CN108770066B - 一种毫米波多天线系统中基于波束分组的终端调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毫米波多天线系统中基于波束分组的终端调度方法。现有方法传输资源分配不公平，导致终端间强干扰，降低系统传输效率。本发明方法包括初始化阶段、排序调度阶段和排序阶段。初始化阶段首先计算终端的传播路径在波束空间的位置，然后将终端分组排序。排序调度阶段首先对于当前组计算其中每个终端的系统容量，然后调度具有最大加权容量的终端，保持或取消调度该终端。排序阶段首先计算每个组的所有终端的累计容量的和，然后据此排序，越小排序越靠前，如果还有传输资源，按照组的排序，返回排序调度阶段，如果没有传输资源，结束调度。本发明方法能够减轻终端间的干扰，提高系统容量，同时保证终端的公平性。

Description

一种毫米波多天线系统中基于波束分组的终端调度方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种用于毫米波多天线系统中基于波束分组的终端调度方法，具体地说，是一种为多个终端分配基站的传输资源的方法。

背景技术

目前的蜂窝无线通信频带已经非常拥挤，并且难以满足日益增长的数据业务的需求。提高无线电波频率到毫米波的频率，可以有效解决目前频带拥挤的现状。并且，毫米波的波长短，天线的长度可以缩短，基站和终端都可以配置大量天线，提高传输频带的利用率。在毫米波多天线系统中，基站配置了几百或几千根天线，每个终端配置多根天线。由于信号的传播以直射路径为主，不同终端的信道存在相关性，导致终端间存在干扰。终端调度是减轻终端间干扰的一种有效方法。由于不同的终端间的干扰程度不同，合理调度终端可以尽量减小干扰，提高系统传输效率，同时保证终端间的公平性。

毫米波多天线系统中的终端调度面临着问题。基于机会的调度会造成部分终端不能传输，即传输资源分配不公平。基于比例公平的调度能保证公平性，但是可能导致终端间强干扰，降低系统传输效率。

发明内容

本发明的目的是针对现有调度方法不能兼顾传输效率和公平性的问题，提供一种毫米波多天线系统中基于波束分组的终端调度方法。

本发明方法基于包含一个基站和多个终端的通信系统。基站天线阵列为均匀矩形阵，且包含几百或几千根天线。终端也有一个均匀矩形阵，包含十几根天线。基站采用波束空间方法降低信号维度。基站用于传输的时间频率资源受限。

本发明方法的具体步骤是：

步骤1、初始化阶段：

计算终端的传播路径在波束空间的位置：基站设置了均匀矩形阵分布的N_B根天线，其中水平方向天线数量为N_Bx，垂直方向天线数量为N_By，N_B＝N_Bx×N_By，采用波束空间均匀切割方法将终端分组，根据每组的终端数量将组排序，终端数量越少的排序越靠前；具体方法是：

1.1.依次计算第k个终端的传播路径在波束空间的二维坐标值，即横坐标值

和纵坐标值

K为每个小区内的终端数量，

为第k个终端的传播路径的俯仰角，θ_k为第k个终端的传播路径的水平角；

计算第k个终端的传播路径在波束空间的二维坐标值与所有空间切割点坐标值的距离：波束空间的均匀分布的空间切割点的横坐标为u_m，u_m＝-1+2mN_Bx， m＝1,2,...,(N_Bx-1)；波束空间的均匀分布的空间切割点的纵坐标为v_n，v_n＝-1+2nN_By， n＝1,2,...,(N_By-1)；第k个终端的传播路径在波束空间的二维坐标值与坐标为(u_m,v_n)的空间切割点的距离为

若第k个终端的传播路径在波束空间的二维坐标值与所有空间切割点坐标值的最近距离对应的空间切割点横坐标为u_m、纵坐标为v_n，则第k个终端就分在第(mN_By+n)组；

1.2.按照m＝1,2,...,(N_Bx-1)和n＝1,2,...,(N_By-1)的顺序依次计算第(mN_By+n)组的终端数量，记为Z(mN_By+n)；对于终端数量不为0的组，按照终端数量从少到多进行排序。

步骤2、排序调度阶段：

2.1.对于第j组，依次计算其中每个终端调度时的系统容量C_k，记为C₁,C₂,...,C_Z(j)；

Φ_j为第j组已经调度的终端集合，P_j,l是第j组第l个终端的接收信号功率，N₀是噪声功率；

如果是针对第一个传输资源，第j组的终端的加权系统容量仍为C₁,C₂,...,C_Z(j)；如果是针对第一个以后的传输资源，第j组的终端的加权系统容量为系统容量和该终端的累计传输容量的比值C₁/S₁,C₂/S₂,...,C_Z(j)/S_Z(j)，S₁,S₂,...,S_Z(j)为第j组的终端的累计传输容量；

