CN106028461A - 中继协作分布式多用户调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模MIMO下中继协作分布式多用户调度方法，主要解决现有技术不能得到最优的资源分配，且系统性能低的问题。其实现步骤为：1.用户利用导频信号得到下行链路的信道状态信息；2.随机将系统中相同数目的用户分为一组，并为每个组分配一个中继；3.用户将其信道状态信息发送给该组的中继，中继筛选出该组中信道相关性低的用户，将它们的信道状态信息反馈给基站；4.基站通过半正交算法得到最优的发送用户集合，5.基站将波束成形的信号发送给已选的用户。本发明能够有效的降低系统反馈信息量，且不会对系统的和速度性能造成过大的影响，可用于大规模MIMO系统。

Description

中继协作分布式多用户调度方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，特别涉及一种多用户调度方法，可用于大规模MIMO系统。

背景技术

在大规模MIMO的多用户调度中，基站需要接收用户通过上行链路反馈的信道状态信息，来进行系统资源分配。然而，相比于传统的MIMO系统，大规模MIMO系统中的基站天线数指数倍增加，同时，由于系统中庞大的用户数目，基站想要得到完美的信道状态信息就需要占用极大的系统频带资源，这就会极大的降低系统的频谱效率。针对反馈的信道状态信息占用系统频带的问题，目前很多学者已经进行了深入的研究，如2005年Masoud Sharif在“On the Capacity of MIMO Broadcast Channels With Partial Side Information”中通过反馈每个用户的信干噪比来减少系统的反馈量，如2010年，Kiyoen Kim在“AnEfficient Feedback Scheme Using Compressive Sensing for MIMO BroadcastChannel with Random Beamforming”中通过压缩感知来将信道状态信息先进行压缩再进行反馈来减少反馈量，如2015年Moonsik Min在“Block diagonalization and userselection for MIMO broadcast channels with limited feedback”中将信道状态信息进行量化来减少系统反馈量，然后基站通过量化的信道状态信息进行用户调度。

然而，由于基站接收到的不再是每个用户的完美信道状态信息，所以，基站在进行用户调度和预编码等工作时就很难找到最优解决方案，最后就导致系统和速度和传输误比特率不同程度的降低，除此之外，它们在进行信道状态信息量化和计算每个用户的信干噪比时还会加大用户端的计算工作量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种中继协作的分布式多用户调度方法，以降低大规模MIMO系统的反馈量，提高系统的可靠性，降低传输误比特率。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)用户获取信道状态信息估计值H；

(2)设系统中有N个中继，M个用户，随机将个相同数目的用户分为一组，并为每个组随机分配一个中继，且假定每个组之间不会出现反馈信息的相互干扰，其中为向下取整符号；

(3)每组用户在假设上行信道不会出现噪声以及时延的情况下，通过反馈信道向该组的中继反馈信道状态信息H；

(4)每个中继找出该组对应信道范数最大的用户k，并计算用户k和所有其它用户之间的相关系数γ：

其中，h_i和h_k分别代表第i个用户和第k个用户的信道状态信息向量，(·)^*表示为用户的信道状态信息向量的共轭转置，为每个组中的用户数，||·||为用户信道状态信息向量的2范数；

(5)中继将信道状态信息范数最大用户k的信道状态向量反馈给基站，同时，中继将用户i的相关系数γ_i与设定的系统阈值α进行比较，如果γ_i<α，则中继将用户i的信道状态向量h_i反馈给基站，反之，则不进行反馈；

(6)基站接收到N个中继发送过来的信道状态信息后通过半正交用户调度算法选择出信道正交特性最优的用户集合S，且card(S)≤N_t，其中card(S)表示集合S中的用户数目，N_t表示基站天线数；

(7)基站根据被选择用户的信道状态信息构造波束成形矩阵W，并用矩阵W对发送数据做波束成形，然后波束成形后的信号发送给被选择的用户。

本发明具有如下优点：

1)本发明通过在系统中引入中继进行辅助，完成对用户的初步筛选，从而大大减少了中继端到基站端的反馈信息量，进而减少了整个系统的反馈信息量；

2)本发明通过中继辅助计算不同用户信道之间的相关系数，减少了在用户端和基站端的计算工作量。

下面通过附图和实施实例，对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明仿真使用的系统模型图；

图3是图2系统和速度随信噪比变化的性能仿真图；

图4是图2系统中继端的反馈用户数随系统相关性阈值α变化的性能仿真图。

具体实施方式

参照图2，本发明使用的通信系统由基站、中继、反馈信道、发送信道和用户构成，其中，基站有N_t根发射天线，每根天线相互独立；系统中有M个用户，假设每个用户均有1根接收天线；每根发送天线和接收天线之间的发送信道服从复高斯分布，不同的发送信道之间相互独立，系统中有N个中继，每个中继相互独立，中继发送和接收的信息不会相互干扰，同时发送信道受到加性高斯白噪声干扰；设用户端到中继和中继到基站端的反馈信道是完美信道，即不会出现时延和噪声。

