多用戶接入系統mimo-ofdm資源分配方法

2023-07-17 02:23:41

專利名稱：多用戶接入系統mimo-ofdm資源分配方法
技術領域：
本發明涉及在服務基站及接收移動臺均具有多單元天線的多用戶無線 通信系統中的資源分配，特別涉及在具有正交頻分復用(OFDM)信令的多 入多出(MIMO)系統，即MIMO-OFDM系統中， 一種在頻域、時域和空 域中分配資源的方法，該方法可降低聯合多用戶優化的複雜度。
背景技術：
在無線MIMO通訊系統中，為提高系統性能，多優先採用多單元天線 系統。當基站和移動臺採用多單元天線時，就可以進一步利用空域來為系統 中不同用戶進行傳輸調度。眾所周知，在多用戶MIMO系統中，對每個用戶存在以相互正交空間 特徵向量(SSV)為特徵的平行信道，經過空間特徵向量預編碼的數據可以 在沒有同信道幹擾(CCI)的情況下同時傳輸。如果不同用戶的空間特徵向 量是相互正交的，同時傳輸的用戶的數據在空域中可以多路復用。為提高 MIMO系統的鏈路性能，需要利用MIMO信道的知識以及在發射機執行預 編碼。 一種常見的預編碼方法是從MIMO信道矩陣的奇異值分解(SVD)中 獲取預編碼向量。每個來自MIMO信道矩陣的奇異向量，也叫做空間特徵 向量，對應於一個空間數據流。這個方法，加上分配數據流發射功率的注水 算法，就可以使單個用戶達到點對點高斯信道的信道容量。OFDM系統允許在時頻域上對用戶進行數據調度。通過在基站和移動臺 上使用多單元天線，在空域中也可以對用戶進行調度。當在空域上重利用 OFDM時頻資源時，意味著傳輸多個數據流。由於空間數據流之間的非正交 性，對於特定OFDM時頻資源上的不同空間流上傳輸的數據一般會相互幹擾，即同信道幹擾(CCI)。特別是，如果在MIMO-OFDM系統中，在某一時頻資源的不同空間數據流上對多個用戶同時進行傳輸時，這些不同用戶也 將遭受多個數據流之間的同信道幹擾(CCI)。因此，與OFDM中在不同用戶間提供正交信道的時頻網格相反，在空 域中進一步劃分可用信道產生一組一般來說不相互正交的信道。那麼，比如 說，如果OFDM系統中的一個時頻資源同時一皮分配給兩個用戶，由於同信 道幹擾，兩個用戶的傳輸就會相互幹擾。圖1所示為MIMO - OFDM系統的發射和接收結構。在多用戶 MIMO-OFDM系統中，調度器的任務是在小區覆蓋範圍內對服務用戶分配 OFDM時頻資源，以及空間資源。這是一個繁重的任務。問題在於由於空 域的非正交性產生的同信道幹擾使得不同用戶的信號幹擾比和調度結果緊 密關聯，因此功率、空域、時域和頻域中最優資源分配問題需要考慮小區覆 蓋範圍內的所有用戶。如果假設MIMO信道在空域上也是正交的，由於調 度器可把空域、時域和頻域都看作是將要分配給用戶的正交資源，調度器的 任務將會極大地簡化。空域的非正交性使優化問題變得非常複雜。在第一現有技術中，在3GPP TSGRANWG1 Rl- 050889 "MIMO for Long Term Evolution"("長期演進 項目中的MIMO")中的解決方案，其中涉及到一種資源分配的方法。基於 正交(unitary)矩陣預編碼，可以對不同用戶的數據流在空域和時域上進行 多路復用。正交預編碼矩陣的集合預先定義。上述現有技術的主要步驟包括1. 每個用戶都反饋一個優選正交預編碼矩陣，其中列向量是正交空間 特徵向量。另外，矩陣中所有預編碼向量的信道質量信息(CQI)也被反饋 回基站；2. 基站將聲明同一優選正交預編碼矩陣的用戶分成一組；3. 基站根據一定調度規則選出一組。4. 基站根據一定調度規則對所選組內的用戶分配正交的相應預編碼向量；5.基站用所分配的預編碼向量對不同用戶的數據流進行預編碼，並在 同 一 個時頻資源上將預編碼的數據流發送出去。該現有技術方案的缺陷包括1) 用戶常被要求反饋所有可用的空間特徵向量以及相應的CQI。實際 上，通常只有很少幾個或一個空間特徵向量以及很少幾個或一個CQI是基 站需要的。