。较佳地，所述特定的门限值ε取为0.01。本发明实施例还提出一种分布式天线系统，所述分布式天线系统的基站采用如上所述方法进行功率分配。从以上技术方案可以看出，根据每个用户的信道向量，组成一个等效的信道矩阵， 并计算出这个等效的信道矩阵的伪逆，并进行能量归一化，即得到ZF波束形成矩阵，根据已有信息和求得的波束形成矩阵，进行初始化，采用迭代方法求解功率分配矩阵，最后波束形成矩阵和对角化的功率分配矩阵的开方相乘求得ZF发射预编码矩阵。本发明提出的功率分配方法与最优功率分配方法相比，可以有效地降低计算复杂度，并且性能损失在可接受范围内。
图1为本发明实施例提出的获得迫零预编码矩阵的处理流程示意图；图2为不同用户数下四种功率分配方法的和数据率的曲线图；图3为四种功率分配方法的计算复杂度的曲线图。
具体实施例方式本发明针对采用ZFBF进行协作传输的分布式天线系统，在分布式天线系统中每个天线的发射功率都受其最大发射功率限制的条件下，给出了一种低复杂度功率分配方法。功率分配方法体现在迫零预编码矩阵中的功率分配矩阵中，因此为了完整的了解本发明方案，以下对获得迫零预编码矩阵的方法进行说明。本发明实施例提出的获得迫零预编码矩阵的处理流程如图1所示，包括如下步骤步骤101 将分布式天线系统中每个用户的信道向量合并，组成一个等效的信道矩阵，计算出这个等效的信道矩阵的伪逆，并进行能量归一化，即得到ZF波束形成矩阵G。考虑装有M个分布式天线的基站通过空分复用的方式服务K个单天线用户，每个
天线具有相同的最大发射功率为€。对于ZFBF，第k个用户(1彡k彡K)的ZF波束形成向
M量为&。其中，gk为矩阵
权利要求
1.一种分布式天线系统的功率分配方法，其特征在于，包括如下步骤A、将分布式天线系统中每个用户的信道向量合并，组成一个等效的信道矩阵H= Lh1,…，tiK]T，Iii eCMxl为第k个用户与基站的多天线间信道向量，计算出这个等效的信道 矩阵的伪逆，并进行能量归一化，得到迫零波束形成矩阵
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C中，当j= 1的时候，μ = 0 ； 当j > 1的时候，由下述流程计算得到μ (1)C1、定义 Pmin = O 和 μ· = 1 ;0)C2、计算 μ = (^^-^，更新 并且由
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述特定的门限值ε取为0.01。
4.一种分布式天线系统，其特征在于，所述分布式天线系统的基站采用如权利要求1 至3任一项所述的方法进行功率分配。
全文摘要
本发明提供了一种分布式天线系统的功率分配方法，根据每个用户的信道向量，组成一个等效的信道矩阵，并计算出这个等效的信道矩阵的伪逆，并进行能量归一化，即得到ZF波束形成矩阵，根据已有信息和求得的波束形成矩阵，进行初始化，采用迭代方法求解功率分配矩阵，最后波束形成矩阵和对角化的功率分配矩阵的开方相乘求得ZF发射预编码矩阵。本发明还提供了采用上述功率分配方法的分布式天线系统。与最优功率分配方法相比，本发明所提出的功率分配方法能够以很小的性能损失为代价有效地降低计算复杂度。
文档编号H04B7/04GK102468876SQ20101053265
公开日2012年5月23日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者侯雪颖, 沈东栋, 王大飞 申请人:鼎桥通信技术有限公司