CN110518942B - 大规模mimo双环中继系统的用户调度方法 - Google Patents
大规模mimo双环中继系统的用户调度方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种大规模MIMO双环中继系统用户调度方法，其步骤包括：1、估计信道状态信息矩阵；2、基站利用代价调度因子选择用户节点；3、生成基站与中继节点，中继节点与用户间的预编码向量；4、基站向所有中继节点广播信号；5、中继节点将接收的信号广播给所有用户节点；6、用户节点接收所有中继节点发送的信号。本发明利用代价调度因子选择用户，可处理来自多源节点的干扰信号，克服了不能适用于大规模MIMO双环中继系统的不足，同时生成基站与每个中继节点间的特征波束成形预编码向量和计算最大和速度的对应相位值，降低了干扰信号强度，克服了和速度低的不足。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，更进一步涉及天线多中继传输技术领域中的一种大规模多输入多输出MIMO(Multi-input Multi-output)双环中继系统用户调度方法。本发明可用于大规模多输入多输出MIMO双环中继系统中，对数据传输中所有用户进行调度，提升下行链路的和速度。
背景技术
目前，在大规模多输入多输出MIMO双环中继系统中，基站将信号先发给中继，然后中继将信号译码转发给需要的用户，该系统可扩大传统通信系统的信号覆盖范围，减小信号盲区，提升系统和速度和稳定性。由于硬件成本的限制，大规模多输入多输出MIMO双环中继系统中中继节点的数量少于用户数。因此，需要设计一种双环中继系统中的用户调度方法，为每个中继节点选择一个信道状态条件优秀的用户进行数据传输，进而更进一步地提升大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的和速度。
L.Sun等人在其发表的论文“Eigen-Based Transceivers for the MIMOBroadcast Channel With Semi-Orthogonal User Selection”(IEEE Transactions onSignal Processing,vol.58,no.10,pp.5246-5261,Oct.2010)中提出了一种基于统计信道状态信息的半正交用户调度方法。该方法通过对用户的二阶统计信道状态信息进行特征值分解得到传输信号的预编码向量，该预编码向量可以消除不同用户之间的信号干扰。然后系统计算不同用户的信道状态向量范数，并以该信道状态向量范数最大化为目标来选择最优用户集进行数据传输。该方法存在的不足之处是：由于该方法仅适用于干扰信号来自单一源节点的系统，而大规模多输入多输出MIMO双环中继系统中每个用户受到的干扰来自于多个源节点，所以该方法不能运用于大规模多输入多输出MIMO双环中继系统。
河海大学在其申请的专利文献“一种多用户MIMO中继系统中的用户调度方法”(专利申请号：201611022409.9，公开号：CN 106559115 A)中提出了一种基于多用户多输入多输出MIMO中继系统的用户调度方法。该方法通过将系信噪比大于系统阈值的用户的信道状态信息反馈给用户，并从反馈的用户中进行随机选择来进行数据传输，该方法兼顾了系统公平性与优化吞吐量。但是，该方法仍然存在的不足之处是：由于该方法采用随机选择策略来进行用户调度，其中并未考虑系统中用户的信道状态信息，导致系统和速度性能差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术不能适用于大规模多输入多输出MIMO双环中继系统和低系统和速度性能的不足，提出了一种大规模多输入多输出MIMO双环中继系统用户调度方法，可以进一步提高大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的和速度，提升系统性能。
实现本发明目的的思路是，基站利用代价调度因子选择用户，分解每个中继节点的统计信息组合矩阵，生成基站与每个中继节点间的特征波束成形预编码向量，计算大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的系统最大总和速度对应的相位值，产生每个中继节点和与之对应用户间的预编码向量。
本发明的具体步骤包括如下：
(1)估计基站和中继节点间的信道状态信息矩阵：
(1a)基站将产生的一个全1导频向量发送给中继节点；
(1b)利用最小均方误差信道估计公式，中继节点利用接收到的信号向量，估计基站与中继节点间链路的信道状态信息矩阵；
