CN100589474C - 一种正交频分复用多天线系统中的跨层调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明正交频分复用多天线系统中的跨层调度方法，特征是每个用户都被赋予一个其值随用户的服务状态和信道状态动态变化的优先级参数；基站根据优先级参数选择使系统总的优先级参数最大的用户集传输；调度被划分为用户选择和功率分配两个步骤；用户选择设在各天线和各子载波间均分发送功率，选择使优先级最大的用户进行服务；功率分配根据用户选择的结果，首先为分配功率以满足实时语音用户传输速率要求，然对其余用户的功率分配采用基于优先级的灌水方法。本发明能有效地在各类业务之间动态地分配系统资源，以满足不同业务之间的服务质量要求，并且可以通过选择信道质量较好的用户服务以实现对系统资源的有效利用。

Description

一种正交频分复用多天线系统中的跨层调度方法

技术领域：

本发明属于移动通信单小区多天线下行信道多用户调度技术领域，特别涉及多天线下行信道中基站结合用户信道信息和业务信息进行跨层调度的方法。

背景技术：

随着宽带无线接入系统(IEEE 802.16)、中国超三代无线通信系统(FUTUREBeyond3G)等宽带无线通信系统的出现与成熟，如何有效地利用稀缺的带宽资源，以及如何为用户提供高速、高质量的多媒体服务，已成为一个重要的研究方向，而调度方法是其中一个关键问题。未来的调度器设计需要同时考虑用户的服务状态和信道信息。如果调度器在调度时不考虑用户的服务状态，会使用户得到的服务质量较差。而如果调度器不考虑用户的信道信息，则无法实现对带宽的有效利用，造成珍贵无线资源的浪费。结合用户信道信息和业务信息的跨层调度是目前移动通信领域广泛研究的课题，也是未来无线通信系统中为多媒体业务提供服务质量保证的广泛研究的有效方法。

《国际电子与电气工程师协会通信选刊》(IEEE Journal on Selected Areas inCommunications，Vol.24，Issue 3，March 2006 Page(s)：528-541)介绍的一种实现多用户多天线分集迫零波束成型方法，通过选择信道正交性好同时增益大的用户进行传输能有效地利用多用户分集，从而增强系统频谱效率。但这种方法仅仅针对没有时延和传输速率要求的业务，而当用户的业务存在时延和传输速率要求时，由于这种调度方法忽略了这些要求，使基站无法根据用户的服务状态信息进行动态调整，因此这种调度器无法适应未来的多媒体通信需求。

《国际电子与电气工程师协会无线通信学报》(IEEE Wireless Communications.，Vol.1，No.4，October 2002，Page(s)611-618)介绍的一种用于多天线用户系统中的调度方法，用户调度的优先级由其业务类型确定，低优先级的用户只能在高优先级的用户的数据被传输完后才能得到服务，这样能较好地保证高优先级业务的服务质量。但由于这种方法调度时没有结合信道信息，调度器无法开拓多用户分集，使得系统频谱效率较低。

技术内容：

本发明提出一种正交频分复用多天线系统中的跨层调度方法，通过结合用户信道信息和用户服务状态信息对用户进行动态调度，在保证系统中多媒体用户的服务质量的同时能实现对系统资源的有效利用。

本发明正交频分复用多天线系统中的跨层调度方法，基站装配有多根天线，用户装配单天线；系统带宽划分为多个子载波；基站与用户的通信采用正交频分复用-空分多址方式；用户数据到达基站后按照其业务类型被缓存到与之对应的队列中；每个用户通过反馈链路反馈其检测出的信道状态信息到基站；基站结合信道状态信息、服务状态需求信息进行用户调度和功率分配；用户数据经过迫零波束成型和正交频分复用调制后通过天线发送到用户；用户接收机根据基站在训练阶段发射的导频信号和本接收机在训练阶段的接收信号进行反向求解获得信道状态信息；

其特征在于：

所述调度划分为用户选择和功率分配两个步骤；调度器在每个时隙运行一次，决定当前时隙要传输的用户集；调度器根据每个用户k的服务状态信息和和在子载波n传输速率赋予一个与之对应优先级参数(Pr_k，n)；基站根据优先级参数Pr_k，n选择使系统总的优先级参数

