CN101969328A - 一种基于波束到达角的多用户调度方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于波束到达角的多用户调度方法，主要包括下面三个步骤：1)波束到达角估计；2)基于波束到达角的用户子集划分；3)选择每个子集内的最优用户。如果总用户数为K，调度用户数为M，则此算法将复杂度从原来的降低到2K，同时保证了性能不会有太大的损失，是一种低运算量的次优算法。相比于现有的用户调度算法，基于波束到达角的多用户调度方案根据信道的长时统计信息进行用户调度，计算复杂度低，对用户瞬时信道状态信息的依赖性小，不但针对无线信道的时变特性具有更强的鲁棒性，而且能明显减小***所需要的反馈信息量。另外，本发明方案所调度的用户信道从统计意义上具有良好的正交性，有效地提高了***的可达信道容量。

Description

一种基于波束到达角的多用户调度方案

技术领域

本发明属于多用户MIMO的用户调度算法领域，具体涉及一种多天线***中的多用户调度算法。

背景技术

在移动通信***中，多用户MIMO复用传输方式是充分利用空间自由度，提高***容量的关键技术。理论和实践证明，***不同用户之间可以配对形成空分复用，发挥基站侧多天线的优点，同时为多个用户传输数据。

在多用户MIMO的下行***中，主要研究的有两个方面。

首先是多用户预编码。多用户预编码的作用是尽可能增大接收端信噪比，保证在接收端能够恢复出不同用户的原始信息。主要的算法有迫零(ZF)、块对角化(BD)、最大化信干噪比(SINR)，最大化信号泄露噪声比(SLNR)等。通过这种发射端的预处理，用户在接收端根据各自的信道和预编码矩阵，能够较容易地解出属于自己的数据流。多用户预编码是在用户信道已经给定的情况下，尽可能改善传输性能的技术。从***级的观点看来，是一种较为被动的技术，预编码所能获得的性能增益在很大程度上取决于***中用户无线信道的相关性。如果用户信道本身是高相关的，那么它们所组成虚拟MIMO自由度较低，即使运用多用户预编码，也只能略微改善传输性能，不能解决由于信道本身带来的不利影响。

用户调度作为多用户MIMO下行***的另一个主要研究方向，其目的就是在***使用预编码之前，为***挑选出信道相互近似正交的多用户进行调度传输。相比于预编码来说，用户调度是较为上层的技术。通常情况下，一个小区内的用户数量K远远大于基站的天线数量M。众多的用户为***提供了多用户分集，主要表现在两个方面：更丰富的信道方向和更大的信道增益。用户调度就是要解决如何从K个用户中寻找一个用户集合从而可以获得更大的空分复用增益。

多用户分集增益相对于预编码增益来说相当可观，因为它可以在很大程度上改善用户之间信道的空间相关性。然而用户调度技术也存在自己的问题，首先是公平性的问题，如果用户信道变化缓慢，那么在很长一段时间内，调度算法会选择同样的用户集，导致这段时间内，信道条件较差的用户得不到服务的机会。其次是计算量的问题，从K个用户中选择M个用户，需要遍历

种组合，然后基于某种准则，选出最优的用户组合，运算复杂度较高。其中公平性问题可以通过加入调度因子，调节用户之间的权值大小，来实现统计意义上的功能公平，最典型的例子就是比例公平算法(PFS)。而运算复杂度高的问题始终是一个局限，虽然提出了很多降低运算复杂度的算法，但都很难协调好复杂度和性能之间的关系。因此，如何在性能损失不大的情况下，有效地降低运算复杂度，成为用户调度技术研究的重点。

用户调度的核心思想可以表述为：选择相关性较小的用户集形成空分复用，为其传输数据。然而，现有的用户调度算法大都是基于瞬时信道状态信息，它们需要***准确估计出各个用户的瞬时信道状态信息。在频分复用***中，基站还需要分配一定的频谱用于所有用户的信道状态信息反馈。这不仅增加了用户调度性能对瞬时信道状态信息的依赖，而且还消耗了***大量的反馈链路，降低***的频谱利用率。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种运算量较小且实用性强的基于波束到达角的多用户调度方案，保证能够用较低的运算量得到相关性较小的用户集合，解决了传统遍历算法复杂度高的缺点；同时克服用户调度过于依赖瞬时信道的缺点，使得该算法在实际***中更易实现。