2) 在這個方案中，由於首先把用戶按相同的預編碼矩陣編成組，這就 意味著只有選擇了同樣預編碼矩陣的用戶才可能在空域裡進行多路復用。雖 然這個方法可以保證進行多路復用的用戶妁空間特徵向量是嚴格正交的，從 而得到較低的CCI,但實際上，這對能夠進行多路復用的用戶構成了限制。 由於在一些環境下，特別是當小區覆蓋區域的用戶數量較小時， 一個以上的 用戶優選同一預編碼矩陣、從而滿足空域多路復用條件的概率可能很小，這 就帶來嚴重的局限性。特徵向量的用戶，仍可以以較低的CCI在空域上多路復用，但在現有技術方 案中這種空域多用戶多路復用的機會就失去了 。4)該現有技術假設所選擇的預編碼向量都是正交的。但是，正如下面 所證明的，這個假設不能保證接收到的信號沒有CCI。假設兩個用戶其MIMO矩陣分別為^和A。發送給用戶1的數據x,的 預編碼向量為w,發送給用戶2的數據^的用預編碼向量為w2。用戶l和2 的接收信號可以表示為formula see original document page 7其中 和"2為這兩個用戶各自的噪音向量。用戶1的CCI是z/，a。在 現有技術中，假設預編碼向量是正交的，所以^>2=0成立。為了完全消除用 戶1的CCI,就需要w,是A的奇異向量，而為了完全消除用戶2的CCI,就需要v^是巧的奇異向量。同時^>2=0應該成立。因此，完全消除兩個用戶之間的CCI的可能性是非常小的，因為這要求兩個用戶MIMO信道^和仏的奇異向量之間存在非常特殊的關係。所以，現有技術的問題在於其前提條件是預編碼向量必須正交，即但這個條件在實際上意義不大，因為在所有實際的MIMO信道 中CCI都不會是0。為了增加多路復用用戶的機會，以提高多用戶分集增益，特別是當小區 ^隻蓋區域內MIMO用戶悽t量較少時，就允許空域多^各復用用戶間的CCI大 於0。也就是說，如果允許空域多路復用用戶間的CCI大於0，則多^各復用 用戶的機會增加，且可從空域中獲得更高的用戶分集增益。所以，從空域中 獲得更高的分集增益和低CCI之間存在矛盾，而該方案無法解決或折衷CCI 和多用戶分集增益之間的矛盾。在第二現有技術中，題為 "An Efficient Resource-Allocation Scheme for Spatial Multi-user Access in MIMO/OFDM Systems" (IEEE Transactions, on Communications" Vol.53， No.l， 1, 2005 )(《MIMO/OFDM系統中空域多用 戶接入的一種高效資源分配方案》，IEEE通訊學報，第53巻第l號，2005 年l月)的論文公開了一種在頻域、時域以及空域中利用無線資源的方法。 其中，根據用戶的相關度來為用戶分組，這裡相關度分別依賴於每個用戶空 間特徵向量中最大的SSV。如果任意兩個來自不同組的用戶之間的相關值足 夠小，例如用戶在空域正交，調度器有可能為不同的用戶分配相同的頻率和 時間無線資源。但是，這個資源分配方案適合上行鏈路，且只考慮了每個用戶的最大增 益空間模式。並且，在實際的無線通信環境中，不是任何時候都可以滿足這 個分組條件。此外所需要的反饋信令量也很大。發明內容本發明提出了一個在頻域、時域以及空域中分配資源的方法，以降低聯合多用戶優化的計算複雜度。為了達到這個目標，提出了一種用於多用戶接入系統多入多出MIMO -正交頻分復用OFDM的資源分配方法，包括A) 對於OFDM的每一個子載波或每一子載波組，按照特徵向量的相關 度對一 時間段內的用戶的特徵向量分組；B) 從分組結果中，根據調度規則選出多個特徵向量； 為用戶分配子載波或子載波組頻率和時間資源，其中與所述用戶對應的所選出的特徵向量同時具有低相關度；以及為與所選出的特徵向量對應的所述用戶分配空間資源。 與第一現有技術中把具有相同SSV的用戶分到同一組不同，每個用戶 的SSV都獨立地和其他用戶的SSV成組。