CN102883455B - 延时反馈下基于信漏噪比的多用户调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种延时反馈下基于信漏噪比的多用户调度方法，首先基站选择拥有最大信漏噪比（SLNR）的用户初始化用户集合，接着基站依据接收到的用户端有线反馈信息构造半正交于现有用户集合的用户群并通过反馈的CDI和CQI计算每位用户的SLNR，将拥有最优SLNR的用户加入用户集合。然后计算加入该用户前与加入后系统的容量，如果加入新用户导致容量下降则将之剔出且本次选择结束；反之则本次用户选择结束并进入下次用户选择循环。当半正交用户集合为空或选择的用户数达到基站天线数时则方法结束。最终，基站对用户集合预编码并发送。本发明显著提高系统的传输速率，且考虑的是带有延时的有线反馈系统，更符合实际应用中的情况。

Description

延时反馈下基于信漏噪比的多用户调度方法

技术领域

本发明涉及一种延时反馈下基于信漏噪比的多用户调度方法，属于多用户MIMO系统中调度方法设计领域。

背景技术

在多用户MIMO系统中，基站通常需要服务多个用户，即K远大于M。但是考虑到多用户间干扰的限制，基站无法同时服务太多用户。因此，为了提高基站端的发送速率，如何从众多用户中选择当前时刻最适宜发送的用户集合，即多用户调度方法，成为多用户MIMO系统中一个必须考虑的问题，通过用户选择还能给实际系统带来多用户分集增益。多用户分集增益是基站从众多的K个用户中，选出具有最佳信道状态信息的用户进行通信，来提高系统性能所获得的增益。一般而言，基站总是倾向于选择具有较大信道幅度、并且信道方向相互正交的几个用户进行通信。这样既可以保证有用信号在信道中维持一定的能量，同时还能减少对其他用户的干扰。同时，预编码方法对信道信息非常敏感，因此，利用被“优选”出来的用户的信道信息去计算预编码，由于基站获得的信道信息与系统真实信道信息的不匹配，必然会对预编码的性能造成影响。

在有限反馈系统中，基站端通常利用用户反馈的信道方向信息(CDI)实现下行链路满复用增益，却无法获得呈双对数函数log log K增长的多用户分集增益。为了获得次多用户分集增益，基站端通常还要知道某些信道质量信息(CQI)以便于进行用户选择。在现有的基于迫零波束成型和半正交原则(ZF-SUS)的多用户调度中，通常采用信道幅度||h||或信干噪比(SINR)作为信道质量信息。该方法可以近似地同时获得最优复用增益和多用户分集增益。但是，该方法存在一定缺陷，即迫零波束成型本身在低信噪比情况下性能会受到较大影响，而基于信漏噪比(SLNR)的波束成型则可以较好的解决这一问题。SLNR波束成型的性能在大多数情况下要强于迫零(ZF)波束成型。但是，当使用基于SLNR的多用户调度时，尤其是存在非理想信道状态信息的条件下，如何设计CQI和用户调度策略成为一个值得考虑的问题。

发明内容

本发明提供一种延时反馈下基于信漏噪比的多用户调度方法。

本发明采用的技术方案为：一种延时反馈下基于信漏噪比的多用户调度方法，该方法包括以下步骤：

1)基站拥有M根天线，共有K个用户，用户u在基站的发送功率为p_u。用户端反馈比特数为B，并考虑延时。为简化表达，每个用户拥有相同的归一化多普勒频率fT，定义n时刻与n-1时刻信道矩阵的延时系数为γ＝J₀(2πfT)。其中J₀为第一类零阶贝塞尔函数。

2)用户u根据码本，按照最小方差原则将信道信息量化为用户端在n-1时刻将信道方向信息(CDI)和信道质量信息(CQI)即信道幅度||h_u[n-1]||反馈至基站端。

3)在n时刻，基站端构建初始用户群U₁＝{1,2,…,K}，初始化方法序号i＝1。通过CDI及CQI信息计算所有用户的修正过的信漏噪比指标其中下标u表示半正交用户群中的用户编号，u∈U_i，初始化阶段，i＝1，故u∈U₁。选择具有最大的用户，记作s₁，初始化用户集合S₁＝{s₁}，计算对应的传输速率R₁。

所述修正过的信漏噪比指标由下述公式(为简化书写，去掉时刻信息n)确定：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{SLNR}}}_u=\frac{f_u^H(A_1{\hat{h}}_u{\hat{h}}_u^H+A_2{I}_M)f_u}{f_u^H(A_1{\mathrm{\Σ}}_{i\∈S,i\≠u}{\hat{h}}_i{\hat{h}}_i^H+(i-1)A_2{I}_M)f_u+N_0}$

