CN108418615B - 一种基于mu-mimo有限反馈系统的用户调度方法 - Google Patents

一种基于mu-mimo有限反馈系统的用户调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于MU‑MIMO有限反馈系统的用户调度方法，分别针对系统用户集合和待选用户端集合中的各个用户端，由基站端根据所获用户端所对应的码字，获得用户端的预编码矩阵，并进一步获得用户端的信干燥比；然后选择待选用户端集合，迭代选择
Figure DDA0002604917510000011
所对应的用户端，加入至系统用户集合，直至系统用户集合的的用户数达到系统最大用户数，实现用户调度，如此充分利用MIMO空间信道资源，给出反映用户k容量的信干燥比值，以此信干燥比值为依据，进行用户调度比直接计算用户容量减少了计算量。

Description

一种基于MU-MIMO有限反馈系统的用户调度方法
技术领域
本发明涉及一种基于MU-MIMO有限反馈系统的用户调度方法，属于无线通信技术和频谱资源分配技术领域。
背景技术
多用户多输入多输出(Multi-User Multiple Input Multiple Output)技术在用户端和基站端均采用多根天线，利用空间资源，极大提高通信系统的频谱效率。由于多用户在同一时隙使用相同频率，所以在MU-MIMO系统中需要利用信道状态信息(Channel StateInformation)在基站端进行预编码，从而消除用户间的共信道干扰(Co-ChannelInterference)。在时分双工(TDD)系统中，用户端可以通过信道估计直接获知下行信道的CSI，基站端可以通过信道互易原则获知下行信道CSI。但是由于TDD系统要求全网同步，因此频分双工(FDD)系统在实际无线网络中占大多数。在FDD系统中基站端可以通过用户端的信息反馈间接获知下行信道CSI，但是在大量用户和大量收发天线场景中，信道矩阵的规模很大，有限的上行信道频谱资源负担不起庞大的反馈量。
为了降低反馈量，可在用户端和基站端预存相同的码本，码本反映了信道信息所有可能的取值，每种具体的取值称为码字，用户端只需向基站端反馈所选择的码字索引即可。但码字和真实的信道信息存在误差，导致残留多用户干扰，这个干扰将影响用户容量，进而对用户调度造成影响。
用户调度算法通常以最大化用户容量的和(系统容量)来挑选用户，多数调度算法的文献研究在基站端知晓完全信道状态信息，完全消除多用户干扰的情况下，设计最大化系统容量的用户调度算法。但在现实情况中往往很难达到完全消除用户干扰的理想状态。对于残留用户干扰情况下，如何综合考虑用户干扰，设计最大化系统容量的用户调度算法，也有部分文献做了一些研究，但该类文献只用了一个等效信道，没有充分利用MIMO空间信道资源，这是因为MIMO多个等效信道的SINR(信干噪比)不同，难以给出反映用户k容量的统一SINR值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于MU-MIMO有限反馈系统的用户调度方法，考虑充分利用所有等效信道资源情况下，依据多个等效信道SINR之和的下限，进行用户调度的方案，既考虑了残留多用户干扰的实际情况，又充分利用了MIMO空间信道资源。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于MU-MIMO有限反馈系统的用户调度方法，用于调取待选用户端集合中的新用户端加入至系统用户集合中，实现用户调度，包括如下步骤：
步骤A.系统用户集合中各个用户端，以及待选用户端集合中各个用户端，分别从码本中选取对应其量化误差最小的码字的索引，并将索引反馈给基站端，基站端根据各个用户端所反馈的索引，分别从码本中取出各个用户端分别所对应码字，然后进入步骤B；
步骤B.基站端根据所获各个用户端分别所对应的码字，分别获得各个用户端的预编码矩阵，并进一步根据各个用户端的预编码矩阵，分别获得各个用户端的信干噪比，然后进入步骤C；
上述步骤B中，基站端分别针对系统用户集合中的各个用户端，根据用户端所对应的码字，按如下公式：
Figure GDA0002819997590000021
分别获得系统用户集合中各个用户端的预编码矩阵
Figure GDA0002819997590000022
n＝{1、…、N}，V′i表示系统用户集合中第i个用户端的码字，函数G(V′i)表示由右酉矩阵V′i的ri+1行至最后一行的元素组成新矩阵，ri为用户端i的用户信道Hi的秩，函数F表示由矩阵G(V′1),G(V′2),…G(V′n-1),G(V′n+1),…G(V′N+1)纵向拼接成新矩阵；
基站端分别针对待选用户端集合中的各个用户端，根据用户端所对应的码字，按如下公式：
Figure GDA0002819997590000023
分别获得待选用户端集合中各个用户端的预编码矩阵
Figure GDA0002819997590000024