(1c)中继节点将基站和中继节点间链路的信道状态信息矩阵反馈给基站；
(2)估计中继节点和用户间的信道状态信息矩阵：
(2a)中继节点将产生的一个全1导频向量发送给用户；
(2b)利用最小均方误差信道估计公式，用户利用接收到的信号向量估计中继节点和用户间链路的即时信道状态信息矩阵；
(2c)用户将中继节点和用户间链路的即
时信道状态信息矩阵反馈给基站；
(3)基站利用代价调度因子选择用户：
(3a)基站从大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的所有用户中，随机为每个中继节点选择一个用户，组成用户集合；
(3b)利用信号干扰公式，计算每个用户来自所有中继节点的干扰；
(3c)利用代价调度因子公式，基站计算所选用户之外其它每个用户的代价调度因子；
(3d)基站利用所选用户之外每个用户的代价调度因子，调度代价调度因子最大的用户，用该代价调度因子最大的用户更新用户集合中的每个用户；
(4)基站生成与每个中继节点间的预编码向量：
(4a)利用特征值分解公式，分解基站与每个中继节点间的统计信道状态信息矩阵，生成每个中继节点的统计信道状态信息矩阵的特征矩阵；
(4b)从所有特征矩阵的中继节点中任选一个中继节点，将除所选中继节点之外的其它中继节点的统计信道状态信息矩阵的特征矩阵组合成统计信息组合矩阵；
(4c)利用奇异值分解公式，分解所选中继节点的统计信息组合矩阵后获得0特征值对应的右奇异矩阵；
(4d)将0奇异值对应的右奇异矩阵的最后一列，作为基站与所选中继节点间的特征波束成形预编码向量；
(4e)判断所有中继节点是否选完，若是，则执行步骤(5)，否则，执行步骤(4b)；
(5)基站产生中继节点与用户间的预编码向量：
(5a)基站为每个中继节点随机产生与中继节点天线数相等的相位；
(5b)利用等增益传输预编码向量公式，将所产生的每个中继节点的相位组合成该中继节点和与之对应用户的预编码向量；
(5c)利用信干噪比公式，计算每个中继节点的信干噪比；
(5d)利用和速度公式，计算大规模多输入多输出MIMO双环中继系统总和速度；
(5e)利用和速度遍历公式，计算大规模多输入多输出MIMO双环中继系统最大系统总和速度对应的相位值，用该相位值更新每个中继节点的所有相位值；
(6)基站向所有中继节点广播信号；
(7)中继节点将接收的信号广播给所有用户；
(8)用户接收所有中继节点发送的信号。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明利用代价调度因子选择用户，利用信号干扰公式，计算每个用户来自所有中继节点的干扰，克服了现有技术仅适用于干扰信号来自单一源节点，无法适用于干扰来自多个源节点的不足，使得本发明可适用于多源节点的大规模多输入多输出MIMO双环中继系统。
第二，由于本发明分解每个中继节点的统计信息组合矩阵，生成基站与每个中继节点间的特征波束成形预编码向量和计算大规模多输入多输出MIMO双环中继系统系统最大系统总和速度的对应的相位值，消除了不同中继节点间的干扰，并提升了用户节点有用信号强度，克服了现有技术低和速度性能的不足，使得本发明可有效地提高系统和速度性能。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的场景示意图；
图3为性能仿真图。
具体实施方式
参照图1对本发明实现的具体步骤进行具体描述。
步骤1，估计基站和中继节点间的信道状态信息矩阵：
基站将产生的一个全1导频向量发送给中继节点。
利用最小均方误差信道估计公式，中继节点利用接收到的信号向量，估计基站与中继节点间链路的信道状态信息矩阵。
所述的最小均方误差信道估计公式如下：
其中，H表示信道状态信息矩阵，y表示接收到的信号向量，x表示发送的全1导频向量，T表示转置操作，RH表示信道状态信息矩阵H的自相关矩阵，
表示大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的噪声功率，r表示根据大规模多输入多输出MIMO双环中继系统配置的缩放系数，I表示单位矩阵，-1表示取逆操作。
中继节点将基站和中继节点间链路的信道状态信息矩阵反馈给基站。
步骤2，估计中继节点和用户间的信道状态信息矩阵。
中继节点将产生的一个全1导频向量发送给用户。
利用最小均方误差信道估计公式，用户利用接收到的信号向量估计中继节点和用户间链路的即时信道状态信息矩阵。
所述的最小均方误差信道估计公式如下：
其中，H表示信道状态信息矩阵，y表示接收到的信号向量，x表示发送的全1导频向量，T表示转置操作，RH表示信道状态信息矩阵H的自相关矩阵，
