CN1797987A - 自适应调度的mimo通信系统及其自适应用户调度方法 - Google Patents

Abstract

一种自适应调度的MIMO通信系统，其包括发送端，用于发送至少具有信道估计信号和用户数据的数据帧，和至少一接收端，用于接收发送端发送的数据帧，产生相应的反馈信号并还原用户数据。其中，该反馈信号包括对于接收端最好的发送天线组、发送天线组中每根天线对接收端提供的信道容量以及未选中的发送天线对最好的发送天线组中每一根发送天线的性能损失比。发送端根据该反馈信号产生调度信息，并利用该调度信息进行自适应的用户调度，该调度信息包括调度的用户、每个用户应该支持的数据流、以及发送调度用户数据所采用的发送天线。该MIMO通信系统通过自适应调度，可以提供最大的系统信道容量。

Description

自适应调度的MIMO通信系统及其自适应用户调度方法

技术领域

本发明涉及一种多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)天线系统及其用户调度(User Scheduling)方法，特别是自适应调度的多输入多输出天线系统及其自适应用户调度方法。

背景技术

未来的无线通信系统需要支持非常高速率的数据业务，比如说视频会议、视频点播、交互视游戏等等。根据ITU-R M1645文件中提到的要求：对于高速无线业务(High Mobility)，需要支持最高到100Mbps的速率；而对于低速(Low Mobility)或者固定无线(Fixed Wireless)业务，更需要达到1Gbps的速率。无线通信中一个信道的速率等于该信道的频谱带宽和其所应用技术的频谱效率的乘积。为了提高速率，我们可以提高其频谱带宽或者其所应用技术的频谱效率。由于频率资源是有限的，所以不可能无限制地增加频谱带宽来增加通信速率，最好的方法是提高所应用技术的频谱效率。最近的研究发现，应用多输入多输出技术能够使频谱效率大大的提高。

所谓的多输入多输出技术就是同时在通信系统的发送端和接收端安装多根天线(Multiple Antennas)。它包括在其中的一端安装多天线，即单输入多输出(Single Input Multiple Output，SIMO)和多输入单输出(Multiple InputSingle Output，MISO)。由于不同的天线在物理上是分开的，所以一般认为多天线给通信系统引入了一个额外的信号域—空间域。

在多输入多输出系统中，通常可以采用两种信号处理的方法来提高信道的频谱效率。第一种信号处理方法叫空时编码(Space Time Coding，STC)，其将一个原始数据流通过一组编码器生成n_T个码流并从不同的天线(假设有n_T根天线)发射出去。其中，每个码流都是原始数据流的一个不同变化版本，码流本身在时间域上有相关性，并且码流之间也有一定的相关性。这样，在接收端(假设有n_R根天线)就可以利用这些相关性来得到更好的误码性能，或者是在保持误码性能不变的前提下通过增加每个信号符号上的比特数来增加频谱效率。通过空时编码得到的空间域上的增益叫作分集增益(DiversityGain)，一个多天线系统能提供的最大的分集增益是n_T×n_R。

另外一种信号处理方法叫分层空时信号处理(Layered Space Time SignalProcessing，LAST)，其将一个原始的数据流分成n_T个独立的码流并从不同的天线上发射出去。每个码流都是原始数据流的一部分，它们之间没有任何的相关性。在接收端，通过一些多维的信号处理方法可以把从不同天线上发射的每个码流分解开来，这些信号处理方法可以是最大似然法(MaximumLikelihood，ML)、最小均方误差法(Minimum Mean Square Error，MMSE)或者迫零法(Zero-Forcing，ZF)。这样的话，就相当于在接收端和发送端之间建立了n_T条相互独立的信道，频谱效率也就相应的提高了大概n_T倍。通过分层空时信号处理得到的空间域上的增益叫作复用增益(Multiplexing Gain)。一个多天线系统能提供的最大的复用增益等于n_T和n_R中小的那个数，即Min(n_T，n_R)。

研究发现，对于单用户(Single-User)点对点(Point to Point)多天线通信系统，空间域提供的分集增益和复用增益之间有一个折衷：提供的分集增益多了，复用增益就减少；反之亦然。

然而，现代的通信系统都基于蜂窝结构，基本的通信模式是蜂窝中的一个基站同时为很多个用户(Mobile Station，MS)提供服务，这就涉及到多用户的接入问题一多址方式(Multiple Access)。传统的接入方式有FDMA、TDMA以及CDMA，它们都是基于电路交换(Circuit Switch)原则的，即每个用户都给分配了一个固定的频带(FDMA)、时隙(TDMA)或扩频码(CDMA)。

以GSM为例，基站把一条200K的信道以固定时隙分配的方法把一个帧的8个时隙分配给8个用户进行通信。这种方法的优点就是可以保证通信业务的时延特性，比较适合于语音通信这类对时延比较敏感的业务。其缺点是固定资源分配没有考虑到用户通信时的无线信道状况。由于无线信道的变化非常大，如果用户在其信道处于深衰落的时候分配到了信道的话，将导致系统性能的损失。

未来的通信系统将以数据业务为主，对时延的要求不是太严格。这样的话可以采用分组交换(Packet Switch)的多址方式。采用分组交换时，基站需要实时地把信道分配给不同的用户，这里叫作用户调度(User Scheduling)。目前有两种最基本的用户调度方法被应用到无线通信系统中。一种是循环(Round Robin)调度，即信道通过循环的方式分配给所有的用户。这种方法的效果和电路交换一样，保证了时延特性和用户间的公平性，但没有提高性能。另一种叫最大载干比(MaxC/I)调度，其可以根据用户的信道衰落情况动态把当前信道的使用权分配给具有最大载波干扰比的用户。这样的话，系统的性能可以得到很大提高。通过最大载干比调度得到的性能增益叫作多用户分集(Multiuser Diversity)。

