基於模糊滿意度的多業務多天線廣播信道調度方法

2023-05-19 02:44:16 1

專利名稱：：基於模糊滿意度的多業務多天線廣播信道調度方法
技術領域：
：本發明屬於多輸入多輸出(MIMO)移動通信
技術領域：
，特別涉及下行多輸入多輸出通信系統中的多業務多天線調度方法。
背景技術：
：無線通信朝著寬帶化、業務多元化、用戶數增大化的方向發展。由於無線網絡資源的稀缺、無線信道的幹擾以及時延等問題，造成無線環境下提供服務質量的保證面臨諸多挑戰。而多用戶調度是支持無線網絡混合業務服務質量(QoS)保證的關鍵技術之一。《國際電子與電氣工程師協會國際通信會議》(IEEEInternationalConferenceonCommunication2008，Volume.l，pp.542-546，2005)提出基於準正交用戶選擇的調度方法(SUS)，每次選擇信道質量最佳的用戶來最大化系統吞吐率，但這會造成對信道質量差的用戶的不公平。《國際電子與電氣工程師協會信息理論學報》(IEEETransactionsonInformationTheory,Volume.48,Issue6，pp.1277-1294，2002)提出正比公平調度算法(PFS)聯合考慮了系統吞吐率和用戶公平性，按照用戶加權平均吞吐率對瞬時速率進行歸一化，這種調度算法已經應用到高速數據速率(HDR)系統，其調度目的是在顧及系統公平度的同時最大化系統吞吐率，但是其最終目標還是為了使用戶最滿意。而對於不同服務質量需求的業務，通過調度獲得相同的帶寬可能對應著不同的滿意程度。《國際電子與電氣工程師協會無線通信學報》(正EETransactionsonWirelessCommunications,Volume.6,Issue2,pp.423-428,Feb.2007)定義了用戶滿意度因子，《國際電子與電氣工程師協會國際通信會議》(IEEEInternationalConferenceonCommunication2008，pp.4250-4254，May2008)定義了業務滿意度因子，並基於該滿意度因子去調度用戶，但是該方法採用當前時刻的信道狀態信息去調度下一時刻的用戶會帶來滯後誤差。
發明內容本發明提出一種基於模糊滿意度因子的多業務多天線廣播信道調度方法，該方法中考慮了變化趨勢對滿意度的影響，從而避免滯後誤差對調度的影響。本發明基於基於模糊滿意度因子的多業務多天線廣播信道調度方法，在發送端，調度器將被調度的用戶數據被經過物理層的多用戶多輸入多輸出迫零波束預編碼後發射；在接收端，用戶將信道信息反饋給發送端；其特徵在於在發送端，由應用層得到無線網絡混合業務的速率時延服務質量信息，由反饋得到用戶業務的平均速率和平均時延，再將其輸入到調度器去調度用戶，調度器根據輸入的速率時延服務質量信息和業務速率和時延及其改變量得到輸出的判決即模糊滿意度因子，然後以最大化以模糊滿意度因子為權重的信道質量為目標由調度算法去調度用戶，被調度的用戶數據在物理層經過多輸入多輸出多用戶迫零波束預編碼後發送。