CN101911576A - 针对下行链路多用户mimo的最佳用户配对 - Google Patents
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Abstract
一种方法,其包括操作与nt个发送天线连接的发送机,该nt个发送天线服务每个具有nr个接收天线的K个用户;以及调度哪些用户将在相同的时间频率码时隙中同时被服务。特定的用户配对配置由所有配置集合∏内的π来表示,并且调度包括将交互信息表达为加性目标函数并且通过π∈∏的特定选择来最大化加性目标函数。
Description
技术领域
本发明的示例性和非限制性实施方式一般地涉及无线通信系统、方法、设备和计算机程序产品,并且更具体地,涉及用于向接收机发送多输入、多输出射频信号的技术。
背景技术
出现在说明书和/或附图中的各种缩写定义如下:
BS 基站
CDMA 码分多址
DL 下行链路(BS到MS)
EUTRAN 演进的通用陆地无线接入网络
FDMA 频分多址
LTE 长期演进
MIMO 多输入、多输出
MF 匹配滤波器
ML 最大似然
MMSE 最小均方误差
MS 移动台
MU 多用户
SDMA 空分多址
TDMA 时分多址
WiMAX 全球微波接入互操作性(IEEE 802.16)
MIMO利用多路复用技术来增加无线带宽和范围。MIMO算法通过两个或多个天线发送出信息并且经由多个天线接收信息。尽管传统意义上来说此类的多路复用将造成干扰,但是MIMO使用另外的途径来发送更多的信息并且接着在接收机处重新组合信号。除了更为可靠的通信以外,MIMO系统提供了超出传统单个天线系统的显著容量增益。
这里感兴趣的各种出版物包括:
W.Ajib和D.Hoccoun,“An overview of scheduling algorithms in MIMO-based fourth-generation wireless systems”IEEE Network,2005年九月/十月,通过参考并入;
R.W.Heath Jr.,M.Airy和A.J.Paulraj,“Multiuser diversity for MIMO wireless systems with linear receivers”,Conference Record of theThirty-Fifth Asilomar Conference on Signals,Systems and Computers,2001年11月4-7日,第2卷,第1194-1199页,通过参考并入;
B.Bandemer,S.Visuri,“Capacity-Based Uplink Scheduling Using Long-Term Channel Knowledge”ICC’07IEEE International Conference on Communications,2007年6月24-28日,第785-790页,通过参考并入;以及
H.W.Kuhn,“The Hungarian Method for the assignment problem”,Naval Research Logistic Quarterly,2:83-97,1955年,并且也通过参考并入。
也参考C.Wang,R.Murch,“Adaptive Downlink Multi-User MIMOWireless Systems for Correlated Channels with Imperfect CSI”,III Transactions on Wireless Communications,第5卷,No.9,第2455-2446页,2006年九月,并且通过参考并入。该出版物在D部分讨论了自适应MU-MIMO分组算法,其中组中用户的数目可以被限制于两个。