V′n表示系统用户集合中第n个用户端的码字，函数G(V′n)表示由右酉矩阵V′n的rn+1行至最后一行的元素组成新矩阵，rn为用户端n的用户信道Hn的秩，函数F表示由矩阵G(V′1),…，G(V′N)纵向拼接成新矩阵；
步骤C.针对待选用户端集合中的各个用户端，获得
Figure GDA0002819997590000025
所对应待选用户端集合中的用户端，将其加入至系统用户集合中，并更新系统用户集合，然后进入步骤D，其中，SINRn表示系统中第n个用户端的信干噪比，N表示系统中用户端的数目，r＝{1、…、R}，R表示待选用户端集合中用户端的数目，SINRr表示待选用户端集合中第r个用户端的信干噪比；
步骤D.判断系统用户集合中的用户数N是否达到系统最大用户数，是则用户调度方法结束，否则返回步骤A。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤B中，基站端分别针对系统用户集合中的各个用户端，根据用户端所对应的预编码矩阵
Figure GDA0002819997590000031
按如下公式：
Figure GDA0002819997590000032
分别获得系统用户集合中各个用户端的信干噪比SINRn，其中，
Figure GDA0002819997590000033
表示矩阵对角线元素的平方和，(·)H为共轭变换矩阵；
基站端分别针对待选用户端集合中的各个用户端，根据用户端所对应的预编码矩阵
Figure GDA0002819997590000034
按如下公式：
Figure GDA0002819997590000035
分别获得待选用户端集合中各个用户端的信干噪比SINRr，V′r表示待选用户端集合中第r个用户端的码字。
本发明所述一种基于MU-MIMO有限反馈系统的用户调度方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计基于MU-MIMO有限反馈系统的用户调度方法，充分利用MIMO空间信道资源，给出反映用户k容量的信干噪比值，以此信干噪比值为依据，进行用户调度比直接计算用户容量减少了计算量。
附图说明
图1是本发明所设计基于MU-MIMO有限反馈系统的用户调度方法的流程图；
图2是MU-MIMO有限反馈系统模型。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明在设计基于MU-MIMO有限反馈系统的用户调度方法的过程中，按如下思考，实现预编码矩阵到信干噪比的获取：
步骤(1)各个用户端分别从码本中选取对应其量化误差最小的码字的索引，并由各个用户端分别将其索引反馈给基站端，基站端根据各个用户端所反馈的索引，分别从码本中取出各个用户端分别所对应码字，然后进入步骤(2)。
上述步骤(1)中，与信道矩阵弦距(chordal distance)最小的码字量化误差最小，而码字和信道矩阵的弦距可以用其乘积的模值衡量，模值越大弦距越小，用户端依据量化误差最小的准则，则按照如下公式：
Figure GDA0002819997590000041
各个用户端分别从码本中选取与其信道矩阵弦距最小的码字的索引，实现各个用户端分别从码本中选取对应其量化误差最小的码字的索引，其中，Vk表示用户端k的右酉矩阵，V′k表示用户端k的码字，[·]1表示矩阵的第一列，
Figure GDA0002819997590000042
表示矩阵对角线元素的平方和。
步骤(2)基站端分别根据各个用户端所对应的码字，分别构建各个用户端所对应的预编码矩阵，并进一步分别针对各个用户端的信号进行预编码操作，获得各个用户端分别所对应的预编码信号，然后进入步骤(3)。
上述步骤(2)具体包括如下：
分别针对各个用户端，假设从码本中选取用户端k的码字为V′k，基站端获知所有用户端的码字以后，将除了用户端k码字V′k外其他所有码字V′i带入下式F函数中：
Figure GDA0002819997590000043
获得用户端k的预编码矩阵
Figure GDA0002819997590000044
其中，函数G表示由右酉矩阵V′i的ri+1行至最后一行的元素组成新矩阵，ri为用户端i信道Hi的秩，函数F表示由矩阵G(V′1),G(V′2),…G(V′k-1),G(V′k+1),…G(V′M)纵向拼接成新矩阵；M表示用户端的数量。
接着，基站端根据如下公式：
Figure GDA0002819997590000051
针对用户端k的信号做预编码，获得用户端k所对应的预编码信号yk；即获得各个用户端分别所对应的预编码信号，其中，
Figure GDA0002819997590000052
表示码字V′i相对真实码字Vi的干扰残留项，其中，Hk表示用户端k的信道矩阵，sk表示基站发送给用户端k的数据流，si表示基站发送给用户端i的数据流，nk表示用户端k信道的噪声。
步骤(3)基于各个用户端分别所对应的预编码信号，分别针对各个用户端，针对用户信道矩阵进行奇异值分解，获得该用户端所对应各个等效信道的信干噪比，然后进入步骤(4)。
上述步骤(3)，具体包括如下：
