CN100448176C - 全信道状态信息(csi)多输入多输出(mimo)系统的过量功率重新分配 - Google Patents

Abstract

一些技术，用于在多信道通信系统内将总发射功率分配到传输信道，以获得更高的总系统频谱效率和/或其他好处。总发射功率可以在开始时基于特定的功率分配方案(例如灌水方案)被分配给传输信道。初始的分配可能导致分配给一些传输信道比获得要求的SNR(例如实现最大允许数据速率需要的SNR)更多的功率，这会导致这些传输信道在饱和区操作。在该种情况下，这些技术将在饱和区操作的传输信道的过量发射功率重新分配给在饱和区以下操作的其他传输信道。这样，“较差”的传输信道可以获得更高的频谱效率，而不牺牲“较佳”的传输信道的性能。

Description

全信道状态信息(CSI)多输入多输出(MIMO)系统的过量功率重新分配

背景

领域

本发明一般涉及数据通信，尤其是多信道通信系统(例如多输入多输出(MIMO)通信系统)内重新分配过量功率的技术。

背景

在无线通信系统中，来自发射机单元的RF已调信号可以通过多个传播路径到达接收机单元。传播路径的特征一般由于诸如衰落和多径的多个因素而随时间改变。为了提供抗有害路径影响的分集并改善性能，可以使用多个发射和接收天线。如果发射和接收天线间的传播路径是线性独立的(即在一个路径上的传输不是由其它路径上的传输的线性组合形成的)，这在一定程度上为真，则正确地接收到数据传输的可能性随着天线数目的增加而增加。一般，发射和接收天线增加导致分集增加和性能改善。

多输入多输出(MIMO)通信系统使用多个(N_T)发射天线和多个(N_R)接收天线进行数据传输。由N_T个发射天线和N_R个接收天线形成的MIMO信道可能被分解为N_S个独立信道，其中N_S≤min{N_T，N_R}。N_S个独立信道的每个还被称为MIMO信道的空间子信道，并对应一维。如果使用由多个发射和接收天线建立的附加维数，则MIMO系统能提供改善的性能(例如增加的传输容量)。例如，独立数据流可以在N_S个空间子信道的每个上被发送以增加系统吞吐量。

宽带MIMO系统的空间子信道在其带宽上经历不同的信道条件(例如不同的衰落和多径效应)，且可能对给定发射功率量获得不同的信号对噪声加干扰比(SNR)。所以，空间子信道支持的数据速率随每个子信道而不同。而且，信道条件一般随着时间改变。结果是，空间子信道支持的数据速率也随着时间改变。

编码的通信系统内的关键挑战在于基于信道条件选择合适的数据速率、编码和调制方案以及在可用传输信道上用于数据传输的发送功率。该选择过程的目标应是最大化频谱效率，而同时符合质量目标，该目标可以通过特定目标帧差错率(FER)和/或一些其它准则而被定量化。

在一般通信系统中，用于任何给定数据流的数据速率有一上限。例如，系统可以支持一离散数据速率集合，且这些离散数据速率中的最大数据速率可以被认为是对任何给定数据流的饱和频谱效率ρ_sat。在该种系统中，如果每个数据流被发送到相应的空间子信道上，则分配比以最大数据速率获得目标FER需要的更多的发射功率会导致附加发射功率的无效使用。即使过量发射功率可能导致较低的FER，这种FER方面的改善并不被认为是实质性的，因为已经获得了目标FER。过量发射功率可以被更有效地用于增加在一些其他空间子信道上的频谱效率。

因此，在领域内需要一种方法以在如果已经由至少一个子信道达到了饱和频谱效率时，分配/重新分配MIMO系统内的空间子信道间的发射功率。

概述

本发明的各方面提供一些技术，以在多信道通信系统中将总发射功率分配给传输信道，以获得更高的总系统吞吐量和/或其他好处。传输信道可以对应于MIMO系统的空间子信道、OFDM系统的频率子信道或MIMO-OFDM系统内的频率子信道的空间子信道。

总发射功率可以在开始时被基于特定功率分配方案(例如灌水方案)分配给传输信道。初始分配会导致分配给一些需要获得需要的信噪比(SNR)(例如获得最大允许的数据速率需要的SNR)更多的功率，这会导致这些传输信道在饱和区操作。在该情况下，在此描述的技术较优地将在饱和区操作的传输信道的过量发射功率重新分配给在饱和区以下操作的其他传输信道。这样，“较差”的传输信道可以获得更高的频谱效率，而不牺牲“较佳”的传输信道的性能。

在特定实施例中，提供一种方法，以在多信道通信系统内将发射功率分配给多个传输信道。开始时，定义要被分配以发射功率的一个或多个传输信道集合。可以分配给集合内的传输信道的可用总发射功率被确定，且基于特定分配方案被分配给这些传输信道(例如灌水方法)。然后识别由于分配的发射功率而在饱和区内操作的传输信道。每个该种传输信道被分配以一修改后的发射功率量(例如获得要求的SNR需要的最小量)。然后确定所有经重新分配以修改后的发射功率的所有传输信道的总过量发射功率。

上述步骤可以实现一次或多次。第一迭代的传输信道集合包括要被分配以发射功率的所有传输信道，且对于每次相继迭代，只包括不在饱和区域内的传输信道。而且，每次相继迭代可用的总发射功率包括在当前迭代内确定的总过量发射功率。

本发明的各个方面和实施例在以下进一步详述。本发明还提供实现本发明的各个方面、实施例和特征的方法、处理器、发射机单元、接收机单元、基站、终端、系统和其他装置和元件，如以下将详述。

附图的简要描述

通过下面提出的结合附图的详细描述，本发明的特征、性质和优点将变得更加明显，附图中相同的符号具有相同的标识，其中：

图1是使用功率重新分配在MIMO系统的本征模式间分配总发射功率的处理实施例流程图；

图2是使用功率重新分配在多信道通信系统内的传输信道间分配总发射功率的处理实施例流程图；

图3是在支持离散数据速率集合的MIMO系统内的本征模式间分配总发射功率的处理实施例流程图；

图4A示出频谱效率对有效SNR的两个曲线图。

图4B和4C示出支持离散数据速率集合的通信系统的频谱效率对有效SNR的曲线图；

图5是用于基于灌水方案将总可用发射功率分配给本征模式集合的处理实施例流程图；

图6A和6B用图例示出基于灌水方案将总发射功率分配给本征模式；以及

图7是发射机系统和接收机系统的实施例框图；以及

详细描述

在此描述的用户将发射功率分配/重新分配到传输信道的技术可以用于各种多信道通信系统。该种多信道通信系统包括多输入多输出(MIMO)通信系统、正交频分复用(OFDM)通信系统、使用OFDM的MIMO系统(即MIMO-OFDM系统)以及其他。多信道通信系统还可以实现码分多址(CDMA)、时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)或其他多址技术。多址通信系统可以支持多个终端(用户)的进发通信。为了清楚，本发明的一些方面和实施例可以特别为MIMO系统描述，诸如多天线无线通信系统。

MIMO系统使用多个(N_T)发射天线和多个(N_R)接收天线用于数据传输：N_T个发射天线和N_R个接收天线形成的MIMO信道被分解成N_S个独立子信道，其中N_S≤min{N_T，N_R}。N_S个独立信道的每个也被称为MIMO信道的空间子信道(或传输信道)。空间子信道的数目由MIMO信道的本征模式数确定，该数目接着取决于信道响应矩阵H，该矩阵描述N_T个发射和N_R个接收天线间的响应。

信道响应矩阵H的元素由独立的高斯随机变量组成，如下：

$\underset{\‾}{H}=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{\mathrm{1,1}}& h_{1,2}& \mathrm{\Λ}& h_{{1,N}_T}\\ h_{\mathrm{2,1}}& h_{\mathrm{2,2}}& \mathrm{\Λ}& h_{{2,N}_T}\\ M& M& & M\\ h_{N_R,1}& h_{N_R,2}& \mathrm{\Λ}& h_{N_R,N_T}\end{array}\right],---\left(1\right)$

其中h_i，j是第j个发射天线和第i个接收天线间的耦合(即复数增益)。MIMO系统的模型可以被表示为：

y＝Hx+n，            (2)

其中

y是接收到的向量，即 $\underset{\‾}{y}={\left[\begin{array}{cccc}{y}_1& y_2& ...& y_{N_R}\end{array}\right]}^T,$ 其中{y_i}是第i个接收到的天线上接收到的项，且i∈{1，...，N_R}；

x是发送的向量，即 $\underset{\‾}{x}={\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& ...& x_{N_T}\end{array}\right]}^T,$ 其中{x_j}是第j个发射天线上发送的项，且j∈{1，...，N_T}；

