專利名稱：一種基于波束到達(dá)角的多用戶調(diào)度方案的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多用戶MIMO的用戶調(diào)度算法領(lǐng)域，具體涉及一種多天線系統(tǒng)中的多 用戶調(diào)度算法。
背景技術(shù)：
在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，多用戶MIMO復(fù)用傳輸方式是充分利用空間自由度，提高系統(tǒng) 容量的關(guān)鍵技術(shù)。理論和實(shí)踐證明，系統(tǒng)不同用戶之間可以配對形成空分復(fù)用，發(fā)揮基站側(cè) 多天線的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)為多個(gè)用戶傳輸數(shù)據(jù)。在多用戶MIMO的下行系統(tǒng)中，主要研究的有兩個(gè)方面。首先是多用戶預(yù)編碼。多用戶預(yù)編碼的作用是盡可能增大接收端信噪比，保證在 接收端能夠恢復(fù)出不同用戶的原始信息。主要的算法有迫零(ZF)、塊對角化(BD)、最大化 信干噪比(SINR)，最大化信號泄露噪聲比(SLNR)等。通過這種發(fā)射端的預(yù)處理，用戶在接 收端根據(jù)各自的信道和預(yù)編碼矩陣，能夠較容易地解出屬于自己的數(shù)據(jù)流。多用戶預(yù)編碼 是在用戶信道已經(jīng)給定的情況下，盡可能改善傳輸性能的技術(shù)。從系統(tǒng)級的觀點(diǎn)看來，是一 種較為被動(dòng)的技術(shù)，預(yù)編碼所能獲得的性能增益在很大程度上取決于系統(tǒng)中用戶無線信道 的相關(guān)性。如果用戶信道本身是高相關(guān)的，那么它們所組成虛擬MIMO自由度較低，即使運(yùn) 用多用戶預(yù)編碼，也只能略微改善傳輸性能，不能解決由于信道本身帶來的不利影響。用戶調(diào)度作為多用戶MIMO下行系統(tǒng)的另一個(gè)主要研究方向，其目的就是在系統(tǒng) 使用預(yù)編碼之前，為系統(tǒng)挑選出信道相互近似正交的多用戶進(jìn)行調(diào)度傳輸。相比于預(yù)編碼 來說，用戶調(diào)度是較為上層的技術(shù)。通常情況下，一個(gè)小區(qū)內(nèi)的用戶數(shù)量K遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基站的 天線數(shù)量M。眾多的用戶為系統(tǒng)提供了多用戶分集，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面更豐富的信道方 向和更大的信道增益。用戶調(diào)度就是要解決如何從K個(gè)用戶中尋找一個(gè)用戶集合從而可以 獲得更大的空分復(fù)用增益。多用戶分集增益相對于預(yù)編碼增益來說相當(dāng)可觀，因?yàn)樗梢栽诤艽蟪潭壬细纳?用戶之間信道的空間相關(guān)性。然而用戶調(diào)度技術(shù)也存在自己的問題，首先是公平性的問題， 如果用戶信道變化緩慢，那么在很長一段時(shí)間內(nèi)，調(diào)度算法會(huì)選擇同樣的用戶集，導(dǎo)致這段 時(shí)間內(nèi)，信道條件較差的用戶得不到服務(wù)的機(jī)會(huì)。其次是計(jì)算量的問題，從K個(gè)用戶中選 擇M個(gè)用戶，需要遍歷種組合，然后基于某種準(zhǔn)則，選出最優(yōu)的用戶組合，運(yùn)算復(fù)雜度較 高。其中公平性問題可以通過加入調(diào)度因子，調(diào)節(jié)用戶之間的權(quán)值大小，來實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)意義上 的功能公平，最典型的例子就是比例公平算法(PFS)。而運(yùn)算復(fù)雜度高的問題始終是一個(gè) 局限，雖然提出了很多降低運(yùn)算復(fù)雜度的算法，但都很難協(xié)調(diào)好復(fù)雜度和性能之間的關(guān)系。 因此，如何在性能損失不大的情況下，有效地降低運(yùn)算復(fù)雜度，成為用戶調(diào)度技術(shù)研究的重 點(diǎn)ο用戶調(diào)度的核心思想可以表述為選擇相關(guān)性較小的用戶集形成空分復(fù)用，為其 傳輸數(shù)據(jù)。