CN1805304A - 具有自适应能力的多天线***及其跨层方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有自适应能力的多天线***及其跨层方法。根据估计出的信道状态信息(CSI)计算每根发射天线对应的接收信噪比(SNR)并反馈到发送端；选择发射天线，并对选定的发射天线分配相等的发射功率；根据该选定的天线子集中最小SNR来选择自适应调制编码阶数，使得每根天线的调制编码方式均能与SNR相适应而保持***合理的吞吐量。在媒体接入控制层(MAC)层，利用物理层(PHY)提供的CSI，提出天线－用户调度算法，按天线端的SNR从高到低顺序利用比例公平调度算法把发射天线分给不同用户，在空域实现多用户分集，PHY－MAC的联合设计使***多用户接入时能适应物理信道变化。

Description

具有自适应能力的多天线***及其跨层方法

技术领域

本发明涉及空分复用多输入多输出(MIMO)***中物理层(PHY)与媒体接入控制层(MAC)的跨层方法及装置。

背景技术

随着无线网络、多媒体技术和因特网的逐渐融合，人们对无线通信业务的类型和质量的要求越来越高。为满足无线多媒体和高速率数据传输的要求，需要开发新一代无线通信***。新一代无线***中，从物理层、媒体接入控制层到网络层，将广泛采用一些新技术，如多天线输入和输出、正交频分复用(OFDM)、分组调度等。

MIMO***是指在发送和接收端使用多元天线阵列，它能显著提高***容量和无线传输链路质量(误比特率BERs)。利用MIMO技术提高***容量和传输质量的方式包括两类：空分复用(SM)和空间分集(SD)。空分复用的典型应用实例是由Foschini等提出的Bell实验室分层空时结构(BLAST)(参见文献[1])，它把整个数据流分解成若干个单独的子数据流从多幅天线并行发送；在接收天线的数量大于或等于发射天线的数量时，BLAST的信道容量与发射天线的数量成线性关系，这推广了香农定理。空间分集是利用发送、接收天线间的多径传播而提高***鲁棒性；它包括接收分集(空间合并)和发送分集(TD)，TD的应用示例如空时编码(STC)(参见文献[2])，这包括Tarokh等提出的空时格码(STTC)和Alamouti等提出的空时分组码(STBC)等。在目前的基于码分多址(CDMA)的第三代移动通信技术标准中，利用MIMO开发了高速下行分组接入(HSDPA)技术，大大提高了***传输速率。

作为面向新一代无线信息网络而提出的MIMO与OFDM相结合的MIMO OFDM传输技术也受到广泛关注。MIMO与OFDM相结合的MIMO OFDM技术具有两者的优点，它既通过OFDM调制把频率选择性MIMO衰落信道分解成一组并行平坦衰落信道，又利用MIMO提高了***容量，适用于传输高速率、高质量的多媒体业务。

在采用先进的无线传输技术提高***的传输速率的同时，还必须保证***中多用户接入时的服务质量。因此，需要针对无线网络带宽有限、信道的时变性和业务突发性等特点，提出有效的实时分组调度和资源分配方法。

从***的角度看，新一代无线网络的空中接口应具有环境自适应能力，所谓环境自适应，主要指衰落平面(信噪比SNR、载干比CIR等)自适应、空间平面(如空间相关)自适应、速度平面(如多普勒频移)自适应、场景平面(如多径分布)自适应等。为此，需要把物理层技术和MAC层技术联系在一起综合考虑，即跨层设计。与传统的层间独立不同，本发明提出一种针对多用户多天线***的跨层设计方案。它既注意到物理层技术对无线资源调度、管理策略的影响，也注意到屏蔽物理层技术对无线资源管理策略的不利影响，使处在不同通信环境的终端用户能够依据其预约业务属性享受到相应的***服务。

参考文献列表：

[1]G.J.Foschini、M.J.Gans发表在Wireless PersonalCommunications，1998年6(3)第311-335页上的On limits ofwireless communications in fading environment when usingmultiple antennas。

[2]V.Tarokh、N.Scshadri、A.R.Calderband发表在IEEE Trans.On IT，1998年44(2)第744-765页上的Space-time codes for highdata rate wireless communication：Performance critierion andcode construction。