H是MIMO信道的信道响应矩阵；

n是带有的平均值为0向量以及Λ _R＝σ² I的协方差矩阵的加性高斯噪声(AWGN)，其中O为为零的向量，I是单位矩阵，对角线为1，其余全为零，且σ²是噪声的方差；以及

[·]^T表示[·]的转置。

为了简单化，MIMO信道被假设是平缓衰落的窄带信道。在该情况下，信道响应矩阵H的元素为标量，且每个发射-接收天线对间的耦合h_i，j用单个标量值表示。然而，在此描述的功率分配/重新分配技术可以应用到在不同频率处有不同信道增益的频率选择性信道。在该种频率选择性信道中，操作带宽可以被分成多个(相等或不等)的频率带，使得每个频带被认为是平缓衰落信道。然后可以在总发射功率的分配/重新分配中考虑单个频带的响应。

由于在传播环境内的散布，从N_T个发射天线发送的N_T个数据流在接收机处相互干扰。一种用于消除或减少该种干扰的技术是“对角线化”MIMO信道，使得这些数据流在正交的空间子信道上被有效地发送。一种用于对角化MIMO信道的技术是对信道响应矩阵H实行奇异值分解，这可以表示为：

H＝UDV ^R，        (3)

其中U是N_RxN_R的酉矩阵(即U ^H U＝I)；

D是N_RxN_T矩阵；

V是N_TxN_T的酉矩阵：以及

“^H”表示矩阵的复转置。

矩阵D的对角线项是G＝H^HH的本征值的平方根，用λ_i表示，且i∈{1，...，N_S}，其中N_S≤min{N_T，N_R}是可分辨数据流数目。D的所有非对角线项为零。

对角线矩阵D因此包含对角线上的非负实数以及其余为零，其中非负实数值为 $d_i=\sqrt{{\mathrm{\λ}}_i}.$ d_i被称为信道响应矩阵H的奇异值。奇异值分解是领域内已知的矩阵操作，且在各个参考中描述。一种该参考是Gilbert Strang写的书，题为“Linear Algebra and Its Applications”，第二版，Academic Press，1980，在此引入作为参考。

奇异值分解将信道响应矩阵H分解为两个酉矩阵U以及V，和对角矩阵D。矩阵D描述MIMO信道的本征模式，这对应空间子信道。酉矩阵U和V包括用于接收机和发射机相应的“操控”向量，这可以用于对角化MIMO信道。尤其是，为了对角化MIMO信道，单个向量s可以左乘矩阵V，且产生的向量x＝Vs在MIMO信道上被发送。在接收端，接收到的向量y＝Hx+n可以左乘矩阵U ^H，以获得恢复的向量r，如下：

$\underset{\‾}{r}={\underset{\‾}{U}}^H\underset{\‾}{\mathrm{HVs}}+{\underset{\‾}{U}}^H\underset{\‾}{n}$

$=\underset{\‾}{\mathrm{Ds}}+\underset{\‾}{\overset{^}{n}},$ (4)

其中是n的简单旋转，导致带有与n相同的平均值向量和协方差矩阵的加性高斯白噪声。

如等式(4)示出，单个向量s左乘矩阵V以及接收到的向量y左乘矩阵U ^H导致有效对角信道D，这是单个向量s以及恢复的向量r间的传递函数。作为结果，MIMO信道被分解成N_S个独立、不干扰、正交并行的信道。这些独立信道被称为MIMO信道的空间子信道。空间子信道i或本征模式i的增益等于本征值λ_i，其中i∈I，且集合I被定义为I∈{1，...，N_S}。如果发射机被提供了信道响应矩阵H的估计，则可以实现为了获得N_S个正交空间子信道的MIMO信道的对角化。

在一般MIMO系统中，可以在N_T个发射天线的每个之上施加峰值发射功率P_max。在该情况下，发射机处所有N_T个发射天线可用的总发射功率P_tot可以表示为：

P_tot＝N_T·P_max    (5)

总发射功率P_tot可以基于各个方案被分配给N_S个非零的本征模式(即空间子信道)。如果目标是要最大化容量(即频谱效率)，则总发射功率P_tot可以通过“灌水”方案被分配给空间子信道。

灌水技术类似子将固定量的水灌入有不规则底部的容器，其中每个频率区段的每个本征模式对应容器底部的一个点，且在任何给定点的底部高度对应与该本征模式相关的信噪比(SNR)的倒数。较低的高度因此对应高SNR，相反较高的高度对应低SNR。总可用发射功率P_tot然后被“注入”该容器，使得容器内的较低点(即较高SNR)首先被注入，然后注入较高点(即较低SNR)。发射功率分布取决于总发射功率P_tot以及容器在底部上的深度。在所有的总发射功率已被注入后容量的水平面在容器的所有点上是常数。在水面高度以上的点未经注入(即本征模式的SNR低于一特定阀值的不用)。灌水技术由Robert G.Gallager在“information Theory and Reliable Communication”内描述，John Wileyand Sons，1968，在此引入作为参考。

容量被定义为信息以任意低的差错概率被传递的最高频谱效率，且一般单位为每Hz每秒比特(bps/Hz)。一个SNR为γ的高斯信道容量可以表示为：

C＝log₂(1+γ)    (6)

对于带有有限总发射功率P_tot的MIMO系统，灌水方案可以最优地将总发射功率分配给N_S个空间子信道，以获得该容量。灌水方案将总发射功率P_tot在本征模式上分布，其方式使得带有最低噪声方差的本征模式(即最高SNR)接收到最大部分的总功率。灌水方案中分配给本征模式i的功率量用P_i表示，i∈I，其中

$P_{\mathrm{tot}}=\underset{i\∈I}{\mathrm{\Σ}}{P}_i---\left(7\right)$

基于本征模式i分配的发射功率P_i，i∈I，本征模式i的有效SNRγ_i可以表示为：

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{P_i\·{\mathrm{\λ}}_i}{{\mathrm{\σ}}^2},---\left(8\right)$

其中λ_i是本征模式i的本征值，且σ²是MIMO信道的噪声方差。N_S个空间子信道的容量可以表示为：

$C=\underset{i=1}{\overset{N_S}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_i)---\left(9\right)$

每个本征模式的频谱效率可以基于SNR的特定单调增量函数而经确定。用于频谱效率的一个函数是等式(6)内示出的容量函数。在该情况下，本征模式i的频谱效率ρ_i可以被表示为：

ρ_i＝log₂(1+γ_i)    (10)

图4A示出频谱效率对SNR的两个曲线图。曲线412示出基于等式(10)计算的频谱效率随着SNR对数地增加。等式(10)假设SNR的增长导致逐渐变高的频谱效率。然而，在实际的通信系统中，可能有频谱效率的上限，这可以例如由系统对任何给定数据流支持的最大数据速率决定。曲线414示出在较低SNR处频谱效率对数地增加且在ρ_sat处饱和，ρ_sat是频谱效率的上限。当SNR的增加不再引起频谱效率的增加，发生饱和。频谱效率饱和时的SNR用γ_sat表示(即 ${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sat}}\↔{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sat}}$ )。

取决于总发射功率P_tot，本征值γ_i以及噪声方差σ²，灌水方案的总发射功率分配会导致一些本征模式在饱和区操作(即γ_i＞γ_sat)以及剩余的本征模式在该区以下操作(即γ_i≤γ_sat)。如果一本征模式被分配以多于获得要求的SNR需要的发射功率时被认为在饱和区操作，如果目标是为了获得最大可能频谱效率ρ_sat，则该要求的SNR为γ_sat。虽然过量发射功率增加了本征模式的有效SNR，这然后会降低帧差错率(FER)，但该类型的性能改善不重要，因为系统已经在目标FER处操作，或在很低的FER处操作。在该情况下，使得有效SNR在要求的SNR以上的过量发射功率没有被有效地使用。可以通过利用这些过量发射功率以增加总系统频谱效率而改善系统性能。

同样地，在功率控制的MIMO系统中，对于每个本征模式，在接收机处允许的SNR(即上述的有效SNR)有上限，这可以表示为γ_sat。在该情况下，如果分配给给定本征模式的发射功率导致有效SNR大于γ_sat，则将SNR增长到γ_sat以上的过量发射功率不能用在该本征模式中，由于对SNR施加了上限。该过量发射功率可以更佳地分布在其他在γ_sat以下操作的其他本征模式上。

本发明的一个方面提供将总发射功率分配/重新分配到本征模式，以获得更高的总系统频谱效率以及/或其他好处。总发射功率可以在开始时基于特定功率分配方案被分配给本征模式。初始分配会导致分配给需要获得要求的SNR(即支持饱和频谱效率ρ_sat需要的γ_sat)的一些本征模式更多的功率，这会导致这些本征模式在饱和区域内操作。在该情况下，在此描述的技术较好地将饱和区内操作的本征模式的过量发射功率重新分配给其他在饱和区以下操作的本征模式。这样，“较差”的传输信道可以获得更高的频谱效率，而不牺牲“较佳”的传输信道的性能。

