一種基于波束到達角的多用戶調度方案的製作方法

2023-05-26 12:00:01 1

專利名稱：一種基于波束到達角的多用戶調度方案的製作方法
技術領域：
本發明屬於多用戶MIMO的用戶調度算法領域，具體涉及一種多天線系統中的多 用戶調度算法。
背景技術：
在移動通信系統中，多用戶MIMO復用傳輸方式是充分利用空間自由度，提高系統 容量的關鍵技術。理論和實踐證明，系統不同用戶之間可以配對形成空分復用，發揮基站側 多天線的優點，同時為多個用戶傳輸數據。在多用戶MIMO的下行系統中，主要研究的有兩個方面。首先是多用戶預編碼。多用戶預編碼的作用是儘可能增大接收端信噪比，保證在 接收端能夠恢復出不同用戶的原始信息。主要的算法有迫零(ZF)、塊對角化(BD)、最大化 信幹噪比(SINR)，最大化信號洩露噪聲比(SLNR)等。通過這種發射端的預處理，用戶在接 收端根據各自的信道和預編碼矩陣，能夠較容易地解出屬於自己的數據流。多用戶預編碼 是在用戶信道已經給定的情況下，儘可能改善傳輸性能的技術。從系統級的觀點看來，是一 種較為被動的技術，預編碼所能獲得的性能增益在很大程度上取決於系統中用戶無線信道 的相關性。如果用戶信道本身是高相關的，那麼它們所組成虛擬MIMO自由度較低，即使運 用多用戶預編碼，也只能略微改善傳輸性能，不能解決由於信道本身帶來的不利影響。用戶調度作為多用戶MIMO下行系統的另一個主要研究方向，其目的就是在系統 使用預編碼之前，為系統挑選出信道相互近似正交的多用戶進行調度傳輸。相比於預編碼 來說，用戶調度是較為上層的技術。通常情況下，一個小區內的用戶數量K遠遠大於基站的 天線數量M。眾多的用戶為系統提供了多用戶分集，主要表現在兩個方面更豐富的信道方 向和更大的信道增益。用戶調度就是要解決如何從K個用戶中尋找一個用戶集合從而可以 獲得更大的空分復用增益。多用戶分集增益相對於預編碼增益來說相當可觀，因為它可以在很大程度上改善 用戶之間信道的空間相關性。然而用戶調度技術也存在自己的問題，首先是公平性的問題， 如果用戶信道變化緩慢，那麼在很長一段時間內，調度算法會選擇同樣的用戶集，導致這段 時間內，信道條件較差的用戶得不到服務的機會。其次是計算量的問題，從K個用戶中選 擇M個用戶，需要遍歷種組合，然後基於某種準則，選出最優的用戶組合，運算複雜度較 高。其中公平性問題可以通過加入調度因子，調節用戶之間的權值大小，來實現統計意義上 的功能公平，最典型的例子就是比例公平算法(PFS)。而運算複雜度高的問題始終是一個 局限，雖然提出了很多降低運算複雜度的算法，但都很難協調好複雜度和性能之間的關係。 因此，如何在性能損失不大的情況下，有效地降低運算複雜度，成為用戶調度技術研究的重 點ο用戶調度的核心思想可以表述為選擇相關性較小的用戶集形成空分復用，為其 傳輸數據。然而，現有的用戶調度算法大都是基於瞬時信道狀態信息，它們需要系統準確估 計出各個用戶的瞬時信道狀態信息。在頻分復用系統中，基站還需要分配一定的頻譜用於所有用戶的信道狀態信息反饋。這不僅增加了用戶調度性能對瞬時信道狀態信息的依賴， 而且還消耗了系統大量的反饋鏈路，降低系統的頻譜利用率。 發明目的本發明的目的在於提供一種運算量較小且實用性強的基于波束到達角 的多用戶調度方案，保證能夠用較低的運算量得到相關性較小的用戶集合，解決了傳統遍 歷算法複雜度高的缺點；同時克服用戶調度過於依賴瞬時信道的缺點，使得該算法在實際 系統中更易實現。技術方案本發明調度算法設計依據LTE(Long-Term Evaluation)提案中的SCM 信道模型；本發明所述的基于波束到達角的多用戶調度方案，適用於信道具有明顯的方向 性的無線通信系統。由於遠場電磁波對於基站的不同天線存在波程差，因此會導致不同天 線上的接收信號存在相位差，結合基站側的天線陣列擺放形式，就能估計出遠場電磁波的 到達角。