CN103024920B - 一种虚拟多输入多输出系统中用户配对的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟多输入多输出系统中用户配对的方法，该方法包括：根据时延最大准则计算用于表示用户的数据队列在某一时刻服务质量QoS信息的归一化时延因子J；根据比例公平原则计算该用户在所述某一时刻的公平性因子M；根据所述归一化时延因子J与所述公平性因子M的乘积大小获得调度优先级排序列表，选择该排序列表中优先级最高的用户进行当前周期的配对。通过采用本发明公开的方法有效的保证用户间的公平性和系统的吞吐量。

Description

一种虚拟多输入多输出系统中用户配对的方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种虚拟多输入多输出系统中用户配对的方法。

背景技术

MIMO（Multiple Input and Multiple Output，多输入多输出）技术由于其具有可以提供更高的频谱效率和更好的空间分集增益等优点，现今已经成为移动通讯界一个研究热点。MIMO通信系统的容量会随着天线数的增加而线性增加，然而在实际运用中，由于功耗、体积等问题，在用户终端（尤其是手持终端）上使用多天线是不实际的。由此，多个单天线终端和一个多天线基站构成的虚拟多输入多输出（V-MIMO）系统应运而生。在拥有多个发射终端和一个接收基站的无线通信系统中，需要考虑如何选择用户配对并与基站组成V-MIMO系统，不同的配对方法可以根据不同的需求带来相应的效益。

基于上述描述，用户的配对算法在上行V-MIMO系统中成为一个重要的问题，目前存在多种调度算法，比如随机（RR）、正交准则（OF）、行列式准则（DF）、单比例公平（S-PF）、双比例公平（D-PF）等，但是现有的配对算法均存在较大问题，比如未考虑用户的QoS（Quality of Service，服务质量）要求，在系统性能和用户公平性之间没有很好的权衡等。

发明内容

本发明的目的是提供一种虚拟多输入多输出系统中用户配对的方法，有效地保证用户间的公平性和系统的吞吐量。

一种虚拟多输入多输出系统中用户配对的方法，该方法包括：

根据时延最大准则计算用于表示用户的数据队列在某一时刻服务质量QoS信息的归一化时延因子J；

根据比例公平原则计算该用户在所述某一时刻的公平性因子M；

根据所述归一化时延因子J与所述公平性因子M的乘积大小获得调度优先级排序列表，选择该排序列表中优先级最高的用户进行当前周期的配对。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，根据用户的QoS信息和公平性信息选择合适的用户进行配对调度，有效的保证用户间的公平性和系统的吞吐量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例一提供的一种虚拟多输入多输出系统中用户配对的方法的流程图；

图2为本发明实施例二提供的一种V-MIMO系统的示意图；

图3为本发明实施例二提供又一种虚拟多输入多输出系统中用户配对的方法的流程图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种虚拟多输入多输出系统中用户配对的方法的流程图；主要包括如下步骤：

步骤101、根据时延最大准则计算用于表示用户的数据队列在某一时刻服务质量QoS信息的归一化时延因子J。

为了评价用户某一时刻的QoS状态，可根据时延最大（Max Delay）准则实现。例如用户i的数据队列（用于缓存及输出数据）在nT_s时刻（n为正整数）的归一化时延可表示为其中，T_s为时隙长度，W_i[n]为用户i的数据队列在nT_s时刻内的平均时延信息。

步骤102、根据比例公平原则计算该用户在所述某一时刻的公平性因子M。

计算用户公平性因子M一般与其归一化时延因子J所处的时刻相对应。例如，步骤101计算用户i在nT_s时刻内的平均时延信息，则同样计算用户i在nT_s时刻的公平性因子M：其中，R_i[n]为用户i的数据队列在nT_s时刻的即时传输速率，用户i的数据队列在nT_s时刻内的平均传输速率。

另外，本步骤与步骤101不区分先后。

步骤103、根据所述归一化时延因子J与所述公平性因子M的乘积大小获得调度优先级排序列表，选择该排序列表中优先级最高的用户进行当前周期的配对。

公平性因子M和归一化时延因子J分别描述了每个待配对用户的两种属性，而将两者相乘后可对两个考虑因素有所折中，以达到预期的效果。

将两者相乘后，可将计算结果按照从大到小的顺序排列，并选择满足要求的用户进行当前周期的配对（通常选择优先级较高的用户进行配对）。

本发明实施例通过用户的QoS信息和公平性信息选择合适的用户进行配对调度，有效的保证用户间的公平性和系统的吞吐量。

实施例二

为了便于理解本发明，现结合附图2-3对本发明作进一步说明。

图2为本发明提供的一种V-MIMO系统模型的示意图，如图2所示：Tx、Rx分别代表发送天线和接收天线，其中每个用户拥有一个发射天线（N_t＝1），基站具有多个天线（例如基站有2根天线，则N_r＝2），为了便于理解，图中仅表示了2个具有单一发射天线的用户与一个具有2根天线的基站组成的V-MIMO系统，需要说明的是，该发明同样适用于多于两个配对用户及具有多根天线的基站的应用场景。在本场景中用户i（i∈(1,2,3......N)）首先将需要发送至基站的数据以λ_i的到达速率缓存在对应的数据队列Q_i中，当系统随机抽取用户i及其他若干用户组成V-MIMO系统后，则发射机开始对系统中用户缓存的数据以R_i的传输速度进行发送。在时间维度上，时隙长度记为T_s（对配对用户的选择每T_s时间进行一次）；在频率维度上，用户共享带宽为B。