最大的用户集传输；完成用户选择后，基站对用户数据经过迫零波束成型确定各用户在各子载波上的空间子信道实际信道增益；基站按照各用户在各子载波上的空间信道增益和用户传输速率的要求，按基于优先级的功率灌水准则将功率分配到各用户；

将用户k在子载波n上的优先级参数Pr_k，n定义为

Pr_k，n＝Serv_S_k×r_k，n    (F1)

其中，用户k在子载波n上获得的传输速率r_k，n＝log₂(1+P_k，nγ_k，n)，γ_k，n为用户k在子载波n上的等效信道增益，P_k，n为分配给用户k在子载波n上的功率；Serv_S_k为用户k的服务状态函数；设系统中存在四种业务类型，实时语音业务、实时视频业务、非实时业务和尽力型业务；各类业务的服务状态函数Serv_S_k由如下公式确定：

对于实时语音业务(Voice)用户k：

$\mathrm{Serv}\_S_k=e^[T1/(T1-W_{\mathrm{Voice}}^k)]---\left(F2\right)$

对于实时视频业务(Video)用户k：

$\mathrm{Serv}\_S_k=e^[T2/(T2-W_{\mathrm{Video}}^k)]---\left(F3\right)$

对于非实时业务(NRT)用户k：

$\mathrm{Serv}\_S_k=e^({R3}_{\mathrm{NRT}}/C_{\mathrm{NRT}}^k)---\left(F4\right)$

对于尽力型业务(BE)用户k：

Serv_S_k＝1              (F5)

式(F2)中的T1为语音业务用户k的数据包最大时延门限，W_Voice ^k为其包等待时间；(F3)中的T2为视频业务用户k的数据包最大时延门限，W_Video ^k为其最大包等待时间；(F4)中的R3_NRT为非实时业务用户k的最小传输速率要求，C_NRT ^k为其到当前时刻t为止获得的平均速率，其值通过一个加窗的低通方法计算：

$C_{\mathrm{NRT}}^k\left(t\right)=C_{\mathrm{NRT}}^k(t-1)(1-1/t_c)+r_{\mathrm{NRT}}^k(t-1)/t_c---\left(F6\right)$

其中r_NRT ^k(t-1)为非实时业务用户k在上个时刻的传输速率，t_c为时间窗的长度；设系统中有K个用户，N个子载波，所述用户选择的具体操作步骤如下：

步骤1，初始化，设备选用户集Γ₁＝{1，2，...，K}，每个子载波n上选出的用户数user(n)为0，user(n)＝0，迭代次数i＝1；

步骤2，计算中间变量 $g_{k^{\′},n}=h_{k^{\′},n}-\underset{j=1}{\overset{\mathrm{user}\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_{k^{\′},n}{g}_{j,n}^{*}}{{\left|\right|g_{j,n}\left|\right|}^2}{g}_{\left(j\right)}=h_{k^{\′},n}(I-\underset{j=1}{\overset{\mathrm{user}\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}}\frac{g_{j,n}^{*}{g}_{j,n}}{{\left|\right|g_{j,n}\left|\right|}^2});$

当user(n)＝1时，g_k，n＝h_k，n；h_k，n为用户k与基站之间在子载波n上的信道矢量，

该变量g_k，n为h_k，n在由{g_1，n，...，g_{(user(n)-1)，n}}展成的子空间上的投影；

步骤3，优先级参数更新，设置 $P_{k,n}=\frac{R_T}{\mathrm{MN}},$ γ_k＝‖g_k||²，计算Γ_i中所有用户的Pr_k；P_T为系统总的发送功率限制，M为装配在基站的发送天线数；

