CN1829113A - 一种信道自适应的多用户多输入多输出传输调度方法 - Google Patents

Abstract

多用户无线网络中，当信道为慢衰落时，应用多用户分集的分集增益较小。为解决该问题，本发明提出一种信道自适应的传输调度方法。通过在发射端引入发射随机化矩阵作预处理，使信道产生快变，提供了利用多用户分集的机会。本发明的传输调度方法包括以下步骤：发送导频序列到信道，接收端估计信道状态信息，并反馈到发送端；然后，判断信道状况，若信道为慢衰落，利用信道随机化矩阵对发送信号作预处理后，再利用比例公平调度算法进行多用户调度；若信道为快衰落，则直接利用比例公平调度算法进行多用户调度。该方案可以随信道不同而自适应地调整传输调度模式，在不同信道条件(包括快衰落和慢衰落)均能获得多用户分集增益。

Description

一种信道自适应的多用户多输入多输出传输调度方法

技术领域

本发明涉及多用户空分复用多输入多输出(MIMO)系统中信道自适应的传输调度方法。

背景技术

随着无线网络、多媒体技术和因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信系统。新一代无线系统中，从物理层、媒体接入控制层到网络层，将广泛采用一些新技术，如多天线输入和输出(MIMO)、正交频分复用(OFDM)、分组调度等。

MIMO系统是指在发送和接收端使用多元天线阵列，它能显著提高系统容量和无线传输链路质量(误比特率BER)。利用MIMO技术提高系统容量和传输质量的方式包括两类：空分复用(SM)和空间分集(SD)。空分复用的典型应用实例是由Foschini等提出的Bell实验室分层空时结构(BLAST)(参见参考文献[1])，它把整个数据流分解成若干个单独的子数据流从多副天线并行发送；在接收天线大于或等于发送天线数时，BLAST的信道容量与发送天线数成线性关系，这推广了香农定理。空间分集是利用发送、接收天线间的多径传播而提高系统鲁棒性；它包括接收分集(空间合并)和发送分集(TD)，TD的应用示例如空时编码(STC)(参见参考文献[2])，这包括Tarokh等提出的空时格码(STTC)和Alamouti等提出的空时分组码(STBC)等。在目前的基于码分多址(CDMA)的第三代移动通信技术标准中，利用MIMO开发了高速下行分组接入(HSDPA)技术，大大提高了系统传输速率。

作为面向新一代无线信息网络而提出的MIMO与OFDM相结合的MIMO OFDM传输技术也受到广泛关注。MIMO与OFDM相结合相结合的MIMO OFDM技术具有两者的优点，它既通过OFDM调制把频率选择性MIMO衰落信道分解成一组并行平坦衰落信道，又利用MIMO提高了系统容量，适用于传输高速率、高质量的多媒体业务。

在采用先进的无线传输技术提高系统的传输速率的同时，还必须保证系统中多用户接入时的服务质量。因此，需要针对无线网络带宽有限、信道的时变性和业务突发性等特点，提出有效的实时分组调度和资源分配算法。多用户无线网络中，同时有多个用户能接收到发射端的信号，因此，发射机为不同用户建立了不同传播信道，则可以把无线资源分配给信道条件最好的用户，这种利用各个用户不同的衰落信道特征称之为多用户分集(MuD)。MuD可以跟踪利用信道的小尺度时变特性，提高无线资源(时、频、码、空间等)的利用率。但当用户所处信道环境变化不明显时，如慢衰落信道，或大K因子的莱斯(Rician)信道，即存在视距(LOS)传播时，信道呈现缓慢变化特征，用户间信道增益的差异较小。这时，根据用户信道增益特性实现多用户分集较为困难。因此，为获得多用户分集增益，需要根据信道特征，提出新的传输调度方法。

参考文献列表：

[1]G.J.Foschini、M.J.Gans发表在Wireless PersonalCommunications，19986(3)第311～315页上的题为“On limits ofwireless communications in fading environment when usingmultiple antennas”的文章。