图1是用于在MIMO系统内的本征模式间分配总发射功率的处理100的实施例流程图。该过程开始时基于特定功率分配方案(例如灌水方案)将总发射功率P_tot分配给N_S个本征模式。如果任何本征模式被分配以比获得要求的SNR需要的更多的发射功率(即工作在饱和区)，则确定这些本征模式的总过量发射功率并被重新分配给其他的本征模式。由于总过量发射功率的重新分配会导致一些其他的本征模式在饱和区内操作，则可以实行(或迭代)一次或多次直到(1)没有过量发射功率可用于重新分配，或(2)所有的本征模式都在饱和区。

开始时，变量n用于表示迭代次数，n在步骤112处为第一次迭代初始化为一(即n＝1)。在步骤114定义该次迭代的要被分配以发射功率的所有本征模式集合I(n)。对于第一次迭代，总发射功率分配中考虑所有的N_S个本征模式，且I(n)∈{1，...，N_S}。且对于以后的迭代，只在总剩余发射功率分配中考虑饱和区以下工作的本征模式，且集合I(n)会包括少于N_S个本征模式或甚至可以为空集。

如果集合I(n)为空，如在步骤116确定的，这指明没有本征模式在饱和区以下操作，则不能分配更多的发射功率，过程终止。否则，如果集合I(n)不为空，则在步骤118确定可用于该次迭代的总发射功率P_tot(n)。对于第一次迭代，可用于所有N_T个发射天线的总发射功率P_tot(n)可以如等式(5)示出的被确定。这假设每个发射天线会在峰值发射功率P_max处操作。且对于每次接着的迭代，该次迭代可用的总发射功率P_tot(n)可以如下确定。

然后在步骤120基于选定的功率分配方案将总可用发射功率P_tot(n)分配给集合I(n)内的本征模式。各种方案可以应用于功率分配，诸如例如灌水方案、将等量的发射功率分配给所有的本征模式的均匀分配方案以及可能的其他方案。发射功率还可以基于考虑其他因子的方案被分配，这些因子诸如例如公平性、一个或多个系统和/或终端度量等。

在一实施例中，灌水方案用于将总可用发射功率P_tot(n)分配给集合I(n)内的本征模式。灌水过程的结果是特定的分配给集合I(n)内的每个本征模式的发射功率P_i(n)，i∈I(n)。功率分配取决于总可用发射功率P_tot(n)以及集合I(n)内的本征模式的本征值λ_i。集合I(n)内的每个本征模式的有效SNR可以被确定为：

${\mathrm{\γ}}_i\left(n\right)=\frac{P_i\left(n\right){\mathrm{\λ}}_i}{{\mathrm{\σ}}^2},$ 对于i∈I(n)    (11)

然后在步骤122确定集合I(n)内是否有任何本征模式工作在给于其被分配的发射功率的饱和区。这可以通过将为每个本征模式确定的有效SNRγ_i(n)与饱和SNRγ_sat比较而实现。I(n)内的每个本征模式，如果其γ_i(n)大于γ_sat，则被认为在饱和区操作，且被放入临时集合J，使得γ_j(n)＞γ_sat，j∈J。如果集合I(n)内没有任何本征模式在饱和区，这用空集合J表示，则没有过量发射功率要重新分配，过程终止。否则，如果集合J包括至少一个本征模式，则集合J内的所有本征模式的过量发射功率被确定且被分配给不在饱和区内的其他本征模式，如果有的话。

在步骤124处，重新分配过量发射功率的下一迭代开始于将变量n增量1(即n＝n+1)。在步骤126，饱和区内的每个本征模式被包括在集合J内，被分配以获得需要的SNR(即γ_sat)要求的最小发射功率量。该发射功率可以被确定为：

$P_j\left(n\right)=\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{sat}}\·{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\λ}}_j},$ 对于j∈J    (12)

在步骤128处确定分配给集合J内的每个本征模式的获得其要求的SNR的最小功率。总过量发射功率然后可以被确定为：

$\mathrm{\ΔP}\left(n\right)=\underset{j\∈J}{\mathrm{\Σ}}(P_j(n-1)-P_j\left(n\right))---\left(13\right)$

该总过量发射功率ΔP(n)可以被重新分配给仍在饱和区以下操作的本征模式。该过程然后回到步骤114。

对于第二次迭代，在步骤114定义在该迭代内要被分配以发射功率的本征模式集合I(n)。集合I(n)可以通过从先前迭代定义的I(n-1)中去除集合J内的本征模式而被定义(即先前在饱和区内的本征模式)。当前迭代的集合I(n)因此只包括当前不处于饱和的本征模式。如果新集合I(n)为空，如步骤116确定的，则所有的本征模式在饱和区内操作，不需要进一步的发射功率重新分配，且过程终止。否则，如果新集合I(n)不为空，则当前迭代可用的总发射功率P_tot(n)可以被确定为：

$P_{\mathrm{tot}}\left(n\right)=\underset{i\∈I\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}{P}_i\left(n\right)+\mathrm{\ΔP}\left(n\right)---\left(14\right)$

在步骤120，当前迭代可用的总发射功率P_tot(n)然后基于选定的功率分配方案被分配给新集合I(n)内的本征模式。

图1内示出的过程进行到直到(1)所有的过量发射功率都被重新分配给了不在饱和区内的本征模式(如在步骤122确定的，这可以发生在较低SNR操作环境内)或(2)所有的本征模式都在饱和区内(如步骤116确定的，这可能发生在高SNR操作环境中)。

在上述描述中，假设频谱效率是有效SRN的严格增量函数，如等式(10)示出。如果频谱效率是有效SNR的非线性函数，也能使用在此描述的发射功率分配/重新分配技术。在该情况下，当将可用发射功率分配/重新分配到本征模式时，考虑非线性。

如上所述，在此描述的发射功率分配/重新分配技术还可以用于无线通信系统中的功率控制。每个本征模式与特定设定点相关联，该设定点是为了获得期望的性能需要的目标SNR。对于N_S个本征模式可以使用相同或不同的设定点。总发射功率可以被分配给本征模式，使得对于这些本征模式达到设定点。图1内示出的处理还可以用于将发射功率重新分配给本征模式，其中需要的SNR现在不是γ_sat，而是设定点。确定特定本征模式是否在饱和区操作因此可以取决于与该本征模式相关的特定设定点(取代公共的SNR，诸如γ_sat)。

在此描述的发射功率分配/重新分配技术还可以用于其他多信道通信系统，诸如OFDM系统、MIMO-OFDM系统等。

OFDM有效地将系统带宽分成多(N_F)个频率子信道，这通常被称为频率区段或子频带。每个频率子信道与相应的子载波(或频调)相关联，数据在该载波上被调制。在每个时隙处，调制码元可以在N_F个频率子信道的每个之上被发送，其中时隙是指一特定时间间隔，它取决于频率子信道的带宽。对于OFDM系统，每个频率子信道可以被称为传输信道，对于OFDM系统有N_C＝N_F个传输信道。

OFDM系统的频率子信道可以经历频率选择性衰落(即不同的频率子信道不同的衰减量)。频率子信道的特定响应取决于发射和接收天线间的传播路径特征(例如衰落和多径效应)。因此，对于给定发射功率量可以为不同的频率子信道获得不同的有效SNR。在该情况下，总发射功率可以以类似于上述对于本征模式描述的方式被分配给N_F个频率子信道。

MIMO-OFDM系统包括每个N_S本征模式N_F个频率子信道。每个本征模式的每个频率子信道被称为传输信道，且对于MIMO-OFDM系统有N_C＝N_F·N_S个传输信道。MIMO-OFDM系统内的每个本征模式的频率子信道类似地经历不同的信道条件，且对于给定的发射功率量获得不同的SNR。在该情况下，总发射功率可以被分配给N_C个传输信道，类似于以上对本征模式描述的方式。

图2是多信道通信系统中用于将总发射功率分配到N_C个传输信道的处理200实施例流图。处理200可以用于任何多信道通信系统，包括MIMO系统、OFDM系统、MIMO-OFDM系统等。处理200开始时将总发射功率P_tot基于特定功率分配方案(例如灌水方案)分配给N_C个传输信道。如果任何传输信道被分配以多于获得要求的SNR需要的发射功率(即操作在饱和区)，则确定这些传输信道的总过量发射功率，并将其重新分配给其他传输信道。同样，发射功率分配可以被实现(或迭代)一次或多次，直到(1)没有过量发射功率可用于重新分配，或(2)所有的传输信道在饱和区。