研究发现，对于传统的多用户单天线(Multiuser Single Input Single Output，MuSISO)系统，调度算法只要把信道分配给具有最大载干比的用户，系统性能就可以达到最大化。但相同的结论不能应用到多用户多天线系统，即多用户多输入多输出(Multiuser MIMO，MuMIMO)。当多天线用到多用户系统中时，多天线除了能够提供分集增益和复用增益之外，还可以在空间域中提供多用户接入，即空分多址(Spatial Division Multiple Access，SDMA)。通过使用空分多址，允许接入的用户都分配到一定的空间资源来建立相互独立的通信链路，各个用户的空间资源可以用于提供分集增益或者复用增益。研究发现，在多天线的情况下，把信道同时分配给多于或等于一个用户才可以使调度系统的性能最大化。但以上的发现只是给出了一个纯理论的指引，缺乏有效的最优化用户调度方法。

对于通信系统的下行链路来讲，可以在基站端用发送信号处理的方法来实现空分多址，比如水印编码(Dirty Paper Coding，DPC)和发送波束成形(Transmit BeamForming，TBF)。但这种方法要求发送端(基站)知道精确的下行信道衰落系数，这在现实系统中很难实现。另一种方法是用接收信号处理的方法实现空分多址。具体的是在发送端使用空时码或分层空时信号处理等方法，在用户端经过干扰消除和信号检测把有用信息解出来。由于空时码和分层信号处理都不需要下行信道的衰落系数，这种方法比较适合用于实现下行信道的空分多址。

另外，最近的研究发现，在多用户调度系统中，使用基于空时码的多天线系统时，性能还比不上单天线系统。所以在多用户调度系统中，倾向于对每个允许接入的用户使用基于分层空时信号处理的多输入多输出系统。即，发送端根据有限的信道反馈找出一组用户，然后把天线分配给该组中的所有用户，从每个用户所分配到的天线上发送该用户的一个独立的码流。当接收天线数n_R大于发送端的发送天线数n_T时，每个用户都可以对每根发送天线建立一条独立的无干扰(Interference Free)信道。在这种情况下，每根发送端天线的分配情况将不影响其他天线的分配。基于这个特性，美国专利US6,662,024中给出了一个在n_R≥n_T的前提下多用户多输入多输出系统的用户调度算法。当接收天线数小于发送天线数的时候，按照其方法不能对每一条发送天线建立一条独立的无干扰信道。这样的话，US6,662,024中的方法将不可以再用。

参考文献1(D.J.Mazzarese and W.A.Krzymien，[2003]，“High tbroughputdownlink cellular packet data access with multiple antennas and multiuserdiversity”)中给出了一种当n_R＝1时的用户调度方法。其假设每次调度的用户数都是n_T个，这样的话可以把所有的n_T根发送天线分配给这n_T个用户。问题是这种方法显然不可以保证系统性能的最优。

参考文献2(D.Aktas and H.E.Gamal，[2003]，“Multiuser scheduling forMIMO wireless systems”)中认为每次调度的用户数应该是给定的数量L(1≤L≤n_T)，这就需要从所有的n_T根发送天线中挑出L根天线，然后把它们分配给挑选出来的L个用户。但这种方法只能在给定L的情况下工作，到底L应该等于多少还不是太清楚。

参考文献1、2中所揭示的方法存在以下缺点：1)它们都基于固定用户数的调度方法，并且假设用户数已知；2)它们的算法不能保证假设的用户数都可以调度到，这样的话，会出现系统性能损失；3)都只解决了n_R＝1的情况，当n_R＞1时，因为复杂度非常高而没有给出具体算法。

因此，以上方法均不能根据信道状况提供最优化的用户调度，即，不能提供最大的系统容量。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种自适应的MIMO通信系统，其通过自适应调度，可以提供最大的系统信道容量。

本发明的另一目的在于，提供一种MIMO通信系统的自适应用户调度方法，其可以根据当时的信道状况自适应地提供最优化的用户调度。

本发明的自适应调度的MIMO通信系统，其包括发送端，用于发送至少具有信道估计信号和用户数据的数据帧，和至少一接收端，用于接收发送端发送的数据帧，产生相应的反馈信号并还原用户数据。其中，该反馈信号包括对于接收端最好的发送天线组、发送天线组中每根天线对接收端提供的信道容量以及未选中的发送天线对最好的发送天线组中每一根发送天线的性能损失比。发送端根据该反馈信号产生调度信息，并利用该调度信息进行自适应的用户调度，该调度信息包括调度的用户、每个用户应该支持的数据流、以及发送调度用户数据所采用的发送天线。

本发明的MIMO通信系统的自适应用户调度方法，其包括以下步骤：

(a)接收端根据发送天线与接收天线之间的信道衰减状况产生反馈信号，并将该反馈信号反馈给发送端；

(b)由发送端接收该反馈信号，根据该反馈信号产生调度信息，并利用该调度信息进行自适应的用户调度。

其中，该反馈信号包括对于接收端最好的发送天线组、发送天线组中每根天线对接收端提供的信道容量以及未选中的发送天线对最好的发送天线组中每一根发送天线的性能损失比，该调度信息包括调度的用户、每个用户应该支持的数据流、以及发送调度用户数据所采用的发送天线。