通常,MU-MIMO上行链路(多点到点)系统特征在于具有nt个天线的K个用户,每个通信到基站或通信到具有nr个接收天线的接收机。由于每个用户面对不同时间/频率/码(TFC)时隙中的不同信道条件,可以通过MU调度改进整个系统容量。如果用户的空间分隔是足够的,则可以将两个或多个用户分配到相同的时间频率码时隙(即,也可以使用SDMA或空分多址)。该技术试图通过将信道智能地分配给用户的不同子组来增加系统容量。在下行链路(点到多点)信道中,问题的不同之处在于有一个源向K个用户发送。对该题目的一般介绍可以在W.Ajib和D.Hoccoun的“An overview of schedulingalgorithms in MIMO-based fourth-generation wireless systems”,IEEENetwork,2005年9月/10月中找到。最受欢迎的MU调度策略是机会主义调度和最佳子集选择。所有的调度策略将面对公平问题,该公平问题可能强迫牺牲整个网络最佳性以便保证具有最小服务要求的所有用户。
发明内容
通过本发明的示例性实施方式,上述和其他问题被克服,并且其他优势被实现。
在其一个示例性方面,本发明的实施方式提供一种方法,其包括操作与nt个发送天线连接的发送机,该nt个发送天线服务每个具有nr个接收天线的K个用户;以及调度哪些用户将在相同的时间频率码时隙中同时被服务。特定的用户配对配置由所有配置集合∏内的π来表示,并且调度包括将交互信息表达为加性目标函数并且通过π∈∏的特定选择来最大化加性目标函数。
附图说明
在所附的附图中:
图1示出适合于在实践本发明的示例性实施方式中使用的各种电子设备的简化框图。
图2是绘出容量对用户数目的曲线图,并且示出相比较于没有用户配对以及随机用户配对,使用根据本发明实施方式的最佳用户配对可以实现的显著改进。
图3是描述根据本发明示例性实施方式的方法和计算机程序代码的执行的逻辑流程图。
具体实施方式
本发明的示例性实施方式涉及包括用户调度的下行链路(或点到多点)无线信道。具体地,本发明的示例性实施方式涉及MIMO链路中的例如波束成形或多天线信道的使用和分配。本发明的示例性实施方式可以使用在作为非限制性例子的LTE和WiMax/WiFi通信系统中。
本发明的示例性实施方式的使用提供网络最佳的调度判定(包括针对下行链路波束对用户(接收机)配对的特定方式),因为它们根据某种公平规则最大化总的容量。特别地,本发明的示例性实施方式提供了一种最优的多项式时间算法,用于确定K个用户到时间频率码(TFC)时隙的调度以及波束分配,其中在至少一个时隙中,同时存在至少两个用户。
本发明的示例性实施方式还涉及固定波束成形以及空分多址(SDMA)技术。
首先参考图1,其示出适于在实践本发明的示例性实施方式中使用的各种电子设备的简化框图。在图1中,无线网络1适于经由基站(BS)12与移动台(MS)10通信,该移动台10也称为用户设备(UE)或用户终端(UT),该基站也称为节点B或在E-UTRAN(LTE)系统中称为演进的节点B(eNB)。无线网络1可以包括网络控制单元(NCE)14或提供与例如因特网的网络16的连接性的网关。MS 10包括数据处理器(DP)10A,存储程序(PROG)10C的存储器(MEM)10B,以及用于与BS 12双向无线通信的合适射频(RF)收发器10D,BS 12也包括DP 12A,存储PROG 12C的MEM 12B和合适的RF收发器12D。
假设BS 12包括根据下面描述的本发明的示例性实施方式操作的MS 10调度器单元或功能12E。同样地,假设至少PROG 12C包括当由相关的DP 12A执行时使得BS 12根据本发明的示例性实施方式操作的程序指令。本发明的示例性实施方式可以至少部分地通过可由BS 12的DP 12A执行的计算机软件、或通过硬件、或通过软件和硬件的组合来实现。
在优选的实施方式中,BS 12和MS 10之间的无线链路11是多用户MIMO链路,并且通常在BS 12处有多个发送天线11A和在MS10处有多个接收天线11B。
通常,MS 10的各种实施方式可以包括但不限于蜂窝电话、具有无线通信能力的个人数字助理(PDA)、具有无线通信能力的便携式计算机、例如具有无线通信能力的数字照相机的图像捕获设备、具有无线通信能力的游戏设备、具有无线通信能力的音乐存储和播放器、允许无线因特网接入和浏览的因特网装置以及结合有此类功能的组合的便携式单元或终端。
MEM 10B和12B可以是适合于本地技术环境的任意类型并且可以使用任何适宜的数据存储技术来实现,例如基于半导体的存储器设备、闪存存储器、磁性存储器设备和系统、光存储器设备和系统、固定存储器和可移动存储器。DP 10A和12A可以是适合于本地技术环境的任意类型,并且可以包括一个或多个通用计算机、专用计算机、微处理器、数字信号处理器(DSP)和基于多核处理器架构的处理器,作为非限制性的例子。