技术方案：本发明调度算法设计依据LTE(Long-Term Evaluation)提案中的SCM信道模型；本发明所述的基于波束到达角的多用户调度方案，适用于信道具有明显的方向性的无线通信***。由于远场电磁波对于基站的不同天线存在波程差，因此会导致不同天线上的接收信号存在相位差，结合基站侧的天线阵列摆放形式，就能估计出远场电磁波的到达角。对于两个电磁波而言，到达角的隔离度越大，则它们经过的空间散射路径也越独立，把对应的用户组合形成虚拟MIMO，由于这些调度用户的无线信道相关性较小，因此在统计意义上可以获得比相关信道更大的***信道容量。基于这一原理，可以将***中的用户根据到达角划分为M个子集(M为调度用户数)，同一子集内的用户到达角相近因此他们的信道之间具有较强的相关性，而不同子集之间的用户到达角隔离度较大。此时，如果从每个用户子集中挑选一个用户来组成多用户MIMO，即可首先保证用户信道的相关性较低。在此基础上，每个子集内的用户选择基于最大化信道Frobenius范数准则，能够进一步增加MIMO信道的容量，提高***性能。

基于波束到达角的用户调度的可以表述为按照如下顺序执行的步骤：

(1)***初始化，并检测到活跃用户数为K，任意选择M个用户，形成空分复用，为其服务；

(2)判断当前时刻是否进行用户调度，若K≤M，则***为当前的K个用户传输数据，否则当K＞M时，跳转到步骤(3)；

(3)对于***中的每个用户k，估计波束的到达角

在多径时延信道情况下，只需要估计最强主径的到达角；

(4)将用户集合S按照到达角

的不同，划分为M个子集S₁，S₂，...S_M。其中M为待调度的用户数；

(5)对于每个子集S_m，计算该子集内的所有用户信道的Frobenius范数||H^(k)||；

(6)在每个子集中选择具有最大Frobenius范数的用户，该选出用户组即为最终的调度用户集合，***将为其传输数据；

(7)下一个传输时刻到来，跳转到步骤(2)。

本发明基于到达角的用户调度，摆脱了传统的用户调度思想，用一个相对长时不变的信道统计信息，即无线信道最强径的波束到达角度来区分用户的相关性，是一种较为新颖的用户调度算法。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：(1)本发明解决了传统用户调度计算量大且完全依赖于用户的瞬时信道状态信息的缺陷，提出基于缓变的主径信道波束到达角的调度方法，能够很好的区分用户的相关性且提高信道容量，针对无线信道瞬时信道状态变化快的特点，减小***对瞬时信道状态变化的跟踪速度，在实际***设计中易于实现；(2)本发明相对于传统的用户调度算法，明显减少复杂度，更加适合运用于实际***中；如果总用户数为K，调度用户数为M，则此算法将复杂度从原来的

降低到2K，同时保证了性能不会有太大的损失，是一种低运算量的次优算法；同时，由于到达角的变化缓慢，***中的到达角信息可以维持相对较长的时间，实际运用中的运算量还可能进一步减少；(3)本发明由于到达角信息变化缓慢，可以存储在基站侧，进一步减小反馈信息量和调度运算量；(4)本发明调度方案设计完全基于实际的无线信道环境，更能模拟真实情况；(5)本发明方法性能相比于遍历算法下降不大，性能和复杂度的折中，是一种可行性较高的算法。

附图说明

图1是空间信道一条可分辨径的模型，该径由多条子径叠加而成，每条子径具有相近的到达角，即在该可分辨径的到达角θ_DOA附近波动。

图2是基于波束到达角的用户调度算法流程图。其中，角度谱估计可选用经典的MUSIC算法，进行全域谱峰搜索；用户子集划分可以基于角度区间划分，也可按照每子集相同用户数原则来划分；MUSIC：多重信道分类的谱估计算法。

图3是两个用户组成虚拟MIMO的信道容量曲线。基站侧配置4天线，移动台配置2天线，形成4*4的虚拟MIMO。两个用户的到达角相差分别是Δθ_DOA＝5°和Δθ_DOA＝90°，可以看出，在这种信道建模方式下，到达角的隔离度越大，则用户之间的相关性越小，相应的信道容量就越大，Δθ_DOA为两个波束到达角的角度差。

