CN105163329B - 一种波束赋形中基于有效速率的单双流切换方法 - Google Patents

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Abstract

一种波束赋形中基于有效速率的单双流切换方法，本发明涉及单双流切换方法。本发明是要解决对单流或双流波束赋形传输的数据速率较低、不能确保用户的公平性以及不能确保具体用户的传输速率达到的目标速率而提出的一种波束赋形中基于有效速率的单双流切换方法。该方法是通过步骤一、通过用户k的反馈信息获得用户k在RBn上时所有接收天线的信道矩阵步骤二、选择用户k在第n个资源块实际使用的接收天线数根据确定实际使用的接收天线；步骤三、建立实际使用的接收天线的用户k与RBn对应关系ρk,n；步骤四、利用实际使用的接收天线的用户k与RBn对应关系ρk,n计算有效速率等步骤实现的。本发明应用于单双流切换领域。

Description

一种波束赋形中基于有效速率的单双流切换方法
技术领域
本发明涉及单双流切换方法，特别涉及一种波束赋形中基于有效速率的单双流切换方法。
背景技术
近年来，在LTE的背景之下，无线通信发展突飞猛进。随着智能手机用户的激增，无线通信对于多媒体业务的需求持续增高。为了给用户提供更好的体验，MIMO技术被引入。MIMO技术是LTE最早提出的核心技术之一。它在接收机和发射机上采用多根天线，并与一些先进的信号处理技术相结合。MIMO技术可以用来获得改进的***性能，包括提高***容量(单小区支持更多用户)和扩展小区覆盖范围，以及对所提供业务进行改进，例如提高单用户数据速率等。多天线MIMO技术最早由E.Telatar和G.J.Foshini等通过理论证明得出该技术所能获得的信道容量远超山农给出的单天线传输容量极限，因此MIMO技术在LTE和LTE-A中都得到了广泛应用。
目前，MIMO的传输模式主要分为三类：发射分集、空间复用和波束赋形。波束赋形技术作为一项重要的核心技术，早在***TD-SCDMA网络中就有所应用。在3GPP的LTE技术规范R8版本中，引入了单流波束赋形技术(TM7)，该技术可显著提升小区边缘吞吐量并降低小区间干扰。2009年3月，由大唐移动和***公司共同推动的双流波束赋形技术立项。2010年3月，其标准化工作顺利完成，并被写入3GPP LTE技术规范R9版本中。双流波束赋形技术(TM8)定义了新的双端口专用导频与相应的控制、反馈机制，可以认为是智能天线技术和空间复用技术的一种结合。在FDD模式的双工模式之下，上下行链路的频谱是不共享的，其衰落特性是不相关的，经常需要用户上报PMI，再在码本中选择有限的几种波束赋形方案来进行。而得益于TDD双工模式下上下行信道频率共享的特性，其信道具有上下行互易特性，基站在下行传输时可利用上行估计的信道信息，这样信道估计的开销将会大大减小，信道信息的获取变得非常便捷，这也使得基于信道质量反馈而实时改变波束赋形策略的非码本波束赋形得以实现，这也是本发明主要研究的波束赋形形式。非码本波束赋形经过多年发展，经过各种测试和验证，8天线双流波束赋形技术的性能优势已经得到充分证明，目前越来越多的运营商倾向于在室外宏基站中选择具有优势的8天线波束赋形技术。
TM7与TM8比较而言，TM7支持的单流波束赋形传输的数据速率较低，适用于用户对速率要求不高的场景，TM8支持的双流波束赋形得益于每个用户可以传输两个不同的数据流，所以单个用户可以获得较高的数据速率，但是两流之间存在流间干扰，所以会导致总的数据速率稍低于两个单流用户之和，因此适用于用户信道条件好且对数据速率要求较高的场合。
目前多用户MIMO的天线选择与调度算法主要基于单流用户，对单流与多流混合的场景研究较少。针对不同流数的传输模式的特点，现有的一部分算法给出了流数选择的方法。文献[1]《Capacity maximization for zero-forcing MIMO-OFDMA downlink systemswith multiuser diversity》(包含分集的MIMO-OFDM下行链路中基于ZF的容量最大化算法)以最大化***吞吐量为目的，给出了在迫零波束赋形条件下单双流的选择标准，通过为不同用户组合选取合适的天线组合来决定每个用户的流数，这样的流数与天线组合将使得注水算法的最佳注水线易于达到，从而极大提升了***吞吐量。但是这一算法的问题在于不能确保用户的公平性，信道条件较差的用户将会难以获得服务机会，而信道条件好的用户会得到过多资源，使得资源分配不合理，同时很多信道条件差的用户由于得不到资源而难以达到目标速率，这对于实时业务来说是影响极大的。