上述的自适应用户调度方法中，信道衰落状况可以由接收端根据接收天线所接收的信道估计信号而获得。

上述的自适应用户调度方法中，信道衰落状况也可以是接收端在接收的数据帧的同时，根据接收天线所接收的数据帧而获得的。

进一步，上述步骤(b)包括以下步骤：

1)设置用户调度列表和已分配天线列表为空；

2)比较反馈信息中的信道容量，选出一个最大信道容量值的用户加入到调度用户列表中，并把相应的发送天线加到已分配天线列表；

3)针对调度用户列表中的用户，找出相应的性能损失比最小的发送天线，然后找出对应该发送天线的最大信道容量的用户；

4)计算如果该用户给加入到系统后系统的总容量，如果变大的话就把该用户加入到调度用户列表，相应的天线加入分配天线列表，然后继续执行步骤3)，如果该用户加入到系统后系统容量变小，则调度到此结束；

5)根据最后的调度用户列表和分配天线列表，进行系统的用户调度。

与现有技术相比，本发明的MIMO通信系统及其调度方法具有以下优点：

由于接收端所反馈的信息是：最好天线组、所选天线能提供的绝对信道容量、和其他没有选中的天线对已选中天线组的性能损失因子。这可以降低选天线时的算法复杂度，并且不需要预先知道要调度的用户数，同时，这个绝对信道容量不受最后调度到的用户数的影响。

同时，对发送端来说，能够调度到的用户数取决于当时的信道状况，而不需要预先的确定。

因此，该MIMO通信系统可以实现自适应的用户调度，从而提高系统控制的智能化以及通信稳定性，并始终保持最大的系统容量。

附图说明

为进一步解释本发明，请参考以下描述的附图：

图1为本发明MIMO通信系统的框架图。

图2为图1所示MIMO通信系统的自适应用户调度的流程图。

图3为本发明MIMO通信系统所采用的帧结构的示意图。

图4为本发明的MIMO通信系统的发送端的结构示意图。

图5为发送端的发送射频链路组的结构示意图。

图6为本发明MIMO通信系统中用户调度可能性的示意图。

图7为本发明MIMO通信系统中用户调度可能性的另一示意图。

图8为本发明发送端的双工器组的示意图。

图9为本发明的MIMO通信系统的接收端的结构示意图。

图10为调度器根据反馈信息自适应的选出要调度的用户的流程图。

图11为本发明的MIMO通信系统的调度示意图。

图12为本发明的MIMO通信系统的另一调度示意图。

图13为实际信道状况下三种不同调度方法的性能比较图。

图14为本发明MIMO通信系统在每一接收端具有多根接收天线时的性能示意图。

图15为本发明自适应调度分布式MIMO通信系统的示意图。

具体实施方式

下面就结合附图描述本发明。

图1为本发明MIMO通信系统的框架图，其中，该MIMO通信系统包括一发送端10(基站)以及多个接收端20(用户)。图2为图1所示MIMO通信系统的自适应用户调度的流程图。图3为本发明MIMO通信系统所采用的帧结构的示意图。

如图1-3所示，发送端10具有MIMO数据处理器110、MIMO调度器120、双工器组130以及n_T根发送天线。每个接收端20具有接收信号处理器210、反馈信息处理器220、双工器组230以及n_R根接收天线。其中，每个接收端20的接收天线数量可以不同。该帧结构包括：信道估计时隙、信道反馈时隙以及数据传输时隙，并且可以根据系统需求设置其他的时隙，这里是为了方便说明而简化。

调度信息获取过程

从图3中可以看出，发送端10在发送用户数据信号之前，首先会通过双工器组130自n_T根发送天线向接收端20发送信道估计信号。

假设发送端10的发送信号是一个n_T维的复数向量 $x\∈C^{n_T},$ 每个接收端20接收到的是一个n_R维的复数向量 $y_k\∈C_{n_R},$ 发送端10和接收端20之间存在一个n_R×n_T维的信道衰落矩阵：

$H_k=[h_1^k,...,h_{n_T}^k]=\left[\begin{array}{cccc}{h}_{\mathrm{1,1}}^k& h_{\mathrm{1,2}}^k& \mathrm{\Λ}& h_{1,n_T}^k\\ h_{\mathrm{2,1}}^k& h_{\mathrm{2,2}}^k& & \\ M& & O& M\\ h_{n_R,1}^k& & \mathrm{\Λ}& h_{n_R,n_T}^k\end{array}\right]...\left(1\right)$

其中，h_i，j ^k表示发送端10第i根发送天线和接收端20第j根天线之间的信道传输特性(其中k表示第k个用户)。

则，系统的传递函数可以表示为：

              y_k＝H_kx_k+μ_k

                                             (2)

              k＝1，...，K

其中

是一个n_R维的复数向量，代表接收端20的白噪声。

对于每个接收端20，其知道确切的信道衰落矩阵H_k。根据该信道衰落矩阵，每个接收端20通过接收信号处理器210可以对其进行处理，从而获得以下信息：

(1)从所有的n_T根发送天线中找出一个对该接收端20来讲是最好的发送天线组AnI_k，所选出来的天线组AnI_k中发送天线的数量等于该接收端20的接收天线的数量。

(2)然后，计算该天线组AnI_k中每根天线对该接收端20提供的信道容量R_AnIk，一种计算方法是：

$R_j=\log \det (I_{n_{R_k}}+\frac{p}{n_{R_k}}{h}_j{h}_j^{*})j\∈{\mathrm{AnI}}_k...\left(3\right)$

其中，I_nRk表示n_R阶正定矩阵，p表示功率。

由此，可以得到该天线组AnI_k中每根天线对该接收端20提供的信道容量R_AnIk。以上仅为一种可以采用的计算方法，但不局限于这种方法。

(3)对于n_T根发送天线中其他没有选中的天线，接收信号处理器210都会计算其对已选中天线组AnI_k的每根天线的性能损失比Df。比如：

${\mathrm{Df}}_{k,i}=\log \det (I_{n_{R_k}}+\frac{p}{n_{R_k}}{H}_{\mathrm{An}{I}_k}{H}_{{\mathrm{AnI}}_k}^{*}{(I+\frac{p}{n_{R_k}}{h}_i{h}_i^{*})}^{-1})i\∈\mathrm{null}\left({\mathrm{AnI}}_k\right)...\left(4\right)$

