CN101909359A - 多用户比例公平调度系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多用户比例公平调度系统，包括基站、多个终端和信噪比计算模块，基站包括平均请求速率记录更新模块、平均传输速率记录更新模块、导频符号模块、瞬时请求速率计算模块、用户选择模块和数据符号模块。其中，用户选择模块根据平均请求速率记录更新模块记录的平均请求速率、平均传输速率记录更新模块记录的平均传输速率、瞬时请求速率计算模块计算的瞬时请求速率以及一指数参数计算每个用户的优先级系数，选择优先级系数最大的用户或用户集作为备选传输用户。本方法能在各个用户的信道状态显著不同时保证闭环MIMO系统多用户调度的公平性。本发明同时公开了一种多用户比例公平调度方法。

Description

多用户比例公平调度系统及方法

技术领域

本发明涉及多输入多输出(MIMO)通信技术，更具体来说，本发明涉及MIMO系统中的多用户调度技术。

背景技术

闭环MIMO系统典型地从接收端向发射端发送反馈信道状态信息，发射端根据所述反馈信道状态信息选择合适的用户进行传输。虽然所述反馈信道状态信息会消耗在其它情况下用于数据业务量的带宽，但是其有助于提升系统性能。对于闭环MIMO系统来说，评价系统性能的指标往往是系统的吞吐量，即系统中所有用户接收和发送数据量的总和。但在实际系统中仅考虑系统的吞吐量是不够的，有些远离基站并在比较差的信道中的用户可能很长时间内都不会被服务，直到“饿死”，这时就需要考虑系统公平了性了，同一个系统里用户服务质量(即数据传输量)差距越大，系统的公平性就越差；反之，则公平性就越好。系统的公平性降低会导致一部分用户服务质量严重下降，所以在MIMO系统中公平性和吞吐量是同样需要重视的。目前，普遍采用比例公平调度(PFS)方法来维持闭环MIMO系统多用户调度的公平性。

然而，实践证明当各个用户的信道状态相似时，所述比例公平调度方法可以保证闭环MIMO系统多用户调度的公平性，系统的公平性好，而当各个用户的信道状态显著不同，信道质量差异加剧时，所述比例公平调度方法由于算法本身的特性不足以保证闭环MIMO系统多用户调度的公平性，系统的公平性不佳。

因此，有必要提供一种改进的多用户比例公平调度系统及方法来克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种多用户比例公平调度系统及方法，能在各个用户的信道状态显著不同时，保证闭环MIMO系统多用户调度的公平性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多用户比例公平调度系统，包括基站和与所述基站无线通信的多个终端，所述多用户比例公平调度系统还包括信噪比计算模块，用于根据每个终端接收的导频符号计算每个终端的当前信噪比数据。所述基站包括：平均请求速率记录更新模块和平均传输速率记录更新模块，分别用于记录时间窗内每个终端的平均请求速率和平均传输速率以及在每个相干时间后更新每个终端的平均请求速率和平均传输速率；导频符号模块，用于在相干时间开始时向每个终端发射相同的导频符号；瞬时请求速率计算模块，用于根据所述信噪比计算模块发送的每个终端的信噪比数据计算与每个终端通信的瞬时请求速率：用户选择模块，用于根据平均请求速率记录更新模块记录的平均请求速率、平均传输速率记录更新模块记录的平均传输速率、瞬时请求速率计算模块计算的瞬时请求速率以及一指数参数计算每个用户的优先级系数，选择优先级系数最大的用户或用户集作为备选传输用户；数据符号模块，用于发送数据符号发送至所述选择的用户或发送和信号至用户集以使用户集中的每个终端从和信号中提取数据符号。

在本发明的一个实施例中，所述基站是3G/B3G蜂窝通信网络的基站、WIMAX或4G系统的接入点。

较佳地，所述指数参数的取值范围为0至4。

另外，本发明提供了一种一种多用户比例公平调度方法，包括如下步骤：(1)记录时间窗内每个终端的平均请求速率以及平均传输速率；(2)在相干时间开始时向每个终端发射相同的导频符号信号；(3)在每个终端根据接收的导频符号信号计算当前信噪比数据并发送所述当前信噪比数据后，根据每个终端的信噪比数据计算与每个终端通信的瞬时请求速率：(4)根据所述平均请求速率、平均传输速率、瞬时请求速率、以及指数参数计算每个用户的优先级系数，选择优先级系数最大的用户或用户集作为备选传输用户；(5)发送数据符号发送至所述选择的用户或发送和信号至用户集以使用户集中的每个终端从和信号中提取数据符号；(6)在每个相干时间后更新每个终端的平均请求速率、以及平均传输速率。