文献[2]《Rank adaptivetransmission to improve the detection performance of the BLAST in spatiallycorrelated MIMO channel》(BLAST编码空间相关MIMO信道中用于改进检测性能的秩自适应传输算法)给出的算法在公平性上有所改进，但是依然没有确保具体用户的传输速率可以达到目标速率，这种算法对于非实时业务来说可以接受，但是对于实时业务来说无法达到目标速率将会导致业务的传输出现极大问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术对单流或双流波束赋形传输的数据速率较低、不能确保用户的公平性以及不能确保具体用户的传输速率达到的目标速率而提出的一种波束赋形中基于有效速率的单双流切换方法。
上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
步骤一、假设LTE移动蜂窝通信***的单小区中共有K个用户，每个用户配备Nr根接收天线，小区基站配备Nt根发射天线；通过用户k的反馈信息获得用户k在RBn上时所有接收天线的信道矩阵
其中，RBn为第n个资源块，n＝1,2,3….，N；N为总的资源块数；代表用户k在第n个资源块上第i根接收天线的传输向量；k＝1,2,3，…，K；
步骤二、利用计算信道范数比较信道范数和阈值H0确定在所有Nr根接收天线中选择用户k在第n个资源块实际使用的接收天线数根据确定实际使用的接收天线；
步骤三、建立实际使用的接收天线的用户k与RBn对应关系ρk,n；
步骤四、利用实际使用的接收天线的用户k与RBn对应关系ρk,n计算有效速率
发明效果
本发明方案与传统的固定流数的单流波束赋形、双流波束赋形以及文献《Capacity maximization for zero-forcing MIMO-OFDMA downlink systems withmultiuser diversity》的算法进行对比，从而综合比较性能。
仿真基于5M带宽配置的LTE-A***，信道模型采取TU3模型；图1描述了几种算法有效速率的对比情况。当用户数较少时，由于RB资源非常充足，几乎所有的用户都可以满足自己的目标速率，此时***的有效速率和合速率几乎是相等的，所以以最大化速率为目标的文献[1]《Capacity maximization for zero-forcing MIMO-OFDMA downlink systemswith multiuser diversity》中的算法实现了最高的有效速率。而随着用户数开始增多，资源开始逐渐不能满足所有用户的有效速率，此时我们算法的优势开始逐渐体现。当用户数大于15时，本发明算法始终保持最高的有效速率。对于双流算法来说，由于每个用户传输两个数据流，本身允许支持的用户数就少于单流算法，而双流算法中没有获得资源的用户这一时刻的速率即为0，很难使平均速率达到目标速率。而随着用户数增长，资源的匮乏越来越严重，会出现很多用户难以达到目标速率，所以其性能差于本发明算法，且这种差距随着用户苏增长会进一步拉大。对于单流算法，每个用户只分配一个数据流，当用户数较多时，虽然不会出现很多用户速率为0的情况，但是由于其流数固定，不能根据用户与目标速率的需求动态调整，所以其效果依然差于本发明算法。
图2进一步描述了算法对用户QoS需求的满足能力。如果用户的平均速率达到目标速率，则认为该用户是一个满足的用户。图2给出的即为在不同激活用户数条件下不同算法的满意用户数。当用户较少时，资源充足，几乎所有用户的速率需求都可以被满足，故当K＝10时，因此四种算法几乎没有差异。而随着用户数增多，RB开始逐渐无法满足所有用户时，本发明算法可实现最高的满足用户数。文献[1]《Capacity maximization for zero-forcing MIMO-OFDMA downlink systems with multiuser diversity》算法由于给信道较好的用户分配大量资源，而信道差的用户几乎无法获得资源，所以导致只有少数用户可以满足速率要求，其他用户始终速率较低无法满足要求。传统的流数固定单流或者双流算法由于无法动态根据用户需求进行匹配，所以满足用户数也要低于我们的算法。
