[发明专利]多天线码分多址系统中基于博弈论的功率控制方法

摘要

多天线码分多址系统中基于博弈论的功率控制的解决方法，设计了一种基于接收端平均误比特率的博弈函数，以实现用户联合发射功率和误比特率的最小化。同时引入了一种基于链路质量与发射功率的惩罚机制来解决CDMA系统存在的“远近效应”，且可根据不同业务需求对惩罚因子进行实时调整。每个用户先对信号进行预编码处理，在接收端将信号分N条支路进行处理，每条支路乘以一个对应于预编码向量的接收向量，使得功率更新只需依赖部分信道状态信息的反馈。计算各用户每次迭代的发射功率及信干噪比，并完成对它们的可行性判断。以此不断调整直至所有用户前后两次迭代获得的发射功率向量满足二范数小于所设定的很小的数，则算法跳出迭代循环。

主权项

1.一种用于多天线码分多址系统中基于博弈论的功率控制的解决方法，其特征在于：第一步：在含有N个用户的单蜂窝多天线多入多出码分多址系统中，每个用户配备Mt根发射天线，基站有Mr根接收天线，在某个时隙内，假定系统中的每个用户都能接入，各用户完成的初始化发送信号功率值为p_ini，且所有用户的目标信干噪比均为γ_tar；第二步：用户i的待发送信号为x_i(i＝1，2，…N)，在发送之前先对其进行预编码处理，得到编码后的信号x′_i，表示为x′_i＝w_ix_i，w_i为用户i的预编码向量，在每根发射天线上用户对发送信号单独的进行扩频和相同调制；第三步：在基站端获得的接收信号r可表示为：r=Σi=1NHixi′+v]]>其中，H_i表示第i个用户的信道矩阵，v表示加性高斯白噪声，其噪声方差为N₀，同时在接收端将信号分N条支路进行处理，一条支路对应于一个用户，拟与第i个用户相对应的支路乘以一个对应于预编码向量的接收向量T_i，可得yi=TiΣi=1NHixi′+Tiv,]]>对用户i的信道矩阵进行奇异值分解(SVD)：Hi=UiSiViH,]]>其中，S_i为对角阵，其对角线上的元素按从大到小的顺序排列，且第k个元素表示为s_i^k，U_i为左奇异矩阵，表示为：Ui=[ui1,ui2,...,uiMr],]]>u_i^k为第k个奇异值所对应的左奇异向量，V_i为右奇异矩阵，表示为：Vi=[vi1,vi2,...,viMt],]]>v_i^k为第k个奇异值所对应的右奇异向量，令Ti=(ui1)H,]]>wi=vi1,]]>那么上文所提及的y_i可改写为：yi=si1xi+(ui1)HΣj≠ij=1,2,...N[uj1,uj2,...,ujMr]sj10xj+(ui1)Hv]]>其中s_i¹表示H_i的最大奇异值，j为不是用户i的其他用户；第四步：利用上式可以获得当前迭代中第i个用户第k根接收天线的信干噪比γ_i^k，具体表示式：γik=Es(si1)2pikEsΣj≠i(ρij1sj1)2pjk/L+N0Gk,k]]>其中E_s表示发送信号的能量，L表示该码分多址系统的扩频序列长度，p_i^k表示用户i第k根天线的发射功率，ρijk=(ui1)Hujk,]]>G_k，k表示矩阵G的第k行k列元素，G=(ui1)(ui1)H,]]>p_j^k表示用户j第k根天线的发射功率，且所有用户在其发射天线上进行平均功率分配；将每个用户发射端的误比特率作为优化目标，同时考虑到用户的公平性，本发明所设计的博弈函数可以表示为：J(P)＝U(P)+C(P)，其中U(P)表示代价函数，C(P)表示对应于惩罚机制的函数，P表示发射功率分配矩阵，若系统的调制方式为非相关频移键控，且将惩罚机制定为基于发射功率和信道幅值代价的机制，具体为Ui(P)=Σk=1Mra2exp(-γik/2),]]>C_i(P)＝bκ_ip_i，其中p_i表示用户i的发射功率，通过对博弈函数J(P)关于发射功率p_i¹求导并令其为0，可得当前迭代中各用户发射功率的更新表达式：其中a，b为常量可调整，κ_i对应与第i个用户的大尺度衰落，n表示迭代次数，(p_i¹)⁽ⁿ⁾表示用户i第一根天线在第n次迭代时的发射功率，(p_i¹)⁽ⁿ⁺¹⁾表示用户i第一根天线在第n+1次迭代时的发射功率，则(γ_i¹)⁽ⁿ⁾表示用户i第一根天线在第n次迭代时的信干噪比，利用上述两个表达式可求得每一次迭代时用户的信干噪比和发射功率；第五步：基站端判断各用户本次迭代所获得的发射功率：①基站判断获知的各用户的发射功率是否小于用户的最大发射功率限制，如果不满足该条件，那么基站向该用户发射一个2比特“00”的信息，该用户收到该信息以后以最大的发射功率进行发射，算法直接进入下一次迭代，如果满足该条件，则算法进入下一步的判断；②基站判断获知的各用户的发射功率是否满足保证算法收敛的条件，具体为4bκiaMi1<e-1,]]>其中Mi1=Es(si1)2EsΣj≠i(ρij1sj1)2pj1/L+N0G1,1,]]>如果不满足该条件，基站向该用户发射一个2比特“01”的信息，该用户收到信息后以最大发射功率进行发射，算法直接进入下一次迭代，如果满足该条件，则算法进入下一步的判断；③基站判断所获知的各用户的信干噪比是否满足最小信干噪比的要求，如果不满足该条件，那么基站发射一个2比特的“10”给该用户，用户以最大发射功率进行发射，或者更为复杂的算法是强制所有用户的信干比等于目标信干比，反过来利用表示式pi1=-2Mi1log(4bκiaMi1),]]>求得每个用户的发射功率，以该功率进入下一次迭代，如果满足该条件，则基站完成了对所得发射功率可行性的判断；然后，计算所有用户前后两次迭代获得的发射功率向量是否满足二范数小于ε，其中ε可设为10^-5，若满足，则跳出迭代循环，且所获得的发射功率为博弈算法的纳什均衡，而每个用户最终都以收敛时候的功率进行发射，若不满足，在进入下一次迭代更新过程。