步骤4，找出当前最大的Pr_k，和与它对应的用户k^*以及所在的子载波n^*， $k^{*},n^{*}=\underset{k\∈\{1,...,K\}}{\underset{n\∈\{1,...,N\}}{\arg \max }}{\mathrm{Pr}}_{k,n},$ 若user(n^*)＜M，将用户k^*分配到子载波n^*，user(n^*)＝user(n^*)+1，S(i)＝k^*，i＝i+1；S(i)记录了用户选择的顺序；若user(n^*)≥M，则设 ${\mathrm{Pr}}_{k^{*},n^{*}}=0,$ 重复步骤4；

如果Γ_i非空，并且U中用户数|U|满足|U|≤M，则重复步骤2；否则，算法终止；

完成调度后，被选择在子载波n上的用户的信道矩阵可以表示为H_n，用户k在子载波n上的实际信道增益 ${\mathrm{\γ}}_{k,n}=1/{\left(H_n{H_n}^H\right)}_{k,k}^{-1},$ 首先分配功率P_k，n给实时语音业务用户k：

其中R1_Voice为实时语音业务要求的恒定传输比特率；如果分配给所有实时语音用户的功率超出了总的传输功率的限制，则最后被调度的用户将不被传输，即其获得的功率为0；重新计算剩下的用户的实际信道增益，并为实时语音用户分配功率，直到所有的实时语音用户的传输信噪比达到要求或者本次所有实时语音用户传输功率都为零为止；分配给除实时语音业务用户外的其他用户的功率为：

$P_{k,n}{[\mathrm{Serv}\_S_k\·\mathrm{\μ}-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{k,n}}]}^{+}---\left(F7\right)$

式(F7)中，如果x≥0，算符[x]⁺＝x，否则算符[x]⁺＝0；而μ的选择须满足：

$\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{P}_{k,n}\≤P_T---\left(F8\right).$

以下通过分析本发明方法所依据的原理，并与现有技术相比较来说明本发明的优点。

由于系统中存在各种不同的业务，包括实时语音业务、实时视频业务、非实时业务和尽力型业务。这四种业务分别有不同的服务质量的要求：

1)，实时语音业务要求以一个恒定的比特率(R1_Voice)传输，这类业务要求系统提供传输速率和时延的保证；超过时延的数据包将变得无用，而被丢弃；衡量这类业务服务质量的参数是丢包率(PLR)和传输速率；

2)，实时视频业务同样要求系统提供传输速率和时延保证，但相对于语音业务，它可以忍受更大的时延。衡量这类业务服务质量的参数是丢包率和最大时延；

3)，非实时业务仅对传输速率有要求；这类业务对时延不敏感，仅要求传输时保证一个最小传输速率；衡量这类业务服务质量的参数是获得的最小传输速率；

4)，尽力型业务对传输速率和时延均没有要求。

这四类业务有不同的服务质量要求，在调度时必须充分考虑到各项业务不同的要求，即根据不同业务的不同的服务状态信息进行调度。本发明采用了Serv_S_k来反映用户k当前的服务状态，Serv_S_k的值越大，用户k得到的服务就越差，用户k就需要越快得得到服务以获得改善；由于这四种业务有不同的服务质量要求，本发明分别定义其服务状态信息如下：

对于实时语音业务(Voice)用户k，Serv_S_k的大小由其数据包的等待时间(W_Voice ^k)确定，W_Voice ^k变大，说明用户k等待的时间越长，其被丢弃的概率越大，从而其获得服务的要求越紧迫，则Serv_S_k也必须随W_Voice ^k变大，其服务状态信息Serv_S_k定义为：

$\mathrm{Serv}\_S_k=e^[T1/(T1-W_{\mathrm{Voice}}^k)]---\left(F2\right)$

对于实时视频业务用户k，同样，其Serv_S_k随其数据包的等待时间(W_Video ^k)变化，W_Video ^k越大，Serv_S_k越大：

$\mathrm{Serv}\_S_k=e^[T2/(T2-W_{\mathrm{Video}}^k)]---\left(F3\right)$

对于非实时业务用户k，Serv_S_k的大小由其获得的平均传输速率(C_NRT ^k)确定，C_NRT ^k越小，说明用户k在较长一段时间内一直没有得到服务机会或者获得传输速率一直很小，无法满足速率要求，从而其获得服务的要求越紧迫，则Serv_S_k越大：