[3]D.A.Gore、R.U.Nabar、A.Paulraj发表在IEEE ICASSP(伊斯坦布尔，土耳其，2000年)第2785-2788页上的Selecting anoptimal set of transmit antennas for a low rank matrix channel。

[4]F.Molisch、M.Z.Win、J.H.发表在IEEE ICC(阿姆斯特丹，荷兰，2001年)第570-574页上的Capacity of MIMO systemswith antenna selection。

[5]R.W.Heath、Jr.Sumeer Sandhu、A.Paulraj发表在IEEEcommunication letters，2001年5(4)第142-144页上的Antennaselection for spatial multiplexing systems with linearreceivers。

[6]S.Sandhu、R.U.Nabar、D.A.Gore、A.Paulraj发表在IEEE第34届Asimomar Conference on Signals，Systems andComputers(普林斯顿，新泽西，2000年)第567-571页上的Near-optimal selection of transmit antennas for a MIMO channelbased on shannon capacity。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有环境自适应能力的空分复用多天线***的天线选择-自适应调制方法和模块。

本发明的另一个目的是提供一种多天线***的天线-用户调度方法和调度装置。

本发明的再一个目的是提供一种多天线***的物理层和媒体接入控制层的方法和装置。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提出了一种用于多天线***的天线选择-自适应调制方法，包括以下步骤：在接收端，估计出信道状态信息，所述信息包括各信道衰落系数和每幅发射天线对应的接收信噪比；以及把这些信息发送回发送端；在发送端，选择容量较优的多根天线；在选定的多根天线中分配相等的发射功率给每根天线；对每根天线的信噪比排序，选择出最小的信噪比；以及根据选定的信噪比来选择自适应调制的阶数。

优选地，在发送端，可以利用注水算法选择容量较优的多根天线。

优选地，在接收端，可以利用反馈信道，将信道状态信息返送到发送端。

根据本发明的第二方面，提出了一种用于多天线***的天线选择-自适应调制模块，包括：容量计算模块，用于计算分配给每根发射天线的功率；天线选择模块，用于选择功率较大的多幅天线；功率分配模块，用于在发射总功率约束条件下，给每幅天线分配相等的功率；排序模块，用于根据每幅发射天线对应的接收信噪比，对所述多幅天线的信噪比从低到高排序；以及调制阶数选择模块，用于根据最低的信噪比来选择调制的阶数。

优选地，所述容量计算模块可以利用注水算法计算分配给所有发射天线的功率。

根据本发明的第三方面，提出了一种用于多天线***的天线-用户调度方法，包括以下步骤：存储初始化变量，所述初始化变量包括用户的平均数据速率、用户请求从每根发射天线发送的数据速率、以及用户的当前数据速率；把每根发射天线对应的接收信噪比排序；计算每个用户的请求发送速率与平均数据速率之比；选择最大比例的用户作为目标用户；将分配当前时隙给目标用户；对目标用户的平均速率更新；以及对天线序号作判断，若已对信噪比最低的天线进行了调度，则结束；否则，转至上述排序步骤进行循环处理。

根据本发明的第四方面，提出了一种用于多天线***的天线-用户调度装置，包括：存储模块，用于存储初始化变量，所述初始化变量包括用户的平均数据速率、用户请求从每根发射天线发送的数据速率、以及用户的当前数据速率；排序模块，用于把每根发射天线对应的接收信噪比排序；计算模块，用于计算每个用户的请求发送速率与平均数据速率之比；选择模块，用于选择最大比例的用户作为目标用户；分配模块，用于将分配当前时隙给目标用户；更新模块，用于对目标用户的平均速率更新；以及判决模块，用于对天线序号作判断，若已对信噪比最低的天线进行了调度，则结束；否则，按照排序模块产生的顺序依次进行调度处理。