接收信号处理器210将以上处理后所获得的信息作为用户反馈信息传送给反馈信息处理器220。该用户反馈信息包括：最好的发送天线组AnI_k、该发送天线组AnI_k中每根天线对该接收端20提供的信道容量R_AnIk、以及未选中的发送天线对已选中的发送天线组AnI_k中每一根天线的性能损失比Df_k，i。

反馈信息处理器220将接收到的用户信息进行处理，将其转化成适合MIMO通信系统的反馈信号(射频信号)。该反馈信号通过接收端20的天线经反馈信道反馈给发送端10。

发送端10的天线接收该反馈信号后，将其传送到MIMO调度器120。MIMO调度器120根据该信号产生调度信息，并利用所产生的调度信息控制MIMO数据处理器110的操作，从而使MIMO通信系统达到最大系统容量时的调度状态。即，根据调度信息进行最优化的用户调度。该调度信息至少包括：所调度的用户、每个用户应该支持的数据流、所选择的发送天线。

进而，当确定了此时需要调度的用户和发送天线后，MIMO数据处理器110将根据调度信息进行用户数据的处理并从选定的发送天线发送给选定用户。

这样，该MIMO通信系统具有以下特点：

1)对每个接收端20来讲，可以要求最多分配给和其接收天线数一样多的发送天线数；

2)对每个接收端20来讲，其反馈的是：最好的天线组、所选天线能提供的绝对信道容量、和其他没有选中的天线对已选中天线组的性能损失因子。这可以降低选天线时的算法复杂度，并且不需要预先知道要调度的用户数，同时，这个绝对信道容量不受最后调度到的用户数的影响；

3)对发送端10来说，能够调度到的用户数取决于当时的信道状况，而不需要预先的确定。

因此，该MIMO通信系统可以实现自适应的用户调度，从而提高系统控制的智能化以及通信稳定性，并始终保持最大的系统容量。

上述获得信道衰落状况的方法是通过利用信道估计信号(即导频信号)而进行，其在数据帧中插入信道估计信号，接收端20根据该信道估计信号获得发送端10与接收端20之间的信道衰落状况，进一步由接收信号处理器210对信道衰落状况处理后所获得用户反馈信息。

然而，本发明中也可以利用信道盲估计方式获得信道衰落状况。即，数据帧中不需要设置信道估计时隙，接收端20在接收到发送端10发送的数据同时，通过信道盲估计获得信道衰落状况，然后由接收信号处理器210对信道衰落状况处理后所获得用户反馈信息。此时可以避免信道估计信号的插入所造成的频谱资源的浪费。

图4进一步描述了本发明的MIMO通信系统的发送端10的结构示意图。图5为发送端10的发送射频链路组的结构示意图，图6和图7为本发明MIMO通信系统中用户调度可能性的示意图。图8为本发明发送端10的双工器组130的示意图。图9进一步描述了本发明的MIMO通信系统的接收端20的结构示意图。在图4和图9中采用分层时空信号处理方式进行MIMO通信的描述。对于信号处理而言，同样可以采取其他现有技术所揭示的信号处理方法和装置来执行，例如空时编码方式。

用户数据发送/接收以及调度过程

发送端10

在图4中，该发送端10包括MIMO数据处理器110、MIMO调度器120、双工器组130以及n_T根发送天线。

该MIMO调度器120包括一接收射频链路组123、一MIMO接收信号处理器122以及调度器121。其中，接收射频链路组123具有与发送天线对应数量的接收射频链路，用于将接收到的反馈信号转化为相应的码流。MIMO接收信号处理器122将该转化的码流进行分层空时信号处理，获得相应的调度信息。该调度信息包括：需要被调度的用户、每个用户应该支持的数据流、以及发送调度用户数据所采用的发送天线。调度器121利用该调度信息控制MIMO数据处理器110的信号处理。

该MIMO数据处理器110包括一用户选择器111、多个并行排列的分流器112、MIMO发送信号处理器113、发送射频链路组114以及发送天线选择器115。

其中，在调度信息的控制下，用户选择器111用于选择所要调度的用户数量nS，并输出相应的用户数据。这里，nS小于等于发送端10天线的数量n_T。

在调度信息的控制下，nS个分流器112被选中来对所调度的nS个用户的用户数据进行分流处理，即，将所调度的nS个用户的用户数据分成L个码流输出，其中，L的最大值与发送天线数量n_T相同。

然后，由MIMO发送信号处理器113将分流器112输出的L个码流视为L个不同的层进行处理，其处理方式为分层空时信号处理。

发送射频链路组114用于将经过分层空时信号处理的L个码流转化为L个对应的射频信号。

在调度信息的控制下，发送天线选择器115选择所调度的L根天线，将发送射频链路组114输出的L个射频信号通过双工器组130往所调度的L根天线传送。

最后，通过所调度的L根天线将射频信号发送给所调度的用户。

图5中进一步描述了发送射频链路组114的具体结构，其包括L个并行发送射频链路，每个发送射频链路具有串行连接的调制器116、上变频器117以及功率放大器118，该功率放大器可以是大功率线性放大器。其中，该L发送射频链路分别用于将MIMO发送信号处理器113输出的L个码流转化为相应的射频信号。

