CN101562505B - 一种多输入多输出系统的多用户调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多输入多输出系统的多用户调度方法，具体为：发射端向各接收端发送信道估计信号，各接收端进行信道估计并反馈给发射端，发射端通过在已选用户信道矢量的正交空间上的投影实现用户选择，并采用系统容量标准对选择的用户进行确认，最后发射端向调度得到的所有用户发送数据。本发明选择的用户数随当前信道状态自适应调整变化，提高了多输入多输出系统的传输速率，获得了系统性能的提升。

Description

一种多输入多输出系统的多用户调度方法

技术领域

本发明属于无线通信技术，尤其是涉及一种多输入多输出系统的多用户调度方法。

背景技术

随着移动通信用户数量的急剧增加和无线宽带业务(如多媒体业务)的迅速兴起，人们期望未来移动通信系统能提供更高的数据传输率(100Mbps以上)、更高的频谱效率(10bps/Hz以上)。

多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)是一种在发射端和接收端都配置多根天线的技术。MIMO是提高频谱效率的一种有效手段，它能够在不增加发射功率的前提下，成倍的提高系统的频谱效率。

实际MIMO系统的应用将引出很多与调度问题相关的问题。对于广播信道，当大量用户通过快速时变信道共享一个网络的时候，基站通过用智能调度算法改进信道。

泰尚友(Taesang Yoo)和安德瑞亚.金史密斯(Andrea Goldsmith)提出了一种半正交用户选择算法(SUS，Semi-orthogonal UserSelection)。该算法的基本思想是迭代选择一组信道矢量接近正交的用户，能够在反馈开销低的条件下获得较好的性能。但是该算法可能“排除”提升系统容量的用户，从而带来系统容量的下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种多输入多输出系统的多用户调度方法，提高多输入多输出系统的传输速率。

一种多输入多输出(MIMO)系统的多用户调度方法，包括以下步骤：

(1)发射端向所有接收端发送信道估计信号；

(2)各接收端通过接收信道估计信号估计信道矢量；

(3)各接收端将估计到的信道矢量反馈给发射端；

(4)当前已选接收端的信道矢量张成一个子空间，该子空间存在正交空间，发射端计算已选接收端以外的接收端的信道矢量在该正交空间上投影的模值平方；

(5)发射端选择投影模值平方最大的接收端，将其作为待定接收端；

(6)发射端更新已选接收端，具体为：

(6.1)将已选接收端与待定接收端合并成暂定用户集；

(6.2)计算暂定用户集的容量；

(6.3)若系统当前容量大于等于暂定用户集的容量，进入步骤(7)；若系统当前容量小于暂定用户集的容量，将待定接收端确认为已选接收端，系统当前容量更新为暂定用户集的容量，进而比较当前已选接收端的数量是否小于发送端天线数，若是，转入步骤(4)，否则进入步骤(7)；

(7)发射端向所有已选接收端发送数据。

本发明的技术效果体现在：与SUS算法相比，本发明不会“排除”提升系统容量的用户，另外，该发明能够使选择的用户数随当前信道状态自适应调整变化，从而避免增加一个用户后引起总速率下降的可能性。本发明可以在复杂度较低的情况下获得较高的系统容量。

附图说明

图1为本发明系统框架图；

图2为本发明流程图；

图3为判断流程图；

图4为本发明与SUS方法的频谱效率仿真比较图。

具体实施方式

下面结合附图具体描述本发明。

如图1所示，本发明的系统包括发射端Tr和接收端U₁，…，U_K。每个接收端均对应一个用户。以下为描述方便，如不特别说明，接收端和用户将不加区别的使用。

为了进一步描述本发明，具体考虑以下实例：系统中只有一个发射端Tr，配置4根发射天线，发射功率为P＝10dB，有U₁，…，U_K共K个接收端，每个接收端有且仅有1根接收天线。下面将结合系统流程图来讲述本实例。

整个系统工作流程如图2所示：

发射端Tr向各接收端U＝{U₁，…，U_K}发送信道估计信号 $x={\left[\begin{array}{cccc}{x}_1^{*}& x_2^{*}& x_3^{*}& x_4^{*}\end{array}\right]}^{*},$ 其中符号^*表示向量或矩阵的共轭转置；

1)各接收端进行信道估计。

信道估计信号经过信道衰减，由接收端U_j接收到的信道衰减信号为 $Y_{U_j},j=1,...,K:$

$Y_{U_j}=h_{U_j}x+W_{U_j}$

其中，

为噪声分量(假定噪声功率为1)，接收端U_j估计其信道矢量(本实例中为1×4维复矢量)。

(3)各接收端将估计到的信道信息反馈给发射端；

(4)初始化。

定义已选用户集 $S=\{s_{1,}\·\·\·,s_e\}\⊆U,$ 备选用户集T＝U-S＝{t₁，…，t_f}，e+f＝K；令已选用户集S初始值为空，即已选用户数e＝0；