這就是說，本發明和第一現有技 術不同，多路復用的用戶不需要具有相同優選的預編碼矩陣，並且由SSV 相關度的一個參數來控制分組，該參數決定CCI。如果選擇不同的參數，就 可以得到CCI和空域中多路復用機會之間不同的折衷結果。通過優化這個參 數，可以提高系統的吞吐量和服務質量(QoS)。與第二現有技術中按用戶 分組相反，在本發明中可以很容易地直接以用戶的SSV來保證空域中的正 交。所以，通過把空間同信道幹擾最小化到可接受的水平，聯合多用戶優化 的複雜度就大為降低了。與第一現有技術和第二現有技術不同，本發明中，每個用戶反饋的SSV 數目是自適應性，且對每個用戶而言是獨特的，因為反饋的SSV取決於該 用戶的信道情況，如信道級別。總而言之，本發明的效果可以描述為本發明通過以下方法改進了現有技術。首先，消除了現有技術中預編碼 矩陣設計準則，即預編碼向量正交，從而實現預編碼向量和信道奇異向量之 間更好匹配。其次，在空域，對用戶各自選擇出(即不是組選出的)的優選預編碼向 量執行分組，而不是現有技術中對用戶執行分組。第三，通過允許依據用戶信道條件反饋不同數量的預編碼向量，增加了 靈活性。第四，提出了 一個反饋方法，使得分組可以在實時操作之前的離線完成。上述本發明公開的這些改進方法可以作為MIMO/OFDM系統中的時間-頻率-空間資源分配調度器。


圖1所示為現有技術中MIMO-OFDM系統的發射和接收結構； 圖2所示為本發明實施例無線資源分配方法的流程圖；圖4所示為本發明實施例根據組間不相關規則進行分組的步驟。
具體實施方式
下面將參照附圖詳細說明本發明。本發明實施例之一是從基站到用戶的 下行鏈;洛的資源分配。基站接收來自多用戶的每個OFDM時頻資源的SSV和SSG。在基站中， 將這些SSV分成幾組，其中每組內的SSV空間相關度較高，而不同組間的 SSV空間相關度較低，或者每組內的SSV空間相關度較低而不同組間的SSV 空間相關度較高。通過指定某 一 空間相關度門限參數來定義分組。基於第一個分組規則，其中組內SSV相關度較高而不同組間的SSV相 關度較低，基站根據某一調度規則從每個組中選出一個SSV以及相應的用 戶。利用相應的ssv對所選用戶的數據流進行預編碼並發送出去。基於第二個分組規則，其中組內ssv相關度較低而不同組間ssv相關度較高，基 站根據某一個調度準則選擇一個組。利用這個組內的ssv對數據流進行預 編碼然後發送出去。為了減少反饋負荷，每個用戶從一預定的ssv集合選擇其ssv,且只反饋預定的SSV集合列表的索引，以及相應的SSG。這個列表同時保存在基站和用戶中。這就很大程度上地減少了反饋負荷。由於存在一預定的SSV集合，在本發明第一部分中的SSV分組步驟就可以離線完成。所以，當從一個用戶那裡收到一個SSV索引時，這個ssv就可以直接被分到一預定的組中。這樣很大程度上減少了本發明的複雜度。通過分組，將SSV分離，空域上的CCI低於某一預定值，且空間-時間-頻率資源可認為是接近正交的，因此降低了聯合空間-時間-頻率資源分配優化的複雜度，所以在聯合多用戶優化中就不用考慮C CI問題了 。 多用戶接入MIMO - OFDM系統可以建模如下其中H^) e C',表示從基站到對應於的第/個子載波的第&個用戶在取樣時間/時的無線信道係數矩陣，y"oec'"是第A個用戶在第/個子載波、取樣時間f時的接收向量，xWeC"是發送符號向量，滿足平均能量限制交的，在以下的說明中，在不造成誤解的情況下將省略時間索引,和頻率下 標/。對於任何矩陣，尤其是用戶/t的信道係數矩陣可以做如下的SVD分解其中U,k, uA.,2…、",]eC幽'、、,2…、》C'""為單式矩 陣，DeC',為對角線矩陣，若nmk(Hj-A,即^的秩為^， MIMO信道矩陣的SVD提供^個從發射機到接收機的平行(無相互幹擾)子信道。矩陣D中不為0的元素即為SSG,而^的列向量則可被看成是每個子信道的SSV。 