表示大规模MIMO双环中继系统的噪声功率，r表示根据大规模MIMO双环中继系统配置的缩放系数，I表示单位矩阵，-1表示取逆操作。
用户将中继节点和用户间链路的即时信道状态信息矩阵反馈给基站。
步骤3，基站利用代价调度因子选择用户。
基站从大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的所有用户中，随机为每个中继节点选择一个用户，组成用户集合；
利用信号干扰公式，计算每个中继节点的干扰
所述的信号干扰公式如下:
其中，
表示第u个用户节点与第r个中继节点间的信号干扰强度，|| ||表示2范数操作，hur表示第u个用户节点与第r个中继节点间的信道状态向量，i表示中继节点的序号，i的取值范围为在1≤i≤R内不等于r的所有值，Si表示基站随机为第i个中继节点所选的用户节点，H表示共轭转置操作。
利用代价调度因子公式，基站计算所选用户之外其它每个用户的代价调度因子。
所述的代价调度因子公式如下:
其中，φu,r表示第u个用户节点与第r个中继节点间的代价调度因子，R表示中继节点的总数。
基站利用所选用户之外每个用户的代价调度因子，调度代价调度因子最大的用户，用该代价调度因子最大的用户更新用户集合中的每个用户。
步骤4，基站生成与每个中继节点间的预编码向量。
利用特征值分解公式，分解基站与每个中继节点间的统计信道状态信息矩阵，生成每个中继节点的统计信道状态信息矩阵的特征矩阵。
所述的特征值分解公式如下：
其中，Tr表示基站与第r个中继节点间的统计信道状态信息矩阵，所述的统计信道状态信息矩阵中的每个元素值是根据大规模多输入多输出MIMO双环中继系统配置确定的，Ur表示第r个中继节点的统计信道状态信息矩阵的特征矩阵，Λr表示第r个中继节点的统计信道状态信息矩阵的特征值矩阵。
从所有特征矩阵的中继节点中任选一个中继节点，将除所选中继节点之外的其它中继节点的统计信道状态信息矩阵的特征矩阵组合成统计信息组合矩阵。
利用奇异值分解公式，分解所选中继节点的统计信息组合矩阵后获得0特征值对应的右奇异矩阵。
所述的奇异值分解公式如下：
其中，Θr表示第r个中继节点的统计信息组合矩阵，
表示第r个中继节点的左奇异矩阵，
表示第r个中继节点的奇异值矩阵，
是由奇异值分解得到的，
中奇异值为0的个数与基站发射天线和第r个中继节点的接收天线之差相等，
表示第r个中继节点的特征值矩阵
中所有非0奇异值对应的右奇异矩阵，
表示第r个中继节点的特征值矩阵
中所有0奇异值对应的右奇异矩阵。
将0奇异值对应的右奇异矩阵的最后一列，作为基站与所选中继节点间的特征波束成形预编码向量。
判断所有中继节点是否选完，若是，则执行步骤(5)，否则，执行步骤(4b)。
步骤5，基站产生中继节点与用户间的预编码向量。
基站为每个中继节点随机产生与中继节点天线数相等的相位。
利用等增益传输预编码向量公式，将所产生的每个中继节点的相位组合成该中继节点和与之对应用户的预编码向量。
所述的等增益传输预编码向量公式如下：
其中，pr表示第r个中继节点的预编码向量，e表示以自然对数为底的指数操作，j表示虚数单位，
表示第r个中继节点的预编码向量中的第1个相位值，NR表示每个中继节点的接收天线的总数，
表示开平方根操作。
利用信干噪比公式，计算每个中继节点的信干噪比。
所述的信干噪比公式如下：
其中，λr表示第r个中继节点的信干噪比，Pr表示第r个中继节点的分配功率，| |表示取模操作。
利用和速度公式，计算大规模多输入多输出MIMO双环中继系统总和速度。
所述的和速度公式如下：
其中，C表示大规模多输入多输出MIMO双环中继系统总和速度，log2表示取以2为底的对数操作。
利用和速度遍历公式，计算大规模多输入多输出MIMO双环中继系统最大系统总和速度对应的相位值，用该相位值更新每个中继节点的所有相位值。
所述的和速度遍历公式如下：
其中，
表示第r个中继节点中第m个大规模多输入多输出MIMO双环中继系统最大总和速度的相位值，arg表示取参数操作，max表示取最大值操作。
步骤6，基站向所有中继节点广播信号。
步骤7，中继节点将接收的信号广播给所有用户。
步骤8，用户接收所有中继节点发送的信号。
下面结合仿真实验对本发明的效果作进一步的描述。
本发明的仿真实验是在大规模多输入多输出MIMO双环中继场景下实现的。
