CN105636226A - 基于静态分簇的密集分布式无线网络多用户调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于静态分簇的密集分布式无线网络多用户调度方法，该方法先将整个密集分布式无线网络中M个远程天线单元RAU划分成r个协作簇，每个协作簇包含相邻的L个RAU；然后小区内位置随机的用户利用大尺度衰落信道信息选择最佳的RAU协作簇；接着各个RAU协作簇以簇加权遍历和速率最大准则并行调度用户集合；最后以小区加权遍历和速率最大准则选择服务的RAU协作簇和用户集合。本发明具有RAU分簇和用户调度速度快，算法复杂度低，所需信道信息开销小的优点。

Description

基于静态分簇的密集分布式无线网络多用户调度方法

技术领域

本发明涉及一种密集分布式无线天线系统调度技术，尤其涉及静态RAU分簇和用户调度方法。

背景技术

随着智能终端的普及以及移动互联网的兴起，移动数据业务量呈爆炸式增长。近年来，移动数据业务量以每年翻一番的速度增长；可以预计，在未来10年将会增长近1000倍。密集分布式无线网络作一种分布式布设天线阵列的大规模MIMO，有望大幅提高系统的频谱效率和功率效率，满足未来无线数据增长需求。该系统在整个小区内密集布设远程天线单元RAU，每个RAU与中心处理单元通过高速回程链路相连构成一个无线通信系统整体。与天线集中放置的传统大规模MIMO系统相比，密集分布式无线网络可大幅缩短用户和天线间的接入距离，从而获得低传播损耗和高空间复用增益。因此，其相关研究近年来受到广泛重视，具有重要的理论和现实意义。

而RAU分簇和用户调度算法是解决密集分布式无线网络小区内干扰的关键技术之一，由于采用大规模分布式天线单元，将会遇到信道信息开销,算法复杂度等一系列问题，因此，需要设计更加简单和符合实际系统的RAU分簇和用户调度算法。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种基于静态分簇的密集分布式无线网络多用户调度方法，先将整个密集分布式无线网络划分若干协作簇，并利用利用大尺度衰落信道信息选择最佳的RAU协作簇；接着各个RAU协作簇以簇加权遍历和速率最大准则并行调度用户集合；最后以小区加权遍历和速率最大准则选择服务的RAU协作簇和用户集合，该方法有效的解决了小区内的干扰问题，提高了系统频谱效率。

为了达到上述目的，本发明提出的基于静态分簇的密集分布式无线网络多用户调度方法，其特征在于,包括如下步骤：

步骤1、将整个密集分布式无线网络中M个远程天线单元划分成r个协作簇，每个协作簇包含相邻的L个远程天线单元；

步骤2、按照大尺度衰落大小排序，确定每个用户所属大尺度衰落最小的协作簇；

步骤3、确定所有协作簇内的已调度用户及对应的数据传输模式：

3a、确定所有协作簇内的用户数,若协作簇内用户数为0，则该协作簇内的远程天线单元进入休眠状态；若簇内用户数为1，该用户为已调度用户，协作簇采用最大比传输模式对该用户进行数据传输；若簇内用户数大于1则执行步骤3b；

3b、若协作簇内用户数小于或等于协作簇的天线自由度，协作簇内所有用户为已调度用户，协作簇采用迫零传输模式对用户进行数据传输；否则转至步骤3c；

3c、选择协作簇内所属信道范数最大的用户作为首用户，或者按照比例公平准则选择首用户或者按照轮询方法选择首用户，将首用户加入已调度集合；

3d、计算协作簇内未调度用户与所有已调度用户信道之间的正交关系，选择准正交用户加入该协作簇的已调度集合中；

3e、重复执行步骤3d直到协作簇内已调度用户数等于协作簇的天线自由度；

3f、协作簇采用迫零传输模式对已调度用户进行数据传输；

步骤4、计算当前时刻整个密集分布式系统的性能指标，按照系统性能指标最佳准则，剔除可使系统性能指标提升最多的一个用户，并且对剔除用户后的协作簇进行传输模式更新；

步骤5、重复步骤4直到剔除用户前的系统性能指标大于或等于剔除用户后的系统性能指标。

本发明进一步的改进在于：

1、步骤4中，选择剔除用户和对剔除用户后的协作簇进行传输模式更新的方法如下：

4a、遍历所有未剔除的已调度用户，剔除其中任意一个；

4b、判断被剔除用户所在协作簇内的剩余的已调度用户数量，若协作簇内无用户，则协作簇内的远程天线单元进入休眠状态；若协作簇内用户数为1，则协作簇采用最大比传输模式对该用户进行数据传输；若簇内用户数大于1，则协作簇采用迫零传输模式对剩余已调度用户进行数据传输；