[2]V.Tarokh、N.Scshadri、A.R.Calderband发表在IEEE Trans.On IT，1998 44(2)第744～765页上的题为“Space-time codes for highdata rate wireless communication：Performance critierion andcode construction”的文章。

[3]P.Viswanath、D.N.Tse、R.Laroia于2002年6月发表在IEEE IT，48卷，第6号，第1277～1294页上的题为“Opportunisticbeamforming using dumb antennas”的文章。

发明内容

本发明的目的在于提供一种信道自适应的多用户MIMO传输调度方法。

考虑采用空分复用工作模式的MIMO系统下行链路(广播信道)。发送端(基站BS)安装N_t幅天线，在每个用户接收端(UE)安装N_r幅天线。针对MIMO CDMA(单载波)和MIMO OFDM(多载波)两类不同MIMO系统，均可采用如下的相同实施方案。

多用户接入的MIMO无线网络中，同时有多个用户能接收到基站发射信号，因此，发射机为不同用户建立了不同传播信道，则可以把无线资源分配给信道条件最好的用户，这种利用各个用户不同的信道衰落特征称之为多用户分集。应用多用户分集的一个典型示例是Qualcomm公司提出的CDMA HDR(高数据率)系统，它采用比例公平调度(PFS)算法，让不同业务速率的用户公平地接入共享信道。但当用户相对静止或低速移动时，信道变化较慢(慢衰落)。这时，应用多用户分集带来的分集增益很小。针对该问题，本发明提出一种信道自适应的传输调度方法，它随不同信道环境而自适应地调整传输调度方法。基站首先判断各用户信道的衰落状况，若信道为快衰落，则利用一般的PFS算法调度用户；若信道为慢衰落，则在发射天线端，通过信道随机化矩阵P对发射信号作变换后，引入信道变化以获得多用户分集增益，再利用一般的PFS算法调度用户。

当在发射端引入信道随机化矩阵P后，接收信号表示为Y＝HPX+n。式中X为发射信号向量，P为N_t×N_t的随机矩阵，H为信道矩阵，n为白高斯噪声向量，P_T为发射总功率。

合理的P应使单用户容量，即 $C=\underset{P}{\max }{\log }_2\det (I+\frac{P_T}{N_0{N}_t}{\mathrm{HPP}}^H{H}^H)$ 最大，同时满足功率约束条件： $\left|\right|P\left|\right|=\sqrt{N_t}.$

该问题的最优解为P＝VΓ^1/2。其中根据导频序列估计信道增益矩阵；对信道矩阵特征值分解(SVD)后得到V矩阵和特征值对角阵Λ；根据Λ和功率约束计算得Γ矩阵；再由V矩阵和Γ矩阵，计算得到发射随机矩阵P。

发射端引入的随机矩阵P有双重含义，若从信道的角度看，信道矩阵与随机矩阵P相乘后的复合信道(HP)使得信道增益呈现随机变化；若从发射信号的角度看，矩阵P与发射信号相乘(PX)相当于对发射信号预先进行功率分配。基站引入发射随机化矩阵P作预处理，可获得最大单用户容量，同时使信道的变化更快，提供了利用多用户分集提高系统容量的“机会”，故本方法是一种机会传输调度方法。

利用随机化矩阵作预处理引入信道变化后，可采用一般的PFS调度算法进行多用户调度。PFS算法中，若用户的数据分组以一种时分方式发送，调度器需确定在下一个时隙分配资源给某个用户。在每个调度时刻，调度器计算每个用户的瞬时信道容量(吞吐量)与平均信道容量(吞吐量)之比，然后把下一个时隙分配给最大比例的用户。