公平性则是算法的另一项评价指标。在此我们用加权的Jain’s指数来评价算法公平性。可以看到我们的算法由于考虑了用户的需求，使得每个用户尽可能与自己的目标速率接近，从而实现了良好的公平性。单流波束赋形的算法由于每个用户只传输一流数据，所以各个用户都有更多的机会来接近自己的目标速率，因此也有较好的公平性，但是低于我们的算法。双流算法的公平性明显下降，这是由于随着用户增多，能分配到资源的用户将获得接近于单流用户两倍的吞吐量，而未分配到资源的而用户不能获得任何速率，而随着资源匮乏的加剧，这种不平衡越来越明显，所以其公平性指数下降较快。对于文献[1]《Capacity maximization for zero-forcing MIMO-OFDMA downlink systems withmultiuser diversity》，由于该算法从吞吐量入手完全忽略公平性，所以始终保持最差的公平性。
总的来说，本发明算法在大多数情况下都能保持对用户有效速率的满足，始终保持最高的满足用户数和公平性，并且在***中用户不是很少的情况下一直保持最高的有效速率。在实际通信中，为了扩大容量，往往***中接入的用户较多，在这种场景下更突显了本发明算法的优势。
附图说明
图1为具体实施方式一提出的有效速率与激活用户数的示意图；
图2为具体实施方式一提出的满足用户数与激活用户数示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种波束赋形中基于有效速率的单双流切换方法，具体是按照以下步骤制备的：
针对多用户波束赋形下单流多流混合传输场景，根据用户的信道质量和速率需求为该场景下的每个用户选择合适的传输流数，并依据不同用户的流数和信道条件，完成多用户在RB上的分配，实现了基于有效速率的单双流切换；
步骤一、利用***信道反馈获得用户的信道信息；假设LTE移动蜂窝通信***的单小区中共有K个用户，每个用户配备Nr根接收天线，小区基站配备Nt根发射天线；矩阵RBn的计算依赖于用户的信道矩阵，而在MIMO***中，一个用户可能配备多根接收天线，因此首先通过用户k的反馈信息获得用户k在RBn上时所有接收天线的信道矩阵
(步骤二中计算信道范数比较阈值以及选择天线时都需要用到步骤一的信道矩阵，是步骤一中获得的矩阵里面的一列；而步骤三中计算所用到的也是从步骤一的获得的，就是的一部分(即其中一列))：
其中，RBn为第n个资源块，n＝1,2,3….，N；N为总的资源块数；代表用户k在第n个资源块上第i根接收天线的传输向量；k＝1,2,3，…，K；
步骤二、完成对用户的天线选择；利用计算信道范数比较信道范数和阈值H0确定在所有Nr根接收天线中选择用户k在第n个资源块实际使用的接收天线数根据确定实际使用的接收天线；
步骤三、建立实际使用的接收天线的用户k与RBn对应关系ρk,n，完成用户天线到资源块的分配；
步骤四、接下来介绍有效速率的概念；由于用户之间传输业务的差异性导致不同用户对速率的需求是不同的，我们往往不需要使得***的总传输速率很大，但是需要尽可能让每个用户达到自己的目标速率λk；为了方便***优化，利用实际使用的接收天线的用户k与RBn对应关系ρk,n计算有效速率
本实施方式效果：
在TD-LTE***中，波束赋形通过在发射端的不同天线阵元进行不同的加权，从而形成波束有效提高用户的信干噪比。波束赋形可分为单流和多流，而目前的多流主波束赋形主要是双流，对应3GPP标准中的TM8传输模式。双流用户存在用户内流间干扰，但是由于总的数据流数较大因而可获得较大速率；单流用户虽然不存在流间干扰，但总的速率较小。因而双流波束赋形适合于信道条件好、速率需求高的用户。针对单双流适用场景以及用户自身情况，基于有效速率的单双流切换方法可以有效地解决***中用户的流数选择问题，实现单双流波束赋形自适应切换。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中利用计算信道范数比较信道范数和阈值H0确定在所有Nr根接收天线中选择用户k在第n个资源块实际使用的接收天线数根据确定实际使用的接收天线具体过程为：
1)、除了用户的信道信息，速率需求也是一个决定流数的重要标准；利用r_remaink,n(t)来表征用户的速率需求：
其中，Rk(t-1)为用户k在前t-1个子帧中获得的平均速率，rk,b(t)是用户k在t个子帧上在RBb上获得的速率，实时更新；λk为用户k的目标传输速率；RBb表示第b个RB；ρk,b为实际使用的接收天线的用户k与RBb对应关系；
t×λk为到t个子帧时用户k希望达到的目标累积速率，(t-1)×Rk(t-1)表示了在t之前的t-1个子帧里已经获得的速率，为在第t个子帧目前已经获得的速率，而r_remaink,n(t)即为当前与目标累积速率还相差的速率；
2)、根据步骤一中获得的计算信道的Frobenius范数(Frobenius范数就是以这个命名的Frobenius范数是一个数学概念，属于矩阵分析论里的公知概念，该数学概念在通信理论中被广泛用于表征信道质量)