根据本发明的一个方面,仅用户的子集将同时进行发送,并且不同的两个用户被指定占据至少两个不同的时隙。使用信道状态信息(反馈或信道互惠)来做出这些调度判定。两个用户是活跃的事实是实际(非限制性的)假设,其反映出期望实现实施简化(对于终端更少的干扰源、具有或不具有预失真的更为简单的发送处理)。发送机获得不同用户的信道状态信息(CSI),并且使用CSI来计算分配矩阵或分配信息。
本发明的示例性实施方式的使用通过最佳的用户配对最大化信道容量,同时支持在目的地节点处使用简单接收机。当成对的用户被最佳地计算时,MMSE检测在具有足够多的用户下基本上达到ML性能。
现在更为详细地描述示例性实施方式。
MU-MIMO下行链路系统模型
多用户多输入多输出(MU-MIMO)下行链路系统包括发送机,其体现为BS 12,具有服务每个具有nr个接收天线11B的K个用户(MS 10)的nt个发送天线11A(注意MS 10可以具有不同数目的天线,然而,这里假设它们所有都具有相同数目的天线以简化符号)。在无线系统中,BS 12将各个信息发送到K个用户。假定时间/频率/码(TFC)时隙是正交的资源并且可以用于服务不同的MS 10。可替换地,波束成形可以由发送机(BS 12)在相同的TFC时隙中执行以便服务多于一个的MS 10。
波束成形需要在BS 12发送机处的每个用户的信道的知识。当该信道知识并不完善时,或预编码没有被完全优化时(例如,由于某种峰值功率限制而引入某个限幅),波束成形成为非正交的资源。
使用不同的正交资源,每个MS 10可以使用仅具有其自身的信道矩阵知识的发送机来检测其信息。利用非正交的资源,每个MS 10可以通过使用MF,或MMSE,或ML检测来提取它们各自的信息。然而,在多用户MMSE或ML检测的情形中,MS 10需要所有其他MS 10或至少两个接收机天线的信道或调制信息。由于该要求,仅MF检测是可行的方法。然而,MF检测将遭受具有高多用户干扰的大损耗。
通过用户调度可以改进整个系统的容量,即,选择在非正交资源上应该服务哪些用户。
由用户k接收到的信号由以下给出
其中:
令P是BS 12的总发送功率并且SNR=P。假设第k个用户接收机(图1中第k个MS 10)具有其自身信道矩阵H(k)和U(k)的知识。可以将等式(1)以等同的矩阵形成重写成如下:
波束成形矩阵可以是任意的,但对于至少两个不同的用户是不同的。它们可以对应于相应的信道矩阵H,或取决于H的任意其他矩阵或操作符(可能非线性的)的转置共轭。例如,可行的波束成形矩阵可以从H的标量多(功率归一化)伪反转找到,其以较低的接收信号功率为代价来完全取消任意配对的用户之间的干扰。在任何情形下,针对任意特定的发送机操作来规定本发明的示例性实施方式。
调度用户
考虑TDMA/FDMA/CDMA/SDMA方案的联合设计以便减小分配在给定帧内的不同TFC时隙中的同时用户的数目。为了保持公平性,所有用户应该获得帧内相同数量的TFC时隙。由于对于用户来说信道矩阵是不同的,并且确定用户信号如何在接收机处干扰,本发明的示例性实施方式最佳地调度哪些用户应该在相同的TFC时隙内同时被服务,以便至少改进总的系统吞吐量。可以假设该最佳的调度由BS 12处的调度器功能12E来执行。
在这里为了方便假设矩阵H(k)在整个帧上是不变的。
配对用户
首先考虑其中K是偶数并且用户是配对的以便在相同的TFC时隙内同时进行发送。在一个帧中的TFC时隙的总数目(或信道正交资源)应该至少是N=K/2(或其的某个倍数)。公平性可以通过事实上一旦位于N个TFC时隙的帧内则所有的用户接入到信道。在这种情形下,可以示出由用户k1和k2在第n个TFC时隙中接收的信号是
其中有用户的N个不同的对(k1,k2),并且k1≠k2。
注意假设用户在解码中不能协作,从而仅可以使用MF策略。
在所有配置集合∏中,由π表示特定的配对配置。例如,对于K=4个的用户,有三种配置:
∏={{(12)(34)},{(13)(24)},{(14)(23)}}
对于K=2,4,6,8,10,16,有多个配置:|∏|=1,3,15,105,945,2027025
交互信息可以重新被写成将要通过π∈∏的选择而被最大化的加性目标函数
耗尽一切的选择最大化上述交互信息的用户对可以成为可怕的任务。这样,下面示出这如何通过匈牙利方法来适应。