然而，現(xiàn)有的用戶調(diào)度算法大都是基于瞬時(shí)信道狀態(tài)信息，它們需要系統(tǒng)準(zhǔn)確估 計(jì)出各個(gè)用戶的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息。在頻分復(fù)用系統(tǒng)中，基站還需要分配一定的頻譜用于所有用戶的信道狀態(tài)信息反饋。這不僅增加了用戶調(diào)度性能對瞬時(shí)信道狀態(tài)信息的依賴， 而且還消耗了系統(tǒng)大量的反饋鏈路，降低系統(tǒng)的頻譜利用率。 發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種運(yùn)算量較小且實(shí)用性強(qiáng)的基于波束到達(dá)角 的多用戶調(diào)度方案，保證能夠用較低的運(yùn)算量得到相關(guān)性較小的用戶集合，解決了傳統(tǒng)遍 歷算法復(fù)雜度高的缺點(diǎn)；同時(shí)克服用戶調(diào)度過于依賴瞬時(shí)信道的缺點(diǎn)，使得該算法在實(shí)際 系統(tǒng)中更易實(shí)現(xiàn)。技術(shù)方案本發(fā)明調(diào)度算法設(shè)計(jì)依據(jù)LTE(Long-Term Evaluation)提案中的SCM 信道模型；本發(fā)明所述的基于波束到達(dá)角的多用戶調(diào)度方案，適用于信道具有明顯的方向 性的無線通信系統(tǒng)。由于遠(yuǎn)場電磁波對于基站的不同天線存在波程差，因此會(huì)導(dǎo)致不同天 線上的接收信號存在相位差，結(jié)合基站側(cè)的天線陣列擺放形式，就能估計(jì)出遠(yuǎn)場電磁波的 到達(dá)角。對于兩個(gè)電磁波而言，到達(dá)角的隔離度越大，則它們經(jīng)過的空間散射路徑也越獨(dú) 立，把對應(yīng)的用戶組合形成虛擬ΜΙΜ0，由于這些調(diào)度用戶的無線信道相關(guān)性較小，因此在統(tǒng) 計(jì)意義上可以獲得比相關(guān)信道更大的系統(tǒng)信道容量?；谶@一原理，可以將系統(tǒng)中的用戶 根據(jù)到達(dá)角劃分為M個(gè)子集(M為調(diào)度用戶數(shù))，同一子集內(nèi)的用戶到達(dá)角相近因此他們的 信道之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，而不同子集之間的用戶到達(dá)角隔離度較大。此時(shí)，如果從每 個(gè)用戶子集中挑選一個(gè)用戶來組成多用戶ΜΙΜ0，即可首先保證用戶信道的相關(guān)性較低。在 此基礎(chǔ)上，每個(gè)子集內(nèi)的用戶選擇基于最大化信道Frobenius范數(shù)準(zhǔn)則，能夠進(jìn)一步增加 MIMO信道的容量，提高系統(tǒng)性能。基于波束到達(dá)角的用戶調(diào)度的可以表述為按照如下順序執(zhí)行的步驟 (1)系統(tǒng)初始化，并檢測到活躍用戶數(shù)為K，任意選擇M個(gè)用戶，形成空分復(fù)用，為 其服務(wù)；(2)判斷當(dāng)前時(shí)刻是否進(jìn)行用戶調(diào)度，若K <M，則系統(tǒng)為當(dāng)前的K個(gè)用戶傳輸數(shù) 據(jù)，否則當(dāng)K >M時(shí)，跳轉(zhuǎn)到步驟(3)；(3)對于系統(tǒng)中的每個(gè)用戶k，估計(jì)波束的到達(dá)角；在多徑時(shí)延信道情況下，只 需要估計(jì)最強(qiáng)主徑的到達(dá)角；(4)將用戶集合S按照到達(dá)角的不同，劃分為M個(gè)子集S1, S2，... SM。其中M為 待調(diào)度的用戶數(shù)；(5)對于每個(gè)子集Sm，計(jì)算該子集內(nèi)的所有用戶信道的Frobenius范數(shù)| |H(k) | | ；(6)在每個(gè)子集中選擇具有最大Frobenius范數(shù)的用戶，該選出用戶組即為最終 的調(diào)度用戶集合，系統(tǒng)將為其傳輸數(shù)據(jù)；(7)下一個(gè)傳輸時(shí)刻到來，跳轉(zhuǎn)到步驟(2)。本發(fā)明基于到達(dá)角的用戶調(diào)度，擺脫了傳統(tǒng)的用戶調(diào)度思想，用一個(gè)相對長時(shí)不 變的信道統(tǒng)計(jì)信息，即無線信道最強(qiáng)徑的波束到達(dá)角度來區(qū)分用戶的相關(guān)性，是一種較為 新穎的用戶調(diào)度算法。