CN105792379A - Fd-mimo传输系统在多用户场景下的用户分组及调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FD‑MIMO传输系统在多用户场景下的用户分组及调度方法，包括FD‑MIMO传输系统在多用户场景下用户的分组及FD‑MIMO传输系统在多用户场景下用户的调度，1a)在FD‑MIMO传输系统的初始用户集合U中选择出第一组的主用户；2a)将剩余N‑i‑1个用户中与主用户m₁,...，m_i‑1的垂直信道表征矢量弦距离最大的用户作为第i组的主用户m_i，得L组的主用户；4a)依次选择垂直信道表征矢量弦距离最小的N_l‑1个用户作为第l组中的用户：将第l组的主用户m_l作为第l组被调度的第一个用户，计算第l组中剩余N_l‑1个用户与第l组的主用户m_l之间的行信道弦距离，然后选择依次行信道弦距离较大的用户作为第l组被调度的用户，完成FD‑MIMO传输系统在多用户场景下的用户调度。本发明的复杂度较低，系统频谱效率高。

Description

FD-MIMO传输系统在多用户场景下的用户分组及调度方法

技术领域

本发明属于无线通信系统中下行传输领域，具体涉及一种FD-MIMO传输系统在多用户场景下的用户分组及调度方法。

背景技术

全维度多输入多输出(FD MIMO)系统,采用了2维天线有源面阵，一方面FD MIMO将大量天线部署在基站上占用一个相对较小的空间，从而节省了基站空间；另外，FD MIMO使得多用户预编码在仰角方向和水平方位角方向分别设计预编码成为可能，允许我们同时联合垂直方向和水平方向来控制用户间干扰，这大大提高了系统性能；另一方面，FD MIMO由于使用了大量天线使得空间复用和波束赋形能力大大增强；因此面对小区中用户数急剧增加，频带资源有限的情况下，既要保证用户服务质量又要保证服务速率，因此FD MIMO系统中设计预编码方案和研究用户分组和调度策略成为研究重点，用户分组策略使得尽可能多的在同一时频资源上服务更多用户；

由于多用户共享无线资源，因此在多用户间存在用户分组和调度，使得最大化频谱资源带来的效益；现存在的调度算法有最大化吞吐量调度，多用户轮转调度以及比例公平调度等等；其中最大化吞吐量调度算法即每一时刻计算各个用户的信干噪比SINR然后计算每用户和速率，每次比较加进去一个用户其和速率大小，然后调度加进去使得和速率最大的用户，该方法具有较高的计算复杂度；轮询调度算法，即系统在每个时隙上轮流地调度各个用户，这种调度方式简单，它充分保证了各个用户在资源分配上的公平程度，但是这种方式忽略了中心用户与边缘用户信道差异，不考虑各个用户利用信道的效率，所以这种方式将导致极低的系统频谱效率且它只保证了资源分配的公平程度，但难以抱证用户吞吐率的公平度；比例公平调度考虑了吞吐率和多用户间的公平性，即它是按照加权平均吞吐率对瞬时速率归一化来选择最佳用户使用信道，因此该方法在吞吐率和公平性间做了一个折中。但上述调度方法要么复杂度太高，要么系统频谱效率不高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种FD-MIMO传输系统在多用户场景下的用户分组及调度方法，该方法调度的复杂度较低，系统频谱效率高。

为达到上述目的，本发明所述的FD-MIMO传输系统在多用户场景下的用户分组及调度方法包括FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的分组及FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的调度；

所述FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的分组包括以下步骤：

1a)FD-MIMO传输系统的初始用户集合U为U＝{1,...,N}，在FD-MIMO传输系统的初始用户集合U中选择出第一组的主用户m₁，其中，N为FD-MIMO传输系统中的用户总数；

2a)将剩余N-1个用户中与第一组的主用户m₁的垂直信道表征矢量弦距离最大的用户作为第二组主用户m₂；

3a)将剩余N-i-1个用户中与主用户m₁,...，m_i-1的垂直信道表征矢量弦距离最大的用户作为第i组的主用户m_i，其中3≤i≤L，得L组的主用户；

4a)计算剩余个用户与第l组的主用户m_l的垂直信道表征矢量弦距离，再依次选择垂直信道表征矢量弦距离最小的N_l-1个用户作为第l组中的用户，完成FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的分组，其中，1≤l≤L，N_l为第l组内所有用户的总数，N₀＝0；