通過這些SSV加權的第/c個用戶數據流可被接收器檢測，而不會受到來自同 一 SVD的其它SSV的自幹擾。當考慮多用戶接入系統時，如果對應不同用戶的空間特徵向量是正交 的，那麼這些用戶就可以在同一個子信道中發送數據流，而沒有CCI。例如，formula see original document page 11是相對應的加性信道噪音。由於資源在時頻域是正當v》w^時，無CCI的發送向量構造如下其中x'為用戶f的數據流，~為用戶的數據流，pld為分配給用戶_/的數據流/的能量。實際上，《".'"這個關係很難成立，所以可以利用空間特徵 向量相關度係數來控制在同一時間索引？同一子載波/ (同一時頻資源)上用 戶傳輸數據流的cci,這裡空間特徵向量用於加權數據流。請參見圖2。圖2中顯示了無線資源分配方法的步驟。該方法包括以下步驟。步驟101:對於每一個子載波或子載波組/以及某一時間段"基站發送 關於哪些用戶可以在該時頻資源中發送數據的控制信息。為了節省信道資 源，可以廣播控制信息給用戶。基站也可以廣播每一個用戶的空域中多路復 用數據流的最大數目，如對於用戶t，這個最大的數目記為^。 ^可以比 rank (H A)小，也可以隨著用戶信道條件以及系統流量地變化而相應地更改。這樣，就可以增強靈活性。步驟102 :用戶通過上行鏈路向基站反饋其空間特徵向量<2 . VU.以及相對應的空間子信道增益《，i《i…義U 。步驟103:收到SSV和相應的SSG後，基站根據一個預設的門限戶對每個子信道/中的SSV分組。以下將詳細說明分組步驟。分組結果可以表達為formula see original document page 12其中G:代表第/個子信道的第g個分組結果。步驟104:基站根據分組的結果為用戶分配空間、頻率以及時間資源。 也就是說，基站決定哪些用戶可以在子載波/、時間,上發送數據流，而哪些SSV可以用來加權數據流。不同的分組規則會導致不同的分配模式。步驟105:基站將資源分配結果廣播給所有用戶。可選的，為了加強用 戶的解調性能，還可以向所有用戶廣播每個數據流的SSV。 步驟106:基站發送加權過的數據流給相應的用戶。 步驟107:用戶接收並解調從基站發出的控制信息及數據流。 如圖3和圖4所示，步驟103中可以有兩種分組的方法。參見圖3，圖 3所示為根據UWGR (組內不相關規則)進行分組的步驟。根據UWGR, 同一組內的SSV的相關度小於或等於預定的門限P。基於UWGR的分組可以在基站上用以下步驟來實現 步驟201:對SSV排序，通常基於一定調度準則。步驟202:對於每一個子載波或子載波組/,創建一個新組G:，並把第一個未分組的SSV移到這個組。步驟203:按順序選擇一個未分組的SSV,檢查所選的SSV和組裡其它 所有SSV的相關度。步驟204:如果所有檢查過的相關度都小於或等於一個預設的門限P, 則把這個未分組的SSV移到這個新組，否則執行步驟205。步驟205:判斷是否檢查了所有未分組的SSV，如果是，執行步驟206， 否則回到步驟203。步驟206:判斷是否對所有接收的SSV都進行了分組，如果是，回到步 驟202，否則執行步驟104。根據使用UWGR得到的分組結果，按如下方式執行步驟104:根據一 定調度規則選擇一個組，並且為至少一個SSV包含在這個所選組中的用戶 分配頻率和時間資源，用本組中與所選用戶對應的SSV為所選用戶的數據 流加權。這樣，用戶在空域就是正交的，就可以降低CCI關聯。參見圖4，圖4所示為根據UBGR (組間不相關規則)進行分組的步驟。 根據UBGR，不同組間的SSV的相關度小於或等於一個預定的門限^。基於UBGR的分組可以在基站上用以下步驟來實現步驟301:與步驟201相似，根據一定調度準則對SSV排序。步驟302:對於每一個子載波或子載波組/,創建一個組G:,並把第一 個未分組的SSV移到這個組。