在本发明的一个实施例中，所述步骤(3)中的每个终端发送所述当前信噪比数据具体为：当终端的当前信噪比数据超过一反馈门限时，所述终端发送所述当前信噪比数据。

在本发明的另一实施例中，所述步骤(5)具体为：将所述选择的用户所需的数据符号发送至所述选择的用户；或将所述选择的用户集所需的和信号发送至所述选择的用户集，所述用户集中的每个终端从所述和信号中提取所需数据符号。

在本发明的再一实施例中，所述步骤(6)具体为：通过当前平均请求速率和当前瞬时请求速率在每个相干时间后更新平均请求速率；通过当前平均传输速率和当前瞬时请求速率在每个相干时间后更新平均传输速率

与现有技术相比，本发明多用户比例公平调度系统及方法通过指数参数、平均请求速率、平均传输速率、瞬时请求速率来确定用户传输优先级。对于信道条件越差的用户系统对其的照顾就越多，在优先级的计算上也越占优势，从而提高信道条件差的用户在信道条件突然变好后获得服务的机会，进而调整闭环MIMO系统在用户经历的信道状态有显著不同时的用户调度公平性，改善了系统在公平性和总吞吐量之间的侧重。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明多用户比例公平调度系统的框图。

图2为本发明多用户比例公平调度方法的流程图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

如图1所示，本实施例多用户比例公平调度系统包括基站11、与所述基站11通信的多个终端(N个，如图1中的终端1、终端1、...、终端N)，所述多个用户终端分别与用户连接。基站11可以是3G/B3G蜂窝通信网络的基站、WIMAX或4G系统的接入点。基站11通过下行无线信道向终端1、终端1、...、终端N传输数据，终端1、终端1、...、终端N通过上行反馈信道向基站11反馈有关信息。所述基站11选择所述多个终端中的一个或两个，进而与选择的终端进行通信。

所述基站11包括平均请求速率记录更新模块111、平均传输速率记录更新模块112、导频符号模块113、瞬时请求速率计算模块114、用户选择模块115、数据符号模块116、以及多根(M根)发射天线。

每个终端(终端1、终端1、...、终端N)均连接一根天线并共同与信噪比计算模块13连接，通常用户数大于发射天线数(即N＞M)。考虑信道块衰落的情形，即每个终端的信道矩阵H_i(1×M)在每个相干时间内保持不变，在不同的相干时间之间独立地变化。每个相干时间内基站11使用一个训练周期选择合适的用户，剩下的时间则与选择的用户进行数据传输。

基站11的平均请求速率记录更新模块111与每个终端(终端1、终端1、...、终端N)连接，用于记录时间窗t_c内每个终端的平均请求速率平均传输速率记录更新模块112与每个终端(终端1、终端1、...、终端N)连接，用于记录记录时间窗t_c内每个终端的平均传输速率T_i(t)，其中i表示是第i个用户，t代表是第t个时隙。

导频符号模块111与每个终端连接，用于在相干时间开始时通过下行无线信道向每个终端(终端1、终端1、...、终端N)发射相同的导频符号s₁，设w_i是第i个终端对应的加性高斯白噪声，噪声功率为1，H_i是第i个终端的信道矩阵(1×M)，则第i个终端接收的信号为：

y_i＝H_is₁+w_i                   (1)

信噪比计算模块13与每个终端连接，用于对每个终端(终端121、终端122、...、终端127)接收的信号y_i进行频谱分析，计算每个终端当前信噪比(SNR)值。设S_i(t)为第i个终端在t时刻接收的信号y_i(t)的信号功率，N_i(t)为第i个终端在t时刻接收的信号y_i(t)中的噪声功率，则第i个终端在时刻t的SNR值为：

${\mathrm{SNR}}_i\left(t\right)=\frac{S_i\left(t\right)}{N_i\left(t\right)}---\left(2\right)$