开始时，变量n用于表示迭代次数，n在步骤212处为第一次迭代初始化为一(即n＝1)。在步骤214定义该次迭代的要被分配以发射功率的所有传输信道集合I(n)。对于第一次迭代，总发射功率分配中考虑所有的N_C个传输信道，且I(n)∈{1，...，N_C}，其中对于MIMO系统N_C＝N_S，对于OFDM系统N_C＝N_F，对于MIMO-OFDM系统N_C＝N_F·N_S。且对于随后的每个迭代，只在总剩余发射功率分配中考虑饱和区以下操作的传输信道。集合I(n)会包括少于N_C个本征模式或甚至可以为空集。

如果集合I(n)为空，如在步骤216确定的，这指明没有传输信道在饱和区以下操作，对该区域可重新分配更多的发射功率，则过程终止。否则，在步骤218确定可用于该次迭代的用于分配的总发射功率P_tot(n)。然后在步骤220基于选定的功率分配方案将总可用发射功率P_tot(n)分配给集合I(n)内的传输信道。

然后在步骤222确定集合I(n)内是否有任何传输信道给定其被分配的发射功率处于饱和区。这可以通过将为每个传输信道确定的有效SNRγ_i(n)与该传输信道应用的设定点比较而实现。取决于系统设计，一个设定点可以用于(1)所有传输信道，(2)每个发射天线或每个频率子信道，(3)每个传输信道，或(4)每个传输信道组。其有效SNR大于应用的设定点的每个传输信道被认为在饱和区操作，且被放入集合J。如果没有任何传输信道在饱和区，这用空集合J表示，则没有过量发射功率要重新分配，则过程终止。否则，如果集合J包括至少一个传输信道，则集合J内的所有传输信道的过量发射功率被确定且被分配给不在饱和区内的其他传输信道，如果有任何当前不在饱和区内操作的其他传输信道。

在步骤224处，重新分配过量发射功率的下一迭代开始于将变量n增量1(即n＝n+1)。在步骤226，饱和区内的每个传输信道被分配以获得可应用的设定点需要的最小发射功率量。在步骤228处确定分配给集合J内的每个传输信道获得其要求的SNR的最小功率而节省的发射功率。总过量发射功率然后可以被重新分配给仍在饱和区以下操作的传输信道。该过程然后回到步骤214。

对于第二次迭代，在步骤214定义在该迭代内被分配以发射功率的传输信道集合I(n)以只包括那些当前不在饱和区内的传输信道。如果新集合I(n)为空，如步骤216确定的，则所有的传输信道在饱和区内操作，不需要进一步的发射功率重新分配，且过程终止。否则，如果新集合I(n)不为空，则在步骤218，确定当前迭代可用的总发射功率P_tot(n)，且然后在步骤220基于选定的功率分配方案被分配给新集合I(n)内的传输信道。

图2内示出的过程进行到直到(1)所有的过量发射功率都被重新分配给了不在饱和区内的传输信道(如在步骤222确定的)或(2)所有的传输信道都在饱和区内(如步骤216确定的)。

对于MIMO-OFDM系统，在每次迭代中可以考虑所有的传输信道(即对于空间和频率维)进行功率分配。或者，可以实现功率分配，使得在任何给定时间只考虑一维。例如，可以在每发射天线的基础上实现功率分配，其中每个发射天线的总发射功率P_max可以被分配给该发射天线的频率子信道。

在此描述的技术还可以用于将发射功率分配/重新分配到传输信道组。每个组可以包括任何数量的传输信道，且可以与相关的设定点相关联。每个组可以包括例如用于独立数据流的传输信道，该数据流可以与特定的数据速率以及特定的编码和调制方案相关。对于多址通信系统，每个组可以与分配给不同接收机的传输信道相关联。

在以上对MIMO系统的描述中，使用奇异值分解用于对角化MIMO信道。在其他实施例中，接收机可以提供用于数据传输的每个传输信道的质量指示。接收机报告的信息可以是以估计的SNR、支持的数据速率等形式。发射机然后可以基于报告的信息将发射功率分配给传输信道以获得可用发射功率更佳的利用。例如，如果对于给定传输信道估计的SNR高于获得指定数据速率所需要的，或如果报告的给定传输信道支持的数据速率大于系统的最大数据速率，则可以为该传输信道分配较少的发射功率。分配的特定的发射功率量可以基于报告的信息(例如估计的SNR或支持的数据速率)而经确定。

以下描述特定数值示例以说明用于在本征模式间分配/重新分配总发射功率的技术。对该示例，每个发射天线的峰值发射功率经标准化，使得P_max＝1，且噪声的方差经设定使得在每个接收机处的SNR为γ_rx＝15dB，假设没有其他信道恶化。这导致噪声方差σ²＝10^-15/10＝0.0316。还假设以下参数：

N_S＝N_T＝N_R＝4，

λ₁＝2.4、λ₂＝1.0，λ₃＝0.4，和λ₄＝0.2，以及

γ_sat|_dB＝15dB→γ_sat＝31.62

在开始阶段(即图1的n＝1)，要被分配的本征模式集合被定义为I(1)＝{1，2，3，4}(步骤114)且总发射功率P_tot(n)＝4·1＝4(步骤118)。对于第一次迭代，灌水功率分配(步骤120)导致分配给集合I(1)内的本征模式的以下功率：

P₁(1)＝1.06，P₂(1)＝1.04，P₃(1)＝0.99，和P₄(1)＝0.91

集合I(1)内的本征模式的有效SNR使用等式(11)经计算，被确定为：

γ₁(1)＝80.25，γ₂(1)＝32.85，γ₃(1)＝12.54，和γ₄(1)＝5.77

由于γ_sat＝31.62，可以观察到本征模式1和2在饱和区内操作。因此，饱和区内的本征模式集合被定义为J＝{1，2}。

由于集合J不为空(步骤122)，实现发射功率重新分配。这是通过首先将索引n增量变为n＝2(步骤124)。饱和区内的本征模式然后被分配以最小量的发射功率以获得λ_sat。集合J内的本征模式1和2的新发射功率可以使用等式(12)被确定(步骤126)，如下：

$P_1\left(2\right)=\frac{31.62\×0.0316}{2.4}=0.42$ 和 $P_2\left(2\right)=\frac{31.62\×0.0316}{1.0}=1.00$

本征模式1和2的总过量发射功率然后使用等式(13)确定(步骤128)，如下：

ΔP＝(1.06-0.42)+(1.04-1.00)＝0.68

对于第二次迭代(n＝2)，重新定义要被分配以发射功率的本征模式I(2)集合(步骤114)以只包括那些当前不在饱和区内的，其中I(2)＝{3，4}。可用于该次迭代的总发射功率然后使用等式(14)经确定(步骤118)，如下：

P_tot(2)＝0.99+0.91+0.68＝2.58

总可用发射功率P_tot(2)然后被分配给I(2)内的本征模式。对于第二次迭代，灌水功率分配(步骤120)导致分配给集合I(2)内的本征模式以下功率：

P₃(2)＝1.33和P₄(2)＝1.25

本征模式3和4的有效SNR可以被确定为：

γ₃(2)＝16.84和γ₄(2)＝7.92

由于λ_sat＝31.62，则可以观察到没有本征模式在饱和区操作，则发射功率分配过程终止。本征模式1到4最终的发射功率分配如下：

P₁＝0.42，P₂＝1.00，P₃＝1.33，和P₄＝1.25

有效SNR为：

γ₁＝31.62，γ₂ ＝31.62，γ₃ ＝16.84，和γ₄＝7.92

在总发射功率被分配给本征模式后，集合I(1)＝{1，2，3，4}内的每个本征模式的频谱效率可以使用等式(10)确定。总频谱效率ρ_tot可以通过对每个本征模式获得的频谱效率求和而获得。

可以示出可以通过将在饱和区域内的本征模式的过量发射功率重新分配给饱和区内的其他本征模式而在中间SNR处获得2到5dB的增益。在较低的SNR处，本征模式不进入饱和区，因此有很少或没有发射功率进行重新分配。在较高的SNR处，大部分或所有的本征模式在饱和区内操作，且发射功率重新分配可以用于减少干扰量，这可以改善相邻小区的性能。

离散数据速率的功率分配/重新分配

在以上的描述中，假设频谱效率ρ是有效SNRγ的连续函数，如等式(10)示出。另外，上述的系统允许频谱效率为任何不超过饱和点ρ_sat的实数值。然而一般的通信系统只可能支持每个空间子信道的离散数据速率集合，且数据速率集合对于子信道可以相同或不同。

图4B示出在对每个本征模式支持离散数据速率集合的通信系统内的一定本征模式的频谱效率对有效SNR的曲线图。每个数据速率集合可以被转换成离散频谱效率集合且进一步与获得空间子信道上数据传输的目标帧差错率(FER)需要的离散有效SNR集合相关联。