参照图1，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1：用户获取信道状态信息估计值H。

(1.1)基站向用户发送用户已知的训练序列x，用户获得接收信号：y＝Hx+n，其中n为传输过程中受到的加性高斯白噪声向量，H为信号传输过程中的信道状态信息矩阵，该信道状态信息矩阵H中的每一项都服从均值为0，方差为1的复高斯分布；

(1.2)用户利用接收到的信号y和基站发送的训练序列x，根据最小均方误差估计算法得到信号传输过程中的信道状态信息矩阵H：

$H=y{(x^T{R}_{H}x+{\mathrm{\&sigma;}}_n^{2}rI)}^{-1}{x}^T{R}_H,$

其中，(·)^T表示向量的共轭转置，I为单位矩阵，R_H＝E{H^TH}为信道状态矩阵H的自相关矩阵，E{·}为统计期望符号，r为缩放系数，其作用是减小估计误差，不同的系统中该缩放系数的值不同，为接收噪声功率。

步骤2：对系统中的用户进行分组，并对每个组进行中继的分配。

系统中有N个中继，M个用户，随机将个相同数目的用户分为一组，并为每个组随机分配一个中继，且假定每个组用户向该组的中继反馈信道状态信息时，不会出现不同组的反馈信息之间的相互干扰，其中为向下取整符号。

步骤3：用户向中继进行信道状态信息的反馈。

每组用户在假设上行信道不会出现噪声以及时延的情况下，通过反馈信道向该组的中继反馈信道状态信息H。

步骤4：中继计算不同用户与信道范数最大用户之间的相关性。

每个中继找出该组对应信道范数最大的用户k，并计算该用户k和所有其它用户之间的相关系数γ：

其中，h_i和h_k分别代表第i个用户和第k个用户的信道状态信息向量，(·)^*表示为用户的信道状态信息向量的共轭转置，为每个组中的用户数，||·||表示向量的2范数。

步骤5：中继筛选出需要向基站反馈信道状态信息的用户。

中继将信道状态信息范数最大用户k的信道状态向量反馈给基站，同时，中继将用户i的相关系数γ_i与设定的系统阈值α进行比较，不同系统中阈值α的取值不同，如果γ_i<α，则中继将用户i的信道状态向量h_i反馈给基站，反之，则不进行反馈。

步骤6：基站接收到N个中继发送过来的信道状态信息后通过半正交用户调度算法选择出信道特性最优的用户集合S。

(6.1)初始化第一次用户选择中待选用户集合Γ₁为：Γ₁＝{1,2,…,K}；初始化被选择用户的集合S₀为空集，即其中表示集合为空集，K为待选用户的总数目；

(6.2)计算第i次用户选择中待选用户集合Γ_i中用户m的投影向量g_m：

$\begin{array}{c}{g}_m=h_m-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\&Sigma;}}\frac{h_m{g}_{\left(j\right)}^{*}}{\left|\right|g_{\left(j\right)}|{|}^2}{g}_{\left(j\right)}\\ =h_m(I-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\&Sigma;}}\frac{g_{\left(j\right)}^{*}{g}_{\left(j\right)}}{\left|\right|g_{\left(j\right)}|{|}^2}),i=2,\mathrm{...},N_t\end{array},$

其中，N_t为基站天线数，g_m为用户m的信道状态信息向量h_m在span{g₍₁₎,g₍₂₎,…,g_(i-1)}的正交补空间上的投影，m＝1,2,…,card(Γ_i)，其中card(Γ_i)表示待选用户集合Γ_i中的元素数目，span{g₍₁₎,g₍₂₎,…,g_(i-1)}为前i-1次被选用户的投影向量{g₍₁₎,g₍₂₎,…,g_(i-1)}组成的子空间，g_(i-1)和g_(j)分别代表第i-1次和第j次被选择用户的投影向量，h_m为用户m的信道状态信息向量，(·)^*表示向量的共轭转置，||·||²为向量2范数的平方，I为单位矩阵，当i＝1时，投影向量g_m＝h_m；

(6.3)根据(6.2)中得到的投影向量，得到第i次被选择用户为：

$\mathrm{\&pi;}\left(i\right)=\arg \underset{m\&Element;{\mathrm{\&Gamma;}}_i}{max}\left|\right|g_m\left|\right|,$