具体的，如图3所示，为本发明实施例一提供又一种虚拟多输入多输出系统中用户配对的方法的流程图，主要包括如下步骤：

步骤301、计算用户i的数据队列在nT_s时刻（n为正整数）的即时传输速率R_i[n]。

若系统随机抽取N_u个用户组成V-MIMO系统，则在接收机端接收到的信号为：

$y=\sqrt{E_s}\sqrt{P}\mathrm{Hs}+n---\left(1\right)$

其中y是一个N_r×1的向量，代表接收机接收到的信号；s为一个N_u×1的向量，代表N_u个不同用户的发射信号；E_s则代表单位时间内的平均发射功率；n是一个零均值的加性高斯白噪声（AWGN），其方差为H为一个N_r×N_u的归一化信道矩阵，代表发送端和接收端之间的信道冲击响应信息；为代表不同用户路损的对角阵。

进一步的，为了可以更好地区分来自于不同用户的数据，在接收端采用最小均方误差准则-串行干扰消除（MMSE-OSIC）接收机，在接收机处可得到完美的信道状态信息（CSI），则用户i在nT_s时刻发送的数据队列时的信噪比SINR：

${\mathrm{\γ}}_i\left[n\right]=\frac{\frac{E_s{p}_i}{{\mathrm{\δ}}^2}{\left|h_i\right|}^2}{\underset{j\≠i}{\overset{N_u}{\mathrm{\Σ}}}\frac{E_s{p}_j}{{\mathrm{\δ}}^2}{\left|h_j\right|}^2+1};$

其中，δ²表示接收机接收到的噪声能量，h_i表示用户i和接收端之间的信道冲击响应信息。

以此可计算用户i的数据队列在nT_s时刻的即时传输速率R_i[n]：

R_i[n]＝B·log₂(1+βγ_i[n])；

其中，β为与误码率BER相关的常量：B为用户的共享带宽。

步骤302、根据比例公平原则计算用户i在nT_s时刻的公平性因子。

可根据用户i的数据队列在nT_s时刻的即时传输速率R_i[n]与其在nT_s时刻内的平均传输速率计算用户i在nT_s时刻的公平性因子M：

步骤303、计算用户i的数据队列在nT_s时刻基于时间窗的平均时延W_i[n]。

首先，计算用户i在时刻nT_s基于时间窗T_w的平均数据队列的长度

${\stackrel{\‾}{Q}}_i\left[n\right]=(1-{\mathrm{\ρ}}_w){\stackrel{\‾}{Q}}_i[n-1]+{\mathrm{\ρ}}_w{Q}_i\left[n\right];$

其中，Q_i[n]为nT_s时刻的数据队列长度，

再根据小Little定理计算用户i的数据队列在nT_s时刻基于时间窗的平均时延W_i[n]：

$W_i\left[n\right]=\frac{{\stackrel{\‾}{Q}}_i\left[n\right]}{{\mathrm{\λ}}_i}.$

另外，本步骤与步骤302不区分先后。

步骤304、根据时延最大准则计算用户i的数据队列在nT_s时刻的归一化时延因子。

为了评价用户某一时刻的QoS状态，可通过时延最大准则实现，则用户i的数据队列在nT_s时刻的归一化时延可表示为

另外，本步骤与步骤302不区分先后。

步骤305、根据用户在nT_s时刻的公平性因子及归一化时延因子进行当前周期的用户配对。

公平性因子和归一化时延因子分别描述了每个待配对用户的两种属性（公平性与QoS信息），而将两者相乘后可对两个考虑因素有所折中，以达到预期的效果。

计算系统中所有用户的公平性因子与归一化时延因子的乘积，并选择满足要求的用户进行当前周期的配对。

进一步的，优先选择计算结果较大的相邻用户进行配对，可利用下述公式直接查找计算结果较大的两个用户： $i_1=\underset{i\∈\{\mathrm{1,2},...,N\}}{\arg \max }(\frac{R_i\left[n\right]}{{\stackrel{\‾}{R}}_i\left[n\right]}\·\frac{W_i\left[n\right]}{n}),$ $i_2=\underset{i_2\≠i_1}{\arg \max }(\frac{R_{i_2}\left[n\right]}{{\stackrel{\‾}{R}}_{i_2}\left[n\right]}\·\frac{W_{i_2}\left[n\right]}{n}).$