图4是三种调度方式的误帧率性能比较(K＝10，M＝2)。随机用户调度没有利用任何信道信息，因此不能获得多用户增益，仅仅作为参考曲线。可以看到，基于容量的遍历调度算法和基于到达角的调度算法相比于随机用户调度，性能都有较大提高。然而基于容量的用户调度算法需要遍历所有组合，虽然性能最优，但是相应的复杂度也最高。相比之下，基于波束到达角的用户调度算法，可以将复杂度从

降低到2K，节省了资源并且更利于实现。而且可以想象，当K和M增大时，运算量的减少更为可观。

图5是10个用户的归一化公平性柱状图。可以看到基于波束到达角的用户调度算法具有一定的公平性。这是由于信道的Frobenius范数变化相对于波束到达角变化来说，还是较快的，而在每个子集中挑选最优用户时，正是基于最大化Frobenius范数准则，因此该算法能保证一定的公平性。

具体实施方式

下面结对最佳实施例进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：基于波束到达角的多用户调度方法，在传输数据之前，首先判断当前时刻时候进行用户调度。如果不是，则正常传输数据，如果是，则首先执行用户调度。假设***中总用户数为K，调度用户数为M。则具体的用户调度算法是，首先根据基站天线阵列摆放形式，估计出K个信道的来波方向的角度谱，找到谱线峰值，对应的角度即认为是信号的波束到达角；然后将用户按照到达角隔离度划分为M个集合；最后从每个集合中挑选出信道Frobenius范数最大的用户，将其组合配对形成空分复用。

其具体步骤如下：

(1)***初始化，任意选择M个用户，形成虚拟MIMO；

(2)判断当前时刻是否进行用户调度，若不是，则***为当前的M个用户传输数据，若是，则进入用户调度模块，即步骤(3)～(7)；

(3)根据基站则天线阵列摆放位置，得到角度向量；

$S\left(\mathrm{\θ}\right)={\left[\begin{array}{cccc}1& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}& ...& e^{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n-1)d\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}\end{array}\right]}^T$

其中，λ：载波波长；d：基站侧天线间距；n：基站侧天线数；S(θ)：根据基站侧天线阵列形式得到的角度向量；

(4)根据s(θ)求出第k个用户的角度谱P^(k)(θ)，并且找到谱峰对应的角度，作为波束的到达角P(θ)：波束的角度谱；

(5)将用户集合S按照到达角

的不同，划分为M个子集S₁，S₂，...S_M，其中M为待调度的用户数；

(6)对于每个子集S_m，计算该子集内的所有用户信道的Frobenius范数||H^(k)||；

(7)在每个子集中选择具有最大Frobenius范数的用户来进行调度；

下一时刻到来时，跳转到步骤(2)，判断是否进行调度。

熟知本领域的人士将理解，虽然这里为了便于解释已描述了具体实施例，但是可在不背离本发明精神和范围的情况下做出各种改变。因此，除了所附权利要求之外，不能用于限制本发明。

Claims (1)

1.一种基于波束到达角的多用户调度方案，其特征在于包括如下步骤：

(1)***初始化，并检测到活跃用户数为K，任意选择M个用户，形成空分复用，为其服务；

(2)判断当前时刻是否进行用户调度，若K≤M，则***为当前的K个用户传输数据，否则当K＞M时，跳转到步骤(3)；

(3)对于***中的每个用户k，估计该用户的波束到达角

在多径时延信道情况下，只需要估计最强主径的到达角；

为第k个用户的波束到达角；

(4)将用户集合S按照到达角

的不同，划分为M个子集S₁，S₂，...S_M，其中M为待调度的用户数；S为所有用户的集合；S_m为按照到达角划分的第m个用户子集；

(5)对于每个子集S_m，计算该子集内的所有用户信道的Frobenius范数||H^(k)||；||H^(k)||为第k个用户信道的Frobenius范数；

(6)在每个子集中选择具有最大Frobenius范数的用户，该选出用户组即为最终的调度用户集合，***将为其传输数据；

(7)下一个传输时刻到来，跳转到步骤(2)。

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