根据本发明的第五方面，提出了一种用于多天线***的物理层和媒体接入控制层的方法，包括以下步骤：在物理层，应用上述本发明第一方面中所提出的天线选择-自适应调制方法，给出信道状态信息和天线选择结果；以及在媒体接入控制层，根据物理层所给出的信道状态信息和天线选择结果，应用上述本发明的第三方面中所提出的天线-用户调度方法，把每根发射天线分配给不同的用户。

根据本发明的第六方面，提出了一种用于多天线***的物理层和媒体接入控制层的装置，包括：上述本发明第二方面中所提出的天线选择-自适应调制装置，给出信道状态信息和天线选择结果；以及上述本发明第四方面中所提出的天线-用户调度装置，根据由所述天线选择-自适应调制装置提供的信道状态信息和天线选择结果，把每根发射天线分配给不同的用户。

优选地，本发明可应用于多输入多输出码分多址***。

优选地，本发明可应用于多输入多输出正交频分复用***。

本发明中，考虑空分复用MIMO***的下行链路，发送端(基站BS)安装N_t根天线，在每个用户接收端安装N_r根天线。

在采用空分复用工作模式的MIMO***中，由于各天线阵元间存在互耦，使得信道矩阵为低秩而降低其容量。结合MIMO信道矩阵特性，分别进行发射天线选择或接收天线选择是一种能提高容量并降低***复杂度的有效技术。因接收天线的选择不会提高容量，故本发明中仅采用发射天线选择。

根据信道的空间衰落相关特性而进行的天线选择，使***具有空间平面(空间相关)自适应能力。另一方面，采用自适应调制编码(AMC)方式使***在衰落平面自适应能力。同时采用天线选择和AMC技术可以使***具有空间平面和衰落平面自适应能力，为此，本发明提出一种设计方案，它在进行天线选择的同时并保证AMC能提高***吞吐量。

在本发明提出的AMC-天线选择方案中，先把接收机通过信道估计获得信道状态信息(CSI)反馈到发射端天线选择模块，然后采用注水(Water Filling：WF)算法计算N_t根发射天线中的功率分配，选出将被分配给较大功率的k根天线(天线子集)，并在选定的k根发射天线中重新分配相等的发射功率。

在选择出发射天线子集后，需要根据该天线子集的信道条件选择合适的调制编码方式。为此，首先计算每根发射天线对应的接收信噪比SNR_k；然后，根据其中最小的SNR_k选择AMC的阶数。这里，基于低信噪比时选择低阶调制，较高信噪比时选择高阶调制的原则，按照接收信噪比所属区间范围来选择调制阶数。

这样，AMC和天线选择的联合设计方法能使***具有信道空间、衰落平面的自适应特性。

实际应用中，需考虑到***必须支持多用户接入的情况，下面提出多用户MIMO***PHY和MAC的联合设计方法。

多用户MIMO***中，可以利用多用户分集(MuD)跟踪各个用户不同的衰落信道特征，提高无线资源的利用率。实现多用户分集的有效途径是调度，调度的目标是让不同业务速率的用户公平地接入共享信道，CDMA 2000高速率数据业务(HDR)采用比例公平调度(PFS)算法实现多用户分集。一般多天线***的PFS算法中，所有的空间子信道被分配给一个用户，在用户域实现了MuD。进一步，本发明提出空域用户分集(天线-用户调度：AU-PFS)算法，它把每根发射天线分给不同用户，在空域、用户域实现多用户分集。该算法中，从最高SNR的天线(空间子信道)开始，利用PFS算法计算出分配时隙的目标用户，直到最低SNR的天线结束。

在多用户分集的MIMO***中，本发明的AU-PFS算法利用了信道变化(反映在CSI)、天线的特征，而使得MAC与PHY相适应。

概括起来，本发明的具有下列优点：

AMC-天线选择的联合设计：首先，根据估计出的信道状态信息CSI(信道矩阵系数、SNR等)计算每根发射天线对应的接收SNR；然后，采用WF法选择最优的k根天线，并在选定的k根发射天线中重新分配相等的发射功率；最后，根据该天线子集中最小SNR来选择AMC阶数。这使得被选择天线端的调整编码方式均能与SNR相适应而保持***合理的吞吐量。