所述FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的调度包括以下步骤：

将第l组的主用户m_l作为第l组被调度的第一个用户，计算第l组中剩余N_l-1个用户与第l组的主用户m_l之间的行信道弦距离，然后依次选择行信道弦距离较大的用户作为第l组被调度的用户，完成FD-MIMO传输系统在多用户场景下的用户调度。

利用比例公平准则在FD-MIMO传输系统的初始用户集合U中选择出第一组的主用户m₁，其中，

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的FD-MIMO传输系统在多用户场景下的用户分组及调度方法在具体操作时，在用户分组时，先在FD-MIMO传输系统的初始用户集合中选择第一组的主用户，再根据垂直信道表征矢量弦距离的大小选择其他组的主用户，从而使选择出来的L个组的主用户之间具有较强的正交性，即各组的主用户之间的相关性较弱，然后再根据垂直信道表征矢量弦距离的大小选择L个组中的其他用户，从而使组内用户的垂直信道相关性强，组间用户的垂直信道相关性弱，有助于有效的抑制用户组间干扰，提升目标用户的接收功率，在调度时，将与主用户的行信道信息弦距离较大的用户优先作为被调度用户，复杂度较低，提高系统的频谱效率，使系统的性能得到大幅度的提高。

附图说明

图1为本发明中单小区FD MIMO系统模型图；

图2为本发明中用户分组和调度后信道相关性CDF曲线图；

图3为不同调度方案下随WSNR变化的系统平均频谱效率对比图；

图4为不同调度方案下随WSNR变化的边缘用户频谱效率对比图；

图5为随用户组数变化系统平均频谱效率的对比图；

图6为随用户组数变化边缘用户频谱效率的对比图；

图7为随用户组数变化组间干扰变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

单小区多用户FD-MIMO下行传输系统中基站端配置2D均匀面阵(UPA)，2D均匀面阵包含N_t＝N_v×N_h根天线，即垂直方向配置N_v根天线，水平方向配置N_h根天线，每小区随机均匀播撒N个单天线用户，将信息传输时间分为T个时隙，在每一时隙选择L组用户进行传输，第l组包含N_l个用户，H_kl为第l组中第k个用户的1×(N_v×N_h)维的行信道矢量，为后续方便使用，将行信道H_kl写作矩阵形式，即 为第i列天线1×N_v维的信道矢量，设基站发射功率为P，各用户接收噪声为n_k，噪声功率为

由于每一时隙操作相同，因此忽略时隙索引，设用户(l,k)为第l组中的第k个用户，其中，第l组中第k个用户接收的信号y_kl为：

$y_{kl}=H_{kl}{P}_{kl}{s}_{kl}+\underset{k^{\′}=1,k^{\′}\≠k}{\overset{N_l}{\Σ}}{H}_{kl}{P}_{k^{\′}l}{s}_{k^{\′}l}+\underset{j\≠l}{\overset{L}{\Σ}}\underset{k^{\′}=1}{\overset{N_l}{\Σ}}{H}_{kl}{P}_{k^{\′}j}{s}_{k^{\′}j}+n_{kl}---\left(1\right)$

其中，P_kl为用户(l,k)的预编码矩阵，P_kl的维度为(N_v×N_h)×1，H_klP_kls_kl为期望信号，为组内干扰，为组间干扰；

基于两步预编码结构，则其信漏噪比SLNR为：

${\mathrm{SLNR}}_{kl}=\frac{{\left|H_{kl}{P}_{kl}^v{P}_{kl}^h\right|}^2}{\underset{k^{\′}=1,k^{\′}\≠k}{\overset{N_l}{\Σ}}{\left|H_{k^{\′}l}{P}_{kl}^v{P}_{kl}^h\right|}^2+\underset{j\≠l}{\overset{L}{\Σ}}\underset{k^{\′}=1}{\overset{N_l}{\Σ}}{\left|H_{k^{\′}j}{P}_{kl}^v{P}_{kl}^h\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_n^2}---\left(2\right)$