其中，card(·)表示集合中元素的数目；

(6.4)利用第i次被选用户对相关的信息进行更新：

S_i←S_i-1∪{π(i)}，

h_(i)＝h_π(i)，

g_(i)＝g_π(i)，

其中，S_i-1和S_i分别表示为第i-1次和第i次被选用户的集合，h_(i)和g_(i)分别为第i次被选用户的信道状态信息向量和投影向量；

(6.5)根据选用户集合S_i中的数目，计算第i+1次待选用户集合Γ_i+1：

若待选用户集合S_i中的数目小于基站发射天线数N_t，即card(S_i)<N_t，则得到第i+1次待选用户集合Γ_i+1：

${\mathrm{\&Gamma;}}_{i+1}=\{m\&Element;{\mathrm{\&Gamma;}}_i,m\&NotEqual;\mathrm{\&pi;}\left(i\right)|\frac{\left|h_m^{*}{g}_{\left(i\right)}\right|}{\left|\right|h_m\left|\right|\left|\right|g_{\left(i\right)}\left|\right|}<\mathrm{\&beta;}\},$

i←i+1，

其中，为用户m对应的信道状态信息向量的共轭转置，g_(i)为第i次被选用户的投影向量，

否则，该半正交最优用户选择过程结束；

(6.6)若待选用户集合Γ_i+1为非空集合，即则跳回步骤(6.2)继续执行，否则，该半正交最优用户选择过程结束。

步骤7：基站将被选择用户的信息发送给用户。

(7.1)为了减小传输过程中的用户间干扰，需要先对发送数据做迫零波束成形，即根据被选择用户的信道状态信息构造波束成形矩阵W：

其中，W(S)表示集合S对应的被选用户的波束成形矩阵，H(S)表示集合S对应的被选用户的信道状态信息矩阵，表示该矩阵的伪逆，H(S)^*为该矩阵的共轭转置，(·)^-1表示括号中的矩阵的逆矩阵；

(7.2)对发送信号做波束成形后，将其通过下行链路发送给用户，即用户接收到的信号向量y为：

y＝H(S)W(S)x+n，

其中，y为被选用户的接收信号向量，x为基站发送的信号向量，n为数据传输过程中经历的噪声向量。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件

仿真使用的通信系统如图2，所有发送信道均为准静态平坦瑞利衰落信道，信道系数服从均值为零，方差为1的复高斯分布，同时发送信道受到的干扰为均值为0，方差为1的加性高斯白噪声。

为了简化分析，假设用户在系统中的位置是随机均匀分布的，同时本发明采用用户随机分组的方式，随机将相同数目的用户分为一组，仿真中中继处的相关系数门限值α为0.3，在半正交用户选择中的相关系数门限值β为0.25。每个用户装载一根接收天线。假设上行反馈信道不受噪声干扰，同时没有时间延迟。在下行链路数据发送中，基站为每个已选用户分配相同的功率。

仿真使用的方法有5种：1、本发明方法，2、全反馈半正交用户调度方法，3、随机向量量化有限反馈用户调度方法，4、格拉斯曼码本有限反馈用户调度方法，5、随机波束成形方法。

2.仿真内容与结果

仿真1，设通信系统基站有4根天线，有60个用户，每个用户装载1根天线，同时将用户随机分组，且每组用户数目为4，其中随机向量量化有限反馈方案中采用8比特随机码本量化和半正交用户调度结合的方法来实现用户调度，格拉斯曼码本有限反馈方案中采用8比特格拉斯曼码本量化和半正交用户调度结合的方法来实现用户调度。用上述5种方法进行用户调度，得到的系统和速度随接收信噪比变化曲线如图3所示。

由图3可知，对比全反馈半正交用户调度方法，本发明没有对系统的和速度造成过大的损失。同时对比于两种量化有限反馈方案和随机波束成形方案，本发明的和速度性能具有极大的优势，特别是在高信噪比情况下，本发明方法的和速度优势将进一步加大。

仿真2，设通信系统基站有4根天线，有60个用户，每个用户装载1根天线，具体分组情况同仿真1，此时用户平均接收信噪比为10dB；采用本发明和全反馈半正交用户调度方法进行用户调度，得到的反馈用户数随中继处的相关性阈值α变化的曲线图，如图4所示。

由图4可知，在全反馈半正交用户调度方法中，系统永远需要所有60个用户的信道状态向量，而本发明可以通过控制阈值α的大小来调节中继端向基站处反馈信道状态信息的用户数，在本仿真中控制阈值α为0.3-0.45，此时基站大约只需要一半用户的信道状态信息，且不会对系统的和速度性能造成太大的影响。

Claims (5)

1.一种中继协作的分布式多用户调度方法，包括：

(1)用户获取信道状态信息估计值H；

(2)设系统中有N个中继，M个用户，随机将个相同数目的用户分为一组，并为每个组随机分配一个中继，且假定每个组之间不会出现反馈信息的相互干扰，其中 为向下取整符号；