$\mathrm{Serv}\_S_k=e^({R3}_{\mathrm{NRT}}/C_{\mathrm{NRT}}^k)---\left(F4\right)$

而对于尽力型业务用户k，由于其没有具体的服务质量要求，因此规定：

Serv_S_k＝1                (F5)

本发明需要在保证用户服务质量的同时，保证系统的资源利用率，因此，本发明定义了用户k在子载波n上的优先级参数Pr_k，n为

Pr_k，n＝Serv_S_k×r_k，n    (F1)

为用户k的服务状态信息Serv_S_k和其在子载波n上所获得传输速率的乘积。

本发明将系统中的总优先级定义为系统中所有用户的优先级之和，通过最大化系统的总优先级以平衡有效利用系统资源和为用户提供服务质量保证的需求；由于优先级参数Pr_k由两部分组成，一部分由服务状态决定，一部分由信道状态信息决定，这样，一方面可以保证对系统资源的有效利用；系统不会选择信道状态太差的用户，可以很好地开拓多用户增益；另一方面可以给与各类业务很好的服务质量保证：对于实时语音和实时视频业务用户，当其最大包等待时间(W_Voice ^k/W_Video ^k)变大时，其优先级会越来越大，这样即使用户的信道状态不理想，用户仍然会被尽快传输；系统对非实时用户提供了吞吐率的保证，当非实时用户平均吞吐率C_NRT ^k小于其最小传输速率要求时，非实时用户会获得高优先级，这样也会被尽快传输；这样最大化系统中总优先级可以归结为如下优化问题：

$\max \underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Pr}}_{k,n}---\left(F9\right)$

满足如下条件

$\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{P}_{k,n}\×x_{k,n}\≤P_T---\left(F10\right)$

$\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{x}_{l,n}=M---\left(F11\right)$

$r_k^{\mathrm{Voice}}=\log (1+P_{k,n}{\mathrm{\γ}}_{k,n})\≥{R1}_{\mathrm{voice}}---\left(F12\right)$

其中x_k，n＝{0，1}，如果用户k分配到了子载波n，则x_k，n＝1，否则x_k，n＝0；而(F12)表示要求语音业务用户的传输速率不得小于R1_Voice。

求解这个问题(F9)需要同时考虑用户选择以及功率分配，使得优化问题的最优解的复杂度随系统中的用户个数指数增加。这样的复杂度显然太高。本发明采用了一种较为简单的方案以逼近最优解：将最优解分为两个相对独立的过程，用户选择和功率分配；在用户选择阶段，首先假设功率是在各天线间和各子载波间均分，这样在用户选择时就可以不考虑功率分配的问题。此时，用户的优先级完全由其服务状态参数Serv_S_k和等效信道增益γ_k，n决定。本发明通过最大化系统总优先级很好地平衡了有效利用无线资源和为用户提供不同服务质量的需求。

而传统的多用户调度器由于以最大化系统吞吐率为目的，这样调度器只选择信道状态信息较好的用户传输，而忽略了用户的服务质量的要求。当实时语音或实施视频用户的信道状态不理想时，即使其最大包等待时间变得很大，用户仍然不会获得传输机会，从而造成实时语音或实时视频用户的服务质量很差，无法满足未来多媒体业务的需要。

同样，对于用户优先级由用户业务类型决定的调度器，由于其无法根据用户的信道状态信息动态调整，使得系统无法在每个时隙去选择信道状态号的用户进行传输，无法开拓多用户分集，使得系统资源利用率较低。