PHY-MAC的联合设计：在MAC层，利用物理层提供的CSI和天线选择结果，提出天线-用户调度算法，把每根发射天线分给不同用户，在空域、用户域实现多用户分集，使***多用户接入时能适应物理信道变化。

上述联合设计方法中，均采用同样的反馈信息并利用同一反馈信道以降低反馈误差对***性能的影响。同时，***可工作在频分双工(FDD)或时分双工(TDD)两种方式下，若采用TDD方式，可降低***反馈开销。

本发明适方法适用于MIMO CDMA(单载波)和MIMO OFDM(多载波)两类不同多天线***。

附图说明

下面将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中：

图1示出了根据本发明实施例的多用户MIMO OFDM***；

图2是示出了如图1所示的天线选择-自适应调制装置134的结构的方框图；

图3是示出了天线选择-自适应调制方法的操作的流程图；

图4是示出了一般的PFS算法的操作的流程图；

图5是示出了如图1所示的天线-用户调度装置133的结构的方框图；以及

图6是示出了根据本发明的SM MIMO的AU-PFS方法的操作的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。

图1示出了根据本发明实施例的多用户MIMO OFDM***。

考虑采用空分复用工作模式的MIMO***的下行链路(广播信道)，发送端(基站BS)安装N_t根天线，在每个用户接收端安装N_r根天线。

在发送端，输入比特流经串/并变换(101)后复用到每根发射天线端110。对每根天线支路端110的比特流，编码器102对输入比特流进行信道编码以抗噪声。交织器103对编码器102的输出进行交织处理以降低比特流相关性。调制器104将交织器103的输出比特流调制为符号流。***导频模块105完成在发送符号流中***用于定时、信道估计的导频序列。IDFT处理器106对调制符号流作N_c点逆离散傅氏变换(IDFT)。CP模块107对IDFT处理后的符号流加入循环前缀(CP)。射频(RF)链108把基带符号经载波调制后送入到射频开关模块109，射频开关模块109选择发射天线并把信号发射到信道。

其中，天线选择-自适应调制模块134根据天线选择结果和信噪比信息，选择合理的调制方式。天线-用户调度算法模块133利用从反馈信道获得的天线选择结果和发射天线对应的接收信噪比信息对各个用户的无线资源进行分配与调度。

在接收端，(以用户1接收机来说明，但应当理解，这种描述并非限制性的，其可以类似地应用于其他用户的接收机)RX模块114把接收到的载波信号下变频为基带符号。同步模块115完成帧同步、跟踪。移除CP模块116把OFDM符号的循环前缀删除。DFT模块117进行N_c点离散傅氏变换DFT。信道估计模块119利用发送的导频序列估计出各信道增益系数和每根发射天线对应的接收信噪比，并利用反馈信道把估计结果反馈到媒体接入控制层(MAC)的调度器111、RF开关模块109和自适应调制编码(AMC)方式选择模块112。接收信号处理模块118进行解调、解交织、译码后输出信息比特流。

空分复用工作模式的MIMO***的主要优势是能获得高的信道容量(频谱效率)，但其容量也受到MIMO信道特性的影响。特别是由于各天线阵元间存在互耦使得信道矩阵为低秩时，通常会降低其容量。且MIMO无线***中，为获得分集或复用增益，通常要求基站天线的间隔为数十个波长，用户终端天线的间隔为一个波长量级。大的天线间隔增加了BS的尺寸和成本。因此，低复杂度的MIMO***一直是寻求的目标。结合MIMO信道矩阵特性，分别进行发射天线选择或接收天线选择是一种能提高容量并降低***复杂度的有效技术。

下面分析天线选择的原理。在具有N_t根发射天线和N_r根接收天线的MIMO***中，接收信号可表示为

Y＝HX+n                                             (1)

式中 $Y={\left[\begin{array}{ccc}{y}_1& ...& y_{N_r}\end{array}\right]}^T$ 为接收信号向量， $X={\left[\begin{array}{ccc}{x}_1& ...& x_{N_t}\end{array}\right]}^T$ 为发射信号向量， $n={\left[\begin{array}{ccc}{n}_1& ...& n_{N_r}\end{array}\right]}^T$ 为方差N₀白高斯噪声向量，T表示转置，信道矩阵