单个的用户和配对的用户
现在考虑其中允许一些用户单独(而非与另一个用户配对)接收,并且一些其他的用户将在TFC时隙中配对。
未配对的用户k3接收:
总的用户数是K=2Npair+Nsing,其中Npair是使用一个TFC时隙同时传输的对的数目,并且Nsing是到单个用户的传输数目。在这种情形下,在一个帧中使用的总的TFC时隙数目是N=Npair+Nsing,并且配置的总数目∏更大。
例如,对于K=2、4、6、8、16,我们有|∏|=2、10、76、764、46206736,并且对于K=4个用户,我们有下面10个配置:
∏={{(12)(34)},{(13)(24)},{(14)(23)},
{(1)(2)(34)},{(1)(3)(24)},{(1)(4)(23)},
{(12)(3)(4)},{(13)(2)(4)},{(14)(2)(3)},{(1)(2)(3)(4)}}
用户调度策略
为了对于具有不同Npair和Nsing的所有配置具有固定的帧长度,可以假设在两个TFC时隙中服务Npair的用户对,由此基本上令他们的数据速率加倍。作为补偿,允许Nsing未配对用户以两倍的配对用户的功率来进行接收。通过这种方式,在一个传输帧中使用的总TFC时隙数目是N=2Npair+Nsing=K。
现在示出配对配置π={πpair,πsing}如何可以被映射到以下形式的K个元素的置换σ
例如,
在上面所做出的假设下,这限制了置换σ至多具有长度为2的周期。
在该调度策略中,可以进一步扩展可能的配对配置以便包括任意的用户置换σ,即考虑K个用户对(k,σ(k))。例如,通过下面可以具有带有长度为4的周期的置换
优化问题现在可以写成:
其中SK表示所有置换组(对称组)并且f是某个合适的性能测量,例如聚合交互信息、容量、信噪比、信噪干比(或这些的某个函数),对于给定配对的用户,基于相应的信号模型(3)和(4)。在一些情形中,性能测量反映最小化错误概率,其中至少部分地基于等式(3)和(4),函数f输出错误测量。接着,最大化问题转换为最大化函数-f(符号的改变)。
匈牙利方法
等式(8)中的上述组合优化问题可以使用已知的Kuhn-Munkres算法在多项式时间O(n3)中解决,该Kuhn-Munkres算法也称为匈牙利方法,并且通常使用在解决所谓的分配问题。关于这一点可以参考所附的H.W.Kuhn,“The Hungarian Method for the assignment problem,”Naval Research Logistic Quarterly,2:83-97,1955。
在通常的应用中,X={x1;x2;...,xn}可以是工人的集合,Y={y1,y2,...,yn}可以是工作的集合,并且w(xy)可以是通过将工人x分配到工作y所获得的利润。
最佳调度
通过设置w(xkyσ(k))=f(k,σ(k)),匈牙利方法可以用于求解等式(8)。在这种情形下,在两个不同的T/F/C时隙中,相同的用户可以与两个不同的用户配对。
通过仅取对(k,σ(k)),k=1,...,K/2,找到最终的解。
参考图2,基于上文,应该理解相比较于单个的用户情形,由于最佳用户配对对空间复用的有利影响,这些示例性实施方式的使用提供了显著的容量增益。特别地,相比较于固定随机配对,通过使用最佳调度所获得的增益针对增加的用户数目而增加(注意对于K=2,显然是没有差别的)。通过使用这些示例性调度实施方式所实现的增益至少是由于在给定用户的接收机处的多用户干扰的减小造成的。事实上,调度求解找到对于K个用户联合地最优化期望的性能测量(作为非限制性的例子,最大的容量或最小的错误测量)的那些最佳用户对。
在这些示例性实施方式中存在点到多点通信链路,其中发送天线11A(在BS 12处)可以联合地确定它们的传输判定(例如,形成信道匹配波束、迫零波束等),并且调度判定取决于选择的波束成形方案以及用于评估的性能度量。例如,性能度量可以是不同用户对的速率和,从而每个用户获得至少一次的信道接入,但是优选地是两次。调度器函数12E优选地在至少两个不同的时隙中形成具有至少两个不同用户的用户对。
基于上文,应该明显的是本发明的示例性实施方式提供实施最佳多项式时间算法以便确定K个用户到TFC时隙的调度和波束分配的方法、设备和计算机程序,其中在至少一个时隙中同时存在至少两个用户。