3)、为了决定双流波束赋形是否会被采用，需要针对信道范数和用户的速率需求设定的阈值H0和剩余速率的阈值r0，当某用户的两项指标同时超过阈值时，可以进一步判断其天线之间的相关性，如果相关性足够好则采用双流波束赋形；
(1)、如果或者r_remaink,n(t)<r0，则用户k在RBn上采用单流传输，令用户k在RBn上传输的数据流数同时，为用户k选择信道范数最大的第l*根天线作为实际使用的接收天线，即则
在不考虑极端传输环境下，认为用户的接收天线之间是相互独立的，即用户传输矩阵为满秩每根接收天线将对应一个不同的数据流，总的数据流数等于选出的天线数，同时K个用户的数据流数与用户传输矩阵的秩相等，即因此，确定传输流数不仅要确定选择的天线数，还应确定究竟选择哪几根天线；
其中，是用户k在RBn上实际使用的天线数目；代表用户k在第n个资源块上第l根接收天线的传输向量，Hk,n为由用户k在RBn上实际选出的天线所组成的传输矩阵；Hk,n是的一个子矩阵，代表用户k在第n个资源块上第l*根接收天线的传输向量；
(2)、如果用户k的且r_remaink,n(t)≥r0，则从用户k的天线中选择相关性系数最小的一对天线(i*,j*)，利用来衡量相关性系数，在得到相关性系数后，选出作为实际使用的接收天线；
其中，ki表示用户k的第i根天线；kj表示用户k的第j根天线；表示用户k的第i根天线和用户k的第j根天线在RBn上的空间相关性系数；计算公式如下：
(3)、设定阈值η0，如果在(2)中选出的天线对(i*,j*)的相关性系数满足则用户k在RBn上采用双流传输，令并令否则若用户k在RBn上采用单流传输，并为用户k选择信道范数最大的第l*根天线作为实际使用的接收天线，即此时
其中，代表用户k在第n个资源块上第i*根接收天线的传输向量，代表用户k在第n个资源块上第j*根接收天线的传输向量；
通过上述过程，所有用户在所有RBn上传输的流数和使用的天线确定下来；这个过程综合考虑了用户的信道质量和速率需求，并且能够根据用户实时速率动态调整，实现了单双流波束赋形的自适应切换；
但是一般来说，传输的数据流数很可能小于用户的接收天线总数，在不考虑分集接收的条件下，可能只需要选用比较少的天线即可；因此将所有Nr根接收天线中选择用户k在第n个资源块实际使用的接收天线数(用户k在第n个资源块上第i根接收天线的传输向量的实际的个数)由根实际使用的接收天线组成实际的传输矩阵矩阵为的子矩阵；
流数确定主要目的是为了确定用户传输的数据流数；由于双流波束赋形可以同时传输两个数据流提供更高的和速率，但是两流之间的干扰会对和速率产生一定影响，所以适用于信道条件较好、速率需求较高的用户；根据用户信道状况和需求速率确定流数；
用户的信道状况分解为用户的信道质量和天线空间相关性两个变量；用户的信道质量为用户在传输信道上的衰落情况；用户在信道上的衰落情况具体计算过程为：计算用户的信道范数来表征用户的信道接收的信号强度。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三中建立实际使用的接收天线的用户k与RBn对应关系ρk,n具体过程：
步骤二已经完成了用户流数确定以及天线空间的确定，但是这种流数的确定仅仅是指示了当用户k被分配到RBn上时即将采用的传输模式，而实际上用户k是否会被分配到RBn上是不确定的，在用户k选择过程中，要解决不同RB上的用户组合问题，从而完成结合步骤二中流数确定的结果来完成一个相对完整的调度过程；为了选取用户间干扰较小的用户组合，在用户选择中我们将继续使用空间相关性系数的概念，不同之处在于这里的是用于评估用户间的干扰大小；除了用户间干扰，用户本身在RB上的信道条件也是我们考虑的因素之一，
(1)、将所有RB分配的用户编号放入用户集合Ui中；
(2)、在RBn上，选择具有最小值rk(t)/λk的用户，分配到RBn上；将用户k加入RBn的用户集合Un中，并将步骤二中用户k在RBn实际使用的接收天线集合An中，令ρk,n＝1表示实际使用的接收天线的用户与RBn对应关系；
其中，rk(t)为用户k在第t个子帧的用户原始传输数据的传输速率；λk为目标速率；ρk,n为分配指示符；
(3)、计算在RBn上用户k在RBn实际使用的接收天线和没有分配到RBn上的用户的天线之间的平均空间相关性系数的方法如下：
其中，ki为用户k的第i根天线；mj为用户m的第j根天线；Tm,n表示的是用户m在RBn上的天线集合，card表示集合的元素个数；表示的是对于空间相关性的计算；
其中，表示第用户k的第i根天线传输向量，表示RBn上用户m的第j根天线传输向量，为用户k的第i根天线和用户m的第j根天线在RBn上的空间相关性系数，可用于评估两根天线传输的数据流之间的干扰大小；的值越大，可认为用户k的第i根天线和用户m的第j根天线之间的干扰越大；