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為(1)本發(fā)明解決了傳統(tǒng)用戶調(diào)度計(jì)算量 大且完全依賴于用戶的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息的缺陷，提出基于緩變的主徑信道波束到達(dá)角的 調(diào)度方法，能夠很好的區(qū)分用戶的相關(guān)性且提高信道容量，針對無線信道瞬時(shí)信道狀態(tài)變化快的特點(diǎn)，減小系統(tǒng)對瞬時(shí)信道狀態(tài)變化的跟蹤速度，在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中易于實(shí)現(xiàn)；(2) 本發(fā)明相對于傳統(tǒng)的用戶調(diào)度算法，明顯減少復(fù)雜度，更加適合運(yùn)用于實(shí)際系統(tǒng)中；如果總 用戶數(shù)為K，調(diào)度用戶數(shù)為M，則此算法將復(fù)雜度從原來的C/降低到2K，同時(shí)保證了性能不 會(huì)有太大的損失，是一種低運(yùn)算量的次優(yōu)算法；同時(shí)，由于到達(dá)角的變化緩慢，系統(tǒng)中的到 達(dá)角信息可以維持相對較長的時(shí)間，實(shí)際運(yùn)用中的運(yùn)算量還可能進(jìn)一步減少；(3)本發(fā)明 由于到達(dá)角信息變化緩慢，可以存儲在基站側(cè)，進(jìn)一步減小反饋信息量和調(diào)度運(yùn)算量；(4) 本發(fā)明調(diào)度方案設(shè)計(jì)完全基于實(shí)際的無線信道環(huán)境，更能模擬真實(shí)情況；(5)本發(fā)明方法 性能相比于遍歷算法下降不大，性能和復(fù)雜度的折中，是一種可行性較高的算法


圖1是空間信道一條可分辨徑的模型，該徑由多條子徑疊加而成，每條子徑具有 相近的到達(dá)角，即在該可分辨徑的到達(dá)角θ碰附近波動(dòng)。圖2是基于波束到達(dá)角的用戶調(diào)度算法流程圖。其中，角度譜估計(jì)可選用經(jīng)典的 MUSIC算法，進(jìn)行全域譜峰搜索；用戶子集劃分可以基于角度區(qū)間劃分，也可按照每子集相 同用戶數(shù)原則來劃分；MUSIC 多重信道分類的譜估計(jì)算法。圖3是兩個(gè)用戶組成虛擬MIMO的信道容量曲線。基站側(cè)配置4天線，移動(dòng)臺配置 2天線，形成4*4的虛擬ΜΙΜΟ。兩個(gè)用戶的到達(dá)角相差分別是Δ ΘΒ0Α = 5°和Δ θ DQA = 90°，可以看出，在這種信道建模方式下，到達(dá)角的隔離度越大，則用戶之間的相關(guān)性越小， 相應(yīng)的信道容量就越大，Δ θ ΜΑ為兩個(gè)波束到達(dá)角的角度差。圖4是三種調(diào)度方式的誤幀率性能比較(K = 10，M = 2)。隨機(jī)用戶調(diào)度沒有利 用任何信道信息，因此不能獲得多用戶增益，僅僅作為參考曲線?？梢钥吹?，基于容量的遍 歷調(diào)度算法和基于到達(dá)角的調(diào)度算法相比于隨機(jī)用戶調(diào)度，性能都有較大提高。然而基于 容量的用戶調(diào)度算法需要遍歷所有組合，雖然性能最優(yōu)，但是相應(yīng)的復(fù)雜度也最高。相比之 下，基于波束到達(dá)角的用戶調(diào)度算法，可以將復(fù)雜度從C/降低到2Κ，節(jié)省了資源并且更利于 實(shí)現(xiàn)。而且可以想象，當(dāng)K和M增大時(shí)，運(yùn)算量的減少更為可觀。圖5是10個(gè)用戶的歸一化公平性柱狀圖。可以看到基于波束到達(dá)角的用戶調(diào)度算 法具有一定的公平性。這是由于信道的Frobenius范數(shù)變化相對于波束到達(dá)角變化來說， 還是較快的，而在每個(gè)子集中挑選最優(yōu)用戶時(shí)，正是基于最大化Frobenius范數(shù)準(zhǔn)則，因此 該算法能保證一定的公平性。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)對最佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施 例。