對於兩個電磁波而言，到達角的隔離度越大，則它們經過的空間散射路徑也越獨 立，把對應的用戶組合形成虛擬ΜΙΜ0，由於這些調度用戶的無線信道相關性較小，因此在統 計意義上可以獲得比相關信道更大的系統信道容量。基於這一原理，可以將系統中的用戶 根據到達角劃分為M個子集(M為調度用戶數)，同一子集內的用戶到達角相近因此他們的 信道之間具有較強的相關性，而不同子集之間的用戶到達角隔離度較大。此時，如果從每 個用戶子集中挑選一個用戶來組成多用戶ΜΙΜ0，即可首先保證用戶信道的相關性較低。在 此基礎上，每個子集內的用戶選擇基於最大化信道Frobenius範數準則，能夠進一步增加 MIMO信道的容量，提高系統性能。基于波束到達角的用戶調度的可以表述為按照如下順序執行的步驟 (1)系統初始化，並檢測到活躍用戶數為K，任意選擇M個用戶，形成空分復用，為 其服務；(2)判斷當前時刻是否進行用戶調度，若K M時，跳轉到步驟(3)；(3)對於系統中的每個用戶k，估計波束的到達角；在多徑時延信道情況下，只 需要估計最強主徑的到達角；(4)將用戶集合S按照到達角的不同，劃分為M個子集S1, S2，... SM。其中M為 待調度的用戶數；(5)對於每個子集Sm，計算該子集內的所有用戶信道的Frobenius範數| |H(k) | | ；(6)在每個子集中選擇具有最大Frobenius範數的用戶，該選出用戶組即為最終 的調度用戶集合，系統將為其傳輸數據；(7)下一個傳輸時刻到來，跳轉到步驟(2)。本發明基於到達角的用戶調度，擺脫了傳統的用戶調度思想，用一個相對長時不 變的信道統計信息，即無線信道最強徑的波束到達角度來區分用戶的相關性，是一種較為 新穎的用戶調度算法。本發明與現有技術相比，其有益效果為(1)本發明解決了傳統用戶調度計算量 大且完全依賴於用戶的瞬時信道狀態信息的缺陷，提出基於緩變的主徑信道波束到達角的 調度方法，能夠很好的區分用戶的相關性且提高信道容量，針對無線信道瞬時信道狀態變化快的特點，減小系統對瞬時信道狀態變化的跟蹤速度，在實際系統設計中易於實現；(2) 本發明相對於傳統的用戶調度算法，明顯減少複雜度，更加適合運用於實際系統中；如果總 用戶數為K，調度用戶數為M，則此算法將複雜度從原來的C/降低到2K，同時保證了性能不 會有太大的損失，是一種低運算量的次優算法；同時，由於到達角的變化緩慢，系統中的到 達角信息可以維持相對較長的時間，實際運用中的運算量還可能進一步減少；(3)本發明 由於到達角信息變化緩慢，可以存儲在基站側，進一步減小反饋信息量和調度運算量；(4) 本發明調度方案設計完全基於實際的無線信道環境，更能模擬真實情況；(5)本發明方法 性能相比於遍歷算法下降不大，性能和複雜度的折中，是一種可行性較高的算法


圖1是空間信道一條可分辨徑的模型，該徑由多條子徑疊加而成，每條子徑具有 相近的到達角，即在該可分辨徑的到達角θ碰附近波動。圖2是基于波束到達角的用戶調度算法流程圖。其中，角度譜估計可選用經典的 MUSIC算法，進行全域譜峰搜索；用戶子集劃分可以基於角度區間劃分，也可按照每子集相 同用戶數原則來劃分；MUSIC 多重信道分類的譜估計算法。圖3是兩個用戶組成虛擬MIMO的信道容量曲線。基站側配置4天線，移動臺配置 2天線，形成4*4的虛擬ΜΙΜΟ。兩個用戶的到達角相差分別是Δ ΘΒ0Α = 5°和Δ θ DQA = 90°，可以看出，在這種信道建模方式下，到達角的隔離度越大，則用戶之間的相關性越小， 相應的信道容量就越大，Δ θ ΜΑ為兩個波束到達角的角度差。圖4是三種調度方式的誤幀率性能比較(K = 10，M = 2)。隨機用戶調度沒有利 用任何信道信息，因此不能獲得多用戶增益，僅僅作為參考曲線。可以看到，基於容量的遍 歷調度算法和基於到達角的調度算法相比於隨機用戶調度，性能都有較大提高。