CN107801251B - 三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法，采用均匀平面天线阵的三维多输入多输出下行多用户传输系统中两种用户调度方法，两种方法中均为每一个用户设置一个优先级，初始状态时将所有用户优先级均设置0，随后每一调度时隙首先将调度出的服务用户集合初始化为空集并将全部用户加入未调度用户集合，然后利用统计信道信息计算信干比度量或信漏比度量进行用户调度，用户调度完毕后将集合中用户的优先级均设置为0，将未调度用户集合

Description

三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法

技术领域

本发明涉及用户调度技术领域，特别是三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法。

背景技术

随着应用高速数据业务的用户数量不断增加，用户对各种业务类型的服务质量的要求也在不断提高，这种快速的发展使无线通信技术面临着各种新的挑战。在无线通信系统中，同一信道的频谱资源被若干个用户所共用，用户调度方法可以对无线信道的特性进行分析，根据系统整体性能及用户的业务类型特点，确定合理的、不同的资源分配算法准则，从而提高系统性能。用户调度方法是使用户能够获得较为公平的占用信道资源的机会以及系统获得较高的吞吐量所不可缺少的重要技术之一，既能保证用户对业务类型的服务质量要求，又能提高用户公平性以及系统平均吞吐量。对于调度方法来说，提高系统吞吐量和保证用户公平性不能同时达到最优。若要保证用户公平性，多用户调度方法需要为信道状态不好的用户提供更多的信道资源，那么系统的平均吞吐量就会降低；然而当若要使得系统的平均吞吐量达到最大，用户的公平性则会大大降低。因此有效的多用户调度方法需要在尽可能地保证用户公平性或在要求保证一定的公平性的情况下，尽可能地满足系统吞吐量最大化。

大规模多输入多输出作为一种可以提高网络传输速率和覆盖的有效方法，可大幅降低发射功率，通过低成本、低功耗的器件实现，真正实现绿色通信。然而，在实际应用中，由于基站所能配置的天线数量受到基站空间以及载波频率的影响，大规模多输入多输出无线通信面临着挑战。近年来人们提出了在基站配置二维网格排列的天线阵列，称为三维多输入多输出技术，它能够克服有限的空间对大规模多输入多输出无线通信系统的限制，并进一步挖掘利用垂直维度空间资源。在三维多输入多输出系统中采用合适的调度方法可大幅提升无线通信频谱效率并保证一定的用户公平性。在现有的用户调度方法中，用户选择的主要准则是基于用户的瞬时能量泄露，用户间的瞬时干扰以及信道间的半正交性，这对基站获得多用户上下行信道参数估值提出了挑战。基站在获取信道状态信息时，对TDD系统而言，由于上行信道和下行信道存在互易性，所以可以通过上行信道估计来得到相应的下行信道信息；在FDD系统中，由于上行和下行分别在不同的频点上，两者的信道特性存在着明显的差异，上下行信道间不存在互易性，下行瞬时信道状态信息的反馈带来巨大开销，准确获得信道状态信息变得困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法，本发明为采用均匀平面天线阵的三维多输入多输出下行多用户传输系统提供两种用户调度方法，能够根据统计信道信息衡量用户间干扰，将干扰较小以及优先级较高的用户挑选出来，以较低的复杂度降低用户间干扰、保证用户的公平性。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法，包括以下步骤：

步骤一、基站采用均匀平面天线阵，包括M行天线阵垂直方向阵元，水平方向每行N个阵元，总用户数为L，每个用户配置单根接收天线，基站能够服务的最大用户数为U，每一个用户设置一个优先级，其中第k个用户U_k的优先级为c_k；初始状态时将所有用户优先级均设置为0，即c_k＝0,k＝1,…,L；随后，每一调度时隙首先将调度出的服务用户集合初始化为空集并将全部用户加入未调度用户集合

步骤二、利用统计信道信息采用信干比调度法或信漏比调度法进行用户调度；

所述统计信道信息包括：用户U_k的信道的莱斯因子水平视距分量垂直视距分量以及其中，矩阵H_k为基站与用户U_k之间的归一化信道矩阵，满足其第m行第n列的元素[H_k]_m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户U_k之间的信道系数，上标(·)^H代表共轭转置，上标(·)^T代表转置，E{·}代表求均值，tr{·}代表求矩阵的迹，及分别表示矩阵和的第一列，F_M和F_N分别为M×M和N×N的DFT矩阵，F_M和F_N第m行第n列的元素分别为和e为自然底数，j′为虚数单位；

