效功率分配機制。
[0066] 步驟3.I:信道容量問題。
[0067] 假定發送器碼元經歷了許多相干模塊，遍歷容量信道下界的信道估計損失可W通 過Rk得到
19)
[0069] 其中誤差的影響被認為是一種干擾。
[0070] 為了清楚地構成遍歷容量作為反饋信道函數的估計誤差和反饋誤差，有：
(10 )
[0072]其中，（a)為BackwardTriangle不等式，（b)為嚴格的Cauchy-Bunyakovskii-Sc hwarz不等式，且ef"很小。
[0073] 此外，有干擾的期望表示為：
[0074] E {i I化-矣)WSj-> = I間|2川）
[00巧]綜上可得：
(12)
[0077]其中，A(|eff；)在|吟|《|問|范圍內是關于I刮f的凸函數化可W使用Jensen 不等式E斯IIeffRA巧{|間|2}。I皆I很小時，運個不等式是嚴格的。
[007引 步驟3. 2:分配問題。
[0079] 發射端設計功率控制器的目標是最大化平均下界遍歷的能源效率，其度量由下式 給出：
(13)
[0081] 它是系統狀態熱=圳％11，聲，終1和系統動作換HZf，6"，糾的函數，顯然，參數 鶴是依賴于-巧_,，/f和b的馬爾科夫鏈。其中，護是電路功耗，a是恒定功率放大器（PA) 的效率，T是每個時隙的符號數。
[0082] 本發明中，采取功率分配，在k-1時刻的發送端，基于k-1時刻的系統狀態，最大化 k時刻的能量效率可通過下式得到：
(14、
[0084]顯然，)是關于/f和巧。的非凹非線性分式函數，全局最大化可W很容 易解出。
[0085] 下面結合仿真實驗結果，根據提出的方案，評估驗證能效性能，對不同電路功率下 的能量效益和傳統方法進行分析比較。
[0086] PA效率a= 2,信道的協方差〇>; = 1，噪聲協方差式=1，時間相關參數a= 0. %。
[0087] 圖2是在長時間內，天線總數Nt、符號數T、碼本數CB分別變化時，電路電源護所 對應能效平均值的變化趨勢，并將本發明與現存最優方案做了對比。在精確信道反饋下使 用差分反饋碼本，用0.ImW的步長對Zf，巧"進行窮捜索，并將所提出的動態功耗分配和恒 功率分配相比較。結果表明，所提出的動態功率分配比最佳恒定方案更具能效性，特別在當 電路電源低或者碼本的尺寸較小的情況下。
[008引圖3展示了不同場景下的數據功率和訓練功率曲線。在低功率電路護=20mW的 情況下，訓練功率隨時間變化不大，在零和某正定值間跳轉。然而，在高功率電路護=60mW 的情況下，訓練功率和數據功率的范圍主要取決于當前的信道條件。
【主權項】
1. 多天線系統高能效動態功率分配方法，其特征在于：該方法包括以下步驟： 步驟1 :建立系統模型，即信道傳輸模型； 設計一個通信系統包含隊個發送天線（Nt多2)和一個接收天線，通信鏈路的信道環境 為瑞利平坦衰落信道環境； 步驟2 :建立信道估計和反饋模型； 步驟2. 1 :建立信道估計模型； ⑴AR模型 信道隨時間變化且在每個時隙內保持恒定，根據時間相關性，通過一階的自回歸模 型--AR模型表不； (2)信道估計 狀態模型和觀測模型允許使用卡爾曼濾波器來自適應地跟蹤信道，因此，使用卡爾曼 進行濾波估計； 步驟2. 2 :反饋模型； 在此，采用差分反饋構建系統模型；發射端和接收端分別具有隊和^根天線，下行 CSI (信道狀態信息）首先由接收端估計得到，由接收端計算CSI的差分信息；差分信息量 化為有限的反饋比特數，并通過反饋信道發送給發射端； 步驟3 :建立能效功率分配機制； 步驟3. 1 :信道容量問題； 假定發送器碼元經歷了許多相干模塊，建立受到不完美的信道估計和信道反饋作用的 在遍歷容量信道的下界Rk; 步驟3. 2 :能量效率問題； 在發射端設計功率控制器的目標是最大化遍歷的能源效率下界，經分析后，該功率分 配的設計可看作隨機優化問題； 步驟3. 3 :最優功率的分配； if)是關于/f和if的非凹非線性分式函數，全局最大化的最佳變量較易計 算。2. 