H中元素h_ij为发射天线i到接收天线j的信道衰落系数，且设每根天线发射功率归一化为1。

从H出发来分析信道容量。为方便分析，作如下假设(参见文献[1])：(1)信道是准静态块衰落的，至少在某一时刻天线端发送的几个符号内，信道状态信息(CSI)不变。(2)从多根天线发射的信号是独立同分布的(I.I.D)。基于以上假设，瞬时信道容量为

$C={\log }_2\left[\det (I_t+\frac{\mathrm{SNR}}{N_t}{\mathrm{HH}}^H)\right]---\left(2\right)$

式中det(·)表示对矩阵求行列式，I_t为单位矩阵，SNR是每根接收天线端的输出信噪比，N_t是发射天线数，H^H为H的共轭转置矩阵，对信道矩阵进行特征值分解(SVD)得到

H＝UΛV                                           (3)

其中U和V为正交矩阵，满足UU^H＝I，VV^H＝I。Λ＝diag(σ₁σ₂…σ_k)，σ₁＞σ₂＞…＞σ_k为H的特征值。故信道容量可简化为

$C=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+\frac{\mathrm{SNR}}{N_t}{\mathrm{\σ}}_i^2)---\left(4\right)$

k是信道矩阵的秩，k≤min(N_r，N_t)，σ_i是信道矩阵的第i个特征值。

在高信噪比时，信道容量近似为

$C\≈k\mathrm{lo}{g}_2\left(\frac{\mathrm{SNR}}{N_t}\right)+\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2{\mathrm{\σ}}_i^2---\left(5\right)$

式中第1项是信道矩阵秩的函数，第2项与信道矩阵的特征值有关。

注意到当MIMO阵元间相关时信道矩阵的低秩特点，即k＜N_t，若把发射天线数从N_t减小到k，第1项将增加，第2项将减小，则可提高容量；另一方面，若减小接收天线数，第1项不变，但第2项可能下降，故接收天线选择不会提高容量，故本发明中仅进行发射天线选择。

根据信道的空间衰落相关特性而进行的天线选择，使***具有空间平面(空间相关)自适应能力。另一方面，为使***具有衰落平面自适应能力，本方案中采用自适应调制编码(AMC)方式。它通过改变调制、编码方案来动态调整信息传输速率，以适应基站与用户之间的环境和干扰波动，使***具有链路自适应能力，并提高了***的频谱效率(吞吐量)。同时采用天线选择和AMC技术可以使***具有空间平面和衰落平面自适应能力，但一个关键问题是在进行天线选择的同时并保证AMC能提高***吞吐量。下面将讨论这个问题。

如前所述，可在发射天线阵中重新选择天线来增加信道容量。问题是如何从N_t根天线中找到期望的k根发射天线，一般的选择方法是根据信道容量最大准则来选择天线。即满足

$C_s=\underset{\hat{H}}{\max }\left({\log }_2\right[\det (I_t+\frac{\mathrm{SNR}}{N_t}\tilde{H}{\tilde{H}}^H)\left]\right)---\left(6\right)$

式中

为天线选择后的信道矩阵，SNR为选择的天线子***总的信噪比。发射天线选择时有两种情况，一是发射天线数等于信道矩阵的秩k，这时信道矩阵为满秩矩阵，只能唯一选择k根发射天线。二是发送端有N_t根天线，这时需要从 种组合中选择一种天线组合，得到一个选择的天线子集。而当N_t和k很大时，该法的计算量很大，不易于实现。

为此，采用一种简单有效的方法。先把接收机通过信道估计获得信道状态信息(CSI)反馈到发射端天线选择模块，然后采用WF算法计算N_t根发射天线中的功率分配问题，选出将被分配给功率较大的k根天线。与采用WF算法的自适应功率分配算法不同，这里，在接收机并不进行功率分配的计算问题，目的仅在于采用WF法选择最优的k根天线，然后在选定的k根发射天线中重新分配相等的发射功率。这种方法避免了在所有可能的发射天线选择组合中大量的搜索和比较。