所述信干比调度法按如下步骤进行：

a1)对第k个用户U_k，计算及其中和分别是的第i个对角元和的第j个对角元；

a2)令l＝0，

a3)计算集合中每个用户的有用信号平均能量，找出其中有用信号平均能量最大的用户，将其加入集合且从集合和集合中删去，并令l＝l+1；

a4)若l＜U，则进入步骤a5)；否则，结束该时隙的用户调度；

a5)若集合则进入步骤a6)，其中表示空集；若集合且C＞0，则进入步骤a8)；否则，结束该时隙的用户调度；

a6)计算集合中任意第k′个用户对集合中任意第个用户的信干比度量以及集合中任意第个用户对集合中任意第k′个用户的信干比度量将所有不满足且的用户从集合中删去，其中，δ₁和δ₂为预先设置的门限值；

a7)若集合则进入步骤a3)；若集合且C＞0，则进入步骤a8)；否则，结束该时隙的用户调度；

a8)令C＝C-1，进入步骤a5)；

所述信漏比调度法按如下步骤进行：

b1)对第k个用户U_k，计算及其中和分别是的第i个对角元和的第j个对角元；

b2)令l＝0，

b3)计算集合中每个用户的有用信号平均能量，找出其中有用信号平均能量最大的用户，将其加入集合且从集合和集合中删去，并令l＝l+1；

b4)若l＜U，则进入步骤b5)；否则，结束该时隙的用户调度；

b5)若集合则进入步骤b6)；若集合且C＞0，则进入步骤b8)；否则，结束该时隙的用户调度；

b6)计算集合中任意第k′个用户对集合中任意第个用户的信漏比度量以及集合中任意第个用户对集合中任意第k′个用户的信漏比度量将所有不满足且的用户从集合中删去，其中γ₁和γ₂为预先设置的门限值；

b7)若集合则进入步骤b3)；若集合且C＞0，则进入步骤b8)；否则，结束该时隙的用户调度；

b8)令C＝C-1，进入步骤b5)；

步骤三、将集合中用户的优先级均设置为0，将未调度用户集合中的用户优先级均加1直至达到预设的最高优先级Q。

作为本发明所述的三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法进一步优化方案，步骤a3)和步骤b3)中集合中的第k′个用户的有用信号平均能量D_k′的计算方法为：

其中，集合中的第k′个用户设为用户为用户的信道的莱斯因子，和分别为的第个对角元和的第个对角元，及 和分别为的第i个对角元和的第j个对角元，为用户的水平视距分量，为用户的垂直视距分量，及分别表示矩阵和的第一列，矩阵为基站与用户之间的归一化信道矩阵。

作为本发明所述的三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法进一步优化方案，步骤a6)中集合中第k′个用户对集合中第个用户的信干比度量的计算方法为：

其中，集合中的第k′个用户设为用户集合中第个用户设为用户和分别为的第个对角元和的第个对角元，及 和分别为的第i个对角元和的第j个对角元，为用户U_k的水平视距分量，为用户U_k的垂直视距分量，及分别表示矩阵和的第一列，矩阵H_k为基站与用户U_k之间的归一化信道矩阵。

作为本发明所述的三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法进一步优化方案，步骤a6)中集合中第个用户对集合中第k′个用户的信干比度量的计算方法为：

其中，集合中的第k′个用户设为用户集合中第个用户设为用户U_k,K_k为用户U_k的信道的莱斯因子，和分别为的第个和第个对角元，和分别为的第个和第个对角元。

作为本发明所述的三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法进一步优化方案，步骤b6)中集合中第k′个用户对集合中第个用户的信漏比度量的计算方法为：

集合中第个用户对集合中第k′个用户的信漏比度量的计算方法为：

其中，集合中的第k′个用户设为用户集合中第个用户设为用户U_k。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本方法仅需要信道的统计信息，所需信道信息量小，适用于各种典型的无线通信系统；

(2)本方法中的用户间干扰度量等计算复杂度低、易于实现；

(3)本方法可根据系统和用户服务质量的要求，灵活设置不同门限，满足不同的用户服务质量和系统吞吐量；

(4)本方法中通过设置优先级，同时兼顾用户的公平性和系统吞吐量。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明的方法主要包括以下步骤：

步骤一、初始状态时将所有用户优先级均设置为0，即c_k＝0,k＝1,...,L，其中c_k为第k个用户U_k的优先级；随后每一调度时隙首先将调度出的服务用户集合初始化为空集并将全部用户加入未调度用户集合

