注水算法.doc
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- 注水 算法
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1.1功率注水算法 注水算法是根据某种准则,并根据信道状况对发送功率进行自适应分配,通常是信道状况好的时刻,多分配功率,信道差的时候,少分配功率,从而最大化传输速率。实现功率的“注水”分配,发送端必须知道CSI。 当接收端完全知道信道而发送端不知道信号时,发送天线阵列中的功率平均分配是合理的。当发送端知道信道,可以增加信道容量。 考虑一个维的零均值循环对称复高斯信号向量,r为发送信道的秩。向量在传送之前被乘以矩阵()。在接收端,接受到的信号向量y被乘以。这个系统的有效输入输出关系式由下式给出: 其中是维的变换的接受信号向量,是协方差矩阵为的零均值循环对称复高斯变换噪声向量。向量必须满足已限制总的发送能量。 可以看出 ,i=1,2,…,r MIMO信道的容量是单个平行SISO信道容量之和,由下式给出 其中(i=1,2,…,r)反映了第i个子信道的发送能量,且满足。 可以在子信道中分配可变的能量来最大化互信息。现在互信息最大化问题就变成了: 最大化目标在变量中是凹的,用拉格朗日法最大化。最佳能量分配政策 注水算法: Step1:迭代计数p=1,计算 Step2:用μ计算,i=1,2,…,r-p+1 Step3:若分配到最小增益的信道能量为负值,即设,p=p+1,转至Step1. 若任意非负,即得到最佳注水功率分配策略。 1.2 发送端知道信道时的信道容量 % in this programe a highly scattered enviroment is considered. The % Capacity of a MIMO channel with nt transmit antenna and nr recieve % antenna is analyzed. The power in parallel channel (after % deposition) is distributed as water-filling algorithm clear all close all clc nt_V = [1 2 3 2 4]; nr_V = [1 2 2 3 4]; N0 = 1e-4; B = 1; Iteration = 1e2; % must be grater than 1e2 SNR_V_db = [-10:3:20]; SNR_V = 10.^(SNR_V_db/10); color = ['b';'r';'g';'k';'m']; notation = ['-o';'->';'<-';'-^';'-s']; for(k = 1 : 5) nt = nt_V(k); nr = nr_V(k); for(i = 1 : length(SNR_V)) Pt = N0 * SNR_V(i); for(j = 1 : Iteration) H = random('rayleigh',1,nr,nt); [S V D] = svd(H); landas(:,j) = diag(V); [Capacity(i,j) PowerAllo] = WaterFilling_alg(Pt,landas(:,j),B,N0); end end f1 = figure(1); hold on plot(SNR_V_db,mean(Capacity'),notation(k,:),'color',color(k,:)) clear landas end f1 = figure(1) legend_str = []; for( i = 1 : length(nt_V)) legend_str =[ legend_str ;... {['nt = ',num2str(nt_V(i)),' , nr = ',num2str(nr_V(i))]}]; end legend(legend_str) grid on set(f1,'color',[1 1 1]) xlabel('SNR in dB') ylabel('Capacity bits/s/Hz') 注水算法子函数 function [Capacity PowerAllo] = WaterFilling_alg(PtotA,ChA,B,N0); % % WaterFilling in Optimising the Capacity %=============== % Initialization %=============== ChA = ChA + eps; NA = length(ChA); % the number of subchannels allocated to H = ChA.^2/(B*N0); % the parameter relate to SNR in subchannels % assign the power to subchannel PowerAllo = (PtotA + sum(1./H))/NA - 1./H; while(length(find(PowerAllo < 0 ))>0) IndexN = find(PowerAllo <= 0 ); IndexP = find(PowerAllo > 0); MP = length(IndexP); PowerAllo(IndexN) = 0; ChAT = ChA(IndexP); HT = ChAT.^2/(B*N0); PowerAlloT = (PtotA + sum(1./HT))/MP - 1./HT; PowerAllo(IndexP) = PowerAlloT; end PowerAllo = PowerAllo.'; Capacity = sum(log2(1+ PowerAllo.' .* H)); 注意:是的奇异值,所以对H奇异值分解后要平方ChA.^2 1.3 发送端不知道信道时的信道容量 功率均等发送,信道容量的表达式为 clear all clc nt_V = [1 2 3 2 4]; nr_V = [1 2 2 3 4]; N0 = 1e-4; B = 1; Iteration = 1e2; % must be grater than 1e2 SNR_V_db = [-10:3:20]; SNR_V = 10.^(SNR_V_db/10); color = ['b';'r';'g';'k';'m']; notation = [':o';':>';'<:';':^';':s']; for(k = 1 : length(nt_V)) nt = nt_V(k); nr = nr_V(k); for(i = 1 : length(SNR_V)) Pt = N0 * SNR_V(i); for(j = 1 : Iteration) H = random('rayleigh',1,nr,nt); Capacity(i,j)=log2(det(eye(nr)+Pt/(nt*B*N0)* H*H')); end end f2= figure(2); hold on plot(SNR_V_db,mean(Capacity'),notation(k,:),'color',color(k,:)) clear landas end f2= figure(2) legend_str = []; for( i = 1 : length(nt_V)) legend_str =[ legend_str ;... {['nt = ',num2str(nt_V(i)),' , nr = ',num2str(nr_V(i))]}]; end legend(legend_str) grid on set(f2,'color',[1 1 1]) xlabel('SNR in dB') ylabel('Capacity bits/s/Hz') 1.4 已知信道和未知信道容量比较 clear all close all clc nt_V = [1 2 3 2 4]; nr_V = [1 2 2 3 4]; N0 = 1e-4; B = 1; Iteration = 1e2; % must be grater than 1e2 SNR_V_db = [-10:3:20]; SNR_V = 10.^(SNR_V_db/10); color = ['b';'r';'g';'k';'m']; notation = ['-o';'->';'<-';'-^';'-s']; notation_uninf= [':o';':>';'<:';':^';':s']; for(k = 1 : length(nt_V)) nt = nt_V(k); nr = nr_V(k); for(i = 1 : length(SNR_V)) Pt = N0 * SNR_V(i); for(j = 1 : Iteration) H = random('rayleigh',1,nr,nt); [S V D] = svd(H); landas(:,j) = diag(V); Capacity_uninf(i,j)=log2(det(eye(nr)+Pt/(nt*B*N0)* H*H')); [Capacity(i,j) PowerAllo] = WaterFilling_alg(Pt,landas(:,j),B,N0); end end f1 = figure(1); hold on plot(SNR_V_db,mean(Capacity'),notation(k,:),'color',color(k,:)) hold on plot(SNR_V_db,mean(Capacity_uninf'),notation_uninf (k,:),'color',color(k,:)) clear landas end grid on set(f1,'color',[1 1 1]) xlabel('SNR in dB') ylabel('Capacity bits/s/Hz') f1 = figure(1) legend_str = []; for( i = 1 : length(nt_V)) legend_str =[ legend_str ;... {['nt = ',num2str(nt_V(i)),' , nr = ',num2str(nr_V(i))]}]; end legend(legend_str) grid on set(f1,'color',[1 1 1]) xlabel('SNR in dB') ylabel('Capacity bits/s/Hz') 由图形中可以看出: 1. 在小信噪比时,相同信噪比下利用CSI的功率注水算法获得容量优于未知CSI的平均功率分配算法;相同容量下已知CSI信噪比比未知CSI时的信噪比小3dB. 2. 当信噪比增大到一定程度时,功率注水算法所获得的信道容量将收敛到平均功率分配的信道容量。展开阅读全文
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