CN101986760B - 一种用于td-hsupa室内多用户系统的用户调度及其配对方法 - Google Patents

Abstract

一种用于TD-HSUPA室内多用户系统的用户调度及其配对方法，是基站根据增强上行物理信道E-PUCH的加权接收功率，将当前服务的各个用户终端分别接入到该基站的不同的分布式天线，再根据系统预先优化设定的系统参数：该基站每个天线的接收功率门限最大值P_MAX和各个天线间的干扰门限最大值I_MAX，动态调度其分布式天线及每个天线内的用户终端，以实现码分复用和空间复用传输，从而提升用户终端的传输正确率和基站平均吞吐量。本发明方法不需修改现有通信协议，也不增加信令开销，且计算复杂度低；对用户终端没有任何改变，只需对基站的调度过程进行少量变动，就能够实施该方法，因此本发明具有很好的推广应用前景。

Description

一种用于TD-HSUPA室内多用户系统的用户调度及其配对方法

技术领域

本发明涉及一种用于TD-HSUPA室内多用户系统的用户调度及其配对方法，属于无线MIMO系统移动通信的技术领域。

背景技术

TD-HSUPA（时分双工-高速上行分组接入）是TD-SCDMA（时分双工-同步码分复用接入）系统的演进版本，其目标是通过提高小区的吞吐量和高速率数据的覆盖来提高上行链路空中接口容量和终端用户的体验，其关键技术包括基站的快速调度、自适应调制编码方式的选择、上行快速混合自动重传和上行功率控制。相关技术标准已经在3GPP组织版本7的协议中体现。

MIMO（多输入多输出）技术通过在发射端和接收端配置多根天线，抑制信号的多径衰落和实现独立信号的并行传输，在不增加带宽的情况下，就能够提升传输正确率和系统频谱利用率，从而解决了未来移动通信系统大容量高速率传输和日趋紧张的频谱资源之间的矛盾，成为TD-SCDMA技术未来演进方向中必不可少的组成部分。3GPP已经在RAN#18次会议将其引入到TDD（时分双工）系统中。在系统引入MIMO技术后，假设发射端和接收端分别设有发射天线NT根和接收天线NR根，则理论上至少会有min(NT,NR)倍的系统吞吐量增益。

虽然MIMO技术前景广阔，但是，由于体积和成本的限制，用户终端很难配置多根天线。所以3GPP又提出将多个独立的用户终端进行配对而形成虚拟的上行多用户MIMO系统，从而进一步提升系统性能。与传统的单用户MIMO系统相比较，多用户MIMO系统能够获得多用户分集增益，提高传输正确率。

现有的多用户MIMO用户调度及其配对方法大多是针对LTE（长期演进）系统提出的，没有考虑TD-HSUPA的系统特征和关键技术；并且，现有方法多适用于室外场景。但是，市场调查表明，70%以上的高速无线传输发生在室内。然而，由于墙体的穿透损耗，室内场景的无线传播环境与室外场景的差异巨大。室内的TD-HSUPA场景通常为办公楼，每层楼面部署1～2个基站，每个基站设置8根分布式天线（参见图2所示），且这些天线分布于不同的房间，分别为所在区域内的用户终端提供服务。因为墙体对信号的剧烈衰减，同一用户终端的上行信号在基站的8根天线上的接收功率会有巨大差异，所以设置在室内环境的基站都不进行天线间联合检测，通常是只检测1根天线所获取的用户终端所发送的数据。