参考图3,根据本发明的一种方法包括:(块3A)操作具有nt个发送天线的发送机,该nt个发送天线服务每个具有nr个接收天线的K个用户;(块3B)最佳地调度哪些用户将在相同的时间频率码时隙中同时被服务,以便至少改进总的系统吞吐量,其中特定的用户配对配置由所有配置集合∏内的π来表示,并且其中最佳地调度包括(块3C)将交互信息表达为加性目标函数;以及(块3D)通过π∈∏的特定选择来最大化加性目标函数。
前面段落的方法,其中被最大化的加性目标函数表达为:
段落(A)的方法,其中有配对的用户和非配对的(单个的)用户,其中配对配置π={πpair,πsing}被映射到下面形式的K个元素的置换
前面段落的方法,其中被最大化的加性目标函数表达为
其中SK表示所有置换组(对称组),并且其中最大化使用一种方法,其包括给定n×n矩阵W=[wk,l]=[w(xkyl)],找到针对其是最大值的n个元素的置换σ∈Sn,并且通过设定w(xkyσ(k))=f(k,σ(k)),并且其中通过仅取对(k,σ(k)),k=1,...,K/2,找到最终的解。
在图3中示出的各种块可以被视为方法步骤、和/或作为从计算机程序代码的操作得到的操作,和/或作为构建成实施相关功能的多个耦合的逻辑电路元件。
通常,各种实施方式可以在硬件或专用电路、软件、逻辑或其任何组合中实现。例如,一些方面可以在硬件中实现,而另一些方面可以在固件或软件中实现,其可以由控制器、微处理器或其他计算设备来执行,尽管本发明不限于此。虽然本发明的示例性实施方式的各个方面可以作为框图、流程图或使用一些其他图形表示来说明和描述,但众所周知的是作为非限制性的例子,此处描述的这些块、设备、系统、技术或方法可以在硬件、软件、固件、专用电路或逻辑,通用硬件或控制器或其他计算设备或者其某种组合中实现。
因此,应该理解本发明的示例性实施方式的至少一些方面可以在各种组件例如集成电路芯片和模块中实践。集成电路的设计大体上是高度自动化的过程。复杂的和强大的软件工具可用于将逻辑级设计转化成准备被加工在半导体基底上的半导体电路设计。此类的软件工具使用良好建立的设计规则以及预存储的设计模块的库来在半导体基底上自动地布线导体和放置组件。一旦用于半导体电路的设计已经完成,则所得的标准电子格式(例如,Opus、GDSII等等)的设计可以被传输给半导体制造工厂以便制造为一个或多个集成电路设备。
在结合附图阅读时,对本发明的上述示例性实施方式的各种修改和改变对于相关领域的技术人员而言可以变得显而易见。然而,任意和所有的这些修改仍将落入本发明的非限制性和示例性实施方式的范围内。
例如,尽管上面已经在WiMAX和EUTRAN(UTRAN-LTE)系统的环境中描述了示例性实施方式,但应该理解的是本发明的示例性实施方式不限于仅随这些特定类型的无线通信系统使用,并且它们可以有利地应用在其他的无线通信系统中。进一步,上面示出和描述的特定数学表达旨在是示例性的,因为可以对这些表达做出改变,或替代地使用其他表达。进一步,匈牙利方法的使用不应被解释为限于可以用于求解由等式(5)和(8)所表达的组合的优化问题。
应该注意到术语“连接”、“耦合”或其任意的变形表示在两个或多个组件之间的直接或间接的任意连接或耦合,并且可以包括“连接”或“耦合”在一起的两个元件之间的一个或多个中间元件。元件之间的耦合或连接可以是物理的、逻辑的或其组合。如这里所使用的,作为若干非限制性和非穷举例子,两个元件可以考虑为通过使用一个或多个电线、电缆和/或印刷电连接,以及通过使用电磁能(例如具有射频区域、微波区域和光区域(可见以及不可见)的电磁能)中的波长的电磁能“连接”或“耦合”在一起。
另外,本发明的各种非限制性和示例性实施方式的一些特征即使在没有对应使用其他特征的情况下仍然可以有利地加以使用。同样地,上文描述应当被认为是对本发明的原理、教导和示例性实施方式进行说明而不是加以限制。
Claims (1)
1.一种方法,包括:
操作与nt个发送天线连接的发送机,该nt个发送天线服务每个具有nr个接收天线的K个用户;以及
调度哪些用户将在相同的时间频率码时隙中同时被服务,其中特定的用户配对配置由所有配置集合∏内的π来表示,并且其中调度包括将交互信息表达为加性目标函数并且通过π∈∏的特定选择来最大化加性目标函数。
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