其中，第一步为：外波束赋形矩阵目标增强期望接收信号强度，并抑制组间干扰，经过垂直波束赋形后等效信道具有弱的相关性，则第l组中第k个用户波束赋形矩阵结构为：

其中为一列天线N_v×1维的预编码矢量，且每列天线一样。

不考虑组内干扰，得到SLNR下界，其中，SLNR的下界SLNR_kl如下式

${\mathrm{SLNR}}_{kl}=\frac{{\left|{\left(H_{kl}^p\right)}^H{p}_{kl}^v\right|}^2}{\underset{j\≠l}{\overset{L}{\Σ}}\underset{k^{\′}=1}{\overset{N_l}{\Σ}}{\left|{\left(H_{k^{\′}j}^p\right)}^H{p}_{kl}^v\right|}^2+{\mathrm{\σ}}_n^2}---\left(4\right)$

然后优化SLNR的下界求解最优的外波束赋形矢量；首先对(4)式分子进行推导如下式所示：

$\begin{array}{c}{\left|{\left(H_{kl}^p\right)}^H{p}_{kl}^v\right|}^2={p_{kl}^v}^H{H}_{kl}^p{\left(H_{kl}^p\right)}^H{p}_{kl}^v\\ ={p_{kl}^v}^H{R}_{kl}{p}_{kl}^v\\ ={p_{kl}^v}^H{U}_{kl}\Σ{U_{kl}}^H{p}_{kl}^v\\ ={p_{kl}^v}^H\[U_{kl}^1\mathrm{...}{U}_{kl}^{N_v}\]diag({\mathrm{\λ}}_{kl}^1,\mathrm{...},{\mathrm{\λ}}_{kl}^{N_v}){\[U_{kl}^1\mathrm{...}{U}_{kl}^{N_v}\]}^H{p}_{kl}^v\\ =\mathrm{...}\\ =\underset{i=1}{\overset{N_v}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{kl}^i{\left|{U_{kl}^i}^H{p}_{kl}^v\right|}^2\\ \≈{\mathrm{\λ}}_{kl}^{\max }{\left|U_{kl}^{\max H}{p}_{kl}^v\right|}^2\\ ={\mathrm{\λ}}_{kl}^{\max }{\left|H_{kl}^u{p}_{kl}^v\right|}^2\end{array}---\left(5\right)$

定义第l组中第k个用户的垂直信道表征矢量

则(4)式进一步表示为(6)式，即第l组中第k个用户的最优外波束赋形矢量通过求得：

$\underset{p_{kl}^v}{\max }{\mathrm{SLNR}}_{kl}^{\′}=\frac{{\mathrm{\λ}}_{kl}^{\max }{\left(p_{kl}^v\right)}^H{R}_{kl}^u{p}_{kl}^v}{{\left(p_{kl}^v\right)}^H(\underset{j\≠l}{\overset{L}{\Σ}}\underset{k^{\′}=1}{\overset{N_l}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{k^{\′}j}^{\max }{R}_{k^{\′}j}^u+({\hat{I}}_{\mathrm{int}ra}+{\mathrm{\σ}}_n^2\left)I\right)p_{kl}^v}---\left(6\right)$

等于矩阵束(A,B)最大广义特征值对应的特征向量；

为平衡因子，及分别为第l组中第k个用户和第j组中第k'个用户的垂直信道表征矢量的相关矩阵。

第二步为：将外波束赋形矢量应用于各列信道中，得到等效水平信道信息，根据最大化SLNR得第l组中第k个用户的最优内波束赋形矢量其中，等于矩阵束(C,D)最大广义特征值对应的特征向量， 为使得组内干扰在承受范围内的平衡因子，及分别为用户(l,k)的等效信道及等效干扰信道，

本发明所述的FD-MIMO传输系统在多用户场景下的用户分组及调度方法包括FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的分组及FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的调度；