根據權利要求1所述的多天線系統高能效動態功率分配方法，其特征在于：包括以 下步驟： 步驟1 :建立系統模型，即信道傳輸模型； 設計包含Nt個發送天線和一個接收天線通信鏈路，鏈路的信道滿足瑞利平坦衰落信道 環境，假定訓練信號&的大小是JXN t，被用于在時間塊k內（k彡4000)，其中J代表訓練 時間間隔的持續時間，至少滿足J彡Nt;且snt，ke C;X1，表示發送訓練信 號向量中元素；nt= 1，…，Ντ，其中\表示發送天線的數量； 接收機獲得所接收的信號.vf是大小為JX 1的矩陣；其中C：v^表示信道矢量，其元素是獨立分布的高斯變量，用〇,<)描述；η是 均值為零，協方差矩陣為I的白復高斯噪聲向量；最佳訓練信號的形式為： if是每個天線上的訓練功 率； 需要歸一化共輒轉置hk作為波束形成向量，使接收端的信噪比（SNR)最大化；但是，hk實際上是未知的，接收端僅能通過進行信道估計獲得氣； 因此，假設信道在每個時隙內是恒定的，在每個時間間隔內，使用Ntbk個比特的基于 碼本的反饋信道^，發射器從信道反饋獲得的信道信息被描述為ξ 其標準化的共輒轉置被用作波束形成向量；因此，數據xk的接收信號y k由下式給出：其中/f是數據功率分配，= ?假定為功率歸一化符號； 步驟2 :建立信道估計和反饋模型； 步驟2. 1建立信道估計模型； ⑴AR模型 信道隨時間變化且在每個時隙內保持恒定，根據信道時間相關性，可以通過一階的自 回歸模型來表示：參數α，α =以2 3^；1'；3)是時間相關系數.其中以*)是第一類零階貝塞爾函數，心 表示最大多普勒頻率，Ts表示連續時隙之間的時間間隔，wk是一個滿足d(Ο,σ,：； >啲獨立同 分布的復高斯隨機變量；(2)信道估計 狀態模型，和觀測模型 允許使用卡爾曼濾波器來自 適應地跟蹤信道，如下公式：其中分別是先驗和后驗估計誤差協方差矩陣；&是卡爾曼增益，是所估計的信道；初始值為步驟2. 2 :反饋模型； 在第k個時隙時，時間相關參數α在基站中是已知的；量化矢量氣可以通過量化估計 的信道向量4.和先驗CSIc4_,之間的差< =4 -^4來給定，然后BS可以根據量化差矢量 是來更新信道忌；其中是:是dk的量化形式，從2 b個向量組成的碼本中選擇； 對于給定的量化信道/1；,和量化誤差矢量々以，根據公式（3)(4)，第k個信道估計可表 示為：其中- ξ是反饋誤差；因此，誤差矢量可以表示為：高斯假設下的量化誤差矢量，滿足π( (),〇的獨立同分布的復高 斯隨機變量，誤差矢量dk的方差可通過下式表示：(7) 根據速率失真理論，對于每個單元滿足〇,#)分布的b比特量化失真，基于形狀增 益比單獨量化形狀增益聯合量化產生更大的量化誤差的事實，可得出量化誤差方差的上下 界，如下式所示：其中C是一個系數； 步驟3 :建立能效功率分配機制； 步驟3. 1 :信道容量問題； 假定發送器碼元經歷了許多相干模塊，遍歷容量信道下界的信道估計損失可以通過Rk 得到其中誤差的影響被認為是一種干擾； 為了清楚地構成遍歷容量作為反饋信道函數的估計誤差和反饋誤差，有：其中，（a)為 Backward Triangle 不等式，（b)為嚴格的 Cauchy-Bunyakovskii-Schwarz 不等式，且I卜f I很小； 此外，有干擾的期望表示為：其中，范圍內是關弓的凸函數時，可以使用Jensen不等 式很小時，這個不等式是嚴格的； 步驟3. 2:分配問題； 發射端設計功率控制器的目標是最大化平均下界遍歷的能源效率，其度量由下式給 出：它是系統狀態氣:=% ||,sf 丨和系統動作％ =彳f 翁的函數，顯然，參數麫是 依賴于魏v if和b的馬爾科夫鏈；其中，K是電路功耗，a是恒定功率放大器（PA)的效 率，T是每個時隙的符號數； 本發明中，采取功率分配，在k-Ι時刻的發送端，基于k-Ι時刻的系統狀態，最大化k時 刻的能量效率可通過下式得到：顯然，if)是關于If和/f的非凹非線性分式函數，全局最大化可以很容易解 出。
【專利摘要】本發明涉及一種多天線系統中高能效性的動態功率分配方法，包括建立系統模型；建立卡爾曼信道估計、差分反饋模型并分析時間相關性；基于時間相關性建立能效功率分配機制。考慮在多輸入輸出系統中，基于高斯馬爾科夫信道特性分析卡爾曼濾波的信道估計和估計誤差。基于信道估計值進一步分析信道差分反饋中的信道反饋和反饋誤差。進而基于信道估計、信道反饋及其誤差的時間相關性，給出系統的遍歷能效下界，以最大化該能效指標為目標給出動態的訓練序列功率和數據傳輸功率分配方法。
【IPC分類】H04W52/34
【公開號】CN105338609
【申請號】CN201510639181
【發明人】楊睿哲, 楊旭月, 鄭晨, 張延華, 王朱偉, 司鵬搏, 孫恩昌, 孫艷華
【申請人】北京工業大學
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年9月29日