(4)、从在RBn上未实际使用接收天线的用户中选取L个值最小的用户，从L个用户中选择用户f，用户f的选择条件是的数值最大；
其中，rk,n代表该用户k在当前子帧下在RBn上获得的速率；这里的L是为了综合平衡用户信道质量和用户间干扰设立的用户参数，在本发明中，L取值min{card(Ui),Nt/Nr}；代表在RBn上所有已经分配到RBn上的天线和未分配到RBn上的天线之间的平均空间相关性系数；
(5)若用户f加入RBn之后，不能让RBn上包括f在内的所有用户和速率有所提升(由于f的加入引入了新的干扰，此时该RB上所有用户的和速率未必一定提高)，则不将用户f分配到RBn上，同时停止在该RB上的所有用户分配工作，不再继续为该RB选择用户；如果RBn上包括f在内的所有用户的速率之和提高，则将用户f分配到RBn上(即：把用户f的编号加入RBn的用户集合Un，Un＝Un∪{f})，并令ρf,n＝1，更新用户集合Un和天线集合An重复上述(3)和(4)过程直到card(An)＝Nt即完成RBn上的用户选择过程；ρf,n表示用户f的分配指示符；k＝1,2,3，…，f…，K
(6)完成选择RBn上的用户后，计算用户k在T个子帧里的平均传输速率Rk，若Rk≥λk，则将用户k移出集合Ui；k＝1,2,3，…，K；若Rk<λk，则将用户k保留在集合Ui中，完成选择RBn上的用户；
(7)令n＝n+1，重复步骤(2)至(6)，直到n＝N即完成建立实际使用的接收天线的用户k与RBn对应关系ρk,n。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：计算用户k在T个子帧里的平均传输速率Rk具体过程为：
在基站端，信号经过串并转换并经过预编码波束赋形发射到传输信道后到达用户接收端；在功率平均分配的情况下，接收端的用户k接收到的信号yk,n表示为：
其中，是用户k的原始传输数据，nk为高斯白噪声；Wj,n为用户j在RBn上的波束赋形矩阵；xj,n是用户j的原始传输数据，d为Sk,n中每一个数据流中数据的个数；xk,n,S用户k在RBn上的第S流的原始数据；S＝1,2，...，Sk,n；每个用户传输的数据流数为S；用户k在RBn(Resouce Block，资源块)上的波束赋形矩阵Wk,n(基站根据用户的信道矩阵Hk,n，通过预编码计算得到波束赋形矩阵Wk,n；利用用户的信道矩阵Hk,n和波束赋形矩阵Wk,n，可以计算其信干噪比γk,n如下：
其中，为用户k在RBn上的噪声功率，LTE***采用自适应调制编码策略，在计算得到信干噪比后，LTE***将会根据γk,n的数值为用户k选择合适的调制、编码方式及码速率，在接收端根据用户实际接收到的数据量来计算用户k在RBn的速率rk,n；高的γk,n值通常对应较高的调制阶数和码速率，因而会使得用户接收端测得的rk,n数值较大，rk,n与γk,n成正相关关系；Hj,n为用户j在RBn上的传输矩阵；
对于用户k在RBn(Resouce Block，资源块)上的波束赋形矩阵Wk,n表示为：
wk,n,S是第k个用户第n个资源块的第s流数据在发射端的发射权值；Sk,n是用户k在RBn上的传输数据流数；k＝1,2,3，…，K；
由于分集技术主要应用于用户信道质量极差的场景，而通常来说波束赋形技术不会应用于这类用户，所以不考虑多天线分集的场景下，(3)式中代表来自其他用户的干扰，用户的信干噪比与接收信号功率成正相关，用户的信干噪比、用户间干扰以及白噪声功率成反相关；
1)由于在LTE***中自适应调制编码技术的采用，信干噪比SINR的高低直接决定了传输速率的大小；用户k在当前子帧中的传输数据的比特速率rk由下式表示：
其中，rk,n表示用户k在RBn上获得速率，若ρk,n＝1则表示用户k分配在RBn上，否则用户k不分配在RB n上；
2)根据rk计算得到Rk：
Rk表示用户k在T个子帧里的平均传输速率；当Rk小于目标速率λk，该用户的QoS要求没有被满足；根据计算结果，评估算法的性能，并且确定是否要对***做出调整。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤四中有效速率概念定义如下：
其中，表示用户k在T个子帧里的平均传输速率，rk(t)表示rk中用户k在当前第t个子帧时获得的速率；rk为用户k在当前子帧中的传输数据的比特速率；而T的大小取决于用户的QoS(Quality of Service，服务质量)要求；当Rk大于等于目标速率λk，用户k满足QoS要求；当Rk小于目标速率λk，该用户的QoS要求没有被满足；根据计算结果，评估算法的性能，并且确定是否要对***做出调整；