所述模糊滿意度因子的獲得過程如下被調度用戶的數據經過調度器，形成一個M,維矢量，經過迫零波束預編碼(ZFBF)處理後，通過M個發射天線發送出去；系統中有《個具有1根接收天線的用戶，用戶數《大於發射天線數M;設從發射天線到移動臺的信道增益為一個零均值復高斯隨機變量，那麼第)t個用戶接收到的信號為y*=7^XbA+1^V^Xb;+"(1)式(l)中x是基站發送的信號，M,是同時發送的子流數，^是波束成型預編碼矩陣8=[1>1，1)2,...1>她]中的第&項，h&是第A:個用戶的信道增益，"是分布為CN(0，1)的加性高斯隨機變量，P是總的發送功率；設￡{^^}=1，則天線接收處平均信噪比為p;在經過波束成型向量加權後，用戶A:等效接收信噪比為"|ht《+S)，(2)用戶的瞬時速率為4=tog(l+rt)(3)採用歸一化的用戶速率i和時延D和其變化趨勢M和AD作為滿意度的度量的依據；當平均傳輸速率達到目標速率，時延為零時，用戶速率W和時延Z)都等於1，相應的用戶滿意度達到l;其中用戶速率7=^7^，(4)時延/)=1(5)用戶速率變化趨勢^-(^"^("-Dy/i,(6)時延變化趨勢ad=(7)式中w是時隙號，A是用戶編號；5(")為在時隙"第A個用戶的平均速率，假設每個用戶只使用一種業務，V"r為第^個用戶的目標速率，；(")為平均時延，4""為目標時延；把用戶速率及、時延ZX用戶速率變化趨勢M和時延變化趨勢AD這四個變量作為模糊控制器的輸入，分別採用基於速率的模糊邏輯控制器(FLC1)和基於時延的模糊邏輯控制器(FLC2)兩個模糊邏輯控制器來控制；基於速率的模糊邏輯控制器(FLC1)的輸出s產F(^凡』A/}(8)基於時延的模糊邏輯控制器(FLC2)的輸出&-,{&1)，^/A￡>}(9)式(8)和式(9)中F為模糊函數，則用戶模糊滿意度因子formulaseeoriginaldocumentpage6(10)所述調度器中基於模糊滿意度因子的調度算法為調度器在每個時隙根據用戶不滿意的程度W;t和信道質量來調度用戶formulaseeoriginaldocumentpage6式中5是模糊滿意度因子；△是一個很小的正數，用以保證用戶滿意度超過1時WA才為0;調度的目標為最大化用戶滿意度權係數與用戶等效信道增益的乘積，則調度問題可以歸結為formulaseeoriginaldocumentpage6式(12)中gfc,是用戶的等效信道增益，"是第/種業務的權重，^是第/種業務用戶的數目，/是業務類型數，在特定的系統中通過準入控制和優先級設定K和&可以視為常數，ww即用戶滿意度權係數，狄產l表示該用戶獲得調度，否則表示該用戶未獲得調度；調度用戶的過程如下先從一個初始用戶集合^={1，..丄}選出第一個用戶formulaseeoriginaldocumentpage6(16)當選出/個用戶後，從集合formulaseeoriginaldocumentpage6中選出第&l個用戶formulaseeoriginaldocumentpage617)直到用戶集合中的用戶數I&I等於發送子流數A6，算法結束；其中信道增益formulaseeoriginaldocumentpage6，(l是選擇的信道之間幹擾門限,v^為用戶不滿意的程度。與現有技術相比較，本發明調度方法中模糊滿意度的得來不僅考慮了業務的速率和時延，而且考慮了它們的變化趨勢對用戶滿意度及調度的影響，可以很好地度量用戶的滿意程度並且避免滯後誤差；仿真結果表明，相比於其他基於滿意度的度量準則的調度方法，本發明調度方法的模糊滿意度更合理地考慮了用戶在不同時延和速率及其變化趨勢下的滿意度，可更好地利用頻譜資源，在不降低吞吐率的前提下，保證用戶的公平性，更有效地保證了用戶的服務質量需求，最大化系統滿意度。