CN106211338B - 一种利用空域位置特性的用户调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用空域位置特性的用户调度方法，通过扇区级扫描将用户进行分组，如果所需调度用户数大于用户所在扇区数，首先基于比例公平原则从每个扇区内调度一个用户并确定分配的基站发射子阵列及其对应的最佳发射波束，然后依次用剩下的发射波束训练并基于比例公平算法选择其余用户；如果所需调度用户数不大于用户所在扇区数，那么，每个扇区最多调度一个用户，扇区内用户选择时采用比例公平算法，调度到的用户分配一个基站发射子阵列及其对应的最佳发射波束。本发明提供的方案利用空域特性，联合模拟波束训练过程，使得基站各子阵列分配不同的发射波束与各个用户通信，提高系统吞吐量的同时减小了用户间的干扰，改善了系统性能。

Description

一种利用空域位置特性的用户调度方法

技术领域

本发明涉及一种利用空域位置特性的用户调度方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

对于未来5G在传输速率和系统容量等方面的性能需求，大规模天线将是多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术继续演进的重要方向。毫米波由于其丰富的频谱资源成为5G无线通信系统中的一项关键技术。毫米波通信中，由于波长短便于实现大规模天线阵列，保证设备体积小且易于封装。当基站配备多个发射子阵列时可以定向并行传输多个数据流，提高系统吞吐量。

对于多用户MIMO系统，基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同的用户时，所能支持的用户数受基站发射子阵列数的限制。因此，当用户数较多时，基站同一时隙只能调度其中的一部分用户，合理的用户调度可以获得多用户分集增益(Multi-UserDiversity，MUD)，实现通信资源的充分利用。

比例公平用户调度算法综合考虑了用户的信道条件与用户之间的服务公平性，能够在系统吞吐量和服务公平性之间取得一定的折中，是目前采用较多的一种算法。在使用比例公平算法调度多个用户时，可以通过穷举算法同时选择多个用户以达到最优的性能，但是复杂度太高。而次优调度算法通常以贪婪的方式依次选择各个用户，复杂度相对减小。在现有的多用户调度算法中用户间的干扰主要通过数字预编码来解决。本发明利用空域特性联合模拟波束训练确定用户调度方案，由基站各发射子阵列采用不同的发射波束与各调度用户并行通信，从模拟域控制了用户间的干扰。

发明内容

发明目的：考虑现有技术的不足，本发明提供一种利用空域特性的用户调度方法，联合模拟波束训练进行多用户调度，基于比例公平调度算法在一定程度上保证了用户的公平性，同时，基站各发射子阵列使用不同的发射波束与用户进行通信，减小了用户间的干扰，保证通信质量。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提出一种利用空域特性的用户调度方法，首先通过扇区级扫描将用户进行分组；然后根据所需调度用户数和用户所在扇区数的关系确定具体调度方案，如果所需调度用户数大于用户所在扇区数，首先基于比例公平原则从每个扇区内调度一个用户并确定分配的基站发射子阵列及其对应的最佳发射波束，然后依次用剩下的发射波束训练并基于比例公平算法选择其余用户；如果所需调度用户数不大于用户所在扇区数，那么，每个扇区最多调度一个用户，扇区内用户选择时采用比例公平算法，调度到的用户分配一个基站发射子阵列及其对应的最佳发射波束。

对于MU-MIMO无线通信系统，基站配置M个发射子阵列，待服务用户数为K(K≥M)，调度M个用户进行通信的具体方法如下：

阶段一：用户分组，具体方法为：

基站把波束空间划分为S个扇区，通过扇区扫描确定每一个用户的扇区ID，并把在同一个扇区中的用户分为一组，待服务用户所在的扇区表示为S_u＝{S_u,1,S_u,2,…,S_u,q}，经分组的用户集合表示为U＝{U₁,U₂,…,U_q}，处于第k个扇区内的细波束集合表示为B_k，其中q(q≤S)表示待服务用户所在扇区的数量，S_u,k表示第k扇区，U_k表示第k扇区内待服务的用户集合；