在图4B内，离散频谱效率在纵轴上被标为ρ_i(d)，且发生在对应的γ_i(d)的SRN处，其中i(i∈I)指本征模式i和d(1≤d≤D_i)，被用于通过D_i个与本征模式i相关的离散数据速率列举。本征模式i的最高频谱效率发生在d＝D_i处并对应发生在饱和SNRγ_sat(i)＝γ_i(D_i)处的饱和频谱效率。该系统的频谱效率函数用曲线422示出(粗实线)。对应获得一定频谱效率需要的最小SNR的((γ_i(d)，ρ_i(d)))处的离散操作点用实圈424示出。如图4B内的频谱效率函数可见，SNR的增加不提供频谱效率的改善。因此，分配比在操作频谱效率处的目标FER需要的发射功率更多的发射功率会导致附加发射功率的无效使用。

上述的过量功率分配/重新分配技术可以用于带有离散数据速率和设定点的系统。

图3是用于在支持离散数据速率集合的MIMO系统的本征模式间分配总发射功率的过程300实施例流图。开始时，总发射功率P_tot在步骤312处基于特定的功率分配方案(例如灌水方案)被分配给N_S个本征模式。在初始发射功率分配结束时，每个本征模式被分配以发射功率P_i，其中i∈I，分配给给定本征模式的功率可以为零。如果本征模式的有效SNR不落在离散操作点的一个上，则无效地使用了一些分配给该本征模式的发射功率，且可以使用功率控制。

其SNR不落在离散操作点集合上的本征模式在步骤314处被放入集合K。如果在步骤316处确定集合K为空，则过程终止。否则，在步骤318，集合K内的每个本征模式被分配以满足该本征模式的当前频谱效率分布需要的最小发射功率量。这可以通过回退(即减少)分配给集合K内的每个本征模式的发射功率而实现，使得本征模式在离散操作点操作。

图4B还示出三个本征模式的初始操作点，用虚线426a到426c示出，它们不在离散操作点上。每个这些本征模式的发射功率减少回退量BO_k，k∈K，使得本征模式以更低的发射功率操作而不导致频谱效率损失。对本征模式k，在离散操作点操作需要的发射功

可以表示为：

${\hat{P}}_k=\frac{{\mathrm{\γ}}_k\left(d\right)\·{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\λ}}_k},---\left(15\right)$

其中对于 $k\∈K\⋐I,$ 变量k指集合K内的每个本征模式，且γ_k(d)是对应本征模式k的当前频谱效率ρ_k(d)的离散操作点。

然后在步骤320处确定通过减少分配给集合K内的本征模式的发射功率而获得的过量发射功率，如下：

$\mathrm{\Δ}\hat{P}=\underset{k\∈K}{\mathrm{\Σ}}(P_k-{\hat{P}}_k),---\left(16\right)$

其中P_k指在步骤312处分配给本征模式k的初始发射功率。由于只能在其相应饱和区以下操作的本征模式间重新分配过量功率，所以来自本征模式完整集合I的这些本征模式的新(未改变)的有效SNR在其饱和点γ_sat(i)以下，它们在步骤322处用索引j表示，并被放入集合J。如果集合J为空，如在步骤324确定的，则过程终止。一旦对集合K内的本征模式应用了新功率，集合J因此包括所有集合I内的在其相应饱和(不操作)点以下的本征模式。

否则，步骤320内确定的过量发射功率

以各种不同的组合(例如所有可能的组合)在集合J内的本征模式间经重新分配。这可以基于已知的频谱效率而实现，该频谱效率是每个本征模式的有效SNR的函数(例如如图4B曲线422所示)。为了方便步骤326的评估，可以为集合J内的每个本征模式j的每个操作点d确定增量SNRΔγ_j(d)以及对应的频谱效率的增益Δρ_j(d)的表格。

增量SNRΔγ_j(d)可以被定义为：

Δγ_j(d)＝γ_j(d+1)-γ_j(d)，    (17)

且该增量SNR是将本征模式j从在当前的操作点d处的频谱效率上移到下一个更高的频谱效率d+1的操作点处需要的最小SNR量。对应的频谱效率内的增益Δρ_j(d)可以给出为：

Δρ_j(d)＝ρ_j(d+1)-ρ_j(d)，    (18)

且可以通过将SNR从γ_j(d)增量到γ_j(d+1)而获得。

图4B说明增量SNR以及给定频谱效率函数的频谱效率内产生的增益。增量SNRΔγ_j(d)可以被转换成增量发射功率ΔP_j(d)，如下：

$\mathrm{\Δ}{P}_j\left(d\right)=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\γ}}_j\left(d\right)\·{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\λ}}_j}---\left(19\right)$

ΔP_j(d)是本征模式j从当前的操作点d到更高的频谱效率需要的增量功率。

实现过量发射功率的重新分配以获得频谱效率内的最高可能增益。这可以通过以下实现：在步骤328处，使用从等式(19)和(18)相应获得的增量发射功率和频谱效率内的对应增益实现对集合J内所有本征模式的过量发射功率

所有可能重新分配的穷尽搜索(或评估)。最终，在步骤330，过量发射功率根据产生频谱效率内的最高增益的重新分配被分布。过程然后终止。

还可以使用其他方案用于将过量发射功率分配给集合J内的本征模式。在一方案中，过量发射功率每次从最佳本征模式开始被重新分配给一个本征模式。例如，一些过量发射功率可以被重新分配给集合J内的最佳本征模式(例如，正好足够的功率使得该本征模式进入下一最高频谱效率级)。一些剩余的过量发射功率然后可以被重新分配给集合J内的下一更高本征模式，且过程这样继续直到重新分配了所有的过量发射功率。在另一方案中，开始时确定集合J内每个本征模式跳到下一更高频谱效率的所有功率重新分配，选择实现最高频谱效率增益的重新分配(或如果频谱内的增益在所有本征模式上相同，则使用最少量的增量发射功率量)。还可以使用其他方案，且在本发明的范围内。

以下描述特定的数值示例以说明在支持离散数据速率集合的系统内用于在本征模式间分配/重新分配总发射功率的技术。对于该示例，每个发射天线的峰值发射功率经归一化，使得P_max＝1，且噪声的方差经设定，使得在每个接收机处的SNR，假设没有其他信道恶化的情况下，为γ_rx＝10dB。这导致了σ²＝10^-10/10＝0.10的噪声方差。还假设以下参数：

N_S＝N_T＝N_R＝3，和

λ₁＝1.7，λ₂＝0.9，和λ₃＝0.4

图4C示出上述示例系统的频谱效率对有效SNR。离散数据速率的相同集合被假设应用于所有的本征模式，且与曲线432示出的频谱效率函数相关。每个本征模式的饱和SNR因此为γ_sat(i)|_dB＝12dB， $\∀i\∈I.$

发射机处可用的总发射功率为P_tot＝3·1＝3。灌水功率分配(步骤312)导致分配给三个本征模式的以下功率：

P₁(1)＝1.08，P₂(1)＝1.03，和P₃(1)＝0.89

使用等式(11)计算的本征模式的有效SNR被确定为：

γ₁(1)＝18.38，γ₂(1)＝9.26，和γ₃(1)＝3.56

频谱效率函数上的三个本征模式的有效SNR的位置由图4C内的菱形438a到438c示出。可见三个本征模式不位于实圈434示出的离散操作点上。因此集合被确定为K＝{1，2，3}(步骤314)。由于集合K不为空，确定仍导致该本征模式的当前频谱效率值的每个本征模式的最小发射功率(步骤318)。对于该示例，本征模式的发射功率被回退，使得有效SNR对于第一、第二和第三本征模式相应为12dB、9dB以及3dB。

使用等式(15)，三个本征模式的新发射功率被确定为：

${\hat{P}}_1=\frac{{10}^{(12/10)}\×0.1}{1.7}=0.93,$ ${\hat{P}}_2=\frac{{10}^{(9/10)}\×0.1}{0.9}=0.88,$ 和 ${\hat{P}}_3=\frac{{10}^{(3/10)}\×0.1}{0.4}=0.50$

新发射功率分配将三个本征模式的操作点推向离散操作点。下一步，由等式(16)确定过量发射功率为：

$\mathrm{\Δ}\hat{P}=(1.08-0.93)+(1.03-0.88)+(0.89-0.50)=0.69$

由于第一本征模式已经在其饱和点处，不再重新分配给该本征模式更多的发射功率。过量发射功率可以被重新分配给本征模式二和三，且集合J等于J＝{2，3}。

表格1列出每个操作点d和每个本征模式(对于j∈J)的增量SNRΔγ_j(d)。由于在该示例中对所有本征模式，离散数据速率相同，丢弃下标j，且增量SNR被表示为Δγ(d)。本征模式j上的增量发射功率ΔP_j(d)是本征模式j的本征值λ_j的函数。为每个本征模式(对于j ∈J)和每个操作点d示出ΔP_j(d)，如使用等式(19)计算的。最后，在最后一列列出频谱效率内的增量增益Δρ_j(d)，对于所有操作点保持在0.5bps/Hz处恒定，如图4C示出。