(3)每组用户在假设上行信道不会出现噪声以及时延的情况下，通过反馈信道向该组的中继反馈信道状态信息H；

(4)每个中继找出该组对应信道范数最大的用户k，并计算用户k和所有其它用户之间的相关系数γ：

其中，h_i和h_k分别代表第i个用户和第k个用户的信道状态信息向量，(·)^*表示为用户的信道状态信息向量的共轭转置，为每个组中的用户数，||·||为用户信道状态信息向量的2范数；

(5)中继将信道状态信息范数最大用户k的信道状态向量反馈给基站，同时，中继将用户i的相关系数γ_i与设定的系统阈值α进行比较，如果γ_i＜α，则中继将用户i的信道状态向量h_i反馈给基站，反之，则不进行反馈；

(6)基站接收到N个中继发送过来的信道状态信息后通过半正交用户调度算法选择出信道正交特性最优的用户集合S，且card(S)≤N_t，其中card(S)表示集合S中的用户数目，N_t表示基站天线数；

(7)基站根据被选择用户的信道状态信息构造波束成形矩阵W，并用矩阵W对发 送数据做波束成形，然后波束成形后的信号发送给被选择的用户。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中用户获取信道状态信息估计值H，按如下步骤进行：

(1a)基站向用户发送用户已知的训练序列x，用户获得接收信号：y＝Hx+n，其中n为传输过程中受到的加性高斯白噪声向量，H为信号传输过程中的衰减矩阵；

(1b)用户利用接收到的信号y和基站发送的训练序列x，根据最小均方误差估计算法得到信号传输过程中的衰减矩阵H：

其中，(·)^T表示向量的共轭转置，I为单位矩阵，R_H＝E{H^TH}为衰减矩阵H的自相关矩阵，E{·}为统计期望符号，r为缩放系数，其作用是减小估计误差，为接收噪声功率。

3.根据权利要求书1所述的方法，其中步骤(6)中通过半正交用户调度算法选择信道正交特性最优的用户集合，按如下步骤进行：

(6a)初始化第一次用户选择中待选用户集合Γ₁为：Γ₁＝{1,2,…,K}；初始化被选择用户的集合S₀为空集，即其中表示集合为空集，K为待选用户的总数目；

(6b)计算第i次用户选择中待选用户集合Γ_i中用户m的投影向量g_m，m＝1,2,…,card(Γ_i)：

其中，N_t为基站天线数，g_m为用户m的信道状态信息向量h_m在span{g₍₁₎,g₍₂₎,…,g_(i-1)}的正交补空间上的投影，span{g₍₁₎,g₍₂₎,…,g_(i-1)}为前i-1次被选用户的投影向量{g₍₁₎,g₍₂₎,…,g_(i-1)}组成的子空间，g_(i-1)和g_(j)分别代表第i-1次和第j次被选择用户的投影向量，h_m为用户m的信道状态信息向量，(·)^*表示向量的共轭转置，||·||²为向量2范数的平方，I为单位矩阵，当i＝1时，投影向量g_m＝h_m；

(6c)根据(6b)中得到的投影向量，得到第i次被选择用户为：

(6d)利用第i次被选用户对相关的信息进行更新：

S_i←S_i-1∪{π(i)}，

h_(i)＝h_π(i)，

g_(i)＝g_π(i)，

其中，S_i-1和S_i分别表示为第i-1次和第i次被选用户的集合，h_(i)和g_(i)分别为第i次被选用户的信道状态信息向量和投影向量；

(6e)根据选用户集合S_i中的数目，计算第i+1次待选用户集合Γ_i+1：

若被选用户集合S_i中的数目小于基站发射天线数N_t，即card(S_i)＜N_t，则得到第i+1次待选用户集合Γ_i+1：

i←i+1，

其中，为用户m对应的信道状态信息向量的共轭转置，g_(i)为第i次被选用户的投影向量；

否则，该半正交最优用户选择过程结束；

(6f)判断待选集合Γ_i+1是否为空集：

若待选用户集合Γ_i+1为非空集合，即则返回步骤(6b)继续进行最优用户选择，否则，该半正交最优用户选择过程结束。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(7)中的基站根据被选择用户的用户状态信息对发送的信息做迫零波束成形，按如下公式进行：

其中，S为被选用户集合，W(S)表示集合S对应的被选用户的波束成形矩阵，H(S)表示集合S对应的被选用户信道状态信息矩阵，表示H(S)的伪逆，H(S)^*表示H(S)的共轭转置，(·)^-1表示矩阵的逆矩阵。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(7)中将波束成形后的信号发送给被选的用户，是对发送信号做波束成形后，将其通过下行链路发送给用户，即用户接受到的信号向量y为：

y＝H(S)W(S)x+n，

其中，x为基站发送的信号向量，n为数据传输过程中经历的噪声向量。