步骤二、采用信干比调度方法或信漏比调度方法进行用户调度。

所述信干比调度法按如下步骤进行：

a1)对第k个用户U_k，计算及其中和分别是的第i个对角元和的第j个对角元；

a2)令l＝0，

a3)计算集合中每个用户的有用信号平均能量，集合中的第k′个用户假设为用户其有用信号平均能量D_k′的计算方法为：

其中，为用户的信道的莱斯因子，和分别为的第个对角元和的第个对角元，及 和分别为的第i个对角元和的第j个对角元， 为用户的水平视距分量，为用户的垂直视距分量，及分别表示矩阵和的第一列，矩阵为基站与用户之间的归一化信道矩阵；找出集合中有用信号平均能量最大的用户，将其加入集合且从集合和集合中删去，并令l＝l+1；

a4)若l＜U，则进入步骤a5)；否则，结束该时隙的用户调度；

a5)若集合则进入步骤a6)，其中表示空集；若集合且C＞0，则进入步骤a8)；否则，结束该时隙的用户调度；

a6)计算集合中任意第k′个用户对集合中任意第个用户的信干比度量假设集合中的第k′个用户假设为用户集合中第个用户假设为用户U_k，信干比度量的计算方法为：

其中，和分别为的第个对角元和的第个对角元，及 和分别为的第i个对角元和的第j个对角元，为用户U_k的水平视距分量，为用户U_k的垂直视距分量，及分别表示矩阵和的第一列，矩阵H_k为基站与用户U_k之间的归一化信道矩阵；计算集合中任意第个用户对集合中任意第k′个用户的信干比度量其计算方法为：

其中，K_k为用户U_k信道的莱斯因子，和分别为的第个和第个对角元，和分别为的第个和第个对角元；随后将所有不满足且的用户从集合中删去，其中δ₁和δ₂为预先设置的门限值；

a7)若集合则进入步骤a3)；若集合且C＞0，则进入步骤a8)；否则，结束该时隙的用户调度；

a8)令C＝C-1，进入步骤a5)；

所述信漏比调度法按如下步骤进行：

b1)对第k个用户U_k，计算及其中和分别是的第i个对角元和的第j个对角元；

b2)令l＝0，

b3)计算集合中每个用户的有用信号平均能量，集合中的第k′个用户假设为用户其有用信号平均能量D_k′的计算方法为：

找出集合中有用信号平均能量最大的用户，将其加入集合且从集合和集合中删去，并令l＝l+1；

b4)若l＜U，则进入步骤b5)；否则，结束该时隙的用户调度；

b5)若集合则进入步骤b6)；若集合且C＞0，则进入步骤b8)；否则，结束该时隙的用户调度；

b6)计算集合中任意第k′个用户对集合中任意第个用户的信漏比度量G_k′,k，假设集合中的第k′个用户假设为用户集合中第个用户假设为用户U_k，信漏比度量的计算方法为：

以及集合中任意第个用户对集合中任意第k′个用户的信漏比度量其计算方法为：

将所有不满足且的用户从集合中删去，其中γ₁和γ₂为预先设置的门限值；

b7)若集合则进入步骤b3)；若集合且C＞0，则进入步骤b8)；否则，结束该时隙的用户调度；

b8)令C＝C-1，进入步骤b5)。

步骤三、将集合中用户的优先级均设置为0，将未调度用户集合中的用户优先级均加1直至达到最高优先级Q。

为使本发明中的技术方案更加清楚明白，下面对本方案进行具体描述：

考虑采用均匀平面天线阵的三维多输入多输出下行多用户传输系统用户调度方法；基站采用均匀平面天线阵，包括M行天线阵垂直方向阵元，水平方向每行N个阵元，总用户数为L，每个用户配置单根接收天线，基站能够服务的最大用户数为U，每一个用户设置一个优先级，其中第k个用户U_k的优先级为c_k；初始状态时将所有用户优先级均设置为0，即c_k＝0,k＝1,...,L；随后，每一调度时隙首先将调度出的服务用户集合初始化为空集并将全部用户加入未调度用户集合然后利用统计信道信息采用信干比调度法或信漏比调度法进行用户调度；用户调度完毕后将集合中用户的优先级均设置为0，将未调度用户集合中的用户优先级均加1直至达到最高优先级Q；