阶段二：用户调度，具体方法为：

步骤1：设置初始备选用户集合为U＝{1,2,…,K}，调度用户集合U_s＝Φ，已调度用户对应的最佳发射波束集合为B_s＝Φ；

步骤2：根据所需调度用户数M和用户所在扇区数q的关系，确定具体调度方案；

方案1：所需调度用户数大于用户所在扇区数，即M＞q，则执行如下步骤：

2.1)从扇区集合S_u中选择一个扇区S_u,k(S_u，k∈S_u)，由基站未分配的一个发射子阵列使用该扇区内B_k集合中的各个细波束依次发射相同的信号，扇区S_u,k内的用户U_k同时接收信号，并根据接收信号质量反馈最好的性能指标和对应的基站子阵列最佳发射波束；

2.2)根据反馈信息，选择调度优先级最高的用户i，并更新调度用户集合U_s＝U_s∪{i}，待服务的用户扇区集合S_u＝S_u-S_u,k，已调度用户对应的最佳发射波束集合B_s＝B_s∪b_i；

优先级最高的用户由下式确定：

其中，p_i(n)表示用户i在时隙n的当前性能指标，Q_i(n)表示用户i在时隙n之前时间滑窗T内的平均性能指标，由下式得到：

其中，Q_i(0)设为1。

2.3)判断调度的用户数是否达到q，如果未达到，则跳转至2.1)开始调度其他用户；如果调度的用户数达到q，则跳转至2.4)；

2.4)从剩余未使用的发射子阵列中选择一个子阵列，依次使用各个扇区S_u,_k(k＝1,2,…,q)内细波束B_k＝B_k-{b_used|b_used∈B_s}发射相同的信号，未被调度的用户同时接收信号，并根据接收信号质量反馈最好的性能指标和对应的基站最佳发射波束；

2.5)基站根据反馈信息，根据公式(1)选择调用优先级最高的用户i，并更新U_s＝U_s∪{i}，B_s＝B_s∪b_i；

2.6)判断调度的用户数是否达到M，如果未达到，则跳转至2.4)开始调度其他用户；如果调度的用户数达到M，则停止遍历。

方案2：所需调度户数不大于用户所在扇区数，即M≤q，则循环执行方案1的2.1)至2.2)，直至调度用户数达到M。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过扇区级扫描对用户进行分组，同一扇区内基于比例公平算法调度用户，在一定程度上保证了用户调度公平性；每个时隙调度与基站发射子阵列数相匹配的用户数，提高了系统的吞吐量；基站各发射子阵列采用不同的发射波束与各个已调度用户通信，减小了用户间的干扰，保证通信质量。

附图说明

图1为本发明实施例中的无线通信系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示的无线通信系统示意图，基站配置6个发射子阵列，待服务用户数为20，每个用户只有一根天线，同时调度6个用户进行通信。用户调度时，设置初始备选用户集合为U＝{1,2,…,20}，调度用户集合U_s＝Φ，其中Φ表示空集，备选用户所在扇区集合用S_u表示，已调度用户对应的最佳发射波束集合为B_s＝Φ。

下文通过方案1和方案2具体阐述，利用空域特性的用户调度方法可分为两个阶段，用户分组和用户调度阶段。

方案1：所需调度用户数大于用户所在扇区数的情况，具体步骤如下：

阶段一：

基站把波束空间划分为4个扇区。通过扇区扫描确定每一个用户的扇区ID，并把在同一个扇区中的用户分为一组。经扫描得到存在待服务用户的扇区数为4，把待服务用户所在的4个扇区表示为S_u＝{S_u,1,S_u,2,S_u,3,S_u,4}，将处于第k(k＝1,2,3,4)个扇区S_u,k内的细波束集合定义为B_k。经分组的用户集合表示为U＝{U₁,U₂,U₃,U₄}，其中U_k表示在第k(k＝1,…,4)扇区S_u,k内待服务的用户。

阶段二：

步骤1：从S_u中选择一个扇区S_u,k(S_u，k∈S_u)，由基站未分配的一个发射子阵列使用该扇区内B_k集合中的各个细波束依次发射相同的信号，扇区S_u,k内的用户U_k同时接收信号，每一个用户根据接收信号质量反馈最好的性能指标和对应的基站子阵列最佳发射波束。