所以不同于传统优化问题的做法，优化目标为最大化***的和有效速率，即：
ρk,n和Hk,n不仅需要解决用户在RB上的分配，更重要的则是解决用户的流数切换问题；
要得到ρk,n和Hk,n的最优解，直接的方法是采取遍历搜索，将所有用户的流数情况及用户组合都进行尝试，选出最优解；然而该方法计算量过大，在实际***中完全无法应用；为了能够在可实行的复杂度下实现该问题求解，选取秩自适应的流数切换方法以用户的信道质量、速率需求和天线相关性等指标作为考量依据，判定用户的单流波束赋形或双流波束赋形传输模式，实现实时天线数目和速率需求匹配的自适应流数调整；其中，秩自适应的流数切换方法包括流数确定与用户选择两个主要部分
通过这样的用户选择，我们不仅保证了每个RB上的用户信道质量较好，还最大限度保证了用户间的低干扰，同时避免了遍历搜索带来的极高复杂度。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种波束赋形中基于有效速率的单双流切换方法，具体是按照以下步骤制备的：
原理：假设***中共有K个用户，每用户配备Nr根接收天线，基站配备Nt根发射天线，单一用户传输的数据流数为S。对于用户k，其在RBn上的波束赋形矩阵可以表示为：
其中wk,s是第k个用户的第s流数据在发射端的发射权值。Sk,n是用户k在RB n上的传输数据流数。用户k在RB n上的全部接受天线的传输矩阵可以表示为：
其中代表用户k的第i根接收天线的传输矩阵。但是一般来说，我们传输的数据流数很可能小于用户的接收天线总数，在不考虑分集接收的条件下，可能只需要选用比较少的天线即可。因此我们将会从所有Nr根接收天线中选择根作为实际的接收天线，从而形成实际的传输矩阵该矩阵为的子矩阵。在此我们不考虑极端传输环境，认为用户的接收天线之间是相互独立的，即用户传输矩阵为满秩此时每根接收天线将对应一个不同的数据流，总的数据流数等于选出的天线数，同时也与传输矩阵的秩相等，即因此，确定传输流数不仅要确定选择的天线数，还应确定究竟选择哪几根天线。
在基站端，信号经过串并转换并经过预编码波束赋形发射出去，经历传输信道后到达接收端。在功率平均分配的情况下，接收端的用户k接收到的信号可以表示为：
是用户k的原始传输数据，nk为高斯白噪声。由于分集技术主要应用于用户信道质量极差的场景，而通常来说波束赋形技术不会应用于这类用户，所以此处我们不考虑多天线分集的场景。(3)式中第二项代表来自其他用户的干扰，用户的信干噪比与接收信号功率成正相关，与用户间干扰以及白噪声功率成反相关，由于在LTE***中自适应调制编码技术的采用，信干噪比SINR的高低直接决定了传输速率的大小。SINR的计算和用户的传输矩阵、波束赋形矩阵以及资源分配方式都有关系，根据SINR的值可根据LTE***中的CQI与SINR对照表，确定相关的调制方式和码速率，进而用户k在RBn上的传输速率rk,n，而用户总的传输速率rk可由下式表示：
其中，rk,n表示用户k在RB n上获得速率，ρk,n为分配指示符，若ρk,n＝1则表示用户k分配在RBn上，否则用户k不分配在RBn上。
接下来介绍有效速率的概念。由于用户之间传输业务的差异性导致不同用户对速率的需求是不同的，我们往往不需要使得***的总传输速率很大，但是需要尽可能让每个用户达到自己的目标速率λk。为了方便***优化，我们引入有效速率概念定义如下：
其中，表示用户k在T个子帧里的平均传输速率，而T的大小取决于用户的QoS(Quality of Service，服务质量)要求；当Rk小于目标速率λk，该用户的QoS要求没有被满足。
该问题不仅需要解决用户在RB上的分配，更重要的则是解决用户的流数切换问题。
要得到ρk,n和Hk,n的最优解，直接的方法是采取遍历搜索，将所有用户的流数情况及用户组合都进行尝试，选出最优解。然而该方法计算量过大，在实际***中完全无法应用。为了能够在可实行的复杂度下实现该问题求解，我们提出了一种秩自适应的流数切换方法，该方法以用户的信道质量、速率需求、天线相关性等指标作为考量依据，综合地判定用户的单流或双流传输模式，实现实时匹配的自适应流数调整。该方法可以分为两个主要部分：流数确定与用户选择。
1.流数确定
流数确定的主要目的是为了确定用户传输的数据流数。由于双流波束赋形可以同时传输两个数据流提供更高的和速率，但是两流之间的干扰会对和速率产生一定影响，所以适用于信道条件较好、速率需求较高的用户。针对这一特点，我们从用户信道状况和速率需求两个角度出发来确定流数。
在这里，用户的信道状况被我们分解为用户的信道质量和天线空间相关性两个变量。前者代表了用户在传输信道上的衰落情况，后者则可以表征用户不同天线之间的干扰大小从而估计用户内流间干扰的大小。为了体现用户在信道上的衰落情况，我们计算用户的信道范数来表征其接收的信号强度。对于空间相关性的计算，我们引入变量定义如下：