基站已知各用户的统计信道信息，包括：用户U_k,k＝1,…,L信道的莱斯因子水平视距分量垂直视距分量 以及其中矩阵H_k为基站与用户U_k之间的归一化信道矩阵，满足其第m行第n列的元素[H_k]_m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户k之间的信道系数，上标(·)^H代表共轭转置，上标(·)^T代表转置，E{·}代表求均值，tr{·}代表求矩阵的迹，及分别表示矩阵和的第一列，F_M和F_N分别为M×M和N×N的DFT矩阵，F_M和F_N第m行第n列的元素分别为和e为自然底数，j′为虚数单位；

具体的用户调度方法包括以下步骤：

步骤一、初始状态时将所有用户优先级均设置为0，即c_k＝0,k＝1,...,L；每一调度时隙首先将调度出的服务用户集合初始化为空集并将全部用户加入未调度用户集合

步骤二、采用信干比调度法或信漏比调度法进行用户调度。

所述信干比调度法按如下步骤进行：

a1)对对第k个用户U_k，计算及其中和分别是的第i个对角元和的第j个对角元；

a2)令l＝0，

a3)计算集合中每个用户的有用信号平均能量，集合中的第k′个用户假设为用户其有用信号平均能量D_k′的计算方法为：

其中，为用户的信道的莱斯因子，和分别为的第个对角元和的第个对角元，及 和分别为的第i个对角元和的第j个对角元， 为用户的水平视距分量，为用户的垂直视距分量，及分别表示矩阵和的第一列，矩阵为基站与用户之间的归一化信道矩阵；找出集合中有用信号平均能量最大的用户，将其加入集合且从集合和集合中删去，并令l＝l+1；

a4)若l＜U，则进入步骤a5)；否则，结束该时隙的用户调度；

a5)若集合则进入步骤a6)，其中表示空集；若集合且C＞0，则进入步骤a8)；否则，结束该时隙的用户调度；

a6)计算集合中任意第k′个用户对集合中任意第个用户的信干比度量假设集合中的第k′个用户假设为用户集合中第个用户假设为用户U_k，信干比度量的计算方法为：

其中，和分别为的第个对角元和的第个对角元，及 和分别为的第i个对角元和的第j个对角元，为用户U_k的水平视距分量，为用户U_k的垂直视距分量，及分别表示矩阵和的第一列，矩阵H_k为基站与用户U_k之间的归一化信道矩阵；计算集合中第个用户对集合中任意第k′个用户的信干比度量其计算方法为：

其中，K_k为用户U_k信道的莱斯因子，和分别为的第个和第个对角元，和分别为的第个和第个对角元；随后将所有不满足且的用户从集合中删去，其中δ₁和δ₂为预先设置的门限值；

a7)若集合则进入步骤a3)；若集合且C＞0，则进入步骤a8)；否则，结束该时隙的用户调度；

a8)令C＝C-1，进入步骤a5)；

所述信漏比调度法按如下步骤进行：

b1)对第k个用户U_k，计算及其中和分别是的第i个对角元和的第j个对角元；

b2)令l＝0，

b3)计算集合中每个用户的有用信号平均能量，集合中的第k′个用户假设为用户其有用信号平均能量D_k′的计算方法为：

找出集合中有用信号平均能量最大的用户，将其加入集合且从集合和集合中删去，并令l＝l+1；

b4)若l＜U，则进入步骤b5)；否则，结束该时隙的用户调度；

b5)若集合则进入步骤b6)；若集合且C＞0，则进入步骤b8)；否则，结束该时隙的用户调度；

b6)计算集合中任意第k′个用户对集合中任意第个用户的信漏比度量假设集合中的第k′个用户假设为用户集合中第个用户假设为用户U_k，信漏比度量的计算方法为：

以及集合中任意第个用户对集合中任意第k′个用户的信漏比度量其计算方法为：

将所有不满足且的用户从集合中删去，其中γ₁和γ₂为预先设置的门限值；

b7)若集合则进入步骤b3)；若集合且C＞0，则进入步骤b8)；否则，结束该时隙的用户调度；

b8)令C＝C-1，进入步骤b5)。

步骤三、将集合中用户的优先级均设置为0，将未调度用户集合中的用户优先级均加1直至达到最高优先级Q。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、基站采用均匀平面天线阵，包括M行天线阵垂直方向阵元，水平方向每行N个阵元，总用户数为L，每个用户配置单根接收天线，基站能够服务的最大用户数为U，每一个用户设置一个优先级，其中第k个用户U_k的优先级为c_k；初始状态时将所有用户优先级均设置为0，即c_k＝0,k＝1,…,L；随后，每一调度时隙首先将调度出的服务用户集合初始化为空集并将全部用户加入未调度用户集合

