CN102142880A - 一种多输入-多输出多用户分集系统的用户快速调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多输入-多输出多用户分集系统的用户快速调度方法，包括步骤①移动台接收端接收由基站发射的公共导频序列估计精确的信道状态信息(CSI)，反馈给基站发射机；②基于调度效率最大化的用户选择：随机选取一个用户为首用户，根据首用户反馈的CSI和其他K-1个用户反馈的CSI，将K-1个用户分别与首用户进行配对，根据每个用户接收信号矢量计算系统的和容量；重复上述用户选择，直到选出用户数达到系统和容量最大数；③基站发射机对选出用户组合中每个用户信号进行信道编码、功率控制和波束成形处理，通过天线发射出去；④选出用户组合中每个用户接收机采用最大比合并方式接收信号。本发明具有调度所需的运算量明显减少、效率明显提高的优点。

Description

一种多输入-多输出多用户分集系统的用户快速调度方法

技术领域

本发明涉及一种多输入-多输出(MIMO)多用户分集系统的用户快速调度方法，属于通信技术领域。

背景技术

在无线通信链路的两端使用空间分开的多根天线的MIMO系统，可以在点对点通信中获得空间分集增益以提高传输的可靠性，或者获得空分复用增益以提高频谱效率。具体体现在：(1)空间分集主要用于抗多径衰落，对于一个具有N根接收天线和M根发射天线的MIMO系统，假设不同天线对之间的信道服从独立同分布的Rayleigh衰落，应用空时编码可以获得NM的分集度。因此即使在非常复杂的传播环境下，MIMO系统也可以实现数据流的高质量传输。(2)空分复用主要用于提高传输速率，在独立信道的假设条件下MIMO系统的容量随min{N，M}线性增长。

MIMO技术的以上突出优点使其成为无线通信发展的必然方向，是新一代高速移动网、固定宽带无线接入(BWA)网的关键技术，已经成为IEEE 802.16(WiMAX)和IEEE 802.11n的可选技术，是下一代无线通信系统(4G)倍受青睐的研究方向。

MIMO多用户分集技术考虑数据业务的特点，采用高效的用户调度机制，可以大幅度提高接入网在高密度用户条件下的频谱效率。尽管MIMO系统在单用户情形下可以通过增加天线数来提高系统的容量，然而增加天线将使系统的成本、功耗等大幅度上升。此外，实际的通信系统，通常是由许多用户构成的多用户系统，需要考虑如何减小用户之间的干扰、如何合理地在用户间分配有限的无线资源。

在由AP(或基站)和多个移动用户构成的点对多点数据通信链路中，由于无线信道的随机波动性，它们到基站的信道随时间的衰落相互独立，考虑到数据业务对有限时延不敏感的特点，在媒介控制层置入一个数据包调度器，在每个时隙根据每个用户到AP之间的信道状态信息(CSI)，采用合适的调度策略把共享的无线资源分配给信道质量最好的一个或一组用户，可以大幅度提高MIMO多用户系统的吞吐量，从而获得多用户调度增益——多用户分集增益(MUD)。此外，通过设计适当的系统结构、引入发射端预处理等措施，可以人为地增大信道衰落的幅度和变化速率，进一步提高多用户分集增益。

综上所述，在接入网系统中采用MIMO多用户分集技术可以在不增加天线及相关硬件的投入的情况下，大幅度提高系统在多用户条件下的吞吐量，具有无需额外的发射功率、无需占用过多的带宽资源、对各种传输技术的适应性强且使用灵活等优点，可直接用于WIMAX、TD-SCDMA等3G标准的演进版本，已经成为新一代无线通信系统的研究热点。

为了获得多用户分集增益，需要在每个时隙选择(调度)合适的用户参与传输。目前的调度算法主要分为单用户调度和多用户调度。

(1)单用户调度，在每个时隙只调度一个用户参与传输。相关调度算法主要有以下几种：

①贪婪调度方法，在每个时隙选择信道条件最好的用户参与传输。该算法选出的用户通常具有最佳接收的信噪比，可以获得最高的系统吞吐量。但是那些距离基站较远的用户可能始终没有接入的机会，因此该方法没有考虑用户的公平性。

②比例公平调度方法，在每个时隙选择瞬时信噪比和平均信噪比的比值最大的用户参与传输。该算法选出的用户通常处于自己一段时间以来最好的信道条件(不考虑和其它用户做比较)，因此该方法充分考虑到用户所处位置对接入的影响，可以获得最佳的用户公平性。但系统吞吐量有所下降。

(2)多用户调度，在每个时隙调度多个用户同时参与传输。相关调度方法主要为穷举搜索法。设有K个用户希望接入，系统支持同时供n个用户同时传输，则穷举搜索法需要遍历所有的