附图说明：

图1是本发明正交频分复用多天线系统中的跨层调度方法系统示意图。

图2是本发明正交频分复用多天线系统中的跨层调度方法与其他方法在不同的实时视频用户数下的尽力型用户的总吞吐率比较示意图。

图3是本发明正交频分复用多天线系统中的跨层调度方法与其他方法在不同的实时视频用户数下的实时语音用户和实时视频用户丢包率比较示意图。

图4是本发明正交频分复用多天线系统中的跨层调度方法与其他方法在不同的尽力型用户数下的尽力型用户的总吞吐率比较示意图。

图5是本发明正交频分复用多天线系统中的跨层调度方法与其他方法在不同的尽力型用户数下的实时语音用户和实时视频用户丢包率比较示意图。

具体实施方式：

以下结合附图说明本发明的实施例。

实施例1：

本实施例以基站端配有M＝4个发送天线；系统带宽为640[KHz]，包括8个子载波；基站总发送功率P_T为20dB；一帧中包含10个时隙，一个时隙为1ms；各用户与基站的信道服从瑞利分布，并且相互间独立；实时语音用户的数据包到达服从开关模型，开状态和关状态的持续时间都服从指数分布，开状态和关状态的平均持续时间分别是800ms和1350ms；当实时语音用户在开状态时，每10ms就有一个大小为160Kbit的数据包到达到基站；每个包的时延门限，T1＝20ms；实时视频用户数据包到达服从多状态模型，在每种状态内数据到达速率均恒定，数据到达速率服从截断的指数分布，其均值、最小值和最大值分别为150Kbps、40Kbps和200Kbps，各状态持续时间服从指数分布，其均值为160ms；非实时用户始终有数据要传输，其最小传输速率为10Kbps；尽力型业务同样始终有数据要传输。估计非实时用户平均传输速率的时间窗为1000ms。

本发明正交频分复用多天线系统中的跨层调度方法系统示意图如图1所示：

媒体接入控制层1根据各用户业务类型，将各用户的数据2存放在与之对应的用户缓存模块3中；系统中的用户15通过反馈链路将各自的信道状态信息16反馈回基站；基站的调度器5包括用户选择模块6和功率分配模块8两个部分；各用户缓存模块3向基站报告各自的业务状态信息4；用户选择模块6根据信道状态信息16和业务状态信息4选择用户集；根据用户选择模块的结果7，功率分配模块8按照功率分配算法给各用户分配功率；用户数据9经过迫零波束成型模块10组成待发送数据11；待发送数据11经过逆傅里叶变换模块12后从发送天线13发送到用户15；用户15通过其接收天线14接收信号。

下面具体说明基站的操作流程：

第一步，媒体接入控制层1根据用户数据2所对应目的用户和数据的业务类型，将用户数据2存放在与之对应的用户缓存模块3中；

第二步，调度器5根据各用户缓存3，确定各用户的服务状态信息4，包括实时语音业务的最大时延T1、实时语音用户k的等待时间W_Voice ^k、实时视频业务的最大等待时延T2、实时视频用户k的等待时间W_Video ^k、非实时业务的最小传输速率R3_NRT和非实时用户k的当前平均速率C_NRT ^k。

第三步，用户15通过其接收天线14接收到信息，估计当前的信道状态信息16，并通过反馈信道反馈回调度器5。

第四步，用户选择模块6根据这些信息确定待发送用户：

步骤1，初始化，设备选用户集Γ₁＝{1，2，...，K}，每个子载波n上选出的用户数user(n)为0，user(n)＝0，迭代次数i＝1；

步骤2，计算中间变量

当user(n)＝1时，g_k，n＝h_k，n；h_k，n为用户k与基站之间在子载波n上的信道矢量，该变量g_k，n为h_k，n在由{g_1，n，...，g_{(user(n)-1)，n}}展成的子空间上的投影；

步骤3，优先级参数更新，设置

计算Γ_i中所有用户的Pr_k；P_T为系统总的发送功率限制，M为装配在基站的发送天线数；

步骤4：找出当前最大的Pr_k，和与它对应的用户k^*以及所在的子载波n^*，

若user(n^*)＜M，将用户k^*分配到子载波n^*，user(n^*)＝user(n^*)+1，S(i)＝k^*，i＝i+1；S(i)记录了用户选择的顺序；若user(n^*)≥M，则设

重复步骤4；

如果Γ_i非空，并且U中用户数|U|满足|U|≤M，则重复步骤2；否则，算法终止；

第五步，完成调度后，功率分配模块8根据用户选择模块6的结果进行功率分配。经用户选择模块6选择在子载波n上传输的用户7的信道矩阵为H_n，则用户k在子载波n上的实际信道增益