表格1

d	Δγ(d)(dB)	ΔP<sub>2</sub>(d)	ΔP<sub>3</sub>(d)	Δρ(d)
					1	3	0.22	0.50	0.5
2	2	0.18	0.40	0.5
					3	1.5	0.16	0.35	0.5
4	2.5	0.20	0.44	0.5
					5	3	0.22	0.5	0.5
6	inf	inf	inf	0

下一步骤是确定过量发射功率的所有可能重新分配， $\mathrm{\Δ}\hat{P}=0.69.$ 因为第二和第三本征模式分别在的d＝5和d＝2处操作，只有一种有效的过量功率的分配，就是重新分配ΔP₂(d)＝0.22更多的发射功率给第二本征模式，重新分配ΔP₃(d)＝0.40更多的发射功率给第三本征模式。该功率重新分配会导致频谱效率内1bps/Hz的增长，且未使用的发射功率量为 $\mathrm{\Δ}{\hat{P}}_N=0.69-0.22-0.40=0.7$

如上所述，在此描述的用于将发射功率分配/重新分配给传输信道的技术还可以用于各种多信道通信系统，包括MIMO系统、OFDM系统、MIMO-OFDM系统等。这些技术还可以有利地被用于带有饱和频谱效率ρ_sat的系统(如图4A内说明)以及用于支持传输信道的一个或多个离散数据速率集合的系统(如图4B内说明)。图3内示出的过程可以经修改以将发射功率分配/重新分配给传输信道(而不是本征模式)。

指定频谱效率的功率分配/重新分配

上述的技术可以用于分配/重新分配总发射功率以最大化频谱效率(例如为了获得最高可能总吞吐量或传输信道的集合数据速率)。对于一些通信系统，集合数据速率可以是受限或指定的。对于这些系统，上述的技术可以经修改并用于分配获得指定集合数据速率的最小量的发射功率。

获得特定频谱效率的最小发射功率分配可以以各种方式实现，这可以取决于通信系统的设计和容量。几种可能的方案列出如下。

对于支持离散数据速率集合的系统，特定频谱效率的最小发射功率分配可以如下实现：

1.例如基于灌水方案，将总发射功率分配给传输信道。

2.使用上述的技术确定每个传输信道的新发射功率，使得其操作点落在获得相同频谱效率的离散操作点上。

3.确定用新发射功率分配获得的集合频谱效率。如果该频谱效率高于指定的频谱效率，则进行到步骤4。否则，完成发射功率分配。

4.作为可获得的频谱效率(带有新发射功率分配)和指定的频谱效率之差确定“过量”频谱效率。系统的频谱效率然后被降低该确定的差的量。

5.形成每个传输信道的增量发射功率/增量频谱效率表格，一示例为表格1

6.搜索发射功率的各种可能减少，该种减少可以获得小于或等于步骤4内确定过量频谱效率的频谱效率减少。

7.从步骤6，选择最大化节省的发射功率量的发射功率减少。

对于支持更连续可变数据速率的系统(例如更细化增量的离散数据速率)，可以实现迭代搜索以确定指定频谱效率的最小发射。尤其是，在开始时分配了总发射功率后(例如基于灌水方案)，可以如上所述确定过量频谱效率。如果过量频谱效率超过一特定阀值(例如在指定的频谱效率上的特定百分比)，则可以确定减少频谱效率的新发射功率分配。这可以以下方式获得：回退总发射功率(其回退的百分比可以基于过量频谱效率的百分比而经估计)，且将回退后的发射功率分配给传输信道(例如同样基于灌水方案)。如果回退后的发射功率获得的频谱效率小于规定的频谱效率，则可以减少回退，且新的回退后的发射功率可以在此被分配给传输信道。该过程可以迭代多次直到特定回退后的发射功率获得的频谱效率在可接受的阀值内。

还可以实现确定其他指定频谱效率的最小发射功率分配的方案，且在本发明的范围内。

灌水功率分配

当在发射机处有全CSI可用时，MIMO信道可以使用奇异值分解被对角线化成N_S个正交信道，如上所述。该技术导致N_S个不相干扰的空间子信道，被称为本征模式，本征模式i上的功率等于与该本征模式相关的本征值λ_i，i∈I＝{1，2，...，N_S}。每个空间子信道上的性能受到方差为σ²的加性高斯白噪声(AWGN)的限制

图5是用于将总可用功率分配给本征模式集合的过程500实施例流图。过程500是灌水方案的一特定实现，且可以用于图1、2和3内相应的步骤120、220和213。灌水方案在给定发射机处的总发射功率P_tot、本征值λ_i以及噪声方差σ²条件下，确定分配给集合I内本征模式的发射功率P_i(i∈I)。

在步骤512开始时，用于表示迭代次数的变量n被设定为一(即n＝1)。在步骤514，对于第一次迭代，集合I(n)被定义为包括所有本征模式(即1≤i≤N_S)。然后在步骤516，确定当前迭代的集合I(n)的势(即长度)L₁(n)＝|I(n)|，对于第一次迭代，L₁(n)＝N_S。

在步骤518，接着确定要分布在集合I(n)内的本征模式上的总“有效”功率P_TOTAL。总有效功率被定义为等于在发射机处可用的总发射功率P_tot加上每个本征模式上的SNR倒数之和，如下：

$P_{\mathrm{TOTAL}}=P_{\mathrm{tot}}+\underset{i\∈I}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\λ}}_i}---\left(20\right)$

图6A用图说明带有三个本征模式的示例系统的总有效功率。每个本征模式有SNR倒数等于σ²/λ_i(假设归一化的发射功率1.0)，i＝{1，2，3}。发射机处可用的发射功率总量为P_tot＝P₁+P₂+P₃，且用图6A内的阴影区表示。总有效功率用图6A内的阴影和非阴影区表示。

总发射功率然后被分配给集合I(n)内的本征模式。用于本征模式的索引i在步骤520被初始化为一(即i＝1)。分配给本征模式i的发射功率量然后在步骤522被确定，基于以下；

$P_i=\frac{P_{\mathrm{TOTAL}}}{L_1\left(n\right)}-\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{{\mathrm{\λ}}_i}---\left(21\right)$

对于灌水，虽然水面的底部有不规则表面，但最上面的水面在整个容器内保持恒定。类似地且如图6A示出，在总发射功率P_tot分布在本征模式上后，在所有本征模式上最后功率电平恒定。该最终功率电平通过将P_TOTAL除以集合I(n)内的本征模式的数目L₁(n)而经确定。分配给本征模式i的功率量然后通过将该本征模式的SNR倒数σ²/λ_i从最终功率电平P_TOTAL/L₁(n)中减去而经确定如等式(21)给出，且在图6A内示出。集合I(n)内的每个本征模式在步骤522被分配以发射功率P_i。步骤524和步骤526是将发射功率分配给集合I(n)内的每个本征模式的环路的一部分。

图6B示出灌水方案的功率分配情况，这导致一本征模式接收负功率，这是(P_TOTAL/L₁(n))＜(σ²/λ_i)的情况。在功率分配结束时，如果有本征模式接收到负功率，如在步骤528确定的，则在步骤530，过程继续通过将所有带有为负功率的本征模式(即P_i＜0)从集合I(n)中去除，且在步骤532将n增量一(即n＝n+1)。因此，在每次接着的迭代中，总发射功率在集合I(n)内剩余的本征模式间划分。该过程继续直到集合I(n)内的所有本征模式都被分配了正功率，如步骤528内确定的。不在集合I(n)内的本征模式被分配以零功率。

为了清楚解释，特地描述了本征模式的灌水方案。一般，灌水方案可以对任何类型的传输信道实现(例如空间子信道、频率子信道或空间子信道的频率子信道，这取决于实现的系统)。图5内示出的过程因此可以经修改以将发射功率分配给传输信道(而不是本征模式)。

实现MIMO-OFDM系统的基本灌水处理的特定算法在美国专利申请号09/978337内描述，题为“Method and Apparatus for Determining PowerAllocation in a MIMO Communication System”，提交于2001年10月15日，转让给本发明的受让人，并在此引入作为参考。

系统

图7是发射机系统710和接收机系统750实施例框图，它们能实现本发明的各个方面和实施例。

在发射机710处，从数据源712提供话务数据给发射(TX)数据处理器714，该处理器基于一个或多个编码方案对话务数据进行格式化、编码和交织以提供编码后的数据。编码后的话务数据然后可以使用时分多路复用(TDM)或码分多路复用(CDM)在一个或多个用于数据传输的所有传输信道或其子集上与导频数据一起多路复用。导频数据一般是以已知的方式处理的已知数据模式。经多路复用的导频和编码后话务数据然后基于一个或多个调制方案(例如BPSK、QPSK、M-PSK或M-QAM)经调制以提供调制码元。每个传输信道或每个传输信道组的数据速率、编码、交织以及调制可以由控制器730提供的各种控制确定。