概括起来，本发明提出的传输调度方法的步骤如下，

1)在发射端，发送导频序列到信道；

2)接收端估计信道信息，并反馈到发送端；

3)判断信道衰落类型，若为快衰落，转第5)步，否则，转4)步；

4)在发送端对发送信号作预处理；

5)利用PFS算法进行多用户调度。

其中，对信道衰落类型，若仅从衰落幅度来判断，复杂度较高；为易于实现，可根据用户端的移动速度作估计，如低速移动时，可判为慢衰落等。

应用本方法，可以在快、慢衰落信道环境下均能获得多用户分集增益，提高单用户容量和系统容量。

附图说明

下面，将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中：

图1示出了应用本发明的多用户MIMO CDMA系统；

图2示出了应用本发明的多用户MIMO OFDM系统；

图3示出了根据本发明的自适应传输调度方法；

图4是示出了计算信道随机化矩阵的方法的流程图；

图5示出了PFS算法的流程图；以及

图6是根据本发明的传输调度方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。

考虑采用空分复用工作模式的MIMO系统下行链路(广播信道)。发送端(基站BS)安装N_t幅天线，在每个用户接收端(UE)安装N_r幅天线。分别针对MIMO CDMA(单载波)和MIMO OFDM(多载波)两类不同的多天线系统，讨论本发明的优选实施方案。

实施例1：MTMO CDMA系统

应用本发明的MIMO CDMA系统如图1所示。

在发送端，输入比特流经串/并变换101后复用到每幅发射天线支路端；对每根支路端的比特流，采用编码器102～102’对输入比特流进行信道编码以抗噪声；采用交织器103～103’对编码输出进行交织处理以降低比特流相关性；采用调制器104～104’将交织器输出的比特流调制为符号流；扩频模块105～105’利用伪随机码序列对交织器输出比特流进行扩频操作；插入导频模块106～106’完成在发送符号流中插入用于定时、信道估计的导频序列；矩阵P107把每幅天线发射信号作预处理；射频(RF)链108～108’把基带符号经载波调制后把信号通过天线109～109’发射到信道。

在接收端，RX模块112～112’、118～118’把从天线端111～111’、117～117’接收到的载波信号下变频为基带符号；同步模块119、113完成帧同步、跟踪；信道估计模块114、120利用发送的导频序列估计出各信道增益系数，并利用反馈信道把估计结果反馈到媒体接入控制层(MAC)的调度器110、矩阵P模块107；解扩模块115～115’、121～121’把扩频符号流解扩后输出到接收信号处理模块116、122，在该模块内解调、解交织、译码后恢复信息比特流。

以上为系统物理层各功能模块的描述，系统MAC层的调度器利用从反馈信道获得的用户信道状态信息对各个用户的无线资源进行分配与调度。

无线通信系统中，分集技术具有显著的抗多径衰落性能而得到广泛应用，它利用了从发射机到接收机之间的多条不同的、独立的传播路径。一般的分集技术包括频率、时间和空间分集。空分复用MIMO系统的主要优势是通过利用MIMO系统提供的空间分集信道而获得高的信道容量。同时，多用户接入的MIMO无线网络中，同时有多个用户能接收到基站发射信号，因此，发射机为不同用户建立了不同传播信道，则可以把无线资源分配给信道条件最好的用户，这种利用各个用户不同的信道衰落特征称之为多用户分集。MuD可以跟踪利用信道的小尺度时变特性，提高无线资源(时、频、码、空间等)的利用率。

应用多用户分集的一个典型示例是Qualcomm公司提出的CDMAHDR系统，它采用比例公平调度算法，让不同业务速率的用户公平地接入共享信道。其基本思想是各个用户按照各自速率之间的比例接入信道，即高速率用户占有更多的无线资源而低速率用户只占用较少的资源。在信道衰落变化较快(快衰落)时，多用户分集能有效提高系统容量。但当用户相对静止或低速移动时，信道变化较慢(慢衰落)，这时，应用多用户分集带来的分集增益很小。