步骤2：根据反馈信息，选择调度优先级最高的用户i，并更新调度用户集合U_s＝U_s∪{i}，待服务的用户扇区集合S_u＝S_u-S_u,k，已调度用户对应的最佳发射波束集合B_s＝B_s∪b_i；

优先级最高的用户由下式确定：

其中，p_i(n)表示用户i在时隙n的当前性能指标，Q_i(n)表示用户i在时隙n之前时间滑窗T内的平均性能指标，由下式得到：

其中，Q_i(0)设为1。

步骤3：判断调度的用户数是否达到4，如果未达到，则跳转至步骤1开始调度其他用户；如果调度的用户数达到4，则跳转至步骤4；

步骤4：从剩余未使用的发射子阵列中选择一个子阵列，依次使用各个扇区S_u,_k(k＝1,2,3,4)内的细波束B_k＝B_k-{b_used|b_used∈B_s}发射相同的信号，未被调度的用户同时接收信号，每一个用户根据接收信号质量反馈最好的性能指标和对应的基站最佳发射波束；

步骤5：基站根据反馈信息，由公式(1)选择调用优先级最高的用户i，并更新U_s＝U_s∪{i}，B_s＝B_s∪b_i。

步骤6：判断调度的用户数是否达到6，如果未达到，则继续从步骤5开始调度其他用户；如果调度的用户数达到6，则停止遍历。

方案2：所需调度用户数不大于用户所在扇区数的情况，具体步骤如下：

阶段一：

基站把波束空间划分为8个扇区。通过扇区扫描确定每一个用户的扇区ID，并把在同一个扇区中的用户分为一组。经扫描得到存在待服务用户的扇区数为8，把待服务用户所在的8个扇区表示为S_u＝{S_u,1,S_u,2,S_u,3,S_u,4,S_u,5,S_u,6,S_u,7,S_u,8}，将处于第k(k＝1,2,3,4,5,6,7,8)个扇区S_u,k内的细波束集合定义为B_k。经分组的用户集合表示为U＝{U₁,U₂,U₃,U₄,U₅,U₆,U₇,U₈}，其中U_k表示在第k(k＝1,2,3,4,5,6,7,8)扇区S_u,k内待服务的用户。

阶段二：

步骤1：从S_u中选择一个扇区S_u,k(S_u，k∈S_u)，由基站未分配的一个发射子阵列使用该扇区内B_k集合中的各个细波束依次发射相同的信号，扇区S_u,k内的用户U_k同时接收信号，每一个用户根据接收信号质量反馈最好的性能指标和对应的基站子阵列最佳发射波束。

步骤2：根据反馈信息，选择调度优先级最高的用户i，并更新调度用户集合U_s＝U_s∪{i}，待服务的用户扇区集合S_u＝S_u-S_u,k，已调度用户对应的最佳发射波束集合B_s＝B_s∪b_i；

优先级最高的用户由下式确定：

其中，p_i(n)表示用户i在时隙n的当前性能指标，Q_i(n)表示用户i在时隙n之前时间滑窗T内的平均性能指标，由下式得到：

其中，Q_i(0)设为1。

步骤3：判断调度的用户数是否达到6，如果未达到，则继续从步骤1开始调度其他用户，直到调度完6个用户。

Claims (5)

1.一种利用空域位置特性的用户调度方法，其特征在于，具体包括两个阶段：

阶段一：用户分组：基站把波束空间划分为多个扇区，通过扇区级扫描确定每一个用户的扇区ID，并把在同一个扇区中的用户分为一组；

阶段二：用户调度：根据所需调度用户数和用户所在扇区数的关系确定具体调度方案，如果所需调度用户数大于用户所在扇区数，首先基于比例公平原则从每个扇区内调度一个用户并确定分配的基站发射子阵列及其对应的最佳发射波束，然后依次用剩下的发射波束训练并基于比例公平算法选择其余用户；如果所需调度用户数不大于用户所在扇区数，那么，每个扇区最多调度一个用户，扇区内用户选择时采用比例公平算法，调度到的用户分配一个基站发射子阵列及其对应的最佳发射波束；在各扇区中进行用户调度时，在扇区内进行细波束的训练，扇区内未被调度的用户同时接收信号，并根据接收信号质量反馈最好的性能指标和对应的基站最佳发射波束，基站根据反馈信息，选择调度优先级最高的用户。