综上所述，为了解决现有技术存在的各种缺陷，提升基站平均吞吐量和用户的公平性，并保持对现有协议的兼容，就必须提出一种新的适用于TD-HSUPA室内多用户MIMO系统的用户调度及其配对的方法。这个课题也就自然成为许多业内科技人员关注的焦点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于TD-HSUPA室内多用户系统的用户调度及其配对方法，本发明方法不需修改现有的通信协议，也不需要增加信令开销，而且计算复杂度低；只需在基站调度时，考虑其服务天线自身内的码间干扰和各个天线间的多用户干扰（在室内多天线传播环境中，上行多用户间干扰比较严重），从而提升系统吞吐量和传输可靠性，明显提高系统增益。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于TD-HSUPA室内多用户系统的用户调度及其配对方法，其特征在于：根据增强上行物理信道E-PUCH的加权接收功率，基站将当前服务的各个用户终端分别接入到该基站的不同的分布式天线，根据系统预先优化设定的系统参数：该基站每个天线的接收功率门限最大值PMAX和各个天线间的干扰门限最大值IMAX，动态调度其分布式天线及每个天线内的用户终端，以实现码分复用和空间复用传输，从而提升用户终端的传输正确率和基站平均吞吐量；所述方法包括下列操作步骤：

（1）将用户终端动态接入服务天线：基站根据每个用户终端在不同分布式天线上的E-PUCH的某个子帧t的加权接收功率，将用户终端分别接入于加权接收功率最强的天线，以使当前小区内的所有用户终端都被确定为其服务的基站和天线；式中，t是子帧序号；该步骤包括下列操作内容：

（11）基站更新小区内所有提供服务的用户终端列表Ω_cell，并按照下述公式分别计算该列表内的每个用户终端在某个子帧t的E-PUCH信道的基站服务天线的加权接收功率

式中，自然数i、j、t分别是用户终端、基站天线和子帧的序号，α是由系统仿真优化设定的固定调整参数；δ为传输系数，若用户终端i在前1子帧、即子帧（t-1）的E-PUCH信道上有数据传输，则δ取值为1，若用户终端i在子帧（t-1）时在E-PUCH信道上没有数据传输，则δ取值为0；

为用户终端i在前1子帧的基站天线j的加权接收功率，P_t-1,i,j为用户终端i在t子帧的E-PUCH信道的天线j上的接收功率；

（12）基站比较每个用户终端在同一子帧t而不同天线的加权接收功率

从中选出数值最大的天线，作为该用户终端i的服务天线；

（13）基站判断用户终端i本次接入的服务天线是否与前一子帧（t-1）接入的服务天线相同，如果相同，则不做任何操作；否则，将该用户终端i从其原服务天线的列表中取出，插入该基站新的服务天线的用户终端列表中；因此，基站服务的每个用户终端都只存在于一个服务天线的用户终端列表中；

（2）判断复用的天线数：基站判断已调度的天线数是否等于TD-HSUPA系统预设的最大复用天线数；若是，跳转执行步骤（9）；否则，顺序执行步骤（3）；

（3）根据比例公平PF算法选择服务天线：基站使用PF算法对小区内当前服务的所有用户终端的列表Ω_cell进行排序，并将该列表Ω_cell中已调度天线的各个用户终端的列表Ω₁、Ω₂、…、Ω_j-1删除后，剩余的首位用户终端记为S_j，然后根据S_j前1次传输反馈的信道质量为其分配码道资源：选择为S_j服务的天线并将该服务天线的用户终端列表设为Ω_j；

（4）判断用户终端的发送信号对其它天线的干扰是否符合规定：因HSUPA室内多用户系统的基站不执行天线间联合检测，故在计算天线间干扰时，若不同天线间的两个用户终端恰好分配相同码道时，则其中某个用户终端在这些码道上的传输功率对于另一个全部是干扰；判断该用户终端S_j的发送信号对已调度天线的其它各用户终端的列表Ω₁、Ω₂、…、Ω_j-1的干扰之和是否小于系统预设的干扰门限最大值I_max；若是，顺序执行步骤（5）；否则，返回执行步骤（3），重新选择服务天线；

（5）判断该服务天线是否还有码道资源可供调度：判断当前调度子帧内该服务天线是否还有未分配的码道；若是，顺序执行步骤（6）；否则，说明该服务天线的所有码道都已被调度完毕，对已完成调度的天线数加1后，返回执行步骤（2）；