信噪比计算模块13通过上行反馈信道将所述每个终端的当前信噪比数据发送至基站11的瞬时请求速率计算模块114。本领域技术人员应当理解，所述信噪比SNR可以是模拟信息，也可以是量化信息。

本实施例可以设置信噪比数据的反馈门限，只有当信噪比SNR数据超过反馈门限时，终端才将所述信噪比SNR数据发送至基站11，这样在对性能影响很小的情况下可以进一步减少系统的总反馈信息量。

基站11的瞬时请求速率计算模块114与所述信噪比计算模块13连接，用于根据所述信噪比计算模块13计算的每个终端的信噪比SNR数据和香农公式计算出与每个终端通信的瞬时请求速率，在时刻t第i个终端的瞬时请求速率为：

R_i(t)＝log₂(1+SNR_i(t))                (3)

用户选择模块115与所述平均请求速率记录更新模块111、平均传输速率记录更新模块112、瞬时请求速率计算模块114连接，用于根据所述平均请求速率记录更新模块111记录的平均请求速率

所述平均传输速率记录更新模块112记录的平均传输速率T_i(t)、瞬时请求速率计算模块114计算的瞬时请求速率R_i(t)以及指数参数α计算用户的优先级系数，选择优先级系数最大的用户或用户集作为备选传输用户，其中，优先级系数最大的用户编号计算公示为：

$i^{*}=\underset{i=\mathrm{1,2},L,K}{\arg \max }\frac{R_i\left(t\right)}{T_i\left(t\right)}\frac{R_i\left(t\right)}{{\stackrel{\‾}{R_i\left(t\right)}}^{\mathrm{\α}}}---\left(4\right)$

其中，K为总用户数。

本实施例可以通过设置指数参数α的大小，利用指数参数α对平均请求速率

或平均传输速率T_i(t)进行处理，进而调整证闭环MIMO系统多用户调度在公平性和总吞吐量之间的侧重。α的取值越大系统越侧重公平性，而α取值越小系统越侧重吞吐量，一般情况下α的取值范围为[0，4]。

数据符号模块116与所述用户选择模块115连接，用于将所述用户选择模块115选择的用户所需的数据符号通过下行无线信道发送至所述选择的用户，或将所述用户选择模块115选择的用户集所需的和信号通过下行无线信道发送至所述选择的用户集，所述用户集中的每个终端从所述和信号中提取所需数据符号。

平均请求速率记录更新模块111在每个相干时间后更新每个终端的平均请求速率

平均传输速率记录更新模块112在每个相干时间后更新平均传输速率T_i(t)。

平均请求速率的初始值一般设为0，通过当前平均请求速率和当前瞬时请求速率在每个相干时间后更新平均请求速率。平均请求速率

更新的时间窗长度为t_c，平均请求速率更新后为：

$\stackrel{\‾}{R_i(t+1)}=(1-\frac{1}{t_c})\stackrel{\‾}{R_i\left(t\right)}+\frac{1}{t_c}{R}_i\left(t\right);$

通过当前平均传输速率和当前瞬时请求速率在每个相干时间后更新平均传输速率。平均传输速率T_i(t)更新的时间窗长度为t_c，平均传输速率T_i(t)更新后为：

$T_i(t+1)=\left\{\begin{array}{cc}(1-\frac{1}{t_c})T_i\left(t\right)+\frac{1}{t_c}{R}_i\left(t\right),& i=i^{*}\\ (1-\frac{1}{t_c})T_i\left(t\right)& i\≠i^{*}\end{array}\right.$

本实施例可以设置每个终端的平均请求速率

平均传输速率T_i(t)的更新时间窗t_c的大小。

由上可以看出，本实施例多用户调度比例公平调度系统通过指数参数α、平均请求速率、平均传输速率、瞬时请求速率来确定用户传输优先级。对于信道条件越差的用户系统对其的照顾就越多，在优先级的计算上也越占优势，从而提高信道条件差的用户在信道条件突然变好后获得服务的机会，进而调整闭环MIMO系统在用户经历的信道状态有显著不同时的用户调度公平性，改善了系统在公平性和总吞吐量之间的侧重。