针对慢衰落信道和多输入单输出(MISO)的波束形成智能天线系统，参考文献[3]提出了一种方案以获得多用户分集增益。其思想是，通过人为改变每个接收天线阵元端信道增益的功率和相移，引入信道的随机变化抖动，故提供了一种利用多用户分集的机会(opportunity)，称之为“机会波束形成”(opportunisticbeamforming)。

利用此概念，本发明提出应用于MIMO系统的信道自适应传输调度方法，它随不同信道环境而自适应调整传输调度方式，在不同信道条件(包括快衰落和慢衰落)均能获得多用户分集增益。

本发明所提出的方法如图3，基站首先判断各用户信道的衰落状况S301；若信道为快衰落，则利用一般的PFS算法调度用户S302；若信道为慢衰落，则在发射天线端，通过信道随机化矩阵P对发射信号作变换后，引入信道变化以获得多用户分集增益，再利用一般的PFS算法调度用户S303。下面分析其原理。

对于有N_t幅发射天线和N_r幅接收天线的一般MIMO系统，接收信号表示为

Y＝HX+n                                       (1)

式中 $Y={\left[\begin{array}{ccc}{y}_1& \·\·\·& y_{N_r}\end{array}\right]}^T$ 为接收信号向量， $X={\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& \·\·\·& x_{N_t}\end{array}\right]}^T$ 为发射信号向量， $n={\left[\begin{array}{ccc}{n}_1& \·\·\·& n_{N_r}\end{array}\right]}^T$ 为方差N₀的白高斯噪声向量，上标“T”表示转置，信道矩阵

H中元素h_ji为发射天线i到接收天线j的信道衰落系数。

当在发射端引入信道随机化矩阵P后，接收信号表示为

Y＝HPX+n                                       (2)

式中P为N_t×N_t的随机矩阵。同时，发送端满足功率约束

tr(PR_xxP^H)＝P_T                             (3)

P_T为发射总功率，R_xx＝E[x^Hx]为发射信号向量x的协方差阵，表示发射信息符号的功率，上标“H”表示共轭转置。

发射端引入的随机矩阵P有双重含义，若从信道的角度看，信道矩阵与随机矩阵P相乘后的复合信道(HP)使得信道增益呈现随机变化；若从发射信号的角度看，矩阵P与发射信号相乘(PX)相当于对发射信号预先进行功率分配。基站引入发射随机化矩阵可以使信道快变，进而获得MuD增益。问题是如何求得合理的P，下面对此进行解释。

设在未引入P之前，发射端给每幅天线均匀分配功率，即 $R_{\mathrm{xx}}=(P_T/N_t)I_{N_t},$ I_Nt为单位矩阵。根据式(3)可求得 $\left|\right|P\left|\right|=\sqrt{N_t},$ 又最优P应使单用户容量 $C=\underset{P}{\max }{\log }_2\det (I+\frac{P_T}{N_0{N}_t}{\mathrm{HPP}}^H{H}^H)$ 最大，同时满足功率约束条件：

$\left|\right|P\left|\right|=\sqrt{N_t}---\left(4\right)$

可得最优解为

P＝VΓ^1/2                                     (5)

其中，V由对信道矩阵特征值分解(SVD)后得到，即H＝UΛV^H。Γ＝diag[γ₁…γ_K]是对角阵，其中每个元素 ${\mathrm{\γ}}_k={(\mathrm{\μ}-{\mathrm{\λ}}_k^{-1})}^{+},$ μ满足功率约束 $\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\μ}-{\mathrm{\λ}}_k^{-1})}^{+}=P_T,$ (x)+定义为max{x，0}，且Λ＝diag[λ₁…λ_K]。

图4是示出了计算信道随机化矩阵的方法的流程图。

具体地，通过以下步骤得到P：根据导频序列估计信道增益矩阵(S401)；对信道矩阵特征值分解(SVD)后得到V矩阵和特征值对角阵Λ(S402)；根据Λ和功率约束计算得Γ矩阵(S403)；由V矩阵和Γ矩阵，计算得到发射随机矩阵P(S404)。