（6）对该服务天线的每个用户终端按序分别进行调度：对于所有用户终端的列表Ω_cell经过PF算法排序后，还留存在该服务天线的用户终端的列表Ω_j内的各个用户终端，按照顺序进行调度；

（7）调度用户终端后，基站判断其接收功率是否小于设定门限：先计算加入用户终端S_j,i后，式中，自然数下标j和i分别为基站天线和小区用户终端的序号，该服务天线的所有已调度用户终端的预计的上行接收总功率；再判断该数值是否小于系统预设的天线接收功率门限最大值P_max；若是，执行步骤（8）；否则，返回执行步骤（6）；

（8）判断已调度用户终端的干扰和是否小于设定门限：计算用户终端S_j,i对列表Ω₁，Ω₂，…,Ω_j-1内已调度天线的其它各用户终端的干扰之和，再判断该数值是否小于系统预设的干扰门限最大值I_max；若是，继续为尚未调度的用户终端分配码道资源，返回执行步骤（5）；否则，返回执行步骤（6）；

（9）调度结束：基站完成所有小区用户终端的调度及其配对操作，即对全部用户终端都完成上行物理资源的分配后，结束调度。

本发明方法的创新特点和有益效果是：

在室内多用户场景下，本发明既考虑了用户公平性，又明显提升了基站平均吞吐量。在调度用户终端时，本发明既考虑了同一天线的最大功率门限，又兼顾了对已调度用户终端的干扰门限，所以能够很好地抑制码道间干扰和多天线干扰。

基站在调度用户终端时，先通过PF算法选定一个优先级最高的用户终端及为其服务的天线，然后对该服务天线所有码道资源进行分配；接着选定剩余的未被调度的用户终端中优先级最高的用户终端重复执行上述操作，直到为用户终端提供服务的天线数等于系统预设的最大复用天线数。因此，该方法进行调度的计算复杂度低，且计算工作量只与最大复用天线数成线性关系。

另外，本发明方法不要求改变现有的TD-HSUPA通信协议，也不增加信令开销；还对用户终端没有任何改变，只需对基站的调度过程进行少量变动，就能够实施该方法，因此本发明具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明方法的操作步骤流程图。

图2是TD-HSUPA室内多用户系统仿真实施例的楼层架构俯视图。

图3是本发明方法同3种对比方法的系统吞吐量对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明是一种用于TD-HSUPA室内多用户系统的用户调度及其配对方法，该方法是根据增强上行物理信道E-PUCH的加权接收功率，基站将当前服务的各个用户终端分别接入到该基站的不同的分布式天线，根据系统预先优化的系统参数：该基站每个天线的接收功率门限最大值PMAX和各个天线间的干扰门限最大值IMAX，动态调度其分布式天线及每个天线内的用户终端，以实现码分复用和空间复用传输，从而提升用户终端的传输正确率和基站平均吞吐量。

因为目前的TD-HSUPA室内多用户系统通常是基站采用8根天线，用户移动终端为1根天线，最大复用天线数为4。故参见图2，介绍本发明方法的实施例仿真场景：图示为一个每层高3m的3层楼建筑物楼层俯视图，其每层楼的平面布局相同：每层楼内都设有4排、每排有10间房间，房间大小为10m×10m。其中有两排房间之间设有走廊，走廊大小为5m×100m，楼层之间和相邻的不同房间之间均存在穿透损耗。每层楼都配置2个基站，每个基站有8根天线，2个基站的天线在图中分别用不同底色加以区分。

参见图1，下面以上述仿真场景为例，具体说明本发明方法各个操作步骤：

步骤1、将用户终端动态接入服务天线：基站根据每个用户终端在不同分布式天线上的E-PUCH的某个子帧t的加权接收功率，将用户终端分别接入于加权接收功率最强的天线，以使当前小区内的所有用户终端都被确定为其服务的基站和天线；式中，t是子帧序号。该步骤1包括下列具体操作内容：

