CN110213779A - 一种低复杂度的上行蜂窝网络多小区协调调度方法及上行蜂窝系统 - Google Patents
一种低复杂度的上行蜂窝网络多小区协调调度方法及上行蜂窝系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种低复杂度的上行蜂窝网络多小区协调调度方法及上行蜂窝系统。本方法为:1)从M个小区对应的基站中选取基站1作为第一个基站,选择基站1中使得当前系统效用值最大的用户其中系统效用值计算函数 2)后续基站i在已调度小区用户集的基础上,选择使得当前系统效用值最大的用户3)根据从各小区所选的用户确定出当前时隙的调度用户集合本发明降低了调度方法复杂度,提高了系统性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种降低复杂度的上行蜂窝网络中的多小区协调调度方法及上行蜂窝系统,属于无线通信技术领域。
背景技术
为了满足更高数据速率的要求,蜂窝网络使用全频谱复用。但是全频谱复用主要的缺点在于会导致小区间干扰,尤其限制小区边缘用户的性能。因此,消除干扰同时保持高数据速率是非常重要的。
多小区协调调度(Coordinated Scheduling,CS)是一个减少小区间干扰的有效方案(参考G.Y.Li,J.Niu,D.Lee,J.Fan and Y.Fu,"Multi-Cell Coordinated Schedulingand MIMO in LTE,"in IEEE Communications Surveys&Tutorials,vol.16,no.2,pp.761-775,2014.)。在多小区CS中,每个用户只与其关联的基站通信,基站之间不共享用户数据。通过小区之间的协调,选择最优的调度用户组合,以使得小区间干扰尽可能小。
多小区CS在下行链路中已有广泛研究(参考W.Yu,T.Kwon and C.Shin,"Multicell Coordination via Joint Scheduling,Beamforming,and Power SpectrumAdaptation,"in IEEE Transactions on Wireless Communications,vol.12,no.7,pp.1-14,July 2013;M.Li,I.B.Collings,S.V.Hanly,C.Liu and P.Whiting,"MulticellCoordinated Scheduling With Multiuser Zero-Forcing Beamforming,"in IEEETransactions on Wireless Communications,vol.15,no.2,pp.827-842,Feb.2016),但是上行链路研究较少(参考P.Frank,A.Müller,H.Droste and J.Speidel,"Cooperativeinterference-aware joint scheduling for the 3GPP LTE uplink,"21st Annual IEEEInternational Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications,Instanbul,2010,pp.2216-2221;L.Liu,Z.Shi,H.Wang and D.Gu,"Cross-TierInterference-Aware Scheduling for Heterogeneous Uplink Transmission,"2014IEEE80th Vehicular Technology Conference(VTC2014-Fall),Vancouver,BC,2014,pp.1-5.)。在基站多天线的上行链路中,基站端采用MMSE-IRC(Minimum Mean Square Error-Interference Rejection Combining)方式可以对接收到的信号进行干扰抑制。文献(L.Liu,Z.Shi,H.Wang and D.Gu,"Cross-Tier Interference-Aware Scheduling forHeterogeneous Uplink Transmission,"2014IEEE 80th Vehicular TechnologyConference(VTC2014-Fall),Vancouver,BC,2014,pp.1-5.)提出了一种贪心的用户选择算法,协作的基站按照一定顺序依次进行用户调度,第一个基站选择能带来最大数据速率的用户,后来调度的基站可以挖掘之前已调度的小区的干扰信息以优化整个系统的总速率。但是,在每一次贪心调度过程中都需要计算系统总速率这一效用值,即需要针对每个基站计算一次MMSE检测向量,而MMSE检测向量的计算复杂度较高。因此为了降低算法复杂度,对这一问题展开进一步研究。