在选择出发射天线子集后，需要根据该天线子集的信道条件选择合适的调制编码方式。首先，计算每根发射天线对应的接收SNR_k，接收端可采用迫零(ZF)或最小均方估计误差(MMSE)检测器，对应的计算式为

${\mathrm{SNR}}_k=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\left[H^{H}H\right]}_{\mathrm{ji}}}{N_0}& \mathrm{ZF}\\ \frac{{[H^{H}H+\frac{N_0}{I_{N_t}}]}_{\mathrm{ii}}}{N_0}-1& \mathrm{MMSE}\end{array}\right.---\left(7\right)$

然后，根据SNR_k选择AMC的阶数。SNR_k集中有k个SNR值，由于***中所有天线均采用相同编码调制方式，需选择一个合理的SNR值来确定AMC阶数。

这时，有三种选择方式：1)根据最大SNR_k，2)根据平均SNR_k，3)选择最小SNR_k。根据本发明的实施例，采用方式3)。若选择方式1)或2)，一些低SNR的发射天线与选择的AMC级别不相匹配，导致***吞吐量降低。当根据最小SNR来选择AMC阶数时，所有被选择天线端的调整编码方式均能与SNR相适应而保持***合理的吞吐量。

以上分析给出了提出算法的原理，下面将结合图2具体描述实现该方法的设备结构。

图2是示出了如图1所示的天线选择-自适应调制装置134的结构的方框图。

如图2所示，天线选择-自适应调制模块134包括：容量计算模块201、天线选择模块202、功率分配模块203、排序模块204和调制阶数选择模块205。容量计算模块201利用注水算法计算出分配给所有发射天线的功率。天线选择模块202选择出功率较大的k幅天线。功率分配模块203在发射总功率约束条件下给每幅天线分配相等的功率。排序模块204根据每幅发射天线对应的接收信噪比，对k幅天线的信噪比从低到高排序。调制阶数选择模块205根据最低的信噪比选择合理调制方式。

图3是示出了天线选择-自适应调制方法的操作的流程图。

首先，在接收端，估计出信道状态信息，包括各信道衰落系数和每幅发射天线对应的接收信噪比(S301)。然后，利用反馈信道，把这些信息返送到发送端(S302)。在发送端的天线选择-自适应调制模块134内，完成以下步骤：利用注水算法选择容量较优的k根天线(S303)；在选定的k根天线中分配相等的发射功率给每根天线(S304)；对各根天线的信噪比排序，选择出其中最小的信噪比(S305)；根据选定的信噪比来选择自适应调制的阶数(S306)。

以上给出了物理层的AMC和天线选择的联合设计方法以使***具有信道自适应特性。下面提出多用户MIMO***PHY和MAC的联合设计方法，使得PHY与MAC的功能适应。

无线通信***中，由于分集技术具有显著的抗多径衰落性能而得到广泛应用，它利用了从发射机到接收机之间的多条不同的、独立的传播路径。一般的分集技术包括频率、时间和空间分集。本发明中，考虑多用户接入的MIMO***。这种多用户无线网络的特点是，同时有多个用户能接收到发射端的信号，因此，发射机为不同用户建立了不同传播信道，则可以把无线资源分配给信道条件最好的用户，这种利用各个用户不同的衰落信道特征称之为多用户分集(MuD)。MuD可以跟踪利用信道的小尺度时变特性，提高无线资源(时、频、码、空间等)的利用率。

一个应用多用户分集的典型示例是高通公司的HDR***，它采用比例公平调度(PFS)算法，让不同业务速率的用户公平地接入共享信道。其基本思想是各个用户按照各自速率之间的比例接入信道，即高速率用户将占有更多的无线资源而低速率用户只占用较少的资源。

下面简单描述用于一般单天线***的PFS算法。单天线***中，用户的数据分组通常以一种时分方式发送，调度器确定在下一个时隙分配资源给某个用户。在每个调度时刻，调度器计算每个用户的瞬时信道可支持速率与平均信道支持速率之比，然后把下一个时隙分配给最大比例的用户。

