CN106559115A - 一种多用户mimo中继系统中的用户调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多用户MIMO中继系统中的用户调度方法，包括设定信噪比阈值，当第u个用户接收到的信噪比大于信噪比阈值时，将信噪比反馈给中继器，当反馈信噪比给中继器的用户个数等于0时，中继器采取随机分配的方式，随机选择一个用户作为中继器与第u个用户之间传输信息的接收者；当反馈信噪比给中继器的用户个数大于0时，中继器以机会调度或者比例公平调度方式从反馈信噪比给中继器的用户集合中选取一个作为中继器与第u个用户之间传输信息的接收者。本发明兼顾了系统公平性与优化吞吐量的同时，既减少了用户反馈给中继器的控制信息总量，又使用MIMO技术提高了系统的通信可靠性。

Description

一种多用户MIMO中继系统中的用户调度方法
技术领域
本发明涉及一种多用户MIMO(Multiple-input Multiple-output，多输入多输出)中继系统中的用户调度方法，属于无线通信技术领域。
背景技术
多输入多输出技术可以在不增加发射功率和利用带宽的条件下，显著地增加无线通信系统的传输速率和可靠性，因此已经被广泛地应用在了4G通信网络中，并且在将来的5G通信网络中将扮演重要的角色。中继协同通信技术可以有效地增加网络的覆盖面积，通过在系统中引入中继器，中继器通过直接放大再传输或者先解码再传输的方式，以双跳的形式将信息从发射器发送到接收器。
假设发射器为基站，接收器为用户，且网络中存在多个用户时，中继器需要在某一时刻选择将信息发送给一位用户，而在下一时刻选择将信息发送给另一位用户。中继器执行何种多用户调度方案将决定整个中继通信系统的吞吐量的大小。传统的调度方案有机会调度(OS)和比例公平调度(PFS)等。其中，OS算法是一种贪婪算法，在每个时刻，中继器根据各个用户的反馈，选取中继-用户信道中信噪比(SINR)最大的一个用户作为信息接收者，因此OS算法可以使系统的吞吐量达到最大。虽然OS算法可以使系统吞吐量最大化，但是它牺牲了系统的公平性，即某些用户被服务的概率非常小(例如处在小区边缘的用户)，所以PFS算法兼顾了系统的公平性与吞吐量，选取中继-用户信道中SINR与一段时间内SINR平均值的比值最大的用户为信息的接收者。以上两个调度方式均需要中继器获取所有潜在用户的实时SINR值，因此网络的控制信息总量会随着潜在用户数量的增加而增加，控制信息总量的增加会牺牲一部分原本可以传输信息的网络资源。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种多用户MIMO中继系统中的用户调度方法，解决现有用户调度方法无法兼顾公平性和吞吐量，同时控制信息总量大导致网络资源占用较多的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多用户MIMO中继系统中的用户调度方法，任意两终端之间的无线传输均采用MIMO波束成形传输方式，中继器采用先解码后传输的工作方式；
设中继器与第u个用户之间传输的信噪比为γru，设定信噪比阈值为γth，当第u个用户接收到的γru＞γth时，第u个用户将γru反馈给中继器，当γru≤γth时，则第u个用户不反馈γru给中继器；
当反馈信噪比给中继器的用户个数等于0时，中继器采取随机分配的方式，随机选择一个用户作为中继器与第u个用户之间传输信息的接收者；
当反馈信噪比给中继器的用户个数大于0时，中继器以机会调度或者比例公平调度方式从反馈信噪比给中继器的用户集合中选取一个作为中继器与第u个用户之间传输信息的接收者。
所述中继器采用先解码后传输的工作方式，对传输信息解码处理后再传输，具体如下：
假设终端a与终端b之间的MIMO信道用传输矩阵Hi表示，且a与b均可以获取完整的传输矩阵Hi；Vi为对所述传输矩阵Hi进行奇异值分解后的右奇异向量，Ui为对所述传输矩阵Hi进行奇异值分解后的左奇异向量；
通过奇异值分解后，终端a将准备传输的信号x映射到Vi向量上，即用Vi右乘x，传输的信号Vix在经过MIMO信道后，被送至终端b，传输信号表示为HiVix；
终端b利用传输矩阵Hi的左奇异向量Ui，将接收到的信号映射到Ui上，即用Ui右乘HiVix，得到被处理后的接收信号为UiHiVix。
两终端之间传输的信噪比γ采用如下公式计算：
γ＝αλi/(β+1)
其中：λi＝(UiHiVi)2，表示传输矩阵Hi的特征值；α表示发射功率经过路径损耗后的剩余值，β表示同频干扰功率。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：兼顾了系统公平性与优化吞吐量的同时，既减少了用户反馈给中继器的控制信息总量，减少了网络资源占用，又使用MIMO技术提高了系统的通信可靠性。
附图说明
图1为本发明中多用户MIMO中继传输网络结构示意图；
图2为采用本发明算法与采用OS算法进行用户调度的系统中断概率比较图；
