[发明专利]低复杂度的自适应比特和功率分配方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种MIMO系统的低复杂度的自适应比特和功率分配技术，利用不精确的信道状态信息，在保证系统误比特率和信息传输速率的前提下，最小化系统的总发射功率。

背景技术

MIMO系统中，自适应比特和功率分配技术可以根据信道状态信息自适应地调整信息比特和功率在各发送天线上的分布，从而提高系统频谱效率、保证信息传输质量，因此，在无线通信研究领域受到广泛关注。信道状态信息是自适应比特和功率分配的基础，其质量对自适应比特和功率分配方法的性能有显著影响，然而在实际系统中，由于信道随机变化、信道估计误差和处理时延等各方面因素的影响，发射端几乎不可能获得发送时刻精确的信道状态信息，传统的基于精确信道状态信息假设的自适应比特和功率分配方法会有性能损失，甚至因为不能满足系统通信质量要求而不可用。因此，研究基于不精确信道状态信息的自适应方法更具实际意义，已经成为一个重要的研究热点。

MIMO系统中基于不精确信道状态信息的自适应比特和功率分配方法根据其优化目标大致可以分为三类：发射功率和误比特率受限的情况下最大化频谱效率、信息传输速率和误比特率受限的情况下最小化总发射功率以及固定调制方式功率受限的情况下最小化误比特率。其中，最小化总发射功率的方法可以灵活配置服务质量参数(通常为信息传输速率和误比特率性能)在实际应用中非常具有吸引力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在误比特率和信息传输速率受限的情况下利用不精确的信道状态信息最小化MIMO系统总发射功率的自适应比特和功率分配方法，本发明提供的自适应比特和功率分配方法不但可以在不精确信道状态信息条件下提供近似最优的功率效率，而且运算复杂度很低。

本发明提供的方法首先给出了在各等效子信道瞬时误比特率受限、信道状态信息误差方差和噪声方差固定的情况下，各子信道发射功率及总发射功率与各子信道比特数之间的关系表达式。然后，根据总发射功率表达式的特点，在非负实数域内将非凸的自适应比特和功率分配问题转化为凸优化问题，并做进一步简化，解简化后的凸优化问题得到实比特数分配结果。最后，考虑实际可选调制模式比特数的要求，对各子信道分配的比特数进行调整使之是可选调制模式对应比特数集合中的一个并且各子信道比特数和满足系统信息传输速率要求。

本发明实现的具体步骤如下：

1、将系统误比特率受限近似等效为各个等效子信道的瞬时误比特率受限，利用误比特率近似公式，建立各子信道发射功率及总发射功率与各子信道比特数之间的显式关系。

2、总发射功率与各子信道比特数关系的表达式可以表示为形如f(x)＝ax/(1+x)的函数关系，其中a为负常数，x是与各子信道比特数有关的变量，并且x是关于各子信道比特数的凸函数。由于x在(-1，0)区间内时，f(x)＞0且随x单调递减，最小化f(x)＝ax/(1+x)可以等效为在此区间内最大化x。因此在非负实数域内可以将非凸的自适应比特和功率分配问题转化为凸优化问题，并可以根据x与各子信道比特数的关系做进一步简化。

3、利用拉格朗日方法求解简化后的最优化问题，在非负实数域内得到各子信道的比特数闭合结果。此比特数与最优的比特数接近，但是可能不符合实际提供的调制方式比特数约束，称为首次比特分配结果。

4、由于在实际系统中所提供的可选调制模式一定，各子信道比特数必须符合可选调制模式要求，因此需要二次比特调整将首次比特分配的连续比特数结果调整为符合可选调制模式要求且满足系统信息传输速率要求的比特数。二次比特调整的具体方法为：

(1)、将各子信道首次比特分配的比特数调整为小于该比特数的最高调制模式所对应的比特数。

(2)、计算调整后的各子信道比特数之和与系统信息传输速率之差，并利用各子信道比特数和发射功率之间的关系计算相应的各子信道功率值。

(3)、计算各子信道上如果增加一个比特单元所需要的功率增量，其中比特单元定义为系统所提供的相邻调制模式之间的比特数之差。

(4)、依次在所需功率增量最小的子信道上增加一个比特单元和相应的功率增量，直至各子信道比特数之和满足系统信息传输速率要求。

本发明的优点在于不但可以在不精确信道状态信息条件下提供近似最优的功率效率，而且运算复杂度很低。

附图说明

图1是采用本发明提供方法的MIMO系统基本原理框图。

图2是二次比特调整流程图。

图3是本发明提供方法和最优方法的发射功率比较图。