发明内容
本发明考虑研究上行链路多小区协调调度问题,用户单天线,基站多天线,资源分配由一个中心调度单元控制,它知晓每个用户到每个基站的信道状态信息(Channel StateInformation,CSI)。针对文献(P.Frank,A.Müller,H.Droste and J.Speidel,"Cooperative interference-aware joint scheduling for the 3GPP LTE uplink,"21stAnnual IEEE International Symposium on Personal,Indoor and Mobile RadioCommunications,Instanbul,2010,pp.2216-2221)中算法中系统效用值计算复杂度较高的问题,通过探究所调度用户主信道与干扰信道、干扰信道与干扰信道之间的关系,设计一种简化的系统效用值,降低了运算复杂度。仿真结果表明,所提出的方案相比于现有算法性能略有下降,但是复杂度降低。
本发明的技术方案为:
一种低复杂度的上行蜂窝网络多小区协调调度方法,其中,上行蜂窝网络中有M个小区共享频谱资源,每个小区设有一个基站,基站i对应小区i,同一时隙每个基站有K种用户选择,其步骤包括:
1)从该M个小区对应的基站中选取一基站1作为第一个基站进行用户选择,选择基站1中使得当前系统效用值最大的用户即其中,系统效用值计算函数|cosθi|表示基站i的干扰信道两两之间夹角的平均值,表示考虑大尺度衰落后基站i接收到的第j个小区中用户kj的信号功率,表示第j个小区的用户kj到基站i的小尺度衰落,表示考虑大尺度衰落后基站i接收到的第i个小区中用户ki的信号功率,为当前确定的调度用户集合,为的共轭转置;
2)后续基站i∈{2,…M}依次调度用户;基站i在已调度小区用户集的基础上,选择使得当前系统效用值最大的用户
3)根据从各小区所选的用户,确定出当前时隙的调度用户集合为其中,为从第M个小区中确定出的用户k。
进一步的,所述步骤1)中,基站1根据公式确定出基站1中的用户表示第1个小区的用户集合。
进一步的,所述步骤2)中,根据公式确定出用户其中,ki为小区i中的第k个用户终端,表示第i个小区的用户集合,表示前i-1个基站已确定的调度用户集合
进一步的,基站端采用MMSE-IRC方式对接收到的信号进行干扰抑制;基站i最终接收信号为yi=wixi,其中wi为基站i的接收检测向量,xi为基站i接收到的信号。
进一步的,基站i接收到的信号其中,sik为用户ki的发射信号,zi表示基站i的加性高斯白噪声。
进一步的,sik满足功率约束加性高斯白噪声zi满足功率限制
一种上行蜂窝系统,包括共享频谱资源的M个小区,每个小区设有一个基站,基站i对应小区i,同一时隙每个基站有K种用户选择,其特征在于,还包括一中心调度单元;其中,该中心调度单元从该M个小区对应的基站中选取一基站1作为第一个基站进行用户选择,选择基站1中使得当前系统效用值最大的用户然后依次确定后续基站i∈{2,…M}的调度用户,对于基站i,在已调度小区用户集的基础上,选择使得当前系统效用值最大的用户最后根据从各小区所选的用户,确定出当前时隙的调度用户序列为其中,系统效用值计算函数 |cosθi|表示基站i的干扰信道两两之间夹角的平均值,表示考虑大尺度衰落后基站i接收到的第j个小区中用户kj的信号功率,表示第j个小区的用户kj到基站i的小尺度衰落,表示考虑大尺度衰落后基站i接收到的第i个小区中用户ki的信号功率,为当前确定的调度用户集合,为的共轭转置;为从第M个小区中确定出的用户k。
与现有技术相比,本发明的积极效果为:
本文研究上行链路的多小区协调的用户调度,以减小小区间干扰,优化整个系统的性能。针对现有算法复杂度较高的问题,通过探究小区用户主信道与干扰信道、干扰信道与干扰信道之间的关系,设计一种新的简化的系统效用值,降低了算法复杂度。仿真结果表明,提出的算法相比于现有算法,系统整体性能有下降,但是复杂度有大幅降低。
附图说明
图1为三小区系统模型图;
图2为基站两天线信道向量示意图;
图3为不同算法的平均每个小区的频谱效率随小区用户数的变化图。