其中ki表示用户k的第i跟天线，mj表示用户m的第j根天线，表示用户k的i根天线和用户m的第j根天线在RBn上的空间相关性系数，可用于评估两根天线传输的数据流之间的干扰大小。的值越大，可认为ki与mj之间的干扰越大。
除了用户的信道信息，速率需求也是一个决定流数的重要标准。我们通过用户目前已经获得的速率与其目标速率的差值r_remaink,n(t)来表征用户的速率需求：
Rk(t-1)是用户k在前t-1个子帧中已经获得的平均速率，rk,b(t)是用户k在当前TTI(Transmission Time Interval)上在RBb上获得的速率，实时更新。
为了决定双流波束赋形是否会被采用，我们需要针对信道范数和速率需求设定阀值H0、r0，当某用户的两项指标同时超过阀值时，可以进一步判断其天线之间的相关性，如果相关性足够好则采用双流波束赋形。具体的步骤如下：
(1)对于所有用户集合U中的用户，计算其在第t个传输时间间隔(TransmissionTime Interval,TTI)上的信道范数和剩余速率需求r_remaink,n(t)，如果或者r_remaink,n(t)<r0，则该用户在RBn上采用单流传输，令同时，为该用户选择信道范数最大的一根天线l*作为接收天线，即
(2)对于满足且r_remaink,n(t)≥r0的用户，从该用户的所有天线中选择相关性系数最小的一对天线，即
(3)如果则用户k在RBn上采用双流传输，令并令否则，该用户在RBn上依然采用单流传输，并为其找出信道范数最大的一根天线
通过上述过程，所有用户在所有RB n上传输的流数和使用的天线确定下来。这个过程综合考虑了用户的信道质量和速率需求，并且能够根据用户实时速率动态调整，实现了单双流波束赋形的自适应切换。
2.用户选择
在上个过程中，我们已经完成了用户流数确定以及天线空间的确定，但是这种流数的确定仅仅是指示了当用户k被分配到RBn上时即将采用的传输模式，而实际上用户k是否会被分配到RBn上是不确定的。在用户选择过程中，我们正是要解决不同RB上的用户组合问题，从而完成结合上一步中流数确定的结果来完成一个相对完整的调度过程。为了选取用户间干扰较小的用户组合，在用户选择中我们将继续使用空间相关性系数的概念，不同之处在于这里的是用于评估用户间的干扰大小。除了用户间干扰，用户本身在RB上的信道条件也是我们考虑的因素之一。整个用户选择的过程如下：
(1)将所有尚需要RB分配的用户放入可用用户集合Ui。
(2)在RBn上，选择具有最小值rk(t)/λk的用户，分配到RB n上。将用户k加入RBn的用户集合Un，并将k的天线集分配到n的天线集合An中，令
(3)在RBn上计算所有已经分配到n上天线和其他用户的天线之间的平均空间相关性系数，其计算方法如下：
(4)从中选取L个值最小的用户，从这L个用户中挑出最大的用户；这里的rk,n代表该用户在当前TTI下在RBn上获得的速率。这里的L是为了综合平衡用户信道质量和用户间干扰设立的用户参数，在本发明中，L取值min{card(Ui),Nt/Nr}。
(5)若选出的用户可以提升整个RB的和速率，则将其分配到该RB上，并重复上述(3)、(4)过程直到完成对该RB的用户选择。否则的话不进行分配，同时终止在该RB上的用户选择。
(6)完成一个RB的分配后，计算所有用户的已达速率，若已经满足要求，则将其移出可用用户集合Ui。
(7)重复上述步骤(2)至(6)，直到所有RB都完成用户选择。
通过这样的用户选择，我们不仅保证了每个RB上的用户信道质量较好，还最大限度保证了用户间的低干扰，同时避免了遍历搜索带来的极高复杂度。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种波束赋形中基于有效速率的单双流切换方法，其特征在于：一种波束赋形中基于有效速率的单双流切换方法具体是按照以下步骤进行的：
步骤一、假设LTE移动蜂窝通信***的单小区中共有K个用户，每个用户配备Nr根接收天线，小区基站配备Nt根发射天线；通过用户k的反馈信息获得用户k在RBn上时所有接收天线的信道矩阵
其中，RBn为第n个资源块，n＝1,2,3…，N；N为总的资源块数；代表用户k在第n个资源块上第i根接收天线的传输向量；k＝1,2,3，…，K；
步骤二、利用计算信道范数比较信道范数和阈值H0确定在所有Nr根接收天线中选择用户k在第n个资源块实际使用的接收天线数根据确定实际使用的接收天线具体过程为：
1)、利用r_remaink,n(t)来表征用户的速率需求：