圖1為本發明的下行多輸入多輸出多用戶系統框圖；圖2為基於模糊滿意度因子的調度器內部框圖3為系統吞吐率與用戶數的仿真曲線；圖4為系統平均滿意度與用戶數的仿真曲線。具體實施例方式以下結合本方法的實施例。實施例l:本實施實例採用下行多輸入多輸出多用戶系統。設基站端(BS)配置AA屍4根天線，用戶端(UE)配備1根天線，信噪比p為10dB，信道帶寬為20MHz，一幀長8.375ms，每幀有10個時隙。調度器每個時隙工作一次。有兩種業務應用，一種是FTP業務，一種是視頻會議業務，兩者的比例為3:1。每次調度時每一個用戶只使用一種業務。FTP業務的服務類型是後臺類的業務，對時延不敏感，而視頻會議業務的服務類型是會話類業務對時延最為敏感。設定兩類業務的參數如下表1所示表1兩類業務參數設置tableseeoriginaldocumentpage7本實施實例系統框圖見圖1所示，基站端的模塊1應用層可以得到業務的服務質量特徵參數第A個用戶的目標速率r,r和目標時延c4'""，調度器位於模塊2媒體訪問控制子層的控制面中，它從應用層得到業務的服務質量參數，由反饋得到時隙"第A個用戶的平均速率5(")和平均時延^(w)，模塊4調度器每時隙工作一次，根據信道信息和用戶的滿意程度來調度用戶。用戶模糊滿意度度量過程如下所示本發明調度器內部框圖如附圖2所示按照式(4)~式(7)得到用戶速率及、時延D、用戶速率變化趨勢M和時延變化趨勢AD這四個變量。將這四個變量輸入模塊P1,P2模糊化接口依據模糊邏輯控制器的輸入變量量化表表2進行量化表2模糊邏輯控制器的輸入變量量化表tableseeoriginaldocumentpage7200810195811.6說明書第5/7頁tableseeoriginaldocumentpage8接著，根據模糊功率控制的思想，通過分析閉環系統用戶的滿意度隨時延和速率的動態變化而變化的規律和趨勢來度量用戶的滿意程度，得到模塊Q1基於速率得模糊控制規則和模塊Q2基於時延的模糊控制規則，模塊R1和模塊R2接口引擎輸出模糊判決結果由模塊S1和模塊S2去模糊化接口通過加權平均法得到判決量；經過模糊化，最小相關的判斷及去模糊化之後，每一組速率和時延及它們的變化都會得到他們相應的控制輸入值；將速率時延及其變化趨勢所對應的模糊判決量製成模糊判決表表4模糊邏輯控制器的速率判決表表5模糊邏輯控制器的時延判決表tableseeoriginaldocumentpage8把量化後的結果作為模糊控制器的輸入，分別採用基於速率的模糊邏輯控制器(FLC1)和基於時延的模糊邏輯控制器(FLC2)兩個模糊邏輯控制器來控制，基於速率的模糊邏輯控制器(FLC1)採用的控制判決表見表4,基於速率的模糊邏輯控制器(FLC2)採用的控制判決表見表5;速率判決結果s1和時延判決結果s2由式(8)(9)得到，用戶滿意度s由(10)式得到。由式(11)得到用戶不滿意的程度Wk。模塊8調度算法在每個時隙根據用戶不滿意的程度Wk和信道質量來調度用戶。調度的目標為最大化以模糊滿意度為權重的信道質量。調度用戶的過程如下先從一個初始用戶集合^0={1，..丄}選出第一個用戶Alhargmaxfe^llgChOi^ll當選出/個用戶後，從集合4={""^1^1:。)|<，1^^}選出第/+1個用戶l)=argmax滅|lg(h扭l|直到用戶集合中用戶數ISol等於發送子流數Mt算法結束。其中信道增益g(h;O叫lhAll2，a是選擇的信道之間幹擾門限，Wk為用戶不滿意的程度。