具体实施方式
下面通过具体实例并配合附图,对本发明做详细的说明。
如图1所示,考虑一个上行蜂窝系统,系统中共有个M个小区,它们共享可用频谱,即频率复用因子为1。每个小区有1个基站,K个用户终端(User Equipment,UE),其中基站有N根天线,UE有1根天线。每个小区同一时频资源上只调度一个用户。基站端在每个时刻都可以完全获知每个用户的瞬时信道信息,并且设有一个中心调度单元。
令表示第i个小区的用户集合,ki表示第i个小区调度的用户,为第i个小区的第k个用户。基站i接收到的信号可表示为其中,表示考虑大尺度衰落后基站i接收到的第j个小区的用户kj的信号功率;表示第j个小区中的用户kj到基站i的小尺度衰落,其中每个元素服从独立同分布(i.i.d.)的CN(0,1)复高斯分布;sik为用户ki的发射信号,有功率约束 表示i基站加性高斯白噪声,有功率限制
基站端采用MMSE-IRC方式对接收到的信号进行干扰抑制,则基站i最终接收信号表示为yi=wixi,其中为基站i的接收检测向量,表示为
其中符号(·)H表示共轭转置。则基站i的接收SINR可以表示为
本发明以最大化系统总速率为目标,表示为其中表示所有小区调度的用户集合。多小区协调的用户调度问题就是选择一个调度用户集合使得目标函数最大。建立数学模型如下:
这是一个非线性整数规划问题,被证明是NP难问题,穷举所有用户组合才可以得到最优的多小区调度用户集合,复杂度很高,因此研究次优解。
为了减小上述问题求解最优解的计算复杂度,本发明研究次优的多小区协调的用户调度算法。
文献(P.Frank,A.Müller,H.Droste and J.Speidel,"Cooperativeinterference-aware joint scheduling for the 3GPP LTE uplink,"21st Annual IEEEInternational Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications,Instanbul,2010,pp.2216-2221)提出的贪心的多小区协调调度算法中,协作的基站按照一定顺序依次进行调度,第i个调度的基站i在已调度小区用户集的基础上,选择使得整个系统总速率最大的本区用户但是,算法在每一次贪心调度过程中都需要计算系统总速率这一效用值,即需要针对每个基站计算其相应的MMSE检测向量,而MMSE检测向量计算由于存在矩阵求逆操作,复杂度较高为O(N3)。因此,对系统总速率这一效用值进行近似简化,以降低算法复杂度。
对MMSE干扰检测方式进行分析。设基站有两天线,图2为二维平面上的信道向量示意图。对于基站1,黑色实线表示本区用户11到基站1的主信道向量,两条黑色虚线表示其他两个小区用户12(第2个小区的第1个可选用户)和13(第3个小区的第1个可选用户)到基站1的干扰信道向量。两条灰色虚线分别与两条黑色虚线正交。对于基站1来说,接收检测向量w1与同向时可以最大化有用信号接收功率,而与两条灰色虚线同向可以分别消除来自用户12和用户13的干扰。MMSE检测既要考虑有用信号功率又要有效地抑制干扰。因此,若只有这一个干扰源,那么w1位于黑色实线和与正交的灰色虚线之间,且显然与正交时,w1既最大化有用信号功率又能完全消除干扰。而若再考虑这一干扰源,则二维空间上的w1很难有效地同时抑制两个干扰,即两天线的基站难以有效抑制两个以上的小区间干扰。而干扰信道与同向时可等效为一个干扰,w1可以有效抑制干扰。综上,在选择要调度的用户时,每个基站希望本小区用户和相邻小区用户信道满足如下关系:
·主信道与干扰信道向量尽量正交;
·干扰信道向量之间尽量同向;
·在幅度上,主信道尽量大,而干扰信道尽量小。
基于上述准则,本发明定义基站i处的信道相关系数γi,表示为
其中乘号左边的项用来衡量信道幅度,以及主信道与干扰信道之间的相关性,而乘号右边的项用来衡量干扰信道之间的相关性,|cosθi|表示基站i的干扰信道两两之间夹角的平均值,如来自小区a与小区b的干扰信道相关性计算为
对于任一基站i,信道相关系数γi越大越好。因此,本发明设计一种新的系统效用值即所有小区的信道相关系数的对数和,表示为
其中,M为集合中的元素个数,即所有小区的个数。
新的系统效用值省去了MMSE检测向量计算,复杂度降低。
以上述效用值为目标,采用贪心算法,本发明提出的多小区协调的用户调度方法如下:
·基站1:选择使得当前系统效用值最大的本区用户