（11）基站更新小区内所有提供服务的用户终端列表Ω_cell，并按照下述公式对该列表内的每个用户终端分别计算其在某个子帧t的E-PUCH信道的基站服务天线的加权接收功率

式中，自然数i、j、t分别是用户终端、基站天线和子帧的序号，α是由系统仿真优化设定的固定调整参数；δ为传输系数，若用户终端i在前1子帧、即子帧（t-1）的E-PUCH信道上有数据传输，则δ取值为1，若用户终端i在前1子帧时在E-PUCH信道上没有数据传输，则δ取值为0；

为用户终端i在前1子帧的基站天线j的加权接收功率，P_t-1,i,j为用户终端i在t子帧的E-PUCH信道的天线j上的接收功率；

（12）基站比较每个用户终端在同一子帧t而不同天线的加权接收功率

从中选出加权接收功率数值最大的天线，作为该用户终端i的服务天线；

（13）基站判断用户终端i本次接入的服务天线是否与前一子帧（t-1）接入的服务天线相同，如果相同，则不做任何操作；否则，将该用户终端i从其原服务天线的列表中取出，插入该基站新的服务天线的用户终端列表中；因此，基站服务的每个用户终端都只存在于一个服务天线的用户终端列表中。

步骤2、判断复用的天线数：基站判断已调度的天线数是否等于TD-HSUPA系统预设的最大复用天线数（TD-HSUPA系统预设的最大复用天线数为4）；若是，跳转执行步骤9；否则，顺序执行步骤3。

步骤3、根据比例公平PF算法选择服务天线：基站使用PF算法对小区内当前服务的所有用户终端的列表Ω_cell进行排序，并将该列表Ω_cell中已调度天线的各个用户终端的列表Ω₁、Ω₂、…、Ω_j-1删除后，剩余的首位用户终端记为S_j，然后根据S_j前1次传输反馈的信道质量为其分配码道资源：选择为S_j服务的天线并将该服务天线的用户终端列表设为Ω_j。

步骤4、判断用户终端的发送信号对其它天线的干扰是否超过门限：因HSUPA室内多用户系统的基站不执行天线间联合检测，故在计算天线间干扰时，若不同天线间的两个用户终端恰好分配相同码道时，则其中某个用户终端在这些码道上的传输功率对于另一个全部是干扰。判断该用户终端S_j的发送信号对已调度天线的其它各用户终端的列表Ω₁、Ω₂、…、Ω_j-1的干扰之和是否小于系统预设的干扰门限最大值I_max；若是，顺序执行步骤5；否则，返回执行步骤3，重新选择服务天线。

步骤5、判断该服务天线是否还有可供调度的码道资源：判断当前调度子帧内该服务天线是否还有未分配的码道；若是，顺序执行步骤6；否则，说明该服务天线的所有码道都已被调度完毕，对已完成调度的天线数加1后，返回执行步骤2。

步骤6、对该服务天线的每个用户终端按序分别进行调度：对于所有用户终端的列表Ω_cell经过PF算法排序后，还留存在该服务天线的用户终端的列表Ω_j内的各个用户终端，按照顺序进行调度。

步骤7、基站完成每一个用户终端调度后，都要判断其接收功率是否小于设定门限：先计算加入某个用户终端S_j,i后，式中，自然数下标j和i分别为基站天线和小区用户终端的序号，该服务天线的所有已调度用户终端的预计的上行接收总功率；再判断该数值是否小于系统预设的天线接收功率门限最大值P_max；若是，执行步骤8；否则，返回执行步骤6。

步骤8、判断已调度用户终端的干扰和是否小于设定门限：计算用户终端S_j,i对列表Ω₁，Ω₂，…,Ω_j-1内已调度天线的其它各用户终端的干扰之和，再判断该数值是否小于系统预设的干扰门限最大值I_max；若是，继续为尚未调度的用户终端分配码道资源，返回执行步骤5；否则，返回执行步骤6。