4c、计算剔除用户后整个密集分布式系统性能指标，选择系统性能指标最大所对应的剔除用户作为当前轮次的剔除方案。

2、所述系统性能指标是系统和速率、系统平均能效或系统加权和速率中的一种。

3、若协作簇V_i内用户数为1，对协作簇V_i内用户m采用最大比传输的预编码为为协作簇V_i中的所有远程天线单元对用户m的下行信道；若协作簇V_i采用迫零模式传输，则用户m的迫零传输预编码为式中为协作簇V_i中的所有远程天线单元对用户m的下行信道。

4、协作簇V_i内为多用户时，步骤3b和3f中，预编码方案还可选择规则化迫零预编码、最小均方误差预编码和最大泄露比预编码中的一种。

5、所述系统性能指标是系统和速率，系统和速率的计算公式为：其中，为协作簇V_i中用户m的信噪比，为协作簇V_i内的已调度用户的集合，V为所有协作簇的集合；

U_j为协作簇V_j内的用户集合；为协作簇V_i中的所有远程天线单元对用户m的下行信道；为协作簇V_j中的所有远程天线单元对协作簇V_i中用户m的干扰信道；为协作簇V_i中用户m的有用预编码；为协作簇V_j中的所有基站对协作簇V_j中用户b的预编码。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明静态分簇和用户调度速度快，算法复杂度低，适用于各种密集分布式无线通信系统；

2、本发明先通过静态分簇后，减少中心处理单元所需的信道开销，减轻了回程链路的负担；

3、本发明中各个簇先采用并行快速用户调度算法，再整体调整RAU集合和用户集合，可灵活切换不同的预编码传输模式。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为多用户密集分布式无线通信系统模型示意图。

图2为本发明基于静态分簇的密集分布式无线网络多用户调度方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

本实施例的多用户密集分布式无线通信系统模型如图1所示，假设单小区有M个远程天线单元RAU，通过高速回程链路连接到中心处理单元，每个分布式天线单元有N根天线，每个用户终端有单根天线。假设以RAU为中心整个密集分布式无线网络中M个RAU划分成个协作簇，每个协作簇包含相邻的L个RAU，所有RAU共享用户的大尺度衰落信息和数据信息，每个簇内用户共享瞬时信道信息和数据信息。整个系统由模块101、模块102,模块103和模块104组成，其中模块101是远程天线单元RAU，主要作用是取代传统的接入点的射频单元，负责收发数据；模块102是用户终端，主要作用是用户收发数据的设备，如手机、笔记本等；模块103是协作簇，主要作用是取代传统的基站基带处理单元；模块104是中心处理单元，主要作用负责信号处理以及调度算法等。

如图2所示，为本实施例基于静态分簇的密集分布式无线网络多用户调度方法的流程图，具体包括如下步骤：

步骤1、将整个密集分布式无线网络中M个远程天线单元划分成r个协作簇，每个协作簇包含相邻的L个远程天线单元，所有协作簇集合表示为V，其中第i个协作簇为V_i，1≤i≤r，每个RAU有N根天线，协作簇V_i内的用户集合为U_i，每个用户终端为单天线。

步骤2、所有RAU将获取的所有用户与相邻远程天线单元的统计信道信息回传给中心处理单元，按照大尺度衰落大小排序，确定每个用户所属大尺度衰落最小的协作簇。

每个用户到各个远程天线单元的大尺度衰落可以表示为：

Lr_m,t＝20lgd_m,t+20lgf+32.4

其中，Lr_m,t为用户m到远程天线单元t的路径损耗，d_m,t为用户m到远程天线单元t的距离，f为工作频率，要使得大尺度衰落最小用户m选择远程天线单元t最优解为V为所有协作簇的集合；V_i为协作簇i；