步驟303:按順序選4爭一個未分組的SSV，檢查所選的SSV和組裡其它 所有SSV的相關度。步驟304:如果所有檢查過的相關度都小於或等於預設的門限P,則創 建一個新組並把這個未分組的SSV移到該組，否則執行步驟305。步驟305:合併所選SSV與其中包含至少一個與所選SSV的相關度高 於預設門限P的SSV的組。步驟306:判斷是否對所有接收的SSV都進行了分組，如果是，回到步 驟303，否則執行步驟104。根據使用UBGR得到的分組結果，按如下方式執行步驟104:根據一定 調度^見則從每一組裡選出一個SSV，根據所選的SSV決定相應的用戶，這 樣相應的用戶是間接被選的，然後為所選用戶分配頻率和時間資源，用每一 組中與所選用戶相應的SSV為所選用戶的數據流加權。這樣，用戶在空域 就是正交的，就可以降低CCI關聯。圖3和圖4中所示的分組是根據用戶的反饋信息實時實現的，這就需要 基站很多的計算資源。下面描述一計算複雜度較小的實際實現流程。首先， 為了減少SSV的反饋信令量，對每套"個發送天線和m個接收天線的集合， 有一套預定的SSV集合，包括M,個SSVs,以下將其稱為通用SSVs,記為&ffl=k"'m> w")…這些通用ssvs集合是在系統中預先設定、並為發送機和接收機共知的。當用戶需要反饋一個ssv時，該用戶就在集合&^ 中查找最接近的通用ssv,並找到相應的索引，其中基於向量量化理論，對"最接近"有多種定義。所以，不同於直接反饋整個ssv，用戶反饋^ ,中"最接近"的向量<—的ssv索引。這樣，這個反饋只需要 &^"JI個比特。由於通過量化方法，所有可能被系統中用戶反饋的SSV都是固定且事先知道的，所以也可以^是前對預定的ssv進行分組來得到一個通用組。所 以，這些通用組可以表達為其中，根據UWGR，同 一組內的SSV的相關度小於或等於預定的門限〃 。 或者，根據UBGR ，不同組間的SSV的相關度小於或等於 一 個預定的門限P 。 這些通用組與用戶索引/t和子頻段索引/無關。當基站從用戶處收到一個SSV索引時，該基站可以直接為某一通用組 分配與索引相應的SSV,而無需再計算空間相關度，這樣大大降低了獲取分 組結果的複雜度。上述僅為本發明的一部分實施例，其它修改、變化及等同替換也都在本 發明公開方法的範圍內。例如，對其他描述空間資源的特徵向量進行分組， 或者在上行鏈路上使用本發明的方法。formula see original document page 15
權利要求
1、一種多用戶接入系統多入多出正交頻分復用MIMO-OFDM的資源分配方法，包括A)對於OFDM的每一個子載波或每一子載波組，按照特徵向量的相關度對一段時間內的用戶的特徵向量分組；B)從分組結果中，根據調度規則選出多個特徵向量；為用戶分配子載波或子載波組頻率和時間資源，其中與所述用戶對應的所選出的特徵向量同時具有低相關度；以及為與所選出的特徵向量對應的所述用戶分配空間資源。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述按照特徵向量的相 關度在 一 時間段內對用戶的特徵向量分組包括基於同組不相關規則UWGR獲取分組結果，其中同一組內的特徵向量 之間的相關度小於或等於預定門限。
3、 根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述對特徵向量分組包括All)創建一個組，並把第一個未分組的特徵向量移到所述組；A12)選擇一個未分組的特徵向量，檢查所選的特徵向量和所述組內其 它所有特徵向量的相關度；A13)判斷所有檢查過的相關度是否低於或等於預定門限，如果是，把所 述未分組的特徵向量移到所述組，否則，返回步驟A12,直到4企查完所有未 分組的特徵向量；A14)返回步驟All，直到所有特徵向量均已分組完畢。