功率分配模块8首先分配功率P_k，n给实时语音业务用户k：

其中R1_Voice为实时语音业务要求的恒定传输比特率；如果分配给所有实时语音用户的功率超出了总的传输功率的限制，则最后被调度的用户将不被传输，即其获得的功率为0；重新计算剩下的用户的实际信道增益，并为实时语音用户分配功率，直到所有的实时语音用户的传输信噪比达到要求或者本次所有实时语音用户传输功率都为零为止；功率分配模块8分配给除实时语音业务用户外的其他用户的功率为：

$P_{k,n}{[\mathrm{Serv}\_S_k\·\mathrm{\μ}-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{k,n}}]}^{+}---\left(F7\right)$

(F7)中，如果x≥0，算符[x]⁺＝x，否则算符[x]⁺＝0；而μ的选择须满足：

$\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{P}_{k,n}\≤P_T---\left(F8\right)$

则子载波n上功率分配矩阵为P_n＝diag{P_1，n，…，P_i(n)，n}；经过功率分配模块8功率分配后的数据9为P_nS_n；

第六步，P_nS_n经迫零波束成型模块10迫零波束成型，其迫零波束成型矩阵W_n为：

则迫零波束成型后的用户信号11为W_nP_nS_n；

第七步，用户信号11W_nP_nS_n经逆傅里叶变换模块12后由发送天线13发送到目的用户15。

第八步，目标用户15通过接收天线14接收数据。

图2、图3分别给出了本实施例中当系统中实时语音用户数、非实时用户数和尽力型用户数都为20，而实时视频用户数从3增加到30时，实时语音用户和实时视频用户丢包率变化示意图以及尽力型用户的总吞吐率变化示意图；结合图2、图3，本发明正交频分复用多天线系统中的跨层调度器所能达到的实时语音用户的丢包率曲线A和实时视频用户的丢包率曲线D随着系统中实时视频用户数的增加始终较低，本发明调度器所能达到的尽力型用户的总吞吐率曲线G则随着实时视频用户数的增加逐渐下降，这说明本发明能够根据系统中不同的实时视频用户数将原本分配给尽力型用户的系统资源动态分配分配给增加的实时视频用户，以保证增加的实时视频用户的服务质量；而以最大化系统频谱效率为目标的调度器所能达到的实时语音用户的丢包率曲线B和实时视频用户的丢包率曲线E始终很大，虽然其所能达到的尽力型用户的总吞吐率曲线H也是很高的，这说明以最大化系统频谱效率为目标的调度器则无法动态调整系统资源，尽力型用户占用了过多的资源，使得实时语音用户和实时视频用户的丢包率都很高，不能为实时语音和实时视频用户提供服务质量保证；将实时用户的优先级硬性设为优于非实时用户的调度器所能达到的实时语音用户的丢包率曲线C和实时视频用户的丢包率曲线F都很低，但所能达到的尽力型用户的总吞吐率I很低，并且大大小于其他两种调度器，这说明将实时用户的优先级硬性设为优于非实时用户的调度器同样无法动态调整系统资源，系统中的实时语音用户和实时视频用户始终强行占用系统资源，使得系统无法根据用户的信道状态信息将系统资源分配给信道状态较好的用户以增加系统资源利用率。