其中A₁＝γ²||h_u||²(1-δ)， $A_2=1-(1-\frac{\mathrm{\δ}{\left|\right|h_u\left|\right|}^2}{M}){\mathrm{\γ}}^2,\mathrm{\δ}=2^{\frac{-B}{M-1}},$ f_u为用户u采用SLNR预编码后得到的预编码矩阵。

的最大值由下述公式确定：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{SLNR}}}_u=\max \mathrm{eig}((A_1{\hat{h}}_u{\hat{h}}_u^H+A_2{I}_M),(A_3\underset{i\∈S,i\≠u}{\mathrm{\Σ}}{\hat{h}}_i{\hat{h}}_{\stackrel{\·}{u}}^H+A_4{I}_M))$

其中A₄＝(i-1)A₂+N₀/P_u；eig(A,Β)为计算矩阵A和Β的广义特征值的函数；max为求最大值的函数；I_M为M阶单位矩阵；N₀为接收机噪声功率。

4)开始用户选择循环：从剩余用户U_i\S_i中得到半正交于现有用户集合S_i的半正交用户群其中，u为半正交用户群中用户的序号，为该用户经量化后的信道向量，H为共轭转置符号。

5)当满足条件|U_i+1|＞0时，计算半正交用户群中每一位用户的选择具有最大的用户s_i+1。采用SLNR预编码方式，计算加入新用户s_i+1后的传输速率R_i+1，并与原用户集合S_i的传输速率R_i作比较。

6)如果R_i+1＞R_i，则将用户s_i+1加入用户集合，使得S_i+1＝S_i∪{s_i+1}，并将方法序号i加一使得i＝i+1，且方法进入步骤7)。否则方法终止。

7)当半正交集合U_i为空或用户数达到基站端天线数M时，方法终止；否则转入步骤4。

有益效果：1)本发明方法能够提高有限反馈多用户MIMO系统的系统容量，所采用的线性预编码方式，实现复杂度低，且性能较好；

2)本发明方法中考虑的是有限反馈系统，以及系统延时，所得结果更具实际价值。

附图说明

图1是本发明提出的种延时反馈下基于信漏噪比的多用户调度方法的系统框图；

图2是将本发明提出的基于SLNR并以信道幅度||h||为信道质量信息的调度方法与现有的调度方法，即基于迫零波束成型，并将信道幅度||h||或信干噪比(SINR)作为信道质量信息的方法的比较。该图反映了不同方法在不同信噪比下所能达到的系统速率。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

如图1所示：本发明的具体实施步骤如下：1)基站拥有M根天线，共有K个用户，用户u在基站的发送功率为p_u。用户端反馈比特数为B，并考虑延时。为简化表达，每个用户拥有相同的归一化多普勒频率fT，定义n时刻与n-1时刻信道矩阵的延时系数为γ＝J₀(2πfT)。其中J₀为第一类零阶贝塞尔函数。

2)用户u根据码本，按照最小方差原则将信道信息量化为用户端在n-1时刻将信道方向信息(CDI)和信道质量信息(CQI)即信道幅度||h_u[n-1]||反馈至基站端。

3)在n时刻，基站端构建初始用户群U₁＝{1,2,…,K}，初始化方法序号i＝1。通过CDI及CQI信息计算所有用户的修正过的信漏噪比指标其中下标u表示半正交用户群中的用户编号，u∈U_i，初始化阶段，i＝1，故u∈U₁。选择具有最大的用户，记作s₁，初始化用户集合S₁＝{s₁}，并计算对应的传输速率R_i。

修正过的信泄露噪比指标由下述公式(为简化书写，去掉时刻信息n)确定：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{SLNR}}}_u=\frac{f_u^H(A_1{\hat{h}}_u{\hat{h}}_u^H+A_2{I}_M)f_u}{f_u^H(A_1{\mathrm{\Σ}}_{i\∈S,i\≠u}{\hat{h}}_i{\hat{h}}_i^H+(i-1)A_2{I}_M)f_u+N_0}$

其中A₁＝γ²||h_u||²(1-δ)， $A_2=1-(1-\frac{\mathrm{\δ}{\left|\right|h_u\left|\right|}^2}{M}){\mathrm{\γ}}^2.$ 其中 $\mathrm{\δ}=2^{\frac{-B}{M-1}}.$ f_u为用户u采用SLNR预编码后得到的预编码矩阵。

的最大值由下述公式确定：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{SLNR}}}_u=\max \mathrm{eig}((A_1{\hat{h}}_u{\hat{h}}_u^H+A_2{I}_M),(A_3\underset{i\∈S,i\≠u}{\mathrm{\Σ}}{\hat{h}}_i{\hat{h}}_{\stackrel{\·}{u}}^H+A_4{I}_M))$