按照上述算法可逐一查找合适的用户进行当前周期的配对，较好的兼顾了每一用户的公平性与QoS信息。

步骤306、当前周期结束后，更新系统中所有用户公平性因子与归一化时延因子。

随着系统的不断运行，用户的QoS与公平性也在不断发生变化，在当前周期结束后，可将系统中每一用户的相关数据进行更新。

更新公平性因子：从步骤302中可知，用户的公平性因子是根据用户的数据队列在某一时刻的即时传输速率与其在某一段时间内的平均传输速率计算得来。而即时传输速率的计算可参照步骤301，不再赘述，以下仅介绍平均传输速率的更新公式：例如，对于更新用户i的数据队列在(n+1)T_s时刻内的平均传输速率的公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{R}}_i[n+1]=(1-{\mathrm{\ρ}}_w){\stackrel{\‾}{R}}_i\left[n\right],i\≠i_1\\ {\stackrel{\‾}{R}}_{i_1}[n+1]=(1-{\mathrm{\ρ}}_w){\stackrel{\‾}{R}}_{i_1}\left[n\right]+{\mathrm{\ρ}}_w{\stackrel{\‾}{R}}_{i_1}[n+1]\end{array}.\right.$

更新归一化时延因子：首先，更新用户i的数据队列在(n+1)T_s时刻内的平均时延W_i[n+1]：

其中，若用户i在上一周期成功配对，则使用①式进行平均时延更新，若用户i在上一周期未配对成功或在当前周期加入系统，则使用②式进行平均时延更新。

再根据平均时延与当前时刻（(n+1)T_s）的比值计算归一化时延因子：

将所有用户公平性因子与归一化时延因子更新完后，可通过步骤305中的配对算法更新用户间的配对关系。

本发明实施例通过用户的QoS信息和公平性信息选择合适的用户进行配对调度，有效的保证用户间的公平性和系统的吞吐量。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质（可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等）中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种虚拟多输入多输出系统中用户配对的方法，其特征在于，该方法包括：

根据时延最大准则计算用于表示用户的数据队列在某一时刻服务质量QoS信息的归一化时延因子J，包括：根据Little定理计算用户i的数据队列在nT_s时刻基于时间窗的平均时延W_i[n]，所述T_s为时隙长度，n为正整数；利用时延最大准则，计算用户i在nT_s时刻的归一化时延因子J：所述根据Little定理计算用户i的数据队列在nT_s时刻基于时间窗的平均时延W_i[n]的步骤包括：计算用户i在时刻nT_s基于时间窗T_w的平均数据队列的长度其中，Q_i[n]为nT_s时刻的数据队列长度，根据Little定理计算用户i的数据队列在nT_s时刻基于时间窗的平均时延W_i[n]：其中，λ_i为用户i将数据缓存至数据队列时的速度；

根据比例公平原则计算该用户在所述某一时刻的公平性因子M，包括：根据用户i的数据队列在nT_s时刻的即时传输速率R_i[n]与其在nT_s时刻内的平均传输速率计算用户i在nT_s时刻的公平性因子M：其中，计算所述用户i的数据队列在nT_s时刻的即时传输速率R_i[n]的步骤包括：计算接收机接收用户i在nT_s时刻发送的数据队列时的信噪比SINR：其中，E_s则代表单位时间内的平均发射功率，p_i为用户i的路损信息，N_u为用户个数，δ²表示接收机接收到的噪声能量，h_i表示用户i和接收机之间的信道冲击响应信息；获取用户i的数据队列在nT_s时刻的即时传输速率R_i[n]：R_i[n]＝B·log₂(1+βγ_i[n])；其中，β为与误码率BER相关的常量：B为用户的共享带宽；

根据所述归一化时延因子J与所述公平性因子M的乘积大小获得调度优先级排序列表，选择该排序列表中优先级最高的用户进行当前周期的配对，包括：计算系统中所有用户的归一化时延因子J与其公平性因子M的乘积，将计算结果按照大小顺序排列，并选择计算结果最高的两个用户进行配对；

所述计算结果最高的两个用户满足：

$i_1=\underset{i\∈\{\mathrm{1,2},...,N\}}{\arg \max }(\frac{R_i\left[n\right]}{{\stackrel{\‾}{R}}_i\left[n\right]}\·\frac{W_i\left[n\right]}{n}),i_2=\arg \underset{i_2\≠i_1}{\max }(\frac{R_{i_2}\left[n\right]}{{\stackrel{\‾}{R}}_{i_2}\left[n\right]}\·\frac{W_{i_2}\left[n\right]}{n}),$ 其中，arg max表示寻找最大评分的参量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：

更新系统中所有用户的数据队列在(n+1)T_s时刻内的平均传输速率及平均时延W[n+1]；

具体的：更新用户i的数据队列在(n+1)T_s时刻内的平均传输速率的公式：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{R}}_i[n+1]=(1-{\mathrm{\ρ}}_w){\stackrel{\‾}{R}}_i\left[n\right],i\≠i_1\\ {\stackrel{\‾}{R}}_{i_1}[n+1]=(1-{\mathrm{\ρ}}_w){\stackrel{\‾}{R}}_{i_1}\left[n\right]+{\mathrm{\ρ}}_w{\stackrel{\‾}{R}}_{i_1}[n+1]\end{array}\right.;$

更新用户i的数据队列在(n+1)T_s时刻内的平均时延W_i[n+1]：

根据更新后用户的数据队列的平均传输速率及平均时延分别计算对应的公平性因子与归一化时延因子，用于更新用户间的配对关系。