2.2.选择具有最大加权系统容量C_i/S_i值的终端作为调度终端，计算调度该终端之前所有调度终端的加权容量的和D_j以及调度该终端之后所有调度终端的加权容量的和

如果

保持调度该终端；如果

取消调度该终端。

步骤3、排序阶段：

3.1.计算每个组的所有终端的累计容量的和E_j，j＝1,2,...,N_B，

T是目前调度步骤2的执行总次数，C_t,j,k是第t次执行调度步骤2后的第j组第k个终端的容量；

3.2.对于终端数量不为0的组，按照每组的容量的和E_j排序，容量的和E_j越小，该组的排序越靠前；

3.3.如果还有传输资源，对于下一个传输资源，按照组的排序，回到步骤2；如果没有传输资源，结束调度。

本发明方法利用了毫米波多天线系统中的干扰与波束空间的关系在波束空间衡量终端间干扰，利用这一特性将终端的主要路径的对应波束分组，避免同时调度同一组的终端，也就避免了强干扰，提高传输效率。同时，根据累计传输速率加权的容量值调度终端组和每一组的终端，保证终端间的公平性。因此，本发明方法能够取得更优的传输效率和公平性的折中。

本发明方法能够减轻终端间的干扰，提高系统容量，同时保证终端的公平性。本发明方法的创新关键是：利用毫米波系统的干扰和波束空间的关系，将终端分组调度，避免强干扰。同时按照累计容量和加权容量对组和终端排序调度，保证终端的公平性。

附图说明

图1是本发明实施例中系统和速率与终端数量关系的仿真图；

图2是本发明实施例中系统和速率累积分布的仿真图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

先介绍本发明方法的应用场景：

基站放置了一个有N_B根天线的均匀矩形阵，水平方向天线数量为N_Bx，垂直方向天线数量为N_By，N_B＝N_Bx×N_By。

每个小区内有K 个终端，

为第k个终端的要传播路径的俯仰角，θ_k为第k个终端的要传播路径的水平角，k＝1,2,...,K。

波束空间的二维坐标范围为横坐标-1≤u≤1、纵坐标-1≤v≤1；波束空间的均匀分布的空间切割点的横坐标为u_m，u_m＝-1+2m/N_Bx，m＝1,2,...,(N_Bx-1)；波束空间的均匀分布的空间切割点的纵坐标为v_n，v_n＝-1+2n/N_By，n＝1,2,...,(N_By-1)；所有横坐标和纵坐标的组合构成了N_B个空间切割点。

以下介绍本发明方法的操作步骤：

步骤1、初始化阶段：

计算终端的传播路径在波束空间的位置，采用波束空间均匀切割方法将终端分组，根据每组的终端数量将组排序，终端数量越少的排序越靠前。具体是：

1.1.依次计算第k个终端的传播路径在波束空间的二维坐标值，即横坐标值

和纵坐标值

计算第k个终端的传播路径在波束空间的二维坐标值与所有空间切割点坐标值的距离，第k个终端的传播路径在波束空间的二维坐标值与坐标为(u_m,v_n)的空间切割点的距离为

若第k个终端的传播路径在波束空间的二维坐标值与所有空间切割点坐标值的最近距离对应的空间切割点横坐标为u_m、纵坐标为v_n，则第k个终端就分在第(mN_By+n)组；

1.2.按照m＝1,2,...,(N_Bx-1)和n＝1,2,...,(N_By-1)的顺序依次计算第(mN_By+n)组的终端数量，记为Z(mN_By+n)；对于终端数量不为0的组，按照终端数量从少到多进行排序。

步骤2、排序调度阶段：

首先，对于当前组，计算其中的每个终端调度时的系统容量。如果是针对第一个传输资源的调度，则该终端的加权容量就是系统容量；如果是针对第一个以后的传输资源的调度，则该终端的加权容量就是系统容量和该终端的累计传输容量的比值。接着，对于该小组，调度具有最大加权容量的终端。接着，分别计算调度该终端之前和之后的所有调度终端的加权容量的和，如果调度该终端之后的加权容量的和比调度该终端之前加权容量的和大，则保持调度该终端；否则，取消调度该终端。具体是：

2.1.对于第j组，依次计算其中每个终端调度时的系统容量C_k，记为C₁,C₂,...,C_Z(j)；

Φ_j为第j组已经调度的终端集合，P_j,l是第j组第l个终端的接收信号功率，N₀是噪声功率；

如果是针对第一个传输资源，第j组的终端的加权系统容量仍为C₁,C₂,...,C_Z(j)；如果是针对第一个以后的传输资源，第j组的终端的加权系统容量为系统容量和该终端的累计传输容量的比值C₁/S₁,C₂/S₂,...,C_Z(j)/S_Z(j)，S₁,S₂,...,S_Z(j)为第j组的终端的累计传输容量；