以上所述的L值的大小可根据系统设计的情况而设置，以下将对此进行详细说明。

请参阅图6，为本发明MIMO通信系统中用户调度可能性的示意图。其中，发送端10具有4根发送天线，接收端(用户)20的数量为K＝32，每一接收端20具有1根接收天线。在发送端10的总发射功率P＝1和P＝10的情况下，可以看出，MIMO通信系统调度到2个用户的可能性最大，其次是调度到3个用户，而调度到1个和4个用户的可能性比较小，几乎没有调度到其他数量的用户。据此，可以将L值设定为3，或者为了让系统的调度损失最小，可以将L值进一步设置为4。

同样，图7为本发明MIMO通信系统中用户调度可能性的另一示意图。其中，发送端10具有8根发送天线，接收端(用户)20的数量为K＝32，每一接收端20具有1根接收天线。在发送端10的总发射功率P＝1和P＝10的情况下，可以看出，MIMO通信系统调度到3个用户的可能性最大，其次是调度到2个和3个用户，而调度到5个用户的可能性比较小，几乎没有调度到其他数量的用户。因此，可以将L值设定为4，或者为了让系统的调度损失最小，可以将L值进一步设置为5。

从以上说明可以看出，L值可以根据系统的设计而改变，这样可以不需要将其始终设置为等于发送天线数n_T。也就是，可以在系统设计时，根据系统调度情况确定L值，从而可以确定发送射频链路组114中发送射频链路的数量，而不需要将其数量始终设置为n_T，进而，可以减少系统的制造成本。

图8为本发明发送端10的双工器组130的示意图。其中，该双工器组130包括n_T个并行的双工器。每一个双工器与一根对应的发送天线相连接，并且均连接到发送天线选择器115和接收射频链路组123。

接收端20

为了简化描述，这里仅仅示出了其中一个所调度用户的接收端20。

在图9中，该接收端20具有接收信号处理器210、反馈信息处理器220、双工器组230以及n_R根天线。

其中，该接收信号处理器210包括一接收射频链路组211和一MIMO接收信号处理器212。该反馈信息处理器220包括一MIMO发送信号处理器221和一发送射频链路组222。

该接收射频链路组211具有与接收天线数量n_R相同的并行的接收射频链路(图未示)，用于将接收到的射频信号恢复为相应的码流，并发送给MIMO接收信号处理器212。

该MIMO接收信号处理器212将码流还原为原始的用户数据，并将其输出。

为了更清楚地说明本发明的调度过程，请参阅图10，为调度器121根据反馈信息自适应的选出要调度的用户的流程图。

从图10中可以看出，该过程包括以下步骤：

1)设置用户调度列表SU和已分配天线列表SA为空；

2)比较所有反馈回来的信道容量信息R_AnIk，选出一个有最大信道容量值的用户加入到调度用户列表SU中，并把相应的发送天线加到已分配天线列表SA；

3)针对调度用户列表中的用户，找出相应的性能损失比最小的发送天线，然后找出对应该发送天线的最大信道容量的用户；

4)计算如果这个用户给加入到系统后系统的总容量，如果变大的话就把这个用户加入到调度用户列表SU，相应的天线加入分配天线列表SA，然后继续执行步骤3)。如果这个用户加入到系统后系统容量变小，调度到此结束；

5)根据最后的调度用户列表SU和分配天线列表SA，控制MIMO数据处理器110把用户的数据流分成独立的码流从分配到的发送天线上发送出去。

调度例

为了清楚说明本发明的优越性，这里采用参考文献2中提到的方法作为比较。由于参考文献2只提供了每个接收端20的天线数量n_R＝1时的具体算法(未提及系统结构，这里是根据其方法假设的系统的简化图)，并且其所要调度的用户数量是固定的，因此，我们这里假设每个接收端20的天线数量n_R＝1，并且需要调度2个用户。此时，可以看作是接收天线数少于发送天线数这样的状况。但是，这样的假设只是为了能简单直观的理解本发明而设定，本发明的方法同样可以适用到接收天线数大于发送天线数的状况。同时，为了能够简单地说明用户调度情况，对信道容量、干扰因子的计算都作了一定的简化，但和原系统是保持一致的。

(第一调度例)

图11为本发明的MIMO通信系统的调度示意图。在图11中，左边部分表示了该MIMO通信系统的简化结构图，右边部分用户接收天线与对应发送天线之间的衰落系数的坐标图。

如图11所示，该调度系统包括一个发送端10和两个用户(接收端)A、B，其中，发送端10上安装了3根发送天线14A、14B和14C，每个用户A、B分别有一根接收天线12A、12B。

当用户A、B的接收天线12A、12B分别接收到发送天线14A、14B和14C发送的信道估计信号时，通过MIMO接收信号处理器212计算出各天线对之间的衰落系数。其中，对于用户A的接收天线12A，其与发送天线14A、14B和14C形成的天线对的衰落系数分别为 $h_1^1=7,h_2^1=1,h_3^1=3,$ 对于用户B的接收天线12B，其与发送天线14A、14B和14C形成的天线对的衰落系数分别为 $h_1^2=6,h_2^2=9,h_3^2=4.$