其中A₄＝(i-1)A₂+N₀/P_u。eig(A,Β)为计算矩阵A和Β的广义特征值的函数。max为求最大值的函数；I_M为M阶单位矩阵；N₀为接收机噪声功率。

4)开始用户选择循环：从剩余用户U_i\S中得到半正交于现有用户集合S的半正交用户群其中，u为半正交用户群中用户的序号，为该用户经量化后的信道向量，H为共轭转置符号。

5)当满足条件|U_i+1|＞0时，计算半正交用户群中每一位用户的选择具有最大的用户s_i+1。采用SLNR预编码方式，计算加入新用户s_i+1后的传输速率R_i+1，并与原用户集合S_i的传输速率R_i作比较。

6)如果R_i+1＞R_i，则将用户s_i+1加入用户集合，使得S_i+1＝S_i∪{s_i+1}，并将方法序号i加一使得i＝i+1，且方法进入步骤7)。否则方法终止。

7)当半正交集合U_i为空或用户数达到基站端天线数M时，方法终止；否则转入步骤4。

如图2所示：我们所采用的是基站端天线数M＝4，用户数K＝100的系统。分别讨论在不同延迟条件下(fT＝0.1、fT＝0.2)的情况下系统所能达到的速率与信噪比的关系。由图中可以发现，本发明提出的基于SLNR且CQI为信道幅度的调度方法所能达到的系统速率无论在低信噪比还是高信噪比下都比其他方法有了显著提高。尤其在延时明显(fT＝0.2)的情况下，本发明提出的方法在系统速率上更有显著提升。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种延时反馈下基于信漏噪比的多用户调度方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)基站拥有M根天线，共有K个用户，用户u在基站的发送功率为p_u；用户端反馈比特数为B，并考虑延时；每个用户拥有相同的归一化多普勒频率fT，定义n时刻与n-1时刻信道矩阵的延时系数为γ＝J₀(2πfT)；其中J₀为第一类零阶贝塞尔函数；

2)用户u根据码本，按照最小方差原则将信道信息量化为用户端在n-1时刻将信道方向信息和信道质量信息即信道幅度||h_u[n-1]||反馈至基站端；

3)在n时刻，基站端构建初始用户群U₁＝{1,2,…,K}，初始化方法序号i＝1；通过信道方向信息及信道质量信息，依照以下方法计算所有用户的修正过的信漏噪比指标其中下标u表示半正交用户群中的用户编号，u∈U_i，初始化阶段，i＝1，故u∈U₁；选择具有最大的用户，记作s₁，初始化用户集合S₁＝{s₁}，并计算该用户集合的传输速率R₁；所述修正过的信漏噪比指标由下述公式确定：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{SLNR}}}_u=\frac{f_u^H(A_1{\hat{h}}_u{\hat{h}}_u^H+A_2{I}_M)f_u}{f_u^H(A_1{\mathrm{\Σ}}_{j\∈S,j\≠u}{\hat{h}}_j{\hat{h}}_j^H+(j-1)A_2{I}_M)f_u+N_0}$

其中A₁＝γ²||h_u||²(1-δ)， $A_2=1-(1-\frac{\mathrm{\δ}{\left|\right|h_u\left|\right|}^2}{M}){\mathrm{\γ}}^2;$ 其中f_u为用户u采用SLNR预编码后得到的预编码矩阵；

的最大值由下述公式确定：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{SLNR}}}_u=\max \mathrm{eig}((A_1{\hat{h}}_u{\hat{h}}_u^H+A_2{I}_M),(A_3\underset{j\∈S,j\≠u}{\mathrm{\Σ}}{\hat{h}}_j{\hat{h}}_u^H+A_4{I}_M){}^{})$

其中A₄＝(i-1)A₂+N₀/p_u；eig(A,Β)为计算矩阵A和Β的广义特征值的函数；max为求最大值的函数；

4)开始用户选择循环：从剩余用户U_i\S_i中得到半正交于现有用户集合S_i的半正交用户群

其中，u为半正交用户群中用户的序号，为该用户经量化后的信道向量，H为共轭转置符号；

5)当满足条件|U_i+1|＞0时，计算半正交用户群中每一位用户的选择具有最大的用户s_i+1；采用SLNR预编码方式，计算加入新用户s_i+1后的传输速率R_i+1，并与原用户集合S_i的传输速率R_i作比较；

6)如果R_i+1＞R_i，则将用户s_i+1加入用户集合，使得S_i+1＝S_i∪{s_i+1}，并将方法序号i加一使得i＝i+1，且方法进入步骤7)；否则方法终止；

7)当半正交集合U_i+1为空或用户数达到基站端天线数M时，方法终止；否则转入步骤4)。