如图2所示，本实施例多用户比例公平调度方法包括如下步骤：

步骤S211，基站记录时间窗t_c内每个终端的平均请求速率以及平均传输速率；

步骤S212，基站在相干时间开始时通过下行无线信道向每个终端发射相同的导频符号；

步骤S213，每个终端根据接收的信号计算当前信噪比(SNR)数据，并通过上行反馈信道发送所述当前信噪比数据；

步骤S214，基站根据每个终端的信噪比数据和香农公式计算出与每个终端通信的瞬时请求速率：

步骤S215，基站根据所述平均请求速率、平均传输速率、瞬时请求速率、以及指数参数计算用户的优先级系数，选择优先级系数最大的用户或用户集作为备选传输用户；

步骤S216，将所述选择的用户所需的数据符号通过下行无线信道发送至所述选择的用户，或将所述选择的用户集所需的和信号通过下行无线信道发送至所述选择的用户集，所述用户集中的每个终端从所述和信号中提取所需数据符号；

步骤S217，基站在每个相干时间后更新每个终端的平均请求速率、以及平均传输速率。

在下一个相干时间内，基站11重复图2所示的各个步骤。

由上可知，本实施例多用户调度比例公平调度方法能通过指数参数α、平均请求速率、平均传输速率来确定用户传输优先级，进而调整闭环MIMO系统在用户经历的信道状态有显著不同的用户调度公平性，改善了系统在公平性和总吞吐量之间的侧重。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (7)

1.一种多用户比例公平调度系统，包括基站和与所述基站无线通信的多个终端，其特征在于，还包括：

信噪比计算模块，用于根据每个终端接收的导频符号计算每个终端的当前信噪比数据，

所述基站包括：

平均请求速率记录更新模块和平均传输速率记录更新模块，分别用于记录时间窗内每个终端的平均请求速率和平均传输速率以及在每个相干时间后更新每个终端的平均请求速率和平均传输速率；

导频符号模块，用于在相干时间开始时向每个终端发射相同的导频符号；

瞬时请求速率计算模块，用于根据所述信噪比计算模块发送的每个终端的信噪比数据计算与每个终端通信的瞬时请求速率：

用户选择模块，用于根据平均请求速率记录更新模块记录的平均请求速率、平均传输速率记录更新模块记录的平均传输速率、瞬时请求速率计算模块计算的瞬时请求速率以及一指数参数计算每个用户的优先级系数，选择优先级系数最大的用户或用户集作为备选传输用户；

数据符号模块，用于发送数据符号发送至所述选择的用户或发送和信号至用户集以使用户集中的每个终端从和信号中提取数据符号。

2.如权利要求1所述的多用户比例公平调度系统，其特征在于，所述基站是3G/B3G蜂窝通信网络的基站、WIMAX或4G系统的接入点。

3.如权利要求1所述的多用户比例公平调度系统，其特征在于，所述指数参数的取值范围为0至4。

4.一种多用户比例公平调度方法，包括如下步骤：

(1)记录时间窗内每个终端的平均请求速率以及平均传输速率；

(2)在相干时间开始时向每个终端发射相同的导频符号信号；

(3)在每个终端根据接收的导频符号信号计算当前信噪比数据并发送所述当前信噪比数据后，根据每个终端的信噪比数据计算与每个终端通信的瞬时请求速率：

(4)根据所述平均请求速率、平均传输速率、瞬时请求速率、以及指数参数计算每个用户的优先级系数，选择优先级系数最大的用户或用户集作为备选传输用户；

(5)发送数据符号发送至所述选择的用户或发送和信号至用户集以使用户集中的每个终端从和信号中提取数据符号；

(6)在每个相干时间后更新每个终端的平均请求速率、以及平均传输速率。

5.如权利要求4所述的多用户比例公平调度方法，其特征在于，所述步骤(3)中的每个终端发送所述当前信噪比数据具体为：

当终端的当前信噪比数据超过一反馈门限时，所述终端发送所述当前信噪比数据。

6.如权利要求4所述的多用户比例公平调度方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为：

将所述选择的用户所需的数据符号发送至所述选择的用户；或

将所述选择的用户集所需的和信号发送至所述选择的用户集，所述用户集中的每个终端从所述和信号中提取所需数据符号。

7.如权利要求4所述的多用户比例公平调度方法，其特征在于，所述步骤(6)具体为：

通过当前平均请求速率和当前瞬时请求速率在每个相干时间后更新平均请求速率；

通过当前平均传输速率和当前瞬时请求速率在每个相干时间后更新平均传输速率。

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