调制码元然后被提供给TX MIMO处理器720并经进一步处理。在特定实施例中，TX MIMO处理器720的处理包括(1)分解信道响应矩阵H的估计以获得酉矩阵V以及对角矩阵D；(2)将调制码元(即信道向量s)左乘酉阵V，以及(3)将经预调整后的码元(即发射向量x)多路分解为N_T个码元流。在另一实施例中，TX MIMO处理器720的处理简单地包括将调制码元多路分解为N_T个码元流(即没有用矩阵V预调整的码元)。TX MIMO处理器720可以进一步对每个码元进行比例调整，这是通过基于分配给用于该码元的传输信道的发射功率量确定合适的加权而实现的。N_T个(经加权)的码元流然后被提供给发射机(TMTR)722a到722t、

每个发射机722接收并处理相应的码元流。对于OFDM系统，每个发射机变换码元(例如使用IFFT)以形成OFDM码元，且进一步向每个OFDM码元加入循环前缀以形成对应的传输码元。每个发射机还将码元流转换成一个或多个模拟信号并进一步将模拟信号调整(例如放大、滤波并正交调制)以生成适用于在MIMO信道上传输的已调信号。来自发射机722a到722t的N_T个已调信号然后相应地从N_T个天线724a到724t被发送。

在接收机系统750处，发送的已调信号由N_R个天线752a到752r接收，且来自每个天线752接收到的信号被提供给相应的接收机(RCVR)754。每个接收机754对接收到的信号调整(例如滤波、放大以及下变频)并将经调整的信号数字化以提供相应的采样流。每个数据流可以进一步经处理(例如用恢复的导频解调)以获得对应的接收到的码元流(用y表示)。RX MIMO处理器760然后接收并处理N_R个接收到的码元流以提供N_T个恢复的码元流。在特定实施例中，RXMIMO处理器760的处理可以包括(1)将估计的信道响应矩阵分解以获得酉矩阵U，(2)用酉矩阵U ^H左乘接收到的码元(即向量y)，以提供恢复的码元(即向量r)，以及(3)对恢复的码元进行均衡以获得均衡后的码元。

接收(RX)数据处理器762然后对均衡后的码元解调、解交织并解码以恢复发送的话务数据。RX MIMO处理器760以及RX数据处理器762的处理分别与在发射机处的TX MIMO处理器720和TX数据处理器714实行的处理互补。

RX MIMO处理器760可以进一步导出MIMMO信道的信道响应矩阵H以及传输信道的SNR等，并将这些量提供给控制器770。RX数据处理器762还可以提供每个接收到的帧或分组的状态、一个或多个其他指示解码后结果的性能度量以及可能的其他信息。控制器770收集信道状态信息(CSI)，包括从RX MIMO处理器760和RX数据处理器762接收到的所有信息或其一部分。CSI然后由TX数据处理器778处理，由调制器780调制，由发射机754a到754r经调整，并被发送回发射机系统710。

在发射机系统710处，来自接收机系统750的已调信号为天线724接收，经接收机722调整，由解调器解调并由RX数据处理器742处理以恢复接收机系统报告的CSI。CSI然后被提供给控制器730并用于为TX数据处理器714和TX MIMO处理器720生成各种控制。

控制器730和770引导在发射机和接收机系统处相应的操作。存储器732和772相应提供控制器730和770使用的程序代码和数据的存储。

为了实现上述的发射功率分配/重新分配技术，控制器730从接收机系统750接收CSI，这可以包括描述MIMO信道特征的信道响应矩阵或其他信息。控制器730然后将总发射功率分配给传输信道，使得在饱和区操作的传输信道的过量发射功率被重新分配给不在饱和区内的其他传输信道，如上所述。分配给每个传输信道的发射功率P_i可以确定用于该传输信道的数据速率以及编码和调制方案。

发射机和接收机系统的各种MIMO和OFDM处理技术在以下专利申请部分被详细说明，它们被转让给本发明的受让人，并在此引入作为参考：

●美国专利申请序列号09/993087，题为“Multiple-AccessMultiple-Input Multiple-Output(MIMO)Communication System”，提交于2001年11月6日；

●美国专利申请序列号09/854235，题为“Method and Apparatus forProcessing Data in a Multiple-Input Multiple-Output(MIMO)Communication System Utilizing Channel State Information”，提交于2001年5月11日；

●美国专利申请序列号09/826481和09/956449，题为“Method andApparatus for Utilizing Channel State Information in aWireless Communication System”，相应地提交于2001年3月23日和2001年9月18日；以及

●美国专利申请序列号10/017308，题为“Time-Domain Transmit andReceive Processing with Channel Eigenmode Decomposition forMIMO system”，提交于2001年12月7日。

在此描述的发射功率分配/重新分配技术可以以各种方式实现。例如，这些技术可以以硬件、软件或其组合实现。对于硬件实现，用于将发射功率分配/重新分配给传输信道的元件可以用以下元件实现：一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑设备(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、其他用于实现上述功能的电子单元或其组合。

对于软件实现，发射功率分配/重新分配可以用实现上述功能的模块(例如，过程、函数等)实现。软件代码可以被存储在存储器单元(例如图7的存储器732)内并由处理器执行(例如控制器730)。存储器单元可以实施在处理器内或处理器外部，在该情况下，它可以通过领域内已知的各种装置被通信耦合到处理器。

在此包括的标题用于参考并帮助定位一些部分。这些标题不用于限制在此描述的概念，且这些概念在整个规范内的其它部分内也可以有应用。

上述优选实施例的描述使本领域的技术人员能制造或使用本发明。这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是显而易见的，这里定义的一般原理可以被应用于其它实施例中而不使用创造能力。因此，本发明并不限于这里示出的实施例而要符合与这里揭示的原理和新颖特征一致的最宽泛的范围。

Claims (40)

1.一种方法，用于在无线通信系统中将发射功率分配给多个传输信道，包括：

定义步骤，定义一个或多个要被分配以发射功率的传输信道的集合；

确定步骤，确定可用于分配给所述集合内的传输信道的总发射功率；

分配步骤，基于特定分配方案将总发射功率分配给所述集合内的传输信道；

标识步骤，标识因分配的发射功率而处于饱和区的传输信道；

重新分配步骤，用修改的发射功率量重新分配给处于饱和区的每个传输信道；

确定步骤为所有被重新分配以修改的发射功率量的传输信道确定总的过量发射功率；以及

为一次或多次迭代执行所述定义步骤、确定步骤、分配步骤、标识步骤和重新分配步骤，其中用于第一迭代的传输信道的集合包括多个传输信道，对于每次相继的迭代包括不处于饱和区的传输信道，且其中每次相继的迭代可用的总发射功率包括在当前迭代中确定的总的过量发射功率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，可用于每次迭代的总的发射功率基于灌水分配方案被分配给集合内的传输信道。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果一传输信道被分配以多于获得特定最大数据速率需要的发射功率，则所述传输信道被认为处于饱和区。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，分配给饱和区内的每个传输信道的发射功率修改后的量是获得最大数据速率所需的最小量。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果一传输信道被分配以多于获得特定信噪比SNR需要的发射功率，则所述传输信道被认为处于饱和区。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，对集合内的所有传输信道使用单个SNR。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，每个传输信道与相应的阈值SNR相关联。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述标识步骤包括：

部分基于分配给传输信道的发射功率确定集合内每个传输信道的有效信噪比SNR；

将集合内的每个传输信道的有效SNR与可应用到传输信道的阈值SNR相比较，以及

如果其有效SNR大于可应用的阈值SNR，则声明传输信道处于饱和区内。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，阈值SNR对应于获得特定最大数据速率需要的SNR。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线通信系统是多输入多输出MIMO系统。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，多个传输信道对应MIMO通信系统的MIMO信道的多个本征模式。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线通信系统是正交频分多路复用OFDM通信系统。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线通信系统是使用正交频分多路复用OFDM的多输入多输出MIMO通信系统。

14.一种用于在无线通信系统内将发射功率分配给多个传输信道的方法，其特征在于包括：

标识要被分配以发射功率的传输信道的第一集合；

确定可用于分配给所述第一集合内的传输信道的总的发射功率；

基于特定的分配方案将总发射功率分配给所述第一集合内的传输信道；

标识对第一较佳操作点分配过量发射功率的一个或多个传输信道的第二集合；

分配给所述第二集合内的每个传输信道修改的发射功率量以实现所述第一较佳操作点；

确定在所述第二集合内的所有传输信道的总的过量功率；

标识能支持第二较佳操作点的一个或多个传输信道的第三集合；以及

将总的过量功率重新分配给所述第三集合内的一个或多个传输信道。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，每个较佳操作点与支持特定离散数据速率需要的信噪比SNR相关联。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：