(5)计算备选接收端的信道矢量在正交空间上的投影。

已选用户的信道矢量构成子空间，该子空间存在正交空间，可表示为

P^⊥＝I₄-H(S)^*(H(S)H(S)^*)^-1H(S)

其中， $H\left(S\right)={\left[\begin{array}{cccc}{h}_{s_1}^{*}& h_{s_2}^{*}& \·\·\·& h_{s_e}^{*}\end{array}\right]}^{*},$ $\begin{array}{cccc}{h}_{s_1}& h_{s_2}& \·\·\·& h_{s_e}\end{array}$ 分别为已选用户s₁，…，s_e的信道矢量，I₄表示4×4维的单位矩阵。

发射端计算各备选接收端的信道矢量 $h_{t_i},i=1,\·\·\·,f$ 在P^⊥上投影的模值的平方

并将其作为调度信息。

(6)发射端根据调度信息进行用户选择，具体为选择

最大的用户，用π表示。

(7)更新已选用户集S，具体为：

(7.1)将由步骤(6)选出的用户π与已选用户集S合并成暂定用户集S_temp＝S+{π}＝{S₁ S₂…S_e π}。

(7.2)计算暂定用户集的容量

$C_{\mathrm{temp}}=\underset{P_n:\underset{n\∈S_{\mathrm{temp}}}{\mathrm{\Σ}}{P}_n\≤P}{\max }\underset{n\∈S_{\mathrm{temp}}}{\mathrm{\Σ}}{\log }_2(1+{\mathrm{\γ}}_n{P}_n)$

其中， ${\mathrm{\γ}}_n=\frac{1}{{\left[{\left(H\left(S_{\mathrm{temp}}\right)H{\left(S_{\mathrm{temp}}\right)}^{*}\right)}^{-1}\right]}_{n,n}},$ $H\left(S_{\mathrm{temp}}\right)={\left[\begin{array}{ccccc}{h}_{s_1}^{*}& h_{s_2}^{*}& \·\·\·& h_{s_e}^{*}& h_{\mathrm{\π}}^{*}\end{array}\right]}^{*},$ h_π表示用户π的信道矢量，P_n表示给用户n分配的功率，采用“注水算法”求得

$P_n={(\mathrm{\μ}-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_n})}^{+},$ μ满足 $\underset{n\∈S_{\mathrm{temp}}}{\mathrm{\Σ}}{(\mathrm{\μ}-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_n})}^{+}=P,$ 其中 ${(\mathrm{\μ}-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_n})}^{+}=\max \{0,\mathrm{\μ}-\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_n}\}.$

(7.3)判断调度是否结束，具体的判断流程见图3。

已选用户集S的系统容量用C(初始值为0bps)表示。如果C≥C_temp，则认为此次调度用户集为S，调度结束并进入步骤(8)。

如果C＜C_temp，更新已选用户集S＝S_temp，更新备选用户集T＝{R·1 R·2…R·K}-S，e＝e+1，f＝f-1，更新已选用户集容量C＝C_temp。进而比较已选用户数e与可同时支持的最大用户数(该实现例中为4)，如果已选用户数e小于可同时支持的最大用户数(该实例中为e＜4)，转入步骤(5)继续调度；否则调度结束，进入步骤(8)。

(8)发射端向调度得到的已选用户集中的所有用户同时发送数据。

图4为本发明方案与SUS算法的频谱效率仿真比较图。在发射天线数N＝4、接收天线数M＝1、发射功率P＝10dB，，用户数K＝10～100的条件下，仿真了本发明和SUS算法的频谱效率。从图中可以看出，本发明频谱效率优于SUS算法。本发明在实际系统条件下具有复杂度低且性能优异的特点。

Claims (1)

1.一种多输入多输出系统的多用户调度方法，包括以下步骤：

(1)发射端向所有接收端发送信道估计信号；

(2)各接收端通过接收信道估计信号估计信道矢量；

(3)各接收端将估计得到的信道矢量反馈给发射端；

(4)当前已选接收端的信道矢量构成一个子空间，该子空间存在正交空间，发射端计算已选接收端以外的接收端的信道矢量在该正交空间上投影的模值平方；

(5)发射端选择投影模值平方最大的接收端，将其作为待定接收端；

(6)发射端更新已选接收端，具体为：

(6.1)将已选接收端与待定接收端合并成暂定用户集；

(6.2)计算暂定用户集的容量；

(6.3)若系统当前容量大于等于暂定用户集的容量，进入步骤(7)；若系统当前容量小于暂定用户集的容量，将待定接收端确认为已选接收端，系统当前容量更新为暂定用户集的容量，进而比较当前已选接收端的数量是否小于发送端天线数，若是，进入步骤(4)，否则进入步骤(7)；

(7)发射端向所有已选接收端发送数据。

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