步骤二、利用统计信道信息采用信干比调度法或信漏比调度法进行用户调度；

所述统计信道信息包括：用户U_k的信道的莱斯因子水平视距分量垂直视距分量以及其中，h代表水平方向，v代表垂直方向，矩阵H_k为基站与用户U_k之间的归一化信道矩阵，满足其第m行第n列的元素[H_k]_m,n为基站第m行第n列的天线阵元与用户U_k之间的信道系数，上标(·)^H代表共轭转置，上标(·)^T代表转置，E{·}代表求均值，tr{·}代表求矩阵的迹，及分别表示矩阵和的第一列，F_M和F_N分别为M×M和N×N的DFT矩阵，F_M和F_N第m行第n列的元素分别为和e为自然底数，j′为虚数单位；

所述信干比调度法按如下步骤进行：

a1)对第k个用户U_k，计算及其中和分别是的第i个对角元和的第j个对角元；

a2)令迭代次数

a3)计算集合中每个用户的有用信号平均能量，找出其中有用信号平均能量最大的用户，将其加入集合且从集合和集合中删去，并令

a4)若则进入步骤a5)；否则，结束该时隙的用户调度；

a5)若集合则进入步骤a6)，其中表示空集；若集合且C＞0，则进入步骤a8)；否则，结束该时隙的用户调度；

a6)计算集合中任意第k′个用户对集合中任意第个用户的信干比度量以及集合中任意第个用户对集合中任意第k′个用户的信干比度量将所有不满足且的用户从集合中删去，其中，δ₁和δ₂为预先设置的门限值；

a7)若集合则进入步骤a3)；若集合且C＞0，则进入步骤a8)；否则，结束该时隙的用户调度；

a8)令C＝C-1，进入步骤a5)；

所述信漏比调度法按如下步骤进行：

b1)对第k个用户U_k，计算及其中和分别是的第i个对角元和的第j个对角元；

b2)令

b3)计算集合中每个用户的有用信号平均能量，找出其中有用信号平均能量最大的用户，将其加入集合且从集合和集合中删去，并令

b4)若则进入步骤b5)；否则，结束该时隙的用户调度；

b5)若集合则进入步骤b6)；若集合且C＞0，则进入步骤b8)；否则，结束该时隙的用户调度；

b6)计算集合中任意第k′个用户对集合中任意第个用户的信漏比度量以及集合中任意第个用户对集合中任意第k′个用户的信漏比度量将所有不满足且的用户从集合中删去，其中γ₁和γ₂为预先设置的门限值；

b7)若集合则进入步骤b3)；若集合且C＞0，则进入步骤b8)；否则，结束该时隙的用户调度；

b8)令C＝C-1，进入步骤b5)；

步骤三、将集合中用户的优先级均设置为0，将未调度用户集合中的用户优先级均加1直至达到预设的最高优先级Q。

2.根据权利要求1所述的三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法，其特征在于，步骤a3)和步骤b3)中集合中的第k′个用户的有用信号平均能量D_k′的计算方法为：

其中，集合中的第k′个用户设为用户 为用户的信道的莱斯因子，和分别为的第个对角元和的第个对角元，及 和分别为的第i个对角元和的第j个对角元，为用户的水平视距分量，为用户的垂直视距分量，及分别表示矩阵和的第一列，矩阵为基站与用户之间的归一化信道矩阵。

3.根据权利要求2所述的三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法，其特征在于，步骤a6)中集合中第k′个用户对集合中第个用户的信干比度量的计算方法为：

其中，集合中的第k′个用户设为用户集合中第个用户设为用户和分别为的第个对角元和的第个对角元，及 和分别为的第i个对角元和的第j个对角元，为用户U _k 的水平视距分量，为用户U _k 的垂直视距分量，及分别表示矩阵和的第一列，矩阵H _k 为基站与用户U _k 之间的归一化信道矩阵。

4.根据权利要求3所述的三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法，其特征在于，步骤a6)中集合中第个用户对集合中第k′个用户的信干比度量的计算方法为：

其中，集合中的第k′个用户设为用户集合中第个用户设为用户U _k ,K _k 为用户U _k 的信道的莱斯因子，和分别为的第个和第个对角元，和分别为的第个和第个对角元。

5.根据权利要求4所述的三维多输入多输出下行多用户传输系统调度方法，其特征在于，步骤b6)中集合中第k′个用户对集合中第个用户的信漏比度量的计算方法为：

集合中第个用户对集合中第k′个用户的信漏比度量的计算方法为：

其中，集合中的第k′个用户设为用户集合中第个用户设为用户U _k 。