对于参考文献2

从衰落系数可以看出，如果采用参考文献2中的方法，则用户A的反馈信息是：

1.对于用户A的最好的发送天线是发送天线14A，即最好的发送天线组，记为AnI₁＝{1}；

2.对于用户A的最差的发送天线(也就是干扰最小或者信道增益最小的发送天线)是发送天线14B，记为S₁＝{2}；

3.最好天线与最差天线的信号干扰比为：

${\mathrm{SINR}}_1=\frac{h_1^1}{h_2^1}=7$

同样可以看出，用户B的反馈信息是：

1.对于用户B的最好的发送天线是发送天线14B，记为AnI₂＝{2}；

2.对于用户B的最差的发送天线是发送天线14C，记为S₂＝{3}；

3.最好天线和最差天线的信号干扰比为：

${\mathrm{SINR}}_2=\frac{\left|h_2^2\right|}{h_3^2}=2.25$

然后，发送端10根据以上反馈信息去调度用户：

1.首先，找出有最大信号干扰比的用户，在这个情况下是用户A，信号干扰比为7；

2.接着，寻找另外的用户，该用户的最好天线必须是用户A的最差天线，即发送天线14B，此时，可以找到用户B。然后，看用户B的最差天线是不是用户A的最好天线。如果不是，由于用户B的最好天线的引入将对用户A产生较大的干扰，因此不可以被调度进来。如果是，则用户B将被调度进来。这里，用户B的最差天线即发送天线14B不是用户A的最好天线14A，而是发送天线14C，因此用户B不能被调度。同时，由于反馈信息中包括AnI₁、S₁、AnI₂、S₂、SINR₁以及SINR₂，由这些信息无法判断加入用户B后系统信道增益的状况，因此用户B不能被调度。

3.结果是，系统只能调度一个用户：用户A，并且发送天线14A分配给用户A，信道增益是7。

对于本发明

从信道衰落系数可以得知，用户A的反馈信息是：

1.对于用户A的最好的发送天线为发送天线14A，即最好的发送天线组，记为AnI₁＝{1}；

2.该天线对12A-14A对用户A的信道容量为 $R_1=\left|h_1^1\right|=7;$

3.其他没有选中的发送天线14B、14C与接收天线12A形成的天线对的衰落因子分别为：Df_1，2＝1、Df_1，3＝3。

用户B的反馈信息是：

1.对于用户B的最好的发送天线是发送天线14B，即最好的发送天线组，记为AnI₂＝{2}；

2.该天线对12B-14B对用户B的信道容量为 $R_2=\left|h_2^2\right|=9;$

3.其他没有选中的发送天线14A、14C与接收天线12B形成的天线对的衰落因子分别为：Df_2，1＝6、Df_2，3＝4。

然后，发送端10根据以上反馈信息去调度用户：

1.首先，找出有最大信道容量的用户，这里可以找到用户B，其信道容量为9，确定最好发送天线为发送天线14B；

2.接着，根据找到的最好发送天线14B找另外的用户，该用户的最好天线必须是用户B的最差天线，即发送天线14C。此时，由于发送天线14C不是用户A的最好天线，因此，用户A不能被调度；

3.结果是，系统可以调度一个能提供最大信道容量的用户：用户B，并且发送天线14B分配给了用户B，总的信道增益是9。

从参考文献2和本发明调度方法比较可以得知，采用本发明的调度方法可以调度到一个信道增益大的用户B，然而，采用参考文献2中的调度方法能得到的信道容量仅为7。因而，采用本发明的调度方法可以提供最大的信道容量。

(第二调度例)

图12为本发明的MIMO通信系统的另一调度示意图。在图12中，左边部分表示了该MIMO通信系统的简化结构图，右边部分用户接收天线与对应发送天线之间的衰落系数的坐标图。为了方便描述，同样的部件采用同样的附图标记进行描述。

如图12所示，该调度系统包括一个发送端10和两个用户A、B，其中，发送端10上安装了3根发送天线14A、14B和14C，每个用户A、B分别有一根接收天线12A、12B。

当用户A、B的接收天线12A、12B分别接收到发送天线14A、14b和14c发送的信道估计信号时，通过MIMO接收信号处理器212计算出各天线对之间的衰落系数。其中，对于用户A的接收天线12A，其与发送天线14A、14B和14C形成的天线对的衰落系数分别为 $h_1^1=7,h_2^1=1,h_3^1=3,$ 对于用户B的接收天线12B，其与发送天线14A、14B和14C形成的天线对的衰落系数分别为和 $h_1^2=4,h_2^2=9,h_3^2=6.$ 其情况基本同图8一样，只是针对用户B交换了发送天线14A和14C的增益。

对于参考文献2

从衰落系数可以看出，如果采用参考文献2中的方法，则用户A的反馈信息是：

1.对于用户A的最好的发送天线是发送天线14A，即最好的发送天线组，记为AnI₁＝{1}；

2.对于用户A的最差的发送天线是发送天线14B，记为S₁＝{2}；

3.最好天线与最差天线的信号干扰比为：

${\mathrm{SINR}}_1=\frac{\left|h_1^1\right|}{h_2^1}=7$

同样可以看出，用户B的反馈信息是：

1.对于用户B的最好的发送天线是发送天线14B，记为AnI₂＝{2}；

2.对于用户B的最差的天线是发送天线14A，记为S₂＝{1}；

3.最好天线和最差天线的信号干扰比为：

${\mathrm{SINR}}_{20}=\frac{\left|h_2^2\right|}{h_1^2}=2.25$

然后，发送端10根据以上反馈信息去调度用户：

1.首先，找出有最大信号干扰比的用户，在这个情况下是用户A，信号干扰比为7；

2.接着，寻找另外的用户，该用户的最好天线必须是用户A的最差天线，即发送天线14B，此时，可以找到用户B。然后，看用户B的最差天线是不是用户A的最好天线。如果不是，由于用户B的最好天线的引入将对用户A产生较大的干扰，因此不可以被调度进来。如果是，则需要进一步看用户B的加入是否可以提高系统的信道容量。这里，用户B对系统的信道增益为2.25，也成为可以调度的用户。

3.结果是，系统可以调度两个用户：用户A和用户B，并且发送天线14A分配给用户A，发送天线14B分配给用户B，信道增益分别是7和2.25，总的信道增益为9.25。