图4、图5分别给出了本实施例中当系统中实时语音用户数、实时视频用户数和非实时用户数都为20，而尽力型用户数从3增加到30时，实时语音用户和实时视频用户丢包率变化示意图以及尽力型用户的总吞吐率变化示意图；结合图4、图5，本发明正交频分复用多天线系统中的跨层调度器所能达到的实时语音用户的丢包率曲线J和实时视频用户的丢包率曲线M始终很低，而其所能达到的尽力型用户的总吞吐率曲线P随着尽力型用户数的增加逐渐增加，这说明本发明能有效保证实时语音用户和实时视频用户的服务质量，不会随着尽力型用户端的增加而影响它们的服务质量，并且尽力型用户的总吞吐率曲线P的增加说明了本发明能根据尽力型用户的信道状态信息选择当前信道质量较好的用户进行传输，从而开拓了多用户分集，实现了对系统资源的有效利用；以最大化系统频谱效率为目标的调度器所能达到的实时语音用户的丢包率曲线K和实时视频用户的丢包率曲线N则很大，并且随着尽力型用户的增加而快速上升，其所能达到的尽力型用户的总吞吐率曲线Q也保持很高的水平，说明以最大化系统频谱效率为目标的调度器无法保证实时语音用户和实时视频用户的服务质量；将实时用户的优先级硬性设为优于非实时用户的调度器所能达到的实时语音用户的丢包率曲线L和实时视频用户的丢包率曲线O很低，但其所能达到的尽力型用户的总吞吐率曲线R则很差，且其随系统中尽力型用户数的增加几乎没有变化，这说明将实时用户的优先级硬性设为优于非实时用户的调度器无法开拓多用户分集，无法有效利用系统资源。

由此可见，本发明正交频分复用多天线系统中的跨层调度方法，通过引入优先级参数，能有效地在各类业务之间动态地分配系统资源，以满足不同业务之间的服务质量要求，并且可以通过选择信道质量较好的用户服务以实现对系统资源的有效利用。

Claims (1)

1、一种正交频分复用多天线系统中的跨层调度方法，基站装配有多根天线，用户装配单天线；系统带宽划分为多个子载波；基站与用户的通信采用正交频分复用-空分多址方式；用户数据到达基站后按照其业务类型被缓存到与之对应的队列中；每个用户通过反馈链路反馈其检测出的信道状态信息到基站；基站结合信道状态信息、服务状态需求信息进行用户调度和功率分配；用户数据经过迫零波束成型和正交频分复用调制后通过天线发送到用户；用户接收机根据基站在训练阶段发射的导频信号和本接收机在训练阶段的接收信号进行反向求解获得信道状态信息；

其特征在于：

所述调度划分为用户选择和功率分配两个步骤；调度器在每个时隙运行一次，决定当前时隙要传输的用户集；调度器根据每个用户k的服务状态信息和和在子载波n传输速率赋予一个与之对应优先级参数(Pr_k，n)；基站根据优先级参数Pr_k，n选择使系统总的优先级参数

最大的用户集传输；完成用户选择后，基站对用户数据经过迫零波束成型确定各用户在各子载波上的空间子信道实际信道增益；基站按照各用户在各子载波上的空间信道增益和用户传输速率的要求，按基于优先级的功率灌水准则将功率分配到各用户；

将用户k在子载波n上的优先级参数Pr_k，n定义为

Pr_k，n＝Serv_S_k×r_k，n    (F1)

其中，用户k在子载波n上获得的传输速率r_k，n＝log₂(1+P_k，nγ_k，n)，γ_k，n为用户k在子载波n上的等效信道增益，P_k，n为分配给用户k在子载波n上的功率；Serv_S_k为用户k的服务状态函数；设系统中存在四种业务类型，实时语音业务、实时视频业务、非实时业务和尽力型业务；各类业务的服务状态函数Serv_S_k由如下公式确定：

对于实时语音业务(Voice)用户k：

$\mathrm{Serv}\_S_k=e^[T1/(T1-W_{\mathrm{Voice}}^k)]---\left(F2\right)$

对于实时视频业务(Video)用户k：

$\mathrm{Serv}\_S_k=e^[T2/(T2-W_{\mathrm{Video}}^k)]---\left(F3\right)$

对于非实时业务(NRT)用户k：

$\mathrm{Serv}\_S_k=e^({R3}_{\mathrm{NRT}}/C_{\mathrm{NRT}}^k)---\left(F4\right)$

对于尽力型业务(BE)用户k：

Serv_S_k＝1        (F5)