實(shí)施例基于波束到達(dá)角的多用戶調(diào)度方法，在傳輸數(shù)據(jù)之前，首先判斷當(dāng)前時(shí)刻 時(shí)候進(jìn)行用戶調(diào)度。如果不是，則正常傳輸數(shù)據(jù)，如果是，則首先執(zhí)行用戶調(diào)度。假設(shè)系統(tǒng) 中總用戶數(shù)為K，調(diào)度用戶數(shù)為Μ。則具體的用戶調(diào)度算法是，首先根據(jù)基站天線陣列擺放 形式，估計(jì)出K個(gè)信道的來波方向的角度譜，找到譜線峰值，對應(yīng)的角度即認(rèn)為是信號的波 束到達(dá)角；然后將用戶按照到達(dá)角隔離度劃分為M個(gè)集合；最后從每個(gè)集合中挑選出信道 Frobenius范數(shù)最大的用戶，將其組合配對形成空分復(fù)用。
其具體步驟如下(1)系統(tǒng)初始化，任意選擇M個(gè)用戶，形成虛擬MIMO ；(2)判斷當(dāng)前時(shí)刻是否進(jìn)行用戶調(diào)度，若不是，則系統(tǒng)為當(dāng)前的M個(gè)用戶傳輸數(shù) 據(jù)，若是，則進(jìn)入用戶調(diào)度模塊，即步驟(3) (7)；(3)根據(jù)基站則天線陣列擺放位置，得到角度向量；
權(quán)利要求
一種基于波束到達(dá)角的多用戶調(diào)度方案，其特征在于包括如下步驟(1)系統(tǒng)初始化，并檢測到活躍用戶數(shù)為K，任意選擇M個(gè)用戶，形成空分復(fù)用，為其服務(wù)；(2)判斷當(dāng)前時(shí)刻是否進(jìn)行用戶調(diào)度，若K≤M，則系統(tǒng)為當(dāng)前的K個(gè)用戶傳輸數(shù)據(jù)，否則當(dāng)K＞M時(shí)，跳轉(zhuǎn)到步驟(3)；(3)對于系統(tǒng)中的每個(gè)用戶k，估計(jì)該用戶的波束到達(dá)角在多徑時(shí)延信道情況下，只需要估計(jì)最強(qiáng)主徑的到達(dá)角；為第k個(gè)用戶的波束到達(dá)角；(4)將用戶集合S按照到達(dá)角的不同，劃分為M個(gè)子集S1，S2，...SM，其中M為待調(diào)度的用戶數(shù)；S為所有用戶的集合；Sm為按照到達(dá)角劃分的第m個(gè)用戶子集；(5)對于每個(gè)子集Sm，計(jì)算該子集內(nèi)的所有用戶信道的Frobenius范數(shù)||H(k)||；||H(k)||為第k個(gè)用戶信道的Frobenius范數(shù)；(6)在每個(gè)子集中選擇具有最大Frobenius范數(shù)的用戶，該選出用戶組即為最終的調(diào)度用戶集合，系統(tǒng)將為其傳輸數(shù)據(jù)；(7)下一個(gè)傳輸時(shí)刻到來，跳轉(zhuǎn)到步驟(2)。FSA00000287491900011.tif,FSA00000287491900012.tif,FSA00000287491900013.tif
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于波束到達(dá)角的多用戶調(diào)度方法，主要包括下面三個(gè)步驟1)波束到達(dá)角估計(jì)；2)基于波束到達(dá)角的用戶子集劃分；3)選擇每個(gè)子集內(nèi)的最優(yōu)用戶。如果總用戶數(shù)為K，調(diào)度用戶數(shù)為M，則此算法將復(fù)雜度從原來的降低到2K，同時(shí)保證了性能不會(huì)有太大的損失，是一種低運(yùn)算量的次優(yōu)算法。相比于現(xiàn)有的用戶調(diào)度算法，基于波束到達(dá)角的多用戶調(diào)度方案根據(jù)信道的長時(shí)統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行用戶調(diào)度，計(jì)算復(fù)雜度低，對用戶瞬時(shí)信道狀態(tài)信息的依賴性小，不但針對無線信道的時(shí)變特性具有更強(qiáng)的魯棒性，而且能明顯減小系統(tǒng)所需要的反饋信息量。另外，本發(fā)明方案所調(diào)度的用戶信道從統(tǒng)計(jì)意義上具有良好的正交性，有效地提高了系統(tǒng)的可達(dá)信道容量。
文檔編號H04B7/08GK101969328SQ201010295100
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者洪赟, 許威, 趙春明 申請人:東南大學(xué)