2.2.选择具有最大加权系统容量C_i/S_i值的终端作为调度终端，计算调度该终端之前所有调度终端的加权容量的和D_j以及调度该终端之后所有调度终端的加权容量的和

如果

保持调度该终端；如果

取消调度该终端。

步骤3、排序阶段：

首先，计算每个组的所有终端的累计容量的和，然后按照容量的和排序，容量的和越小，该组的排序越靠前。最后，如果还有传输资源，对于下一个传输资源，按照组的排序，回到步骤2；如果没有传输资源，结束调度。具体是：

3.1.计算每个组的所有终端的累计容量的和E_j，j＝1,2,...,N_B，

T是目前调度步骤2的执行总次数，C_t,j,k是第t次执行调度步骤2后的第j组第k个终端的容量；

3.2.对于终端数量不为0的组，按照每组的容量的和E_j排序，容量的和E_j越小，该组的排序越靠前；

3.3.如果还有传输资源，对于下一个传输资源，按照组的排序，回到步骤2；如果没有传输资源，结束调度。

仿真试验的结果如图1和图2所示，分别从信噪比和阵列天线数量两个方面进行了仿真。为了直观地体现出本发明方法的优越性，将本方法的仿真结果与现有的机会方法、比例公平方法进行了对比。

由图1可以看出，本发明方法明显地提高了系统的和速率，也就是说本发明方法能够减轻干扰。由图2可以看出，本发明方法获得的每个终端的和速率都比其他方法的高。这可以反映出本方法的公平性和其他两种方法相当。

Claims (1)

1.一种毫米波多天线系统中基于波束分组的终端调度方法，该方法基于包含一个基站和多个终端的通信系统；其特征在于包括如下步骤：

步骤1、初始化阶段：

计算终端的传播路径在波束空间的位置：基站设置了均匀矩形阵分布的N_B根天线，其中水平方向天线数量为N_Bx，垂直方向天线数量为N_By，N_B＝N_Bx×N_By，采用波束空间均匀切割方法将终端分组，根据每组的终端数量将组排序，终端数量越少的排序越靠前；具体方法是：

1.1.依次计算第k个终端的传播路径在波束空间的二维坐标值，即横坐标值

sinθ_k和纵坐标值

K为每个小区内的终端数量，

为第k个终端的传播路径的俯仰角，θ_k为第k个终端的传播路径的水平角；

计算第k个终端的传播路径在波束空间的二维坐标值与所有空间切割点坐标值的距离：波束空间的均匀分布的空间切割点的横坐标为u_m，u_m＝-1+2m/N_Bx，m＝1,2,...,(N_Bx-1)；波束空间的均匀分布的空间切割点的纵坐标为v_n，v_n＝-1+2n/N_By，n＝1,2,...,(N_By-1)；第k个终端的传播路径在波束空间的二维坐标值与坐标为(u_m,v_n)的空间切割点的距离为

若第k个终端的传播路径在波束空间的二维坐标值与所有空间切割点坐标值的最近距离对应的空间切割点横坐标为u_m、纵坐标为v_n，则第k个终端就分在第(mN_By+n)组；

1.2.按照m＝1,2,...,(N_Bx-1)和n＝1,2,...,(N_By-1)的顺序依次计算第(mN_By+n)组的终端数量，记为Z(mN_By+n)；对于终端数量不为0的组，按照终端数量从少到多进行排序；

步骤2、排序调度阶段：

2.1.对于第j组，依次计算其中每个终端调度时的系统容量C_k，记为C₁,C₂,...,C_Z(j)；

Φ_j为第j组已经调度的终端集合，P_j,l是第j组第l个终端的接收信号功率，N₀是噪声功率；

如果是针对第一个传输资源，第j组的终端的加权系统容量仍为C₁,C₂,...,C_Z(j)；如果是针对第一个以后的传输资源，第j组的终端的加权系统容量为系统容量和该终端的累计传输容量的比值C₁/S₁,C₂/S₂,...,C_Z(j)/S_Z(j)，S₁,S₂,...,S_Z(j)为第j组的终端的累计传输容量；

2.2.选择具有最大加权系统容量C_i/S_i值的终端作为调度终端，计算调度该终端之前所有调度终端的加权容量的和D_j以及调度该终端之后所有调度终端的加权容量的和

如果

保持调度该终端；如果

取消调度该终端；

步骤3、排序阶段：

3.1.计算每个组的所有终端的累计容量的和E_j，j＝1,2,...,N_B，

T是目前调度步骤2的执行总次数，C_t,j,k是第t次执行调度步骤2后的第j组第k个终端的容量；

3.2.对于终端数量不为0的组，按照每组的容量的和E_j排序，容量的和E_j越小，该组的排序越靠前；

3.3.如果还有传输资源，对于下一个传输资源，按照组的排序，回到步骤2；如果没有传输资源，结束调度。

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