参照图2，对本发明仿真实验的场景做进一步的描述。该大规模多输入多输出MIMO双环中继通信系统包含一个基站，基站有Nt＝64根天线，在图2中以倒三角形表示天线，M＝5个中继节点，以R表示中继节点，每个中继节点都设有NR＝3根天线，中继节点随机分布在半径为7的虚线圆上，K＝15个用户，每个用户都设有一根天线，用户其中3个用户随机分布在半径为5～10米的实线弧线上，另外12个用户分布在半径为15～20米的实线弧线上，在图2中以U表示用户。基站、用户节点和中继节点采用半双工模式发射信号。图2中的箭头表示信号的发送方向，该信号包括视频信号，短信信号，图片信号，定位信号，语音信号等。图2中的以实线标示的弧线表示用户的位置，以虚线标示的弧线表示中继节点的位置。
参照图3，对本发明在大规模多输入多输出MIMO双环中继场景下的仿真结果做进一步的描述。
在本发明的仿真实验中，利用本发明的代价用户调度算法和等增益预编码算法以及两种现有技术(随机调度用户算法、随机预编码算法)，分别对大规模多输入多输出MIMO双环中继场景中的用户进行调度和计算预编码矩阵对发送信号进行预编码。
在本发明的仿真实验中，仿真结果1采用现有的随机随机预编码算法和现有的随机用户调度算法。仿真结果1利用现有的随机预编码算法对信号进行预编码，将预编码后的信号发送给随机用户调度算法计算得到的调度用户集，在用户接收到信号后利用和速度公式计算仿真结果1的和速度，并用以方形标示的实线表示。仿真结果2采用本发明的代价用户调度算法和随机预编码算法。仿真结果2利用现有的随机预编码算法对信号进行预编码，将预编码后的信号发送给代价用户调度算法计算得到的调度用户集，在用户接收到信号后利用和速度公式计算仿真结果2的和速度，并用以倒三角标示的实线表示。仿真结果3采用本发明的代价用户调度算法和本发明的等增益预编码算法。仿真结果3利用本发明的等增益预编码算法对信号进行预编码，将预编码后的信号发送给本发明的代价用户调度算法计算得到的调度用户集，在用户接收到信号后利用和速度公式计算仿真结果3的和速度，并用以圆形标示的实线表示。
由图3可见，在同一信噪比下以倒三角形标示的实线的和速度值高于以方形标示的实线的和速度的值，可以得出本发明的代价用户调度算法优于现有的随机用户调度算法。同时在同一信噪比下以圆形标示的实线的和速度值高于以方形标示的实线的和速度值，可以得出本发明的等增益预编码算法优于现有的随机预编码算法。
Claims (8)
1.一种大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的用户调度方法，其特征在于，基站利用代价调度因子选择用户，分解每个中继节点的统计信息组合矩阵，生成基站与每个中继节点间的特征波束成形预编码向量，计算大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的系统最大总和速度对应的相位值，产生每个中继节点和与之对应用户间的预编码向量；该方法的具体步骤包括如下：
(1)估计基站和中继节点间的信道状态信息矩阵：
(1a)基站将产生的一个全1导频向量发送给中继节点；
(1b)利用最小均方误差信道估计公式，中继节点利用接收到的信号向量，估计基站与中继节点间链路的信道状态信息矩阵；
(1c)中继节点将基站和中继节点间链路的信道状态信息矩阵反馈给基站；
(2)估计中继节点和用户间的信道状态信息矩阵：
(2a)中继节点将产生的一个全1导频向量发送给用户；
(2b)利用最小均方误差信道估计公式，用户利用接收到的信号向量估计中继节点和用户间链路的即时信道状态信息矩阵；
(2c)用户将中继节点和用户间链路的即时信道状态信息矩阵反馈给基站；
(3)基站利用代价调度因子选择用户：
(3a)基站从大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的所有用户中，随机为每个中继节点选择一个用户，组成用户集合；
(3b)利用下述信号干扰公式，计算每个中继节点的干扰：
其中，
表示第u个用户与第r个中继节点间的信号干扰强度，|| ||表示2范数操作，hur表示第u个用户与第r个中继节点间的信道状态向量，i表示中继节点的序号，i的取值范围为在1≤i≤R内不等于r的所有值，Si表示基站随机为第i个中继节点所选的用户，H表示共轭转置操作，R表示中继节点的总数；
(3c)利用下述代价调度因子公式，基站计算所选用户之外其它每个用户的代价调度因子：
其中，φu,r表示第u个用户与第r个中继节点间的代价调度因子；
(3d)基站利用所选用户之外每个用户的代价调度因子，调度代价调度因子最大的用户，用该代价调度因子最大的用户更新用户集合中的每个用户；
(4)基站生成与每个中继节点间的预编码向量：
(4a)利用特征值分解公式，分解基站与每个中继节点间的统计信道状态信息矩阵，生成每个中继节点的统计信道状态信息矩阵的特征矩阵；
(4b)从所有特征矩阵的中继节点中任选一个中继节点，将除所选中继节点之外的其它中继节点的统计信道状态信息矩阵的特征矩阵组合成统计信息组合矩阵；