然而基於 容量的用戶調度算法需要遍歷所有組合，雖然性能最優，但是相應的複雜度也最高。相比之 下，基于波束到達角的用戶調度算法，可以將複雜度從C/降低到2Κ，節省了資源並且更利於 實現。而且可以想像，當K和M增大時，運算量的減少更為可觀。圖5是10個用戶的歸一化公平性柱狀圖。可以看到基于波束到達角的用戶調度算 法具有一定的公平性。這是由於信道的Frobenius範數變化相對于波束到達角變化來說， 還是較快的，而在每個子集中挑選最優用戶時，正是基於最大化Frobenius範數準則，因此 該算法能保證一定的公平性。
具體實施例方式下面結對最佳實施例進行詳細說明，但是本發明的保護範圍不局限於所述實施 例。實施例基于波束到達角的多用戶調度方法，在傳輸數據之前，首先判斷當前時刻 時候進行用戶調度。如果不是，則正常傳輸數據，如果是，則首先執行用戶調度。假設系統 中總用戶數為K，調度用戶數為Μ。則具體的用戶調度算法是，首先根據基站天線陣列擺放 形式，估計出K個信道的來波方向的角度譜，找到譜線峰值，對應的角度即認為是信號的波 束到達角；然後將用戶按照到達角隔離度劃分為M個集合；最後從每個集合中挑選出信道 Frobenius範數最大的用戶，將其組合配對形成空分復用。
其具體步驟如下(1)系統初始化，任意選擇M個用戶，形成虛擬MIMO ；(2)判斷當前時刻是否進行用戶調度，若不是，則系統為當前的M個用戶傳輸數 據，若是，則進入用戶調度模塊，即步驟(3) (7)；(3)根據基站則天線陣列擺放位置，得到角度向量；
權利要求
一種基于波束到達角的多用戶調度方案，其特徵在於包括如下步驟(1)系統初始化，並檢測到活躍用戶數為K，任意選擇M個用戶，形成空分復用，為其服務；(2)判斷當前時刻是否進行用戶調度，若K≤M，則系統為當前的K個用戶傳輸數據，否則當K＞M時，跳轉到步驟(3)；(3)對於系統中的每個用戶k，估計該用戶的波束到達角在多徑時延信道情況下，只需要估計最強主徑的到達角；為第k個用戶的波束到達角；(4)將用戶集合S按照到達角的不同，劃分為M個子集S1，S2，...SM，其中M為待調度的用戶數；S為所有用戶的集合；Sm為按照到達角劃分的第m個用戶子集；(5)對於每個子集Sm，計算該子集內的所有用戶信道的Frobenius範數||H(k)||；||H(k)||為第k個用戶信道的Frobenius範數；(6)在每個子集中選擇具有最大Frobenius範數的用戶，該選出用戶組即為最終的調度用戶集合，系統將為其傳輸數據；(7)下一個傳輸時刻到來，跳轉到步驟(2)。FSA00000287491900011.tif,FSA00000287491900012.tif,FSA00000287491900013.tif
全文摘要
本發明公開一種基于波束到達角的多用戶調度方法，主要包括下面三個步驟1)波束到達角估計；2)基于波束到達角的用戶子集劃分；3)選擇每個子集內的最優用戶。如果總用戶數為K，調度用戶數為M，則此算法將複雜度從原來的降低到2K，同時保證了性能不會有太大的損失，是一種低運算量的次優算法。相比於現有的用戶調度算法，基于波束到達角的多用戶調度方案根據信道的長時統計信息進行用戶調度，計算複雜度低，對用戶瞬時信道狀態信息的依賴性小，不但針對無線信道的時變特性具有更強的魯棒性，而且能明顯減小系統所需要的反饋信息量。另外，本發明方案所調度的用戶信道從統計意義上具有良好的正交性，有效地提高了系統的可達信道容量。
文檔編號H04B7/08GK101969328SQ201010295100
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月26日 優先權日2010年9月26日
發明者洪贇, 許威, 趙春明 申請人:東南大學