利用MMSE接收机检测用户端k接收的信号，获得估计信号如下：
Figure GDA0002819997590000053
其中，Hk表示用户端k的信道矩阵，nk表示用户端k信道的噪声，
Figure GDA0002819997590000054
为用户k的预编码矩阵，
Figure GDA0002819997590000055
为用户端i的预编码矩阵，sk和si分别表示基站发送给用户端k和用户端i的数据流。
通过如下公式：
min E{||s′k-sk||2}＝E{(s′k-sk)H(s′k-sk)} (6)
其中，E表示数学期望值。
采用MMSE接收机使得所获估计信号和原始信号误差的平方根最小，其中，s′k为估计信号，sk为原始信号，(·)H为共轭变换矩阵。
将s′k＝gkyk带入式(6)，获得：
Figure GDA0002819997590000056
其中，tr为矩阵的迹。
再对gk求偏导，并令其等于零可得：
Figure GDA0002819997590000061
Figure GDA0002819997590000062
其中，(·)-1为逆矩阵，IN为N×N的单位矩阵，Hk和Vk分别表示用户端k的信道矩阵和右奇异值矩阵，且β＝P/(Mσ2)，P表示基站的发射功率，M为用户个数，1/σ2为加性高斯白噪声。
再将Hk＝UkΣkVk H带入上式可得：
Figure GDA0002819997590000063
其中，Hk表示用户端k的信道矩阵，Uk和Vk分别为Hk的左右奇异值矩阵，Σk为对角矩阵，
Figure GDA0002819997590000064
为用户端k信道矩阵的第j个奇异值，且β＝P/(Mσ2)，P表示基站的发射功率，M为用户个数，1/σ2为加性高斯白噪声。
再把(10)式带入(5)式可得：
Figure GDA0002819997590000065
Figure GDA0002819997590000071
基于上式，按如下公式，获得用户端k信道矩阵奇异值分解以后，第j个等效信道上有用信号功率和干扰及噪声功率比值
Figure GDA0002819997590000072
即获得各个用户端分别所对应各个等效信道的信干噪比。
步骤(4)按如下公式：
Figure GDA0002819997590000073
获得各个用户端所对应各个等效信道信干噪比之和的下限，并分别作为各个用户端的信干噪比；其中，其中
Figure GDA0002819997590000074
表示矩阵对角线元素的平方和，然后分别针对各个用户端，综合考虑本用户端的信干噪比，以及本用户端对系统中已存在其他用户端的综合SINR造成的干扰，构建最大化系统容量的用户调度算法。
基于上述预编码矩阵到信干噪比的分析，本发明设计了一种基于MU-MIMO有限反馈系统的用户调度方法，用于调取待选用户端集合中的新用户端加入至系统用户集合中，实现用户调度，如图1和图2所示，实际应用当中，具体包括如下步骤：
步骤A.系统用户集合中各个用户端，以及待选用户端集合中各个用户端，分别从码本中选取对应其量化误差最小的码字的索引，并将索引反馈给基站端，基站端根据各个用户端所反馈的索引，分别从码本中取出各个用户端分别所对应码字，然后进入步骤B。
步骤B.基站端根据所获各个用户端分别所对应的码字，分别获得各个用户端的预编码矩阵，并进一步根据各个用户端的预编码矩阵，分别获得各个用户端的信干噪比，然后进入步骤C。
上述步骤B中，对于基站端根据所获各个用户端分别所对应的码字，分别获得各个用户端的预编码矩阵，包括针对系统用户集合中的各个用户端，以及针对待选用户端集合中的各个用户端，其中，基站端分别针对系统用户集合中的各个用户端，根据用户端所对应的码字，按如下公式：
Figure GDA0002819997590000081
分别获得系统用户集合中各个用户端的预编码矩阵
Figure GDA0002819997590000082
n＝{1、…、N}，V′i表示系统用户集合中第i个用户端的码字，函数G(V′i)表示由右酉矩阵V′i的ri+1行至最后一行的元素组成新矩阵，ri为用户端i的用户信道Hi的秩，函数F表示由矩阵G(V′1),G(V′2),…G(V′n-1),G(V′n+1),…G(V′N+1)纵向拼接成新矩阵。
并且进一步根据系统用户集合中各个用户端所对应的预编码矩阵
Figure GDA0002819997590000083
按如下公式：
Figure GDA0002819997590000084
分别获得系统用户集合中各个用户端的信干噪比SINRn，其中，
Figure GDA0002819997590000085
表示矩阵对角线元素的平方和，(·)H为共轭变换矩阵。
基站端分别针对待选用户端集合中的各个用户端，根据用户端所对应的码字，按如下公式：
Figure GDA0002819997590000086
分别获得待选用户端集合中各个用户端的预编码矩阵
Figure GDA0002819997590000087