(4c)利用奇异值分解公式，分解所选中继节点的统计信息组合矩阵后获得0特征值对应的右奇异矩阵；
(4d)将0奇异值对应的右奇异矩阵的最后一列，作为基站与所选中继节点间的特征波束成形预编码向量；
(4e)判断所有中继节点是否选完，若是，则执行步骤(5)，否则，执行步骤(4b)；
(5)基站产生中继节点与用户间的预编码向量：
(5a)基站为每个中继节点随机产生与中继节点天线数相等的相位；
(5b)利用等增益传输预编码向量公式，将所产生的每个中继节点的相位组合成该中继节点和与之对应用户的预编码向量；
(5c)利用信干噪比公式，计算每个中继节点的信干噪比；
(5d)利用和速度公式，计算大规模多输入多输出MIMO双环中继系统总和速度；
(5e)利用和速度遍历公式，计算大规模多输入多输出MIMO双环中继系统最大系统总和速度对应的相位值，用该相位值更新每个中继节点的所有相位值；
(6)基站向所有中继节点广播信号；
(7)中继节点将接收的信号广播给所有用户；
(8)用户接收所有中继节点发送的信号。
2.根据权利要求1所述的大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的用户调度方法，其特征在于，步骤(1b)、步骤(2b)中所述的最小均方误差信道估计公式如下：
其中，H表示信道状态信息矩阵，y表示接收到的信号向量，x表示发送的全1导频向量，T表示转置操作，RH表示信道状态信息矩阵H的自相关矩阵，
表示大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的噪声功率，r表示根据大规模多输入多输出MIMO双环中继系统配置的缩放系数，I表示单位矩阵，-1表示取逆操作。
3.根据权利要求1所述的大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的用户调度方法，其特征在于，步骤(4a)中所述的特征值分解公式如下：
其中，Tr表示基站与第r个中继节点间的统计信道状态信息矩阵，所述的统计信道状态信息矩阵中的每个元素值是根据大规模多输入多输出MIMO双环中继系统配置确定的，Ur表示第r个中继节点的统计信道状态信息矩阵的特征矩阵，Λr表示第r个中继节点的统计信道状态信息矩阵的特征值矩阵。
4.根据权利要求3所述的大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的用户调度方法，其特征在于，步骤(4c)中所述的奇异值分解公式如下：
其中，Θr表示第r个中继节点的统计信息组合矩阵，
表示第r个中继节点的左奇异矩阵，
表示第r个中继节点的奇异值矩阵，
是由奇异值分解得到的，
中奇异值为0的个数与基站发射天线和第r个中继节点的接收天线之差相等，
表示第r个中继节点的特征值矩阵
中所有非0奇异值对应的右奇异矩阵，
表示第r个中继节点的特征值矩阵
中所有0奇异值对应的右奇异矩阵。
5.根据权利要求1所述的大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的用户调度方法，其特征在于，步骤(5b)中所述的等增益传输预编码向量公式如下：
其中，pr表示第r个中继节点的预编码向量，e表示以自然对数为底的指数操作，j表示虚数单位，
表示第r个中继节点的预编码向量中的第1个相位值，NR表示每个中继节点的接收天线的总数，
表示开平方根操作。
6.根据权利要求5所述的大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的用户调度方法，其特征在于，步骤(5c)中所述的信干噪比公式如下：
其中，λr表示第r个中继节点的信干噪比，Pr表示第r个中继节点的分配功率，||表示取模操作。
7.根据权利要求6所述的大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的用户调度方法，其特征在于，步骤(5d)中所述的和速度公式如下：
其中，C表示大规模多输入多输出MIMO双环中继系统总和速度，log2表示取以2为底的对数操作。
8.根据权利要求7所述的大规模多输入多输出MIMO双环中继系统的用户调度方法，其特征在于，步骤(5e)中所述的和速度遍历公式如下：
其中，
表示第r个中继节点中第m个大规模多输入多输出MIMO双环中继系统最大总和速度的相位值，arg表示取参数操作，max表示取最大值操作。
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