利用矩阵P在发送端作预处理，可获得最大单用户容量，同时使信道的变化更快，提供了利用多用户分集提高系统容量的“机会”，故本方法是一种机会传输调度方法。

利用随机化矩阵作预处理引入信道变化后，可采用一般的PFS调度算法进行多用户调度。一般的PFS调度算法中，用户的数据分组通常以一种时分方式发送，调度器需确定在下一个时隙分配资源给某个用户。在每个调度时刻，调度器计算每个用户的瞬时信道容量(吞吐量)与平均信道容量(吞吐量)之比，然后把下一个时隙分配给最大比例的用户。

PFS算法如图5，流程如下：

在步骤S501，初始化，设 C_u(t)是用户u在第t时隙以前的平均吞吐量；DRC_u(t)是用户u在第t时隙请求发送的吞吐量；C(u)是用户u的当前吞吐量；对所有没有选择发送数据的用户，C(u)＝0。

在步骤S502，计算每个用户的比例/优先级DRC_u(t)/ C_u(t)

在步骤S503，选择最大比例的用户作为目标用户，并分配当前时隙给它，即 $\hat{u}=\underset{u\∈\left\{\begin{array}{ccc}1,& \·\·\·,& U\end{array}\right\}}{\arg \max }{\mathrm{DRC}}_u\left(t\right)/{\stackrel{\‾}{C}}_u\left(t\right)$

在步骤S504，更新平均吞吐量 C_u(t)：

若 $\begin{array}{cc}u=\hat{u},& {\stackrel{\‾}{C}}_u(t+1)=(1-\frac{1}{t_c}){\stackrel{\‾}{C}}_u\left(t\right)+\frac{1}{t_c}{C}_u\left(t\right);\end{array}$

若 $\begin{array}{cc}u\≠\hat{u},& {\stackrel{\‾}{C}}_u(t+1)=(1-\frac{1}{t_c}){\stackrel{\‾}{C}}_u\left(t\right).\end{array}$

当MIMO系统采用空分复用工作方式时，在发送、接收天线端建了多个空间子信道，故同一时刻有多个信息流从多根天线并行发送，从而系统获得的数据流为各个子信道数据流之和。故第u个用户在第t个时隙的总吞吐量为： $C_u\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N_t}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{u,n}\left(t\right),$ 其中C_u，n(t)为第u个用户在第t个时隙的第n个空间子信道的吞吐量。

图6是根据本发明的传输调度方法的流程图。对其具体描述如下：

在步骤S601，在发射端，发送导频序列到信道；

在步骤S602，接收端估计信道信息，并反馈到发送端；

在步骤S603，判断信道衰落类型，若为快衰落，转S605，否则，转S604；

在步骤S604，在发送端对发送信号作预处理(具体见图4和图1、2中的虚线部分)(4)；

在步骤S605，利用PFS算法进行多用户调度(具体见图5)。

其中，对信道衰落类型，若仅从衰落幅度来判断，复杂度较高；为易于实现，可根据用户端的移动速度作估计，如低速移动时，可判为慢衰落等。

实施例2：MIMO OFDM系统

应用本发明的MIMO OFDM系统如图2所示。

在发送端，输入比特流经串/并变换201后复用到每幅发射天线端；对于每个天线支路端的比特流，采用编码器202～202’对输入比特流进行信道编码以抗噪声；采用交织器203～203’对编码输出进行交织处理以降低比特流相关性；采用调制器204～204’将交织器输出的比特流调制为符号流；插入导频模块205～205’完成在发送符号流中插入用于定时、信道估计的导频序列；采用IDFT处理器206～206’对调制符号流作N_c点逆离散傅氏变换(IDFT)；CP模块207～207’对IDFT处理后的符号流加入循环前缀(CP)；矩阵P 208把每幅天线发射信号作预处理；射频(RF)链209～209’把基带符号经载波调制后通过天线210～210’把信号发射到信道。