調度器將調度結果送給模塊5媒體訪問控制子層的數據面，被調度用戶的數據經過模塊3物理層的多用戶多輸入多輸出預編碼後發射。為了衡量調度方法的效果，在計算系統滿意度時，採用下式來計算系統的滿意度formulaseeoriginaldocumentpage9"""表示業務的最低保證速率<對不同的業務系統滿意度曲線曲線冪次0)的取式中，w值不同，本實施例中冪次0)取2。附圖3為系統吞吐率與用戶數的仿真曲線圖中橫軸表示用戶數，範圍為60-170,縱軸表示吞吐率。隨著用戶數的增加，系統吞吐率增加。基於模糊滿意度因子的多用戶調度方法吞吐率曲線F遵從容量漸近曲線C即Mlog(l+屍/Mlog(iO);基於模糊滿意度因子的調度方法曲線F和最大化吞吐率的調度方法吞吐率曲線A基本上一致，並且用戶數尺很大的時候明顯高於採用比例公平調度準則的迫零波束成型方曲線B法，基於用戶滿意度準則的迫零波束成型方法曲線D和基於業務滿意度準則的迫零波束成型方法曲線E。附圖4為系統滿意度與用戶數的仿真曲線圖中橫軸表述用戶數，範圍為10-300，縱軸表示系統滿意度。隨著用戶數的增加，系統平均滿意度降低。曲線G基於準證交用戶選擇的迫零波束預編碼方案和曲線H基於比例公平調度迫零波束預編碼方案由於沒有考慮到用戶的滿意度所以其系統滿意度低於其他調度方案。當用戶數大於150的時候，基於模糊滿意度因子調度的方式曲線K在滿意度上有明顯的提高，這主要是因為，當用戶數很大的時候，調度用戶所花的時延增大，用戶的平均速率降低，而曲線K基於模糊滿意度因子的調度的方法相較於曲線I基於用戶滿意度因子的調度和曲線J基於業務滿意度因子的調度更細緻地考慮了時延對用戶滿意度的影響及趨勢，當用戶數增大時，每個用戶調度的平均時延也增大，此時對時延敏感的視頻業務時延達到門限，模糊滿意度大幅下降，因此得到優先調度，所以在用戶數較大的時候模糊滿意度調度的方法可以保證用戶時延及速率的需求，更好的利用頻譜，最大化系統滿意度。與現有技術相比較，本發明模糊滿意度的得來不僅考慮了業務的速率和時延而且考慮了它們的變化趨勢對用戶滿意度及調度的影響，可以很好的度量用戶的滿意程度並且避免滯後誤差。仿真結果表明，相比於其他基於滿意度的度量準則的調度方法更合理的考慮了用戶在不同時延和速率及其變化趨勢下的滿意度，更好的利用頻譜資源，在不降低吞吐率的前提下，保證了用戶的公平性，更有效的保證了用戶的服務質量需求，最大化系統滿意度。權利要求1、一種基於基於模糊滿意度因子的多業務多天線廣播信道調度方法，在發送端，調度器將被調度的用戶數據被經過物理層的多用戶多輸入多輸出迫零波束預編碼後發射；在接收端，用戶將信道信息反饋給發送端；其特徵在於在發送端，由應用層得到無線網絡混合業務的速率時延服務質量信息，由反饋得到用戶業務的平均速率和平均時延，再將其輸入到調度器去調度用戶，調度器根據輸入的速率時延服務質量信息和業務速率和時延及其改變量得到輸出的判決即模糊滿意度因子，然後以最大化以模糊滿意度因子為權重的信道質量為目標由調度算法去調度用戶，被調度的用戶數據在物理層經過多輸入多輸出多用戶迫零波束預編碼後發送。2、如權利要求1所述基於基於模糊滿意度因子的多業務多天線廣播信道調度方法，特徵在於所述模糊滿意度因子的獲得過程為-被調度用戶的數據經過調度器，形成一個M,維矢量，經過迫零波束預編碼(ZFBF)處理後，通過M個發射天線發送出去；系統中有《個具有1根接收天線的用戶，用戶數尺大於發射天線數W,;設從發射天線到移動臺的信道增益為一個零均值復高斯隨機變量，那麼第A個用戶接收到的信號為y4=V^XbAV^Xb,,+"式中JC是基站發送的信號，M是同時發送的子流數，bA是波束成型預編碼矩陣B-[b!