假设用户距离最近的远程天线单元t^*归属于协作簇V_i，在下行链路中，协作簇V_i中用户m的接收信号为

其中，为协作簇V_i中的所有远程天线单元对用户m的下行信道，为协作簇V_j中的所有远程天线单元对协作簇V_i中用户m的干扰信道，为协作簇V_i中用户m的有用预编码，为协作簇V_i中的所有远程天线单元对其协作簇内用户k的预编码，为协作簇V_j中的所有基站对协作簇V_j中用户b的预编码，为协作簇V_i中所有远程天线单元对于用户m的传输信号，为协作簇V_i中所有远程天线单元对于用户k的传输信号；为协作簇V_j中所有远程天线单元对于用户b的传输信号；U_i为协作簇V_i内的用户集合；U_i\m表示协作簇V_i内除去用户m以外的用户集合；V\/V_i表示除去协作簇V_i以外的协作簇的集合；协作簇V_j中所有远程天线单元以等功率发送信号，z_m为均值为0方差为的加性高斯白噪声。

步骤3、确定所有协作簇内的已调度用户及对应的数据传输模式：

3a、确定所有协作簇内的用户数,若协作簇内用户数为0，则该协作簇内的远程天线单元进入休眠状态；若簇内用户数为1，该用户为已调度用户，协作簇采用最大比传输模式对该用户进行数据传输；协作簇V_i内用户数为1，对协作簇V_i内用户m采用最大比传输的预编码为为协作簇V_i中的所有远程天线单元对用户m的下行信道；若簇内用户数大于1则执行步骤3b。

3b、若协作簇内用户数小于或等于协作簇的天线自由度，协作簇内所有用户为已调度用户，协作簇采用迫零传输模式对用户进行数据传输，对于协作簇V_i中的用户m，若协作簇V_i采用迫零模式传输，则用户m的迫零传输预编码为式中为协作簇V_i中的所有远程天线单元对用户m的下行信道；否则转至步骤3c。

3c、选择协作簇内所属信道范数最大的用户作为首用户，将首用户加入已调度集合。

具体的，在协作簇V_i中，待调度用户集合用表示，已调度用户集合用表示，初始化参数选取信道范数最大的用户作为第一个被调度的用户： $\mathrm{\π}\left(1\right)=\arg \underset{m\∈G}{\max }\left|\right|h_m^{\left(V_i\right)}\left|\right|,$ 然后更新和 $C^{\left(V_i\right)}:G^{\left(V_i\right)}\←G^{\left(V_i\right)}\left\{\mathrm{\π}\left(1\right)\right\},C^{\left(V_i\right)}\←C^{\left(V_i\right)}\∪\left\{\mathrm{\π}\left(1\right)\right\},$ 并且定义表示协作簇V_i被调用的第1个用户的信道矩阵。

3d、计算协作簇内未调度用户与所有已调度用户信道之间的正交关系，选择准正交用户加入该协作簇的已调度集合中。

具体的，选取第k(k>＝2)个被调度的用户：再更新和以及 $g_{\left(k\right)}^{\left(V_i\right)}:G^{\left(V_i\right)}\←G^{\left(V_i\right)}\backslash \left\{\mathrm{\π}\left(k\right)\right\},C^{\left(V_i\right)}\←C^{\left(V_i\right)}\∪\left\{\mathrm{\π}\left(k\right)\right\},g_{\left(k\right)}^{\left(V_i\right)}=h_{\mathrm{\π}\left(k\right)}^{\left(V_i\right)}.$

3e、重复执行步骤3d直到协作簇内已调度用户数等于协作簇的天线自由度。

3f、协作簇采用迫零传输模式对已调度用户进行数据传输。

步骤4、计算当前时刻整个密集分布式系统和速率，按照系统和速率最大准则，剔除可使系统和速率提升最多的一个用户，并且对剔除用户后的协作簇进行传输模式更新，所述和速率是指整个密集分布式系统中所有已调度用户的数据传输速率之和。

系统和速率的计算公式为：其中，为协作簇V_i中用户m的信噪比，为协作簇V_i内的已调度用户的集合；

U_j为协作簇V_j内的用户集合，公式中其他符号的含义参见前文。

步骤4中，选择剔除用户和对剔除用户后的协作簇进行传输模式更新的方法如下：

4a、遍历所有未剔除的已调度用户，剔除其中任意一个；

4b、判断被剔除用户所在协作簇内的剩余的已调度用户数量，若协作簇内无用户，则协作簇内的远程天线单元进入休眠状态；若协作簇内用户数为1，则协作簇采用最大比传输模式对该用户进行数据传输；若簇内用户数大于1，则协作簇采用迫零传输模式对剩余已调度用户进行数据传输；