步骤9、调度结束：基站完成所有小区用户终端的调度及其配对操作，即对全部用户终端都完成上行物理资源的分配后，结束调度。

本发明方法已经进行了多次仿真实施试验和评估。根据3GPP 25.996协议，先利用MATLAB软件编写链路级程序，给出HSUPA室内系统用户终端1根发射天线与基站1根接收天线间在PA（步行A类）信道下的SNR（信噪比）-BLER（误块率）曲线。再根据3GPP 30.03协议，编写TD-HSUPA室内系统级仿真程序，建立室内无线传播环境模型，根据链路级输入的SNR-BLER接口文件，仿真评估了TD-HSUPA室内多用户系统采用本发明的用户调度与用户配对方法与传统方法的性能增益结果进行了比较和评估。下面是仿真评估的相关参数：

下面的表是基于MATLAB软件搭建的HSUPA室内链路级仿真参数：

下面的表是TD-HSUPA室内多用户系统的实施例图2中设置的仿真参数：

下面是本发明方法同传统调度方法的基站平均吞吐量对比表，三种对比方法的参数设置如下：

对比方法1：HSUPA系统每次调度随机选择一个用户传输，即单用户轮循调度（RR）算法；

对比方法2：HSUPA系统每次调度是根据PF算法排序，选择第一个用户传输，即单用户PF调度算法；

对比方法3：传统的室内多用户PF调度算法，此时不考虑码道间干扰和天线间干扰对系统性能的影响。具体操作步骤如下：

（1）判断已调度的天线数是否等于系统预设的最大复用天线数4；若是，执行步骤（5）；否则，执行步骤（2）；

（2）设小区内当前服务的所有用户终端列表为Ω_cell，使用PF算法对Ω_cell进行排序，将Ω_cell中已调度天线的用户的列表Ω₁，Ω₂，…,Ω_j-1删除后的第一个用户记为S_j，基站根据S_j反馈的信道质量为S_j分配码道资源：基站选择为S_j服务的天线，并记载该服务天线的用户终端列表为Ω_j；

（3）判断当前调度子帧内该服务天线的码道是否都已分配完毕；若是，执行步骤（1），该服务天线完成调度；否则，执行步骤（4）；

（4）选择Ω_cell内经过PF算法排序后还留存在Ω_j内的各个用户终端按照顺序进行调度，即执行步骤（3）；

（5）基站完成用户调度及其配对操作，上行物理资源分配完毕。

参见图3和结合上表的实验结果，可以得出下设结论：由于对比方法1和2都只进行单用户调度，不进行多用户的空间复用，所以吞吐量偏低；而对比方法3是由于用户调度与配对时没有考虑同一天线下的码道间干扰和不同天线间的空间干扰，所以传输错误率高，导致系统的效率低，影响多用户系统的吞吐量提升；综合对比以上几种方法，本发明方法能够在吞吐量上得到明显提升，因此非常适合使用在未来的TD-HSUPA室内多用户系统中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (2)

1.一种用于TD-HSUPA室内多用户系统的用户调度及其配对方法，其特征在于：根据增强上行物理信道E-PUCH的加权接收功率，基站将当前服务的各个用户终端分别接入到该基站的不同的分布式天线，根据系统预先优化设定的系统参数：该基站每个天线的接收功率门限最大值P_MAX和各个天线间的干扰门限最大值I_MAX，动态调度其分布式天线及每个天线内的用户终端，以实现码分复用和空间复用传输，从而提升用户终端的传输正确率和基站平均吞吐量；所述方法包括下列操作步骤：

（1）将用户终端动态接入服务天线：基站根据每个用户终端在不同分布式天线上的E-PUCH的某个子帧t的加权接收功率，将用户终端分别接入于加权接收功率最强的天线，以使当前小区内的所有用户终端都被确定为其服务的基站和天线；式中，t是子帧序号；该步骤包括下列操作内容：

（11）基站更新小区内所有提供服务的用户终端列表Ω_cell，并按照下述公式分别计算该列表内的每个用户终端在某个子帧t的E-PUCH信道的基站服务天线的加权接收功率