其中，Rk(t-1)为用户k在前t-1个子帧中获得的平均速率，rk,b(t)是用户k在t个子帧上在RBb上获得的速率；λk为用户k的目标传输速率；RBb表示第b个RB；ρk,b为实际使用的接收天线的用户k与RBb对应关系；
2)、根据步骤一中获得的计算信道的Frobenius范数
3)、设定的阈值H0和剩余速率的阈值r0；
(1)、如果或者r_remaink,n(t)<r0，则用户k在RBn上采用单流传输，令用户k在RBn上传输的数据流数同时，为用户k选择信道范数最大的第l*根天线作为实际使用的接收天线，即则
其中，是用户k在RBn上实际使用的天线数目；代表用户k在第n个资源块上第l根接收天线的传输向量，Hk,n为由用户k在RBn上实际选出的天线所组成的传输矩阵；Hk,n是的一个子矩阵，代表用户k在第n个资源块上第l*根接收天线的传输向量；
(2)、如果用户k的且r_remaink,n(t)≥r0，则从用户k的天线中选择相关性系数最小的一对天线(i*,j*)，利用来衡量相关性系数，在得到相关性系数后，选出作为实际使用的接收天线；
其中，ki表示用户k的第i根天线；kj表示用户k的第j根天线；表示用户k的第i根天线和用户k的第j根天线在RBn上的空间相关性系数；计算公式如下：
(3)、设定阈值η0，如果在(2)中选出的天线对(i*,j*)的相关性系数满足则用户k在RBn上采用双流传输，令并令否则若用户k在RBn上采用单流传输，并为用户k选择信道范数最大的第l*根天线作为实际使用的接收天线，即此时
其中，代表用户k在第n个资源块上第i*根接收天线的传输向量，代表用户k在第n个资源块上第j*根接收天线的传输向量；
步骤三、建立实际使用的接收天线的用户k与RBn对应关系ρk,n具体过程：
(1)、将所有RB分配的用户编号放入用户集合Ui中；
(2)、在RBn上，选择具有最小值rk(t)/λk的用户，分配到RBn上；将用户k加入RBn的用户集合Un中，并将步骤二中用户k在RBn上实际使用的接收天线添加到集合An中，令ρk,n＝1表示实际使用的接收天线的用户与RBn对应关系；
其中，rk(t)为用户k在第t个子帧的用户原始传输数据的传输速率；λk为目标速率；ρk,n为分配指示符；
(3)、计算在RBn上用户k在RBn实际使用的接收天线和没有分配到RBn上的用户的天线之间的平均空间相关性系数的方法如下：
其中，ki为用户k的第i根天线；mj为用户m的第j根天线；Tm,n表示的是用户m在RBn上的天线集合，card表示集合的元素个数；表示的是对于空间相关性的计算；
其中，表示第用户k的第i根天线传输向量，表示RBn上用户m的第j根天线传输向量，为用户k的第i根天线和用户m的第j根天线在RBn上的空间相关性系数；
(4)、从在RBn上未实际使用接收天线的用户中选取L个值最小的用户，从L个用户中选择用户f，用户f的选择条件是的数值最大；
其中，rk,n代表该用户k在当前子帧下在RBn上获得的速率；L取值min{card(Ui),Nt/Nr}；代表在RBn上所有已经分配到RBn上的天线和未分配到RBn上的天线之间的平均空间相关性系数；
(5)若用户f加入RBn之后，如果RBn上包括f在内的所有用户的速率之和提高，则将用户f的编号加入RBn的用户集合Un，Un＝Un∪{f}并令ρf,n＝1，更新用户集合Un和天线集合An重复上述(3)和(4)过程直到card(An)＝Nt即完成RBn上的用户选择过程；ρf,n表示用户f的分配指示符；k＝1,2,3，…，f…，K；
(6)完成选择RBn上的用户后，计算用户k在T个子帧里的平均传输速率Rk，若Rk≥λk，则将用户k移出集合Ui；k＝1,2,3，…，K；若Rk<λk，则将用户k保留在集合Ui中，完成选择RBn上的用户；
(7)令n＝n+1，重复步骤(2)至(6)，直到n＝N即完成建立实际使用的接收天线的用户k与RBn对应关系ρk,n；
步骤四、利用实际使用的接收天线的用户k与RBn对应关系ρk,n计算有效速率
2.根据权利要求1所述一种波束赋形中基于有效速率的单双流切换方法，其特征在于：计算用户k在T个子帧里的平均传输速率Rk具体过程为：
1)用户k在当前子帧中的传输数据的比特速率rk由下式表示：
其中，rk,n表示用户k在RBn上获得速率，若ρk,n＝1则表示用户k分配在RBn上；
2)根据rk计算得到Rk：
3.根据权利要求2所述一种波束赋形中基于有效速率的单双流切换方法，其特征在于：步骤四中有效速率概念定义如下：
其中，表示用户k在T个子帧里的平均传输速率，rk(t)表示rk中用户k在当前第t个子帧时获得的速率。
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