所述FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的分组包括以下步骤：

1a)FD-MIMO传输系统的初始用户集合U为U＝{1,...,N}，在FD-MIMO传输系统的初始用户集合U中选择出第一组的主用户m₁，其中，N为FD-MIMO传输系统中的用户总数；

2a)将剩余N-1个用户中与第一组的主用户m₁的垂直信道表征矢量弦距离最大的用户作为第二组主用户m₂；

3a)将剩余N-i-1个用户中与主用户m₁,...，m_i-1的垂直信道表征矢量弦距离最大的用户作为第i组的主用户m_i，其中3≤i≤L，得L组的主用户；

4a)计算剩余个用户与第l组的主用户m_l的垂直信道表征矢量弦距离，再依次选择垂直信道表征矢量弦距离最小的N_l-1个用户作为第l组中的用户，完成FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的分组，其中，1≤l≤L，N_l为第l组内所有用户的总数，N₀＝0；

所述FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的调度包括以下步骤：

将第l组的主用户m_l作为第l组被调度的第一个用户，计算第l组中剩余N_l-1个用户与第l组的主用户m_l之间的行信道弦距离，然后依次选择行信道弦距离较大的用户作为第l组被调度的用户，完成FD-MIMO传输系统在多用户场景下的用户调度。

利用比例公平准则在FD-MIMO传输系统的初始用户集合U中选择出第一组的主用户m₁，其中，

弦距离是一个表征矩阵(向量)间相关性的一个量，弦距离越大表示矩阵(向量)间相关性越小，定义矩阵(向量)d_cd(H₁,H₂)为与之间的弦距离

$d_{cd}(H_1,H_2)=\sqrt{N-trace\left({\tilde{H}}_1{{\tilde{H}}_2}^{*}{\tilde{H}}_2{{\tilde{H}}_1}^{*}\right)}$

其中，为矩阵(向量)H₁及H₂经过施密特正交化之后得到的标准正交基。

仿真实验

仿真参数见表1，边缘用户频谱效率为每用户平均频谱效率的5％，用户(l,k)的瞬时速率R_kl、系统频谱效率R_total及用户的平均频谱效率R_av分别为：

$\begin{array}{c}{R}_{kl}=B{\log }_2(1+{\mathrm{SINR}}_{kl})\\ R_{total}=\frac{1}{B}\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}\underset{k=1}{\overset{N_l}{\Σ}}{R}_{kl}\\ R_{av}=\frac{1}{{\mathrm{LN}}_l}{R}_{total}\end{array}---\left(7\right)$

表1

图2给出了经过所提用户分组和调度处理后，不同用户垂直信道相关性变化情况；从图中可看出组内用户垂直信道相关性很强，组间用户垂直信道相关性较差，组内用户的的垂直信道相关性明显强于组间用户；等效信道的相关性较差；这些特点都是符合理论分析的，另外，组间用户垂直信道相关性弱于组内用户垂直信道相关性，有利于进一步加强外波束赋形矢量对组间干扰的抑制；等效信道正交性较强，说明经过所提用户分组和调度后，组内用户有较强的正交性，利于区分组内用户实现组内多用户传输。

参考图3及图4为基于本发明的预编码方案与基于传统用户调度方案的预编码方案的平均系统频谱效率和边缘用户频谱效率变化情况；在该场景下，WSNR取-5dB、0dB、5dB、10dB、15dB、20dB、25dB以及30dB；从图3中可以看出随WSNR增加，基于本发明的平均系统频谱效率快速增加；而基于传统比例公平调度方案的平均系统频谱效率首先缓慢增加然后在WSNR为15dB开始基本不变；基于本发明的平均系统频谱效率显著优于基于传统用户调度的方案的性能；由图4可知，基于本发明的边缘频谱效率优于基于传统调度方案的边缘频谱效率；另外，平均系统频谱效率及边缘用户频谱效率本发明都显著优于与传统调度方案；说明垂直波束赋形矢量对于用户分组策略很敏感，这是由于本发明所提垂直波束赋形矢量是基于组间干扰抑制特性设计的；因此传统不理想的用户分组和调度方案很难通过垂直波束赋形方案有效抑制组间干扰。