V′n表示系统用户集合中第n个用户端的码字，函数G(V′n)表示由右酉矩阵V′n的rn+1行至最后一行的元素组成新矩阵，rn为用户端n的用户信道Hn的秩，函数F表示由矩阵G(V′1),…，G(V′N)纵向拼接成新矩阵。
并且进一步根据待选用户端集合中各个用户端所对应的预编码矩阵
Figure GDA0002819997590000088
按如下公式：
Figure GDA0002819997590000089
分别获得待选用户端集合中各个用户端的信干噪比SINRr，V′r表示待选用户端集合中第r个用户端的码字。
步骤C.针对待选用户端集合中的各个用户端，获得
Figure GDA0002819997590000091
所对应待选用户端集合中的用户端，将其加入至系统用户集合中，并更新系统用户集合，然后进入步骤D，其中，SINRn表示系统中第n个用户端的信干噪比，N表示系统中用户端的数目，r＝{1、…、R}，R表示待选用户端集合中用户端的数目，SINRr表示待选用户端集合中第r个用户端的信干噪比。
步骤D.判断系统用户集合中的用户数D是否达到系统最大用户数，是则用户调度方法结束，否则返回步骤A。
上述技术方案所设计基于MU-MIMO有限反馈系统的用户调度方法，充分利用MIMO空间信道资源，并且给出反映用户k容量的信干噪比值，以此信干噪比值为依据，进行用户调度比直接计算用户容量减少了计算量。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于MU-MIMO有限反馈系统的用户调度方法，用于调取待选用户端集合中的新用户端加入至系统用户集合中，实现用户调度，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A.系统用户集合中各个用户端，以及待选用户端集合中各个用户端，分别从码本中选取对应其量化误差最小的码字的索引，并将索引反馈给基站端，基站端根据各个用户端所反馈的索引，分别从码本中取出各个用户端分别所对应码字，然后进入步骤B；
步骤B.基站端根据所获各个用户端分别所对应的码字，分别获得各个用户端的预编码矩阵，并进一步根据各个用户端的预编码矩阵，分别获得各个用户端的信干噪比，然后进入步骤C；
上述步骤B中，基站端分别针对系统用户集合中的各个用户端，根据用户端所对应的码字，按如下公式：
Figure FDA0002819997580000011
分别获得系统用户集合中各个用户端的预编码矩阵
Figure FDA0002819997580000012
n＝{1、…、N}，Vi'表示系统用户集合中第i个用户端的码字，函数G(Vi′)表示由右酉矩阵Vi′的ri+1行至最后一行的元素组成新矩阵，ri为用户端i的用户信道Hi的秩，函数F表示由矩阵G(V1'),G(V'2),…G(V'n-1),G(V'n+1),…G(V'N+1)纵向拼接成新矩阵；
基站端分别针对待选用户端集合中的各个用户端，根据用户端所对应的码字，按如下公式：
Figure FDA0002819997580000013
分别获得待选用户端集合中各个用户端的预编码矩阵
Figure FDA0002819997580000014
V'n表示系统用户集合中第n个用户端的码字，函数G(V′n)表示由右酉矩阵Vn′的rn+1行至最后一行的元素组成新矩阵，rn为用户端n的用户信道Hn的秩，函数F表示由矩阵G(V1'),…，G(V'N)纵向拼接成新矩阵；
步骤C.针对待选用户端集合中的各个用户端，获得
Figure FDA0002819997580000015
所对应待选用户端集合中的用户端，将其加入至系统用户集合中，并更新系统用户集合，然后进入步骤D，其中，SINRn表示系统中第n个用户端的信干噪比，N表示系统中用户端的数目，r＝{1、…、R}，R表示待选用户端集合中用户端的数目，SINRr表示待选用户端集合中第r个用户端的信干噪比；
步骤D.判断系统用户集合中的用户数N是否达到系统最大用户数，是则用户调度方法结束，否则返回步骤A。
2.根据权利要求1所述一种基于MU-MIMO有限反馈系统的用户调度方法，其特征在于：所述步骤B中，基站端分别针对系统用户集合中的各个用户端，根据用户端所对应的预编码矩阵
Figure FDA0002819997580000021
按如下公式：
Figure FDA0002819997580000022
分别获得系统用户集合中各个用户端的信干噪比SINRn，其中，
Figure FDA0002819997580000023
表示矩阵对角线元素的平方和，(·)H为共轭变换矩阵；
基站端分别针对待选用户端集合中的各个用户端，根据用户端所对应的预编码矩阵
Figure FDA0002819997580000024
按如下公式：
Figure FDA0002819997580000025
分别获得待选用户端集合中各个用户端的信干噪比SINRr，V'r表示待选用户端集合中第r个用户端的码字。
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