在接收端，RX模块213～213’、220～220’把从天线212～212’、219～219’接收到的载波信号下变频为基带符号；同步模块214、221完成帧同步、跟踪；移除CP模块215～215’、222～222’把OFDM符号的循环前缀删除；DFT模块216～216’、223～223’进行N_c点离散傅氏变换(DFT)；信道估计模块218、225利用发送的导频序列估计出各信道增益系数，并利用反馈信道把估计结果反馈到媒体接入控制层(MAC)的调度器211和矩阵P模块208；接收信号处理模块进行解调、解交织、译码217、225后输出信息比特流，以上为系统物理层各功能模块的描述。

系统MAC层的调度器211利用从反馈信道获得的用户信道状态信息对各个用户的无线资源进行分配与调度。

与实施例1相比，实施例2在系统装置的结构上有所不同。但可采用相同的传输调度方法，即通过判断信道衰落类型，确定是否在发送端对发送信号作预随机化处理(图2中虚线部分)，再利用PFS算法进行多用户调度。其具体步骤见实施例1中，不再赘述。

尽管已经针对典型实施例示出和描述了本发明，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明不应该被理解为被局限于上述特定实例，而应当由所附权利要求所限定。

Claims (8)

1、一种用在多用户多输入多输出系统中的信道自适应传输调度方法，包括步骤：

发送导频序列；

接收端估计信道状态信息，并反馈到发送端；

判断信道状况，判断信道是慢衰落还是快衰落；

如果信道为慢衰落，利用信道随机化矩阵对发送信号作预处理后，再利用比例公平调度算法进行多用户调度；以及

如果信道为快衰落，则直接利用比例公平调度算法进行多用户调度。

2、根据权利要求1所述的信道自适应传输调度方法，其特征在于所述判断步骤根据接收端的移动速度，判断所述信道为慢衰落还是快衰落，如果所述接收端的移动速度小于预定阈值，则确定所述信道为慢衰落，否则确定所述信道为快衰落。

3、根据权利要求1或2所述的信道自适应传输调度方法，其特征在于接收端根据发送过来的导频序列，估计出信道增益矩阵系数，并将其作为信道状态信息反馈到发送端。

4、根据权利要求1到3中的任何一项所述的信道自适应传输调度方法，其特征在于通过以下步骤计算所述信道随机化矩阵：

根据导频序列估计信道增益矩阵；

对信道增益矩阵进行特征值分解，即SVD分解，得到V矩阵和特征值对角阵A＝diag[λ₁…λ_K]；

根据特征值对角阵A和功率约束计算出Г矩阵，所述Г矩阵满足以下条件：

Г＝diag[γ₁…γ_K]是对角阵，其中每个元素 ${\mathrm{\γ}}_k={(\mathrm{\μ}-{\mathrm{\λ}}_k^{-1})}^{+},$ μ满足功率约束 $\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\μ}-{\mathrm{\λ}}_k^{-1})}^{+}=P_T,$ 将(x)⁺定义为max{x，0}，P_T为发射总功率；以及

由V矩阵和Г矩阵，计算出所述信道随机化矩阵＝VГ^1/2

5、根据权利要求1到4中的任何一项所述的信道自适应传输调度方法，其特征在于所述多输入多输出系统采用空分复用的工作模式。

6、根据权利要求1到5中的任何一项所述的信道自适应传输调度方法，其特征在于将所述方法应用在多用户多输入多输出码分多址系统中。

7、根据权利要求1到5中的任何一项所述的信道自适应传输调度方法，其特征在于将所述方法应用在多用户多输入多输出正交频分复用系统中。

8、根据权利要求1到5中的任何一项所述的信道自适应传输调度方法，其特征在于将所述方法同时应用在多用户多输入多输出码分多址系统和多用户多输入多输出正交频分复用系统中。

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