·后续基站i∈{2,…M}依次调度用户;基站i在已调度小区用户集的基础上,选择使得前i个小区的系统效用值最大的本区用户即
·最终,所有小区调度的用户集合为
仿真结果
在本小节中,对提出算法进行仿真验证。仿真场景设置为7小区蜂窝网络,基站间距500米。设置每个基站4根天线,用户单根天线。用户发射功率为23dBm,噪声功率为-174dBm/Hz。无线信道模型包括大尺度衰落,阴影和小尺度衰落,具体仿真配置和信道参数参考3GPP TR36.814(参考3GPP TR 36.814,Evolved Universal Terrestrial RadioAccess(EUTRA);Further advancements for E-UTRA physical layer aspects,3rdGeneration Partnership Project(3GPP),Technical Report.)。为了给出全面的分析,我们也仿真了文献(P.Frank,A.Müller,H.Droste and J.Speidel,"Cooperativeinterference-aware joint scheduling for the 3GPP LTE uplink,"21st Annual IEEEInternational Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications,Instanbul,2010,pp.2216-2221)的算法和传统的不协作的系统用作对比。
图3展示了不同算法的平均每个小区的频谱效率随小区用户数的变化。可以看出,通过小区间协调的用户调度,本文提出的算法和对比文献(P.Frank,A.Müller,H.Drosteand J.Speidel,"Cooperative interference-aware joint scheduling for the 3GPPLTE uplink,"21st Annual IEEE International Symposium on Personal,Indoor andMobile Radio Communications,Instanbul,2010,pp.2216-2221)中算法相比于小区间不协作的传统网络,性能都有显著提升。对比文献(P.Frank,A.Müller,H.Droste andJ.Speidel,"Cooperative interference-aware joint scheduling for the 3GPP LTEuplink,"21st Annual IEEE International Symposium on Personal,Indoor andMobile Radio Communications,Instanbul,2010,pp.2216-2221)的算法直接以系统总速率为优化目标,而本文所提算法为了降低运算复杂度,提出一种简化的近似的系统效用值,因此性能差于对比文献(P.Frank,A.Müller,H.Droste and J.Speidel,"Cooperativeinterference-aware joint scheduling for the 3GPP LTE uplink,"21st Annual IEEEInternational Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications,Instanbul,2010,pp.2216-2221)中算法。两种算法的时间复杂度如表1所示,本发明所提算法的复杂度相比于对比文献(P.Frank,A.Müller,H.Droste and J.Speidel,"Cooperativeinterference-aware joint scheduling for the 3GPP LTE uplink,"21st Annual IEEEInternational Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications,Instanbul,2010,pp.2216-2221)的算法大幅降低。
表1为算法复杂度*
对比文献 | 本发明算法 |
O(KM<sup>2</sup>N<sup>3</sup>) | O(KM<sup>3</sup>N) |
*第一行表示仿真的算法,第二行表示它们的时间复杂度。
尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例,但应注意,在不背离权利要求限定的本发明的范围的前提下,可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的结构,权利要求的组成元件可以用任何功能等效的元件替代。因此,本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
Claims (10)
1.一种低复杂度的上行蜂窝网络多小区协调调度方法,其中,上行蜂窝网络中有M个小区共享频谱资源,每个小区设有一个基站,基站i对应小区i,同一时隙每个基站有K种用户选择,其步骤包括:
1)从该M个小区对应的基站中选取一基站1作为第一个基站进行用户选择,选择基站1中使得当前系统效用值最大的用户即其中,系统效用值计算函数|cosθi|表示基站i的干扰信道两两之间夹角的平均值,表示考虑大尺度衰落后基站i接收到的第j个小区中用户kj的信号功率,表示第j个小区的用户kj到基站i的小尺度衰落,表示考虑大尺度衰落后基站i接收到的第i个小区中用户ki的信号功率,为当前确定的调度用户集合,为的共轭转置;
2)后续基站i∈{2,...M}依次调度用户;基站i在已调度小区用户集的基础上,选择使得当前系统效用值最大的用户
3)根据从各小区所选的用户,确定出当前时隙的调度用户集合为其中,为从第M个小区中确定出的用户k。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤1)中,基站1根据公式 确定出基站1中的用户 表示第1个小区的用户集合。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤2)中,根据公式 确定出用户其中,ki为小区i中的第k个用户终端,表示第i个小区的用户集合,表示前i-1个基站已确定的调度用户集合
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,基站端采用MMSE-IRC方式对接收到的信号进行干扰抑制;基站i最终接收信号为yi=wixi,其中wi为基站i的接收检测向量,xi为基站i接收到的信号。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,基站i接收到的信号其中,sik为用户ki的发射信号,zi表示基站i的加性高斯白噪声。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,sik满足功率约束加性高斯白噪声zi满足功率限制
7.一种上行蜂窝系统,包括共享频谱资源的M个小区,每个小区设有一个基站,基站i对应小区i,同一时隙每个基站有K种用户选择,其特征在于,还包括一中心调度单元;其中,该中心调度单元从该M个小区对应的基站中选取一基站1作为第一个基站进行用户选择,选择基站1中使得当前系统效用值最大的用户然后依次确定后续基站i∈{2,...M}的调度用户,对于基站i,在已调度小区用户集的基础上,选择使得当前系统效用值最大的用户最后根据从各小区所选的用户,确定出当前时隙的调度用户序列为其中,系统效用值计算函数 |cosθi|表示基站i的干扰信道两两之间夹角的平均值,表示考虑大尺度衰落后基站i接收到的第j个小区中用户kj的信号功率,表示第j个小区的用户kj到基站i的小尺度衰落,表示考虑大尺度衰落后基站i接收到的第i个小区中用户ki的信号功率,为当前确定的调度用户集合,为的共轭转置;为从第M个小区中确定出的用户k。
8.如权利要求7所述的上行蜂窝系统,其特征在于,基站端采用MMSE-IRC方式对接收到的信号进行干扰抑制;基站i最终接收信号为yi=wixi,其中wi为基站i的接收检测向量,xi为基站i接收到的信号。
9.如权利要求8所述的上行蜂窝系统,其特征在于,基站i接收到的信号其中,ui表示第i个小区的用户集合,ki表示第i个小区调度的用户,表示考虑大尺度衰落后基站i接收到的第j个小区中用户kj的信号功率,表示第j个小区的用户kj到基站i的小尺度衰落,sik为用户ki的发射信号,zi表示基站i的加性高斯白噪声;sik满足功率约束加性高斯白噪声zi满足功率限制
10.如权利要求7所述的上行蜂窝系统,其特征在于,中心调度单元首先根据公式确定出基站1中的用户中心调度单元根据公式确定出用户其中,ki为小区i中的第k个用户终端,表示第i个小区的用户集合,表示前i-1个基站已确定的调度用户集合
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