种组合。当参与调度的用户数K和选中的用户数k增加时，系统调度的计算量会大幅度增加为O(K^k)，一方面使得系统开销过高而无法承受，另一方面导致处理延时增加，以至于调度速度无法赶上信道的变化，进而降低所获得的多用户分集增益，并可能导致错误调度。

可见，现有的MIMO多用户分集技术采用的穷举搜索调度算法面临复杂度随参与调度用户数增长过快的问题。

发明内容

本发明的目的是弥补上述技术缺陷，降低调度算法复杂度，本发明一种多输入-多输出(MIMO)多用户分集系统的多用户快速调度方法，包括步骤如下，见图2：

步骤101，移动台接收端接收由基站发射的公共导频序列估计精确的信道状态信息(CSI)，反馈给基站发射机；

步骤102，基于调度效益最大化的用户选择，具体为：

I、基站从要求参与传输K个用户中随机选取一个用户为首用户i，并计算系统和容量C(i)；

II、基站根据首用户i反馈的CSI和其他K-1个用户反馈的CSI，将K-1个用户分别与首用户进行配对，根据每个用户接收信号矢量和配对用户之间的互为共信道干扰计算系统的和容量C(i-1)；

III、当C(i)＞C(i-1)时，基站从K-1种配对中继续选择，直至C(i)＝C(i-1)时，从K-1种配对中选出使系统和容量最大组合，选出的用户为第2用户；

IV、重复步骤III，从参与传输的K用户中选出用户数k，达到系统和容量最大数；

步骤103，基站发射机对选出用户组合中每个用户信号分别进行信道编码、功率控制和波束成形处理，通过天线发射出去；

步骤104，选出用户组合中每个用户接收机采用最大比合并方式接收信号。

上述步骤102的II中所述的接收信号矢量r，由以下公式得到：

考虑一个基站和K个移动用户组成的多用户MIMO系统的下行链路，在基站端和移动台端的天线数分别为N_T和N_R，L个共道干扰，干扰用户有N_R根天线，构成一个N_R×N_T维MIMO多天线系统。每个移动用户接收端可以通过由基站发送的公共导频序列获得精确的信道状态信息CSI，并通过反馈信道将CSI反馈给基站发射机，则每个移动用户的接收信号矢量r可表示为：

$r=\sqrt{P_0}{H}_0{w}_T{s}_0+\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{P_j}{H}_j{s}_j+n$

其中s₀为发射信号，P₀为目标用户平均接收功率。P_j为干扰用户j的平均功率，为便于分析并不失一般性，以下假设每个干扰用户的功率相同。H₀为N_R×N_T维信道矩阵，H_j为N_R×N_T维干扰信道矩阵。n为复高斯白噪声矢量，其中元素为均值为0协方差矩阵为σ²I_r的独立高斯随机变量，r为N_R×1接收信号矢量。

上述步骤102的II中所述的配对用户之间互为共信道干扰，邻道干扰时的每个移动用户接收端的信号干扰噪声比(SINR)为：

$\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }{\mathrm{\Ω}}_0}{1+\frac{{\mathrm{\Ω}}_I}{{\mathrm{\λ}}_{\max }}\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|u_{\max }^H{H}_0^H{H}_j\left|\right|}^2}$

其中λ_max为

的最大特征值，u_max是的最大特征值λ_max对应的特征向量，Ω₀和Ω_I分别是用户的信号噪声比(SNR)和干扰用户的信噪比(INR)。

上述步骤102的II中所述的系统和容量为：C＝log₂(1+γ)；

上述步骤102所述的调度效益Q为系统通过调度增加的吞吐量C与所用的用户调度方法所需运算的次数N的比值，Q＝C/N；

与现有技术相比较，本发明的优点如下：

1、本发明的MIMO多用户分集系统的逐次多用户快速调度方法，其调度复杂度由传统穷举搜索法的O(K^k)大大下降为O(Kk)。进而使得发明的快速调度方法的调度效率Q远高于传统的穷尽搜索调度方法。

2、本发明的MIMO多用户分集系统的逐次多用户快速调度方法，其调度效率Q随参与调度的用户数的增加而增加，且增加幅度高于传统的穷尽搜索调度方法。

总而言之，本发明提出的新调度方法在系统吞吐量和调度复杂度之间达到了较好的折衷，因此具有较高的实用价值。

附图说明

图1为采用逐次多用户快速调度方法的多用户MIMO-MRC系统基站发射机系统框图；

图2是本发明实施例的多用户MIMO系统中的调度方法流程图；

图3为3×3MIMO-MRC系统调度复杂度比较；

图4为3×3MIMO-MRC系统调度效率Q值比较。

具体实施方式

如图1所示，考虑由一个基站和K个移动用户组成的多用户MIMO系统的下行链路，在基站和移动台分别安置N_T和N_R根天线，信道中有L个共道干扰用户，干扰用户安装N_R根天线。由此，每个移动台或干扰台与基站构成一个N_T×N_R维MIMO多天线系统。在基站发射机端采用波束成形，移动台接收端采用最大比合并接收，即构成MIMO-MRC系统。