评估将总的过量功率重新分配给所述第三集合内的一个或多个传输信道的多种可能性。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：

选择与频谱效率内最高增益相关的重新分配。

18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，总的过量功率一次一个信道地被重新分配给所述第三集合内的一个或多个传输信道。

19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，每个传输信道被重新分配足够的发射功率以达到频谱效率增益。

20.如权利要求14所述的方法，其特征在于，重新分配包括：

确定所述第三集合内每个传输信道需要的发射功率量以达到所述第二较佳操作点；以及

将总的过量功率分配给传输信道以产生频谱效率内的最高增益。

21.如权利要求14所述的方法，其特征在于，基于灌水方案的总的发射功率被分配给所述第一集合内的传输信道。

22.如权利要求14所述的方法，其特征在于，多个传输信道对应于MIMO系统内的空间子信道。

23.如权利要求14所述的方法，其特征在于，多个传输信道对应于OFDM系统内的频率子信道。

24.如权利要求14所述的方法，其特征在于，多个传输信道对应于MIMO-OFDM系统内的空间子信道的频率子信道。

25.一种用于在无线通信系统中将发射功率分配给多个传输信道的方法，包括：

标识要被分配以发射功率的传输信道的集合；

确定可用于分配给传输信道的总的发射功率；

基于特定分配方案将总的发射功率分配给集合内的传输信道；

部分基于分配给传输信道的发射功率确定过量频谱效率；以及

重新分配给一个或多个传输信道以减少的发射功率量以减少过量频谱效率。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括：

减少分配给每个传输信道的发射功率以获得操作点。

27.如权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括：

为传输信道的多个发射功率减少确定频谱效率的增量改变；以及

选择与所述频谱效率的增量改变相关联的最大发射功率减少，所述改变小于所述过量频谱效率。

28.如权利要求25所述的方法，其特征在于，还包括：

确定减少后的发射功率；以及

将减少后的发射功率分配给集合内的传输信道。

29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，还包括：

实现确定减少的发射功率，并分配减少的发射功率一次或多次，直到过量频谱效率在特定阈值以内。

30.一种装置，用于控制数字信号处理设备DSPD并用于将发射功率分配给无线通信系统中的多个传输信道，当所述装置耦合到所述DSPD时，所述装置基于其中体现的指令来控制所述DSPD，所述装置包括：

用于控制所述DSPD以定义一个或多个要被分配以发射功率的传输信道的集合的装置；

用于控制所述DSPD以确定可用于分配给所述集合内的传输信道的总的发射功率的装置；

用于控制所述DSPD以基于特定分配方案将总的发射功率分配给集合内的传输信道的装置；

用于控制所述DSPD以标识由于分配的发射功率导致处于饱和区的传输信道的装置；

用于控制所述DSPD以重新分配给处于饱和区的每个传输信道以修改的发射功率量的装置；

用于控制所述DSPD以为所有被重新分配以修改的发射功率量的传输信道确定总的过量发射功率的装置；以及

用于控制所述DSPD以为一次或多次迭代执行所述定义步骤、确定步骤、分配步骤、标识步骤和重新分配步骤的装置，其中用于第一迭代的传输信道集合包括无线通信系统中的多个传输信道，以及对于每次相继的迭代包括不处于饱和区的传输信道，且其中每次相继的迭代可用的总发射功率包括在当前迭代中确定的总的过量发射功率。

31.一种无线通信系统内的装置，包括：

用于在定义步骤中定义一个或多个要被分配以发射功率的传输信道的集合的装置；

用于在确定步骤中确定可用于分配给所述集合内的传输信道的总的发射功率的装置；

用于分配步骤中基于特定分配方案将总的发射功率分配给集合内的传输信道的装置；

用于在标识步骤中标识由于分配的发射功率导致处于饱和区的传输信道的装置；

用于重新分配步骤中重新分配给处于饱和区的每个传输信道以修改的发射功率量的装置；

用于在确定步骤中为所有被重新分配以修改的发射功率量的传输信道确定总的过量发射功率的装置；以及

用于在执行步骤中为一次或多次迭代执行所述定义步骤、确定步骤、分配步骤、标识步骤和重新分配步骤的装置，其中用于第一迭代的传输信道集合包括多个传输信道，以及对于每次相继迭代包括不处于饱和区的传输信道，且其中每次相继的迭代可用的总发射功率包括在当前迭代中确定的总的过量发射功率。

32.一种无线通信系统内的控制器，包括：

用于在定义步骤中定义一个或多个要被分配以发射功率的传输信道的集合的装置；

用于在确定步骤中确定可用于分配给所述集合内的传输信道的总的发射功率的装置；

用于在分配步骤中基于特定分配方案将总的发射功率分配给所述集合内的传输信道的装置；

用于在标识步骤中标识由于分配的发射功率导致处于饱和区的传输信道的装置；

用于在重新分配步骤中重新分配给处于饱和区的每个传输信道以修改的发射功率量的装置；

用于在确定步骤中为所有被重新分配以修改的发射功率量的传输信道确定总的过量发射功率的装置；以及

用于在执行步骤中为一次或多次迭代执行所述定义步骤、确定步骤、分配步骤、标识步骤和重新分配步骤的装置，其中用于第一迭代的传输信道集合包括多个传输信道，以及对于每次相继的迭代包括不处于饱和区的传输信道，且其中每次相继的迭代可用的总发射功率包括在当前迭代中确定的总的过量发射功率。

33.如权利要求32所述的控制器，其特征在于，还包括：

用于部分基于分配给传输信道的发射功率确定集合内每个传输信道的有效信噪比SNR的装置；

用于将集合内的每个传输信道的有效SNR与可应用到传输信道的阈值SNR相比较的装置，以及

用于如果其有效SNR大于可应用的阈值SNR，则声明传输信道处于饱和区内的装置。

34.一种包括如权利要求32所述的控制器的基站。

35.一种无线通信系统内的控制器，包括：

用于标识要被分配以发射功率的传输信道的第一集合的装置；

用于确定可用于分配给所述第一集合内的传输信道的总的发射功率的装置；

用于基于特定的分配方案将总发射功率分配给所述第一集合内的传输信道的装置；

用于为第一较佳操作点标识分配以过量发射功率的一个或多个传输信道的第二集合的装置；

用于分配给所述第二集合内的每个传输信道修改的发射功率量以获得所述第一较佳操作点的装置；

用于确定在所述第二集合内的所有传输信道的总的过量功率的装置；

用于标识能支持第二较佳操作点的一个或多个传输信道的第三集合的装置；以及

用于将总的过量功率重新分配给所述第三集合内的一个或多个传输信道的装置。

36.一种无线通信系统内的控制器，包括：

用于标识要被分配以发射功率的传输信道的集合的装置；

用于确定可用于分配给传输信道的总的发射功率的装置；

用于基于特定分配方案将总的发射功率分配给所述集合内的传输信道的装置；

用于部分基于分配给传输信道的发射功率确定过量频谱效率的装置；以及

用于重新分配给一个或多个传输信道以减少的发射功率量以减少过量频谱效率的装置。

37.一种无线通信系统内的发射机单元，包括：

发射TX数据处理器，用于基于一个或多个编码和调制方案对多个传输信道的数据进行编码以提供多个码元流；

多个发射机，用于处理多个码元流以提供适用于在通信信道上传输的多个已调信号；以及

控制器，用于将发射功率分配给多个传输信道，通过：

定义一个或多个要被分配以发射功率的传输信道的集合；

确定可用于分配给集合内的传输信道的总的发射功率；

基于特定分配方案将总的发射功率分配给所述集合内的传输信道；

标识由于分配的发射功率导致处于饱和区的传输信道；

重新分配给处于饱和区的每个传输信道以修改的发射功率量；

为所有被重新分配以修改的发射功率量的传输信道确定总的过量发射功率；以及

为一次或多次迭代实现所述定义、确定、分配、标识和重新分配，其中用于第一迭代的传输信道集合包括多个传输信道，以及对于每次相继迭代包括不处于饱和区的传输信道，且其中每次相继的迭代可用的总发射功率包括在当前迭代中确定的总的过量发射功率。

38.如权利要求37所述的发射机单元，其特征在于，所述的TX数据处理器进一步使用确定的特定加权对每个调制码元进行比例调整，所述加权是基于分配给用于该调制码元的传输信道的发射功率量而确定的。

39.如权利要求37所述的发射机单元，其特征在于，还包括：

MIMO处理器，用于对多个码元流进行预调整以对角线化多个传输信道。

40.一种包括如权利要求37所述的发射机单元的基站。

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