对于本发明

从信道衰落系数可以得知，用户A的反馈信息是：

1.对于用户A的最好的发送天线为发送天线14A，即最好的发送天线组，记为AnI₁＝{1}；

2.该天线对12A-14A对用户A的信道容量为 $R_1=\left|h_1^1\right|=7;$

3.其他没有选中的发送天线14B、14C与接收天线12A形成的天线对的衰落因子分别为：Df_1，2＝1、Df_1，3＝3。

用户B的反馈信息是：

1.对于用户B的最好的发送天线是发送天线14B，即最好的发送天线组，记为AnI₂＝{2}；

2.该天线对12B-14B对用户B的信道容量为 $R_2=\left|h_2^2\right|=9;$

3.其他没有选中的发送天线14A、14C与接收天线12B形成的天线对的衰落因子分别为：Df_2，1＝4、Df_2，3＝6。

然后，发送端10根据以上反馈信息去调度用户：

1.首先，找出有最大信道容量的用户，这里可以找到用户B，其信道容量为9，其确定最好发送天线为发送天线14B；

2.接着，根据找到的最好发送天线14B找另外的用户，该用户的最好天线必须是用户B的最差天线，即发送天线14A。此时，由于发送天线14A是用户A的最好天线，因此，还需要进一步判断，如果调度用户A是否可以增加系统的信道容量，可以看出，在调度用户A的情况下，总的信道增益是9/4+7/1＝9.25＞9，因此，用户A可以被调度；

3.结果是，系统可以调度两个用户：即用户A和用户B，并且发送天线14A分配给用户A，发送天线14B分配给了用户B，总的信道增益是9.25。

从参考文献2和本发明调度方法比较可以得知，虽然在这个比较例中，采用本发明的调度方法和参考文献的调度方法都可以调度到一个最优的用户组合。然而，本发明是通过自适应方法找到这样一个组合，参考文献2必须要预先知道所要调度的用户数量是2才能得到这样的结果。如果在其他的假设条件下，调度2个用户可能不是最好的结果，这时，本发明的调度方法可以自适应去寻找最优的组合，而参考文献2中的调度方法则不能。

因此，本发明的调度方法优于参考文献2中的调度方法，其可以自适应地提供最大的信道容量。

为了更清楚地体现本发明的自适应调度系统及调度方法的优越性，请参阅图13，这里给出了实际的信道状况下三种不同调度方法的性能比较，横坐标表示用户的数量，纵坐标表示信道容量。其中，发送端10的发送天线数是4个，每个用户的接收天线数是1个，发送端10的总发射功率P＝1和P＝10。信道被假设为符合归一化的复高斯分布。

在图13中，随着用户数的增多，系统的信道容量(为相应条件下的统计平均值)也在增加，这是因为用户数多的时候，系统的多用户增益也相应地增大。同时，随着发送端10的总发射功率P的变大，系统的信道容量也在增加。通过比较这三种调度方法可以得知，本发明的自适应调度方法可以实现最大的系统信道容量。当然，在适当改变发送天线数、接收天线数以及发射功率的状况下，这三种调度方法中，本发明的调度方法仍然可以获得最大的系统信道容量。

图14为本发明MIMO通信系统在每一接收端具有多根接收天线时的性能示意图，横坐标表示用户的数量，纵坐标表示信道容量。其中，发送端10的发送天线数是4个，每个用户的接收天线数是2个，发送端10的总发射功率P＝1和P＝10。可以看出，随着用户数的增多，系统的信道容量也在增加，同时，随着发送端10的总发射功率P的变大，系统的信道容量也在增加。这进一步体现了本发明自适应调度的优越性。

以上的说明都是基于集中式多天线系统(Centralized Antenna System)，即，发送天线安装在位于蜂窝中心的发送端10上的多天线系统。然而，本发明的自适应调度方法同样可以应用到分布式多天线系统(Distributed AntennaSystem)中。

图15为本发明自适应调度分布式MIMO通信系统的示意图。如图15所示，为本发明的一个自适应调度的分布式多天线系统的示意图。其中，发送天线安装在类似小基站的无线接入单元(Radio Acess Unit，RAU)上。该无线接入单元RAU均匀地分布在整个蜂窝系统中，当然也可以根据实际情况设置其在整个蜂窝系统中的位置，以获得该情况下最好的系统信能。

在图15中，该分布式多天线系统包括多个无线接入单元RAU、一基站收发信台BTS、若干用户MS以及连接链路。每个无线接入单元RAU上安装有至少一根发送天线，用于收发射频信号，二者相当于图4中的双工器组130和位于其上的发送天线。其中，无线接入单元RAU包括至少一双工器，双工器的数量和与其连接的发送天线数量对应。该基站收发信台BTS相当于图4中的MIMO数据处理器110和MIMO调度器120。连接链路将多个无线接入单元RAU与基站收发信台BTS连接，用于二者之间的信号传输。该连接链路可以为有线链路，如高速光纤。此时，无线接入单元RAU需要有相应的电/光或者光/电信号转换功能。这里的用户与图6所示的接收端20相同。

这样，该分布式多天线系统可以类似于上述的集中式多天线系统操作，并且相对于集中式多天线系统，其可以减小系统的发射功率，增加系统的数据速率。

综上所述，本发明的MIMO通信系统及其调度方法具有以下优点：

1)由于接收端20所反馈的信息是：最好天线组、所选天线能提供的绝对信道容量、和其他没有选中的天线对已选中天线组的性能损失因子。这可以降低选天线时的算法复杂度，并且不需要预先知道要调度的用户数，同时，这个绝对信道容量不受最后调度到的用户数的影响；