式中，自然数i、j、t分别是用户终端、基站天线和子帧的序号，α是由系统仿真优化设定的固定调整参数；δ为传输系数，若用户终端i在前1子帧、即子帧（t-1）的E-PUCH信道上有数据传输，则δ取值为1，若用户终端i在子帧（t-1）时在E-PUCH信道上没有数据传输，则δ取值为0；

为用户终端i在前1子帧的基站天线j的加权接收功率，P_t-1,i,j为用户终端i在t子帧的E-PUCH信道的天线j上的接收功率；

（12）基站比较每个用户终端在同一子帧t而不同天线的加权接收功率

从中选出数值最大的天线，作为该用户终端i的服务天线；

（13）基站判断用户终端i本次接入的服务天线是否与前一子帧（t-1）接入的服务天线相同，如果相同，则不做任何操作；否则，将该用户终端i从其原服务天线的列表中取出，插入该基站新的服务天线的用户终端列表中；因此，基站服务的每个用户终端都只存在于一个服务天线的用户终端列表中；

（2）判断复用的天线数：基站判断已调度的天线数是否等于TD-HSUPA系统预设的最大复用天线数；若是，跳转执行步骤（9）；否则，顺序执行步骤（3）；

（3）根据比例公平PF算法选择服务天线：基站使用PF算法对小区内当前服务的所有用户终端的列表Ω_cell进行排序，并将该列表Ω_cell中已调度天线的各个用户终端的列表Ω₁、Ω₂、…、Ω_j-1删除后，剩余的首位用户终端记为S_j，然后根据S_j前1次传输反馈的信道质量为其分配码道资源：选择为S_j服务的天线并将该服务天线的用户终端列表设为Ω_j；

（4）判断用户终端的发送信号对其它天线的干扰是否符合规定：因HSUPA室内多用户系统的基站不执行天线间联合检测，故在计算天线间干扰时，若不同天线间的两个用户终端恰好分配相同码道时，则其中某个用户终端在这些码道上的传输功率对于另一个全部是干扰；判断该用户终端S_j的发送信号对已调度天线的其它各用户终端的列表Ω₁、Ω₂、…、Ω_j-1的干扰之和是否小于系统预设的干扰门限最大值I_max；若是，顺序执行步骤（5）；否则，返回执行步骤（3），重新选择服务天线；

（5）判断该服务天线是否还有码道资源可供调度：判断当前调度子帧内该服务天线是否还有未分配的码道；若是，顺序执行步骤（6）；否则，说明该服务天线的所有码道都已被调度完毕，对已完成调度的天线数加1后，返回执行步骤（2）；

（6）对该服务天线的每个用户终端按序分别进行调度：对于所有用户终端的列表Ω_cell经过PF算法排序后，还留存在该服务天线的用户终端的列表Ω_j内的各个用户终端，按照顺序进行调度；

（7）调度用户终端后，基站判断其接收功率是否小于设定门限：先计算加入用户终端S_j,i后，式中，自然数下标j和i分别为基站天线和小区用户终端的序号，该服务天线的所有已调度用户终端的预计的上行接收总功率；再判断该数值是否小于系统预设的天线接收功率门限最大值P_max；若是，执行步骤（8）；否则，返回执行步骤（6）；

（8）判断已调度用户终端的干扰和是否小于设定门限：计算用户终端S_j,i对列表Ω₁，Ω₂，…,Ω_j-1内已调度天线的其它各用户终端的干扰之和，再判断该数值是否小于系统预设的干扰门限最大值I_max；若是，继续为尚未调度的用户终端分配码道资源，返回执行步骤（5）；否则，返回执行步骤（6）；

（9）调度结束：基站完成所有小区用户终端的调度及其配对操作，即对全部用户终端都完成上行物理资源的分配后，结束调度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述TD-HSUPA系统预设的最大复用天线数为4。

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