图3为采用本发明算法与采用OS算法进行用户调度的系统反馈信息平均负荷比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明中多用户MIMO中继传输网络结构示意图，在该中继MIMO系统中，任意两个终端之间的无线传输均采用MIMO波束成形方式，本发明方法具体如下：
设基站与中继器之间传输的信噪比为γsr，中继器与第u个用户之间传输的信噪比为γru，设定信噪比阈值为γth，当第u个用户接收到的γru＞γth时，第u个用户将γru反馈给中继器，当γru≤γth时，则第u个用户不将γru反馈给中继器；
当反馈信噪比给中继器的用户个数等于0时，中继器采取随机分配的方式，随机选择一个用户作为中继器与第u个用户之间传输信息的接收者；当反馈信噪比给中继器的用户个数大于0时，中继器以机会调度或者比例公平调度方式，从反馈信噪比给中继器的用户集合中选取一个作为中继器与第u个用户之间传输信息的接收者。
本发明中继器采用先解码后传输的工作方式，对传输信息解码处理后再传输，具体为：假设终端a与终端b之间的MIMO信道用传输矩阵Hi表示，且a与b均可以获取完整的传输矩阵Hi；Vi为对所述传输矩阵Hi进行奇异值分解后的右奇异向量，Ui为对所述传输矩阵Hi进行奇异值分解后的左奇异向量；通过奇异值分解后，终端a将准备传输的信号x映射到Vi向量上，即用Vi右乘x，传输的信号Vix在经过MIMO信道后，被送至终端b，传输信号表示为HiVix；终端b利用传输矩阵Hi的左奇异向量Ui，将接收到的信号映射到Ui上，即用Ui右乘HiVix，得到被处理后的接收信号为UiHiVix。
对于两终端之间传输的信噪比：利用λi＝(UiHiVi)2表示传输矩阵Hi的特征值，并且考虑到终端b受到的同频干扰(CCI)的影响，终端a与终端b之间传输的SINR可以表示为γ＝αλi/(β+1)，其中，α表示发射功率经过路径损耗后的剩余值，β表示CCI的功率。
下面对本发明进行模拟仿真，以对本发明所产生有益效果作进一步论证。
在仿真测试环境中，模拟一个多用户MIMO中继传输网络，无线通信使用2.6GHZ频率，通信带宽为20MHz，假设所有通信链路的路径损耗系数相同且α＝3，系统中对中继器与每个用户的CCI干扰源的数目均为3，基站、中继器、用户均配置有多根天线，且基站的天线数为6，中继器与用户的天线数均为2。采用本发明方法的仿真效果如下：
如图2所示，第一组仿真比较了OS算法和本发明算法的性能。假设潜在用户的个数为5，并且假设如果反馈给中继器的用户个数大于0时，采取OS算法调度用户，通过更改SINR阈值γth，可以看出随着γth值的增加，系统的中断概率也逐渐增加。中断概率越低说明系统的可靠性越强，虽然本发明算法的的性能在γth值大于0时要差于OS贪婪算法，但是却获得了更低的系统反馈控制信息总量，节约了网络资源，具体的效果由第二组仿真说明。
如图3所示，第二组仿真比较了在第一组仿真的条件下，系统反馈控制信息的平均负荷，通过结果可以看出，本发明提出的算法能够有效地降低系统反馈控制信息的负荷，例如当γth＝3dB时，系统的中断概率由图2看出并没有降低很多，但是图3却显示系统反馈控制信息的负荷在低功率场景中能达到超过一半的降幅。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种多用户MIMO中继系统中的用户调度方法，其特征在于，
任意两终端之间的无线传输均采用MIMO波束成形传输方式，中继器采用先解码后传输的工作方式；
设中继器与第u个用户之间传输的信噪比为γru，设定信噪比阈值为γth，当第u个用户接收到的γru＞γth时，第u个用户将γru反馈给中继器，当γru≤γhh时，则第u个用户不反馈γru给中继器；
当反馈信噪比给中继器的用户个数等于0时，中继器采取随机分配的方式，随机选择一个用户作为中继器与第u个用户之间传输信息的接收者；
当反馈信噪比给中继器的用户个数大于0时，中继器以机会调度或者比例公平调度方式从反馈信噪比给中继器的用户集合中选取一个作为中继器与第u个用户之间传输信息的接收者。
2.根据权利要求1所述的多用户MIMO中继系统中的用户调度方法，其特征在于，所述中继器采用先解码后传输的工作方式，对传输信息解码处理后再传输，具体如下：
假设终端a与终端b之间的MIMO信道用传输矩阵Hi表示，且a与b均可以获取完整的传输矩阵Hi；Vi为对所述传输矩阵Hi进行奇异值分解后的右奇异向量，Ui为对所述传输矩阵Hi进行奇异值分解后的左奇异向量；
通过奇异值分解后，终端a将准备传输的信号x映射到Vi向量上，即用Vi右乘x，传输的信号Vix在经过MIMO信道后，被送至终端b，传输信号表示为HiVix；
终端b利用传输矩阵Hi的左奇异向量Ui，将接收到的信号映射到Ui上，即用Ui右乘HiVix，得到被处理后的接收信号为UiHiVix。
3.根据权利要求2所述的多用户MIMO中继系统中的用户调度方法，其特征在于，两终端之间传输的信噪比γ采用如下公式计算：
γ＝αλi/(β+1)
其中：λi＝(UiHiVi)2，表示传输矩阵Hi的特征值；α表示发射功率经过路径损耗后的剩余值，β表示同频干扰功率。
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