2)对发送端10来说，能够调度到的用户数取决于当时的信道状况，而不需要预先的确定。

因此，该MIMO通信系统可以实现自适应的用户调度，从而提高系统控制的智能化以及通信稳定性，并始终保持最大的系统容量。

Claims (12)

1.一种自适应调度的MIMO通信系统，其包括：

发送端(10)，用于发送至少具有信道估计信号和用户数据的数据帧，和

至少一接收端(20)，用于接收发送端(10)发送的数据帧，产生相应的反馈信号并还原用户数据，

其特征在于，

该反馈信号包括对于接收端(20)最好的发送天线组、发送天线组中每根天线对接收端(20)提供的信道容量以及未选中的发送天线对最好的发送天线组中每一根发送天线的性能损失比，

发送端(10)根据该反馈信号产生调度信息，并利用该调度信息进行自适应的用户调度，该调度信息包括调度的用户、每个用户应该支持的数据流、以及发送调度用户数据所采用的发送天线。

2.如权利要求1所述的自适应调度的MIMO通信系统，其特征在于，

该发送端(10)包括：

一双工器组(130)和位于其上的发送天线，用于发送数据帧，并接收来自接收端(20)的反馈信号；

一MIMO调度器(120)，用于根据该反馈信号产生调度信息；

一MIMO数据处理器(110)，用于根据调度信息选择需要调度的用户，并将所选择用户的数据通过选中的发送天线发送，以及

该接收端(20)包括：

一双工器组(230)以及位于其上的接收天线，用于接收来自发送端(10)的数据帧，并发送用户反馈信息；

一接收信号处理器(210)，用于根据数据帧产生用户反馈数据和还原用户数据；

一反馈信息处理器(220)，用于将用户反馈信息转化成反馈信号。

3.如权利要求2所述的自适应调度的MIMO通信系统，其特征在于，

该MIMO调度器(120)包括：

一接收射频链路组(123)，用于将接收到的反馈信号转化为相应的码流；

一MIMO接收信号处理器(122)，用于将转化的码流进行分层空时信号处理，获得相应的调度信息；以及

一调度器(121)，用于根据该调度信息控制MIMO数据处理器(110)的信号处理。

4.如权利要求3所述的自适应调度的MIMO通信系统，其特征在于，

该MIMO数据处理器(110)包括：

一用户选择器(111)，用于根据调度信息，选择所要调度的用户；

多个并行排列的分流器(112)，用于对所调度的用户的用户数据进行分流处理，输出多个码流；

一MIMO发送信号处理器(113)，用于根据调度信息将分流器(112)输出的多个码流进行分层空时信号处理；

发送射频链路组(114)，用于将经过MIMO发送信号处理器(113)处理多个码流转化为对应的射频信号；以及

发送天线选择器(115)，用于根据调度信息选择发送天线。

5.如权利要求4所述的自适应调度的MIMO通信系统，其特征在于，该发送射频链路组(114)包括多个并行发送射频链路，分别将MIMO发送信号处理器(113)输出的多个码流调制为相应的射频信号，每一发送射频链路包括串行连接的一调制器(116)、一上变频器(117)以及一功率放大器(118)。

6.如权利要求5所述的自适应调度的MIMO通信系统，其特征在于，

该接收信号处理器(210)包括：

一接收射频链路组(211)，用于将接收到的射频信号进行解调和变频处理，获得相应的码流；

一MIMO接收信号处理器(212)，用于根据该码流产生相应的用户反馈信息，同时还原并输出用户数据；以及

该反馈信息处理器(220)包括：

一MIMO发送信号处理器(221)，用于将用户反馈信息转化成反馈信号；

一发送射频链路组(222)，用于将该反馈信号转化为相应的射频信号。

7.如权利要求5或6所述的自适应调度的MIMO通信系统，其特征在于，该功率放大器(118)为大功率线性功率放大器。

8.如权利要求7所述的自适应调度的MIMO通信系统，其特征在于，发送射频链路(114)的数量小于或者等于发送天线数量。

9.一种MIMO通信系统的自适应用户调度方法，其包括以下步骤：

(a)接收端根据发送天线与接收天线之间的信道衰减状况产生反馈信号，并将该反馈信号反馈给发送端；

(b)由发送端接收该反馈信号，根据该反馈信号产生调度信息，并利用该调度信息进行自适应的用户调度，

其中，该反馈信号包括对于接收端最好的发送天线组、发送天线组中每根天线对接收端提供的信道容量以及未选中的发送天线对最好的发送天线组中每一根发送天线的性能损失比，该调度信息包括调度的用户、每个用户应该支持的数据流、以及发送调度用户数据所采用的发送天线。

10.如权利要求9所述的自适应用户调度方法，其中，信道衰落状况是由接收端根据接收天线所接收的信道估计信号而获得的。

11.如权利要求9所述的自适应用户调度方法，其中，信道衰落状况是接收端在接收的数据帧的同时，根据接收天线所接收的数据帧而获得的。

12.如权利要求9至11任何一项所述的自适应用户调度方法，其中步骤(b)包括以下步骤：

1)设置用户调度列表和已分配天线列表为空；

2)比较反馈信息中的信道容量，选出一个最大信道容量值的用户加入到调度用户列表中，并把相应的发送天线加到已分配天线列表；

3)针对调度用户列表中的用户，找出相应的性能损失比最小的发送天线，然后找出对应该发送天线的最大信道容量的用户；

4)计算如果该用户给加入到系统后系统的总容量，如果变大的话就把该用户加入到调度用户列表，相应的天线加入分配天线列表，然后继续执行步骤3)，如果该用户加入到系统后系统容量变小，则调度到此结束；

5)根据最后的调度用户列表和分配天线列表，进行系统的用户调度。

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