由图5可知，在100用户以下，增加调度用户组数，平均系统频谱效率逐渐下降；因为组内用户选择不理想，另外调度用户数增加，用户间干扰增加；可见100用户下用户组数为2时性能较好；另外当小区用户为200用户时，平均系统频谱效率先增加后减小，其用户组数为3组时性能较好，平均系统频谱效率增大是因为调度用户数增加；平均系统频谱效率减小是因为组内用户选择不理想，且继续随调度用户数增加，其用户间干扰增大；所以不同的小区用户数对用户组数选择有影响；图6可以看出无论100用户还是200用户，随调度用户组数增加，边缘用户频谱效率减小；这是因为增加用户组数，用户间干扰增强，且边缘用户对干扰更为敏感。

图7给出随用户组数变增加组间干扰变化情况；由图7可知，在100-200用户下，随用户组数增加，干扰增加，200用户以下时，组间干扰小于100用户下的组间干扰，这是因为200用户下，组内用户选择更加理想，所以组间干扰较小。

我们从N个用户中调度N_u个动态用户用于传输；贪婪用户选择方案的复杂度很高，大约为另外，根据整个用户信道基于弦距离的传统用户选择和调度算法(CD-basedTraUS)其复杂度大约为O(N_u(N_vN_h)³)；而所提基于用户垂直信道表征矢量的用户分组和调度方案(CD-based UGAS)其复杂度大大下降，下面根据现有文献对所提方案复杂度用浮点数来分析：

选择第一个用户计算4N_vN_h；

对用户矩阵进行奇异值分解：

$24N_h{N}_v^2+48N_h^2{N}_v+54N_h^3;$

基于弦距离，组内初步用户配对：

基于弦距离，组内用户调度：

N_u个用户总的复杂度T_complexity为：

$\begin{array}{c}{T}_{complexity}=N_u(4N_v{N}_h+24N_h{N}_v^2+48N_h^2{N}_v+54N_h^3)\\ +L\underset{i=2}{\overset{N_l}{\Σ}}\left(\right(8N_v^2+6N_v+4\left)\right(i-1\left)\right)\\ +L\underset{i=2}{\overset{N_s}{\Σ}}\left(\right(8N_h^2+6N_h+4\left)\right(i-1\left)\right)\\ \≈O\left(N_u{N}_v^3\right)\end{array}$

基于以上分析，在表2中给出了具体复杂度比较：

表2

从上表2中可以看出，本发明较传统基于弦距离用户选择算法的复杂度大大下降。

Claims (2)

1.一种FD-MIMO传输系统在多用户场景下的用户分组及调度方法，其特征在于，包括FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的分组及FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的调度；

所述FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的分组包括以下步骤：

1a)FD-MIMO传输系统的初始用户集合U为U＝{1,...,N}，在FD-MIMO传输系统的初始用户集合U中选择出第一组的主用户m₁，其中，N为FD-MIMO传输系统中的用户总数；

2a)将剩余N-1个用户中与第一组的主用户m₁的垂直信道表征矢量弦距离最大的用户作为第二组主用户m₂；

3a)将剩余N-i-1个用户中与主用户m₁,...，m_i-1的垂直信道表征矢量弦距离最大的用户作为第i组的主用户m_i，其中3≤i≤L，得L组的主用户；

4a)计算剩余个用户与第l组的主用户m_l的垂直信道表征矢量弦距离，再依次选择垂直信道表征矢量弦距离最小的N_l-1个用户作为第l组中的用户，完成FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的分组，其中，1≤l≤L，N_l为第l组内所有用户的总数，N₀＝0；

所述FD-MIMO传输系统在多用户场景下用户的调度包括以下步骤：

将第l组的主用户m_l作为第l组被调度的第一个用户，计算第l组中剩余N_l-1个用户与第l组的主用户m_l之间的行信道弦距离，然后依次选择行信道弦距离较大的用户作为第l组被调度的用户，完成FD-MIMO传输系统在多用户场景下的用户调度。

2.根据权利要求1所述的FD-MIMO传输系统在多用户场景下的用户分组及调度方法，其特征在于，利用比例公平准则在FD-MIMO传输系统的初始用户集合U中选择出第一组的主用户m₁。