4、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述按照特徵向量的相 關度在 一 時間段內對用戶的特徵向量分組包括基於組間不相關規則UBGR獲取分組結果，其中不同組間的特徵向量 之間的相關度小於或等於預定門限。
5、 根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述對特徵向量分組包括A21)創建一個組，並把第一個未分組的特徵向量移到所述組； A22)選擇一個未分組的特徵向量，檢查所選的特徵向量和所述組內其 它所有特徵向量的相關度；A23)判斷所有檢查過的相關度是否低於或等於預定門限，如果是，創建 一個新組並把所述未分組特徵向量移到所述新組，然後返回步驟A22,直到 所有特徵向量分組完畢；否則合併所選SSV至其中包含至少一個與所選SSV 的相關度高於預設門限的SSV的組，然後返回步驟A22,直到所有特徵向 量分組完畢。
6、 根據權利要求4或5所述的方法，其特徵在於，所述創建一個組， 並把第一個未分組的特徵向量移到所述組之前，進一步包括基於 一 定調度準則對所有特徵向量排序； 其中所述選擇一個未分組的特徵向量包括按順序選擇一 個未分組的特徵向量。
7、 根據上述任一權利要求所述的方法，其特徵在於，所述為與選出的 特徵向量對應的用戶分配空間資源包括用所述用戶選擇的特徵向量，對所 述用戶的數據流加權。
8、 根據權利要求2或3所述的方法，其特徵在於，所述步驟B包括 根據一定調度規則選擇一個組；為特徵向量包含在所選組中的至少一個用戶分配相同的子載波； 用所述所選組中相應的特徵向量加衝又所選用戶的悽t據流。
9、 根據權利要求4或5所述的方法，其特徵在於，所述步驟B包括 根據一定調度規則，在每一個組中選擇一個特徵向量； 根據所選特徵向量選定相應用戶，為所述用戶分配相同的子載波； 在每個組中，用相應的SSV加權所選定用戶的數據流。
10、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述特徵向量為空間特徵向量。
11、 根據權利要求IO所述的方法，其特徵在於，步驟A進一步包括 在基站中，接收用戶反饋的空間特徵向量SSV之後，實時地對接收到的空間特徵向量分組。
12、 根據權利要求IO所述的方法，其特徵在於，進一步包括 提前在基站和用戶處保存預定的通用SSV; 所述步驟A之前，進一步包括基站廣播控制信息，在用戶需要反饋SSV時選4奪最接近的通用SSV, 用戶反饋與最接近通用SSV對應的SSV索引； 所述步驟A進一步包括在基站，接收到用戶反饋的SSV索引後，查找所述SSV索引對應的通 用SSV,然後實時地對查找到的通用SSV分組； 所述步驟B之後，進一步包括C)廣播所述分配的頻率和時間資源，以及加權數據流所用SSV索引。
13、 根據權利要求10所述的方法，進一步包括 提前在基站和用戶處保存預定的通用SSV; 所述步驟A進一步包括提前對預定的通用SSV分組以獲得通用組，並將所述通用組保存在基 站上；在所述步驟A和B之間，進一步包括 根據接收的通用組索引分配相應的SSV,以獲得分組結果。
全文摘要
本發明提供了一種用於多用戶接入系統多入多出MIMO-正交頻分復用OFDM資源分配方法，該方法包含A)對於OFDM的每一個子載波或每一子載波組，按照特徵向量的相關度對一時間段內的用戶特徵向量分組；B)從分組結果中，根據調度規則選出多個特徵向量；為用戶分配子載波或子載波組頻率和時間資源，其中與所述用戶對應的所選出的特徵向量同時具有低相關度；以及為與所選出的特徵向量對應的所述用戶分配空間資源。本發明方法通過把空間同信道幹擾最小化到可以接受的水平，大大降低了聯合多用戶優化的複雜度。
文檔編號H04L1/06GK101218775SQ200580050941
公開日2008年7月9日 申請日期2005年9月30日 優先權日2005年9月30日
發明者蔣培剛, 馬蒂爾斯·溫斯特姆 申請人:華為技術有限公司