，b2，…bM]中的第&項，W是第A:個用戶的信道增益，w是分布為CN(O，l)的加性高斯隨機變量，P是總的發送功率；設￡{/^}=1，則天線接收處平均信噪比為p;在經過波束成型向量加權後，用戶A等效接收信噪比為jHlhAll/(爺+乙M)用戶的瞬時速率為4=log(l+h)採用歸一化的用戶速率i和時延Z)和其變化趨勢M和AZ)作為滿意度的度量的依據；當平均傳輸速率達到目標速率，時延為零時，用戶速率i和時延D都等於l，相應的用戶滿意度達到l;其中用戶速率y^5("y^,，時延0=1-^(")/《，，用戶速率變化趨勢M-R(")巧("-1))",，時延變化趨勢AD=(K(")《("-l))/《欣式中W是時隙號，A:是用戶編號；5(H)為在時隙W第it個用戶的平均速率，假設每個用戶只使用一種業務，A^f為第A:個用戶的目標速率，5;(")為平均時延，d/"為目標時延；把用戶速率及、時延Z)、用戶速率變化趨勢M和時延變化趨勢AZ)這四個變量作為模糊控制器的輸入，分別採用基於速率的模糊邏輯控制器和基於時延的模糊邏輯控制器兩個模糊邏輯控制器來控制；基於速率的模糊邏輯控制器的輸出s屍"^i，^Ai}基於時延的模糊邏輯控制器的輸出&=F{AW￡>，~,dAD}式中F為模糊函數,則用戶模糊滿意度因子s=5lX&。3、如權利要求l所述基於基於模糊滿意度因子的多業務多天線廣播信道調度方法，特徵在於所述調度器中基於模糊滿意度因子的調度算法為調度器在每個時隙根據用戶不滿意的程度W和信道質量來調度用戶式中s是模糊滿意度因子，△是一個小的正數，用以保證用戶滿意度超過1時WA才為0;調度的目標為最大化用戶滿意度權係數與用戶等效信道增益的乘積，則調度問題歸結式中&,是用戶的等效信道增益，f/,是第/種業務的權重，^是第/種業務用戶的數目，/是業務類型數，在特定的系統中通過準入控制和優先級設定"和&可以視為常數，v^,,即用戶滿意度權係數，^產1表示該用戶獲得調度，否則表示該用戶未獲得調度；調度用戶的過程如下-先從一個初始用戶集合^rU，…iQ選出第一個用戶41)-argmax;M。llg(h。w川當選出/個用戶後，從集合4={""^:|1^:("|<"，1^^}中選出第/+1個用戶4/+l)=argmax直到用戶集合中的用戶數I&I等於發送子流數M,，算法結束；其中信道增益g0u)叫lhdl2，a是選擇的信道之間幹擾門限，vi^為用戶不滿意的程度。全文摘要本發明公開了一種基於模糊滿意度因子的多業務多天線廣播信道調度方法，特徵是考慮了不同業務的速率和時延的變化趨勢對用戶滿意度及調度的影響，通過最大化以模糊滿意度因子為權重的信道質量來調度用戶，從而避免了滯後誤差對調度的影響。本發明可以很好地度量用戶的滿意程度並且避免滯後誤差。仿真結果表明，相比於其他基於滿意度的度量準則的調度方法，本發明調度方法更合理地考慮了用戶在不同時延和速率及其變化趨勢下的滿意度，更好地利用了頻譜資源，在不降低吞吐率的前提下，保證了用戶的公平性，更有效的保證了用戶的服務質量需求，最大化系統滿意度。文檔編號H04B7/06GK101383650SQ20081019581公開日2009年3月11日申請日期2008年9月3日優先權日2008年9月3日發明者濤劉,蓓劉,玲邱申請人:中國科學技術大學