在每个时隙，调度步骤如下：

(1)K个移动台接收端可以通过接收由基站发射的公共导频序列来估计精确的信道状态信息(CSI)，并通过反馈信道无延迟、无失真地将CSI反馈给基站发射机，即反馈信道的延迟和误差忽略不计。

(2)基站从要求参与传输的K个用户中随机选取一个用户作为首用户。

(3)基站根据首用户反馈的CSI和其他K-1个用户反馈的CSI，将K-1个用户分别与首用户进行配对，根据每个用户接收信号矢量计算系统的和容量。应当注意，尽管在基站发射端已经为每个移动台配置了波束成形矢量矩阵，但配对用户之间仍然互为共信道干扰。

(4)基站从K-1种配对中选出使系统的和容量最大的那种组合，简称G1。新选出的用户为第2用户。

(5)基站将剩余K-2个用户，分别与G1组合配对，从中选出和容量最大的那种组合，称为G2，新选出的用户为第3用户。

(6)重复步骤(5)，直到选出的用户数达到系统支持的最大数，或者再增加用户会导致系统和容量下降，此时的和容量就是整个系统的吞吐量。

(7)基站发射机对将发给选出用户组合中的每个用户的信号分别进行信道编码、功率控制和波束成形处理，通过NT根天线发射出去。这些信号在传输过程中将混入加性高斯白噪声。

(8)选出用户组合中的每个用户接收机采用最大比合并方式接收信号。

一个时隙结束后，重复步骤(1)-(8)。

如图3所示，与传统调度算法复杂度随参与调度用户数K和选中用户数k成O(K^k)关系增长相比，新调度算法的调度复杂度大大下降为O(Kk)。

图4比较了调度方法的Q值，由图4可见，提出的调度算法具有最优的Q值性能。表明本发明创造的新调度方法在系统容量和调度复杂度之间达到了较好的平衡，具有较高的实用价值。

Claims (5)

1.一种多输入-多输出多用户分集系统的用户快速调度方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤101，移动台接收端接收由基站发射的公共导频序列估计精确的信道状态信息(CSI)，反馈给基站发射机；

步骤102，基于调度效益最大化的用户选择，具体为：

I、基站从要求参与传输K个用户中随机选取一个用户为首用户i，并技术系统和容量C(i)；

II、基站根据首用户i反馈的CSI和其他K-1个用户反馈的CSI，将K-1个用户分别与首用户进行配对，根据每个用户接收信号矢量和配对用户之间的互为共信道干扰计算系统的和容量C(i-1)；

III、当C(i)＞C(i-1)时，基站从K-1种配对中继续选择，直至C(i)＝C(i-1)时，从K-1种配对中选出使系统和容量最大组合，选出的用户为第2用户；

IV、重复步骤III，从参与传输的K用户中选出用户数k，达到系统和容量最大数；

步骤103，基站发射机对选出用户组合中每个用户信号分别进行信道编码、功率控制和波束成形处理，通过天线发射出去；

步骤104，选出用户组合中每个用户接收机采用最大比合并方式接收信号。

2.根据权利要求1所述的一种多输入-多输出多用户分集系统的用户快速调度方法，其特征在于步骤102的II的接收信号矢量

$r=\sqrt{P_0}{H}_0{w}_T{s}_0+\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{P_j}{H}_j{s}_j+n$

3.根据权利要求1所述的一种多输入-多输出多用户分集系统的用户快速调度方法，其特征在于：所述步骤102的II的的配对用户之间互为共信道干扰，邻道干扰时的每个移动用户接收端的信号干扰噪声比(SINR)为：

$\mathrm{\γ}=\frac{{\mathrm{\Ω}}_0{\mathrm{\λ}}_{\max }}{\frac{{\mathrm{\Ω}}_1\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\right|u_{\max }^H{H}_0^H{H}_j\left|\right|}^2}{{\mathrm{\λ}}_{\max }}+1}$

4.根据权利要求1所述的一种多输入-多输出多用户分集系统的用户快速调度方法，其特征在于步骤102的II的：系统的和容量为C＝log₂(1+γ)。

5.根据权利要求1所述的一种多输入-多输出多用户分集系统的用户快速调度方法，其特征在于步骤102：调度效益Q＝C/N。

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