式(F2)中的T1为语音业务用户k的数据包最大时延门限，W_Voice ^k为其包等待时间；(F3)中的T2为视频业务用户k的数据包最大时延门限，W_Video ^k为其最大包等待时间；(F4)中的R3_NRT为非实时业务用户k的最小传输速率要求，C_NRT ^k为其到当前时刻t为止获得的平均速率，其值通过一个加窗的低通方法计算：

$C_{\mathrm{NRT}}^k\left(t\right)=C_{\mathrm{NRT}}^k(t-1)(1-1/t_c)+r_{\mathrm{NRT}}^k(t-1)/t_c---\left(F6\right)$

其中r_NRT ^k(t-1)为非实时业务用户k在上个时刻的传输速率，t_c为时间窗的长度；

设系统中有K个用户，N个子载波，所述用户选择的具体操作步骤如下：

步骤1，初始化，设备选用户集Γ₁＝{1，2，...，K}，每个子载波n上选出的用户数user(n)为0，user(n)＝0，迭代次数i＝1；

步骤2，计算中间变量 $g_{k^{\′},n}=h_{k^{\′},n}-\underset{j=1}{\overset{\mathrm{user}\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}}\frac{h_{k^{\′},n}{g}_{j,n}^{*}}{{\left|\right|g_{j,n}\left|\right|}^2}{g}_{\left(j\right)}=h_{k^{\′},n}(I-\underset{j=1}{\overset{\mathrm{user}\left(n\right)}{\mathrm{\Σ}}}\frac{g_{j,n}^{*}{g}_{j,n}}{{\left|\right|g_{j,n}\left|\right|}^2});$ 当user(n)＝1时，g_k，n＝h_k，n；h_k，n为用户k与基站之间在子载波n上的信道矢量，该变量g_k，n为h_k，n在由{g_1，n，...，g_{(user(n)-1)，n}}展成的子空间上的投影；

步骤3，优先级参数更新，设置 $P_{k,n}=\frac{P_T}{\mathrm{MN}},$ γ_k＝||g_k||²，计算Γ_i中所有用户的Pr_k；P_T为系统总的发送功率限制，M为装配在基站的发送天线数；

步骤4，找出当前最大的Pr_k，和与它对应的用户k^*以及所在的子载波n^*， $k^{*},n^{*}=\underset{k\∈\{1,...,K\}}{\underset{n\∈\{1,...,N\}}{\arg \max }}{\mathrm{Pr}}_{k,n},$ 若user(n^*)＜M，将用户k^*分配到子载波n^*，user(n^*)＝user(n^*)+1，S(i)＝k^*，i＝i+1；S(i)记录了用户选择的顺序；若user(n^*)≥M，则设 ${\mathrm{Pr}}_{k^{*},n^{*}}=0,$ 重复步骤4；

如果Γ_i非空，并且U中用户数|U|满足|U|≤M，则重复步骤2；否则，算法终止；

完成调度后，被选择在子载波n上的用户的信道矩阵可以表示为H_n，用户k在子载波n上的实际信道增益 ${\mathrm{\γ}}_{k,n}=1/{\left(H_n{H_n}^H\right)}_{k,k}^{-1},$ 首先分配功率P_k，n给实时语音业务用户k： $P_{k,n}=(2^{{\mathrm{Rl}}_{\mathrm{Voice}}}-1)/{\mathrm{\γ}}_{k,n};$ 其中R1_Voice为实时语音业务要求的恒定传输比特率；如果分配给所有实时语音用户的功率超出了总的传输功率的限制，则最后被调度的用户将不被传输，即其获得的功率为0；重新计算剩下的用户的实际信道增益，并为实时语音用户分配功率，直到所有的实时语音用户的传输信噪比达到要求或者本次所有实时语音用户传输功率都为零为止；分配给除实时语音业务用户外的其他用户的功率为：

$P_{k,n}={[\mathrm{Serv}\_S_k\·\mathrm{\μ}\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{k,n}}]}^{+}---\left(F7\right)$

式(F7)中，如果x≥0，算符[x]⁺＝x，否则算符[x]⁺＝0；而μ的选择须满足：

$\underset{n}{\mathrm{\Σ}}\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{P}_{k,n}\≤P_T---\left(F8\right).$

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