2.根据权利要求1所述的利用空域位置特性的用户调度方法，其特征在于，所述阶段一进行用户分组的具体方法为：

基站把波束空间划分为S个扇区，通过扇区扫描确定每一个用户的扇区ID，并把在同一个扇区中的用户分为一组，待服务用户所在的扇区表示为S_u＝{S_u,1,S_u,2,…,S_u,q}，经分组的用户集合表示为U＝{U₁,U₂,…,U_q}，处于第k个扇区内的细波束集合表示为B_k，其中q(q≤S)表示待服务用户所在扇区的数量，S_u,k表示第k扇区，U_k表示第k扇区内待服务的用户集合。

3.根据权利要求2所述的利用空域位置特性的用户调度方法，其特征在于，所述阶段二在所需调度用户数M大于用户所在扇区数q时，进行用户调度的具体方法为：

步骤1：设置初始备选用户集合为U＝{1,2,…,K}，调度用户集合U_s＝Φ，已调度用户对应的最佳发射波束集合为B_s＝Φ，其中K(K≥M)表示待服务用户数；

步骤2：从扇区集合S_u中选择一个扇区S_u,k(S_u,k∈S_u)，由基站未分配的一个发射子阵列使用该扇区内B_k集合中的各个细波束依次发射相同的信号，扇区S_u,k内的用户U_k同时接收信号，并根据接收信号质量反馈最好的性能指标和对应的基站子阵列最佳发射波束；

步骤3：根据反馈信息，选择调度优先级最高的用户i，并更新调度用户集合U_s＝U_s∪{i}，待服务的用户扇区集合S_u＝S_u-S_u,k，已调度用户对应的最佳发射波束集合B_s＝B_s∪b_i；

步骤4：判断调度的用户数是否达到q，如果未达到，则跳转至步骤2开始调度其他用户；如果调度的用户数达到q，则跳转步骤5；

步骤5：从剩余未使用的发射子阵列中选择一个子阵列，依次使用各个扇区S_u,_k(k＝1,2,…,q)内细波束B_k＝B_k-{b_used|b_used∈B_s}发射相同的信号，未被调度的用户同时接收信号，并根据接收信号质量反馈最好的性能指标和对应的基站最佳发射波束；

步骤6：基站根据反馈信息，选择调用优先级最高的用户i，并更新U_s＝U_s∪{i}，B_s＝B_s∪b_i；

步骤7：判断调度的用户数是否达到M，如果未达到，则跳转至步骤5开始调度其他用户；如果调度的用户数达到M，则停止遍历。

4.根据权利要求2所述的利用空域位置特性的用户调度方法，其特征在于，所述阶段二在所需调度用户数M不大于用户所在扇区数q时，进行用户调度的具体方法为：

步骤1：设置初始备选用户集合为U＝{1,2,…,K}，调度用户集合U_s＝Φ，已调度用户对应的最佳发射波束集合为B_s＝Φ，其中K(K≥M)表示待服务用户数；

步骤2：从扇区集合S_u中选择一个扇区S_u,k(S_u,k∈S_u)，由基站未分配的一个发射子阵列使用该扇区内B_k集合中的各个细波束依次发射相同的信号，扇区S_u,k内的用户U_k同时接收信号，并根据接收信号质量反馈最好的性能指标和对应的基站子阵列最佳发射波束；

步骤3：根据反馈信息，选择调度优先级最高的用户i，并更新调度用户集合U_s＝U_s∪{i}，待服务的用户扇区集合S_u＝S_u-S_u,k，已调度用户对应的最佳发射波束集合B_s＝B_s∪b_i；

步骤4：判断调度的用户数是否达到M，如果未达到，则跳转至步骤2开始调度其他用户；如果调度的用户数达到M，则停止遍历。

5.根据权利要求3或4所述的利用空域位置特性的用户调度方法，其特征在于，确定优先级最高的用户的方法具体为：

其中，p_i(n)表示用户i在时隙n的当前性能指标，Q_i(n)表示用户i在时隙n之前时间滑窗T内的平均性能指标，由下式得到：

其中，Q_i(0)设为1。