4c、计算剔除用户后整个密集分布式系统和速率，选择系统和速率最大所对应的剔除用户作为当前轮次的剔除方案。

步骤5、重复步骤4直到剔除用户前的系统和速率大于或等于剔除用户后系统和速率。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (6)

1.基于静态分簇的密集分布式无线网络多用户调度方法，其特征在于,包括如下步骤：

步骤1、将整个密集分布式无线网络中M个远程天线单元划分成r个协作簇，每个协作簇包含相邻的L个远程天线单元；

步骤2、按照大尺度衰落大小排序，确定每个用户所属大尺度衰落最小的协作簇；

步骤3、确定所有协作簇内的已调度用户及对应的数据传输模式：

3a、确定所有协作簇内的用户数,若协作簇内用户数为0，则该协作簇内的远程天线单元进入休眠状态；若簇内用户数为1，该用户为已调度用户，协作簇采用最大比传输模式对该用户进行数据传输；若簇内用户数大于1则执行步骤3b；

3b、若协作簇内用户数小于或等于协作簇的天线自由度，协作簇内所有用户为已调度用户，协作簇采用迫零传输模式对用户进行数据传输；否则转至步骤3c；

3c、选择协作簇内所属信道范数最大的用户作为首用户，或者按照比例公平准则选择首用户或者按照轮询方法选择首用户，将首用户加入已调度集合；

3d、计算协作簇内未调度用户与所有已调度用户信道之间的正交关系，选择准正交用户加入该协作簇的已调度集合中；

3e、重复执行步骤3d直到协作簇内已调度用户数等于协作簇的天线自由度；

3f、协作簇采用迫零传输模式对已调度用户进行数据传输；

步骤4、计算当前时刻整个密集分布式系统的性能指标，按照系统性能指标最佳准则，剔除可使系统性能指标提升最多的一个用户，并且对剔除用户后的协作簇进行传输模式更新；

步骤5、重复步骤4直到剔除用户前的系统性能指标大于或等于剔除用户后的系统性能指标。

2.根据权利要求1所述的基于静态分簇的密集分布式无线网络多用户调度方法，其特征在于：步骤4中，选择剔除用户和对剔除用户后的协作簇进行传输模式更新的方法如下：

4a、遍历所有未剔除的已调度用户，剔除其中任意一个；

4b、判断被剔除用户所在协作簇内的剩余的已调度用户数量，若协作簇内无用户，则协作簇内的远程天线单元进入休眠状态；若协作簇内用户数为1，则协作簇采用最大比传输模式对该用户进行数据传输；若簇内用户数大于1，则协作簇采用迫零传输模式对剩余已调度用户进行数据传输；

4c、计算剔除用户后整个密集分布式系统性能指标，选择系统性能指标最大所对应的剔除用户作为当前轮次的剔除方案。

3.根据权利要求1所述的基于静态分簇的密集分布式无线网络多用户调度方法，其特征在于：所述系统性能指标是系统和速率、系统平均能效或系统加权和速率中的一种。

4.根据权利要求1所述的基于静态分簇的密集分布式无线网络多用户调度方法，其特征在于：若协作簇V_i内用户数为1，对协作簇V_i内用户m采用最大比传输的预编码为 为协作簇V_i中的所有远程天线单元对用户m的下行信道；若协作簇V_i采用迫零模式传输，则用户m的迫零传输预编码为式中为协作簇V_i中的所有远程天线单元对用户m的下行信道。

5.根据权利要求1所述的基于静态分簇的密集分布式无线网络多用户调度方法，其特征在于：协作簇V_i内为多用户时，步骤3b和3f中，预编码方案还可选择规则化迫零预编码、最小均方误差预编码和最大泄露比预编码中的一种。

6.根据权利要求1-5任一项所述的基于静态分簇的密集分布式无线网络多用户调度方法，其特征在于：所述系统性能指标是系统和速率，系统和速率的计算公式为：其中，为协作簇V_i中用户m的信噪比，为协作簇V_i内的已调度用户的集合，V为所有协作簇的集合；

U_j为协作簇V_j内的用户集合；为协作簇V_i中的所有远程天线单元对用户m的下行信道；为协作簇V_j中的所有远程天线单元对协作簇V_i中用户m的干扰信道；为协作簇V_i中用户m的有用预编码；为协作簇V_j中的所有基站对协作簇V_j中用户b的预编码。