图4是示出了一般的PFS算法的操作的流程图。

首先，进行初始化，确定用户u在第t时隙以前的平均数据速率；用户u在第t时隙请求发送的数据速率；用户u的当前数据速率等(S401)。然后，计算每个用户的比例/优先级(S402)。选择最大比例的用户作为目标用户，令其占用当前时隙(S403)。最后，更新平均速率(S404)。具体描述如下：

设 R_u(t)是用户u在第t时隙以前的平均数据速率；DRC_u(t)是用户u在第t时隙请求发送的数据速率，它是根据信道状态信息估计出的信道可支持速率；R(u)是用户u的当前数据速率；对所有没有选择发送数据的用户，R(u)＝0。PFS算法的流程如下：

1)计算每个用户的比例/优先级

DRC_u(t)/ R_u(t)；

2)选择最大比例的用户作为目标用户，并分配当前时隙给它，即

$\hat{u}=\underset{u\∈\{1,...,U\}}{\arg \max }{\mathrm{DRC}}_u\left(t\right)/{\stackrel{\‾}{R}}_u\left(t\right);$

3)更新平均速率 R_u(t)：

若 $u=\hat{u},{\stackrel{\‾}{R}}_{\hat{u}}(t+1)=(1-\frac{1}{t_c}){\stackrel{\‾}{R}}_{\hat{u}}\left(t\right)+\frac{1}{t_c}{R}_u\left(t\right),$ 其中t_c为该更新过程的持续时间；

若 $u\≠\hat{u},{\stackrel{\‾}{R}}_{\hat{u}}(t+1)=(1-\frac{1}{t_c}){\stackrel{\‾}{R}}_{\hat{u}}\left(t\right);$

当MIMO***采用空分复用工作方式时，在发送、接收天线端建立了多个空间子信道，故同一时刻有多个信息流从多根天线并行发送，从而***获得的数据流为各个子信道数据流之和。故第u个用户在第t个时隙的总速率为： $R_u\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{n_t}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{u,n}\left(t\right),$ 其中R_u，n(t)为第u个用户在第t个时隙的第n个空间子信道所支持的速率。

该调度方法中，所有的N_t个空间子信道被分配给一个用户，在用户域实现了MuD。

进一步，可以把每根发射天线分给不同用户，即在空域-用户域实现多用户分集。本发明提出的空域-用户域多用户分集方法(天线-用户调度：AU-PFS)是从最高SNR的天线(空间子信道)开始，利用PFS算法计算出分配时隙的目标用户，直到最低SNR的天线结束。这里，为减小调度算法处理时间内信道变化的影响，选取了从最高SNR的天线开始处理。

图5是示出了如图1所示的天线-用户调度装置133的结构的方框图。

如图2所示，发射端的天线-用户调度模块133包括：存储模块501、排序模块502、计算模块503、选择模块504、分配模块505、更新模块506和判决模块507。存储模块501存储一些初始化变量，如用户的平均数据速率等。排序模块502把每根发射天线110对应的接收信噪比排序。计算模块503用于计算每个用户的请求发送速率与平均数据速率之比。选择模块504选择最大比例的用户作为目标用户。分配模块505分配当前时隙给目标用户。更新模块506对目标用户的平均速率更新。判决模块507对天线序号作判断，若已对信噪比最低的天线进行了调度，则结束；否则使排序模块502继续进行排序处理。

图6是示出了根据本发明的SM MIMO的AU-PFS方法的操作的流程图。

1)(S601)初始化，设 R_u(t)是用户u在第t时隙以前的平均数据速率；DRC_u，n(t)是用户u在第t时隙请求从第n根天线发送的数据速率；R(u)是用户u的当前数据速率。

2)(S602)根据每根发射天线对应的接收SNR_k，按从高到低顺序对天线排序，若 ${\mathrm{SNR}}_{N_{t1}}{>\mathrm{SNR}}_{N_{t2}}>\·\·\·{>\mathrm{SNR}}_{N_{\mathrm{tn}}},$ 则排序为N_t1，N_t2，…，N_tn。把N_t1(天线序号)赋给第n根天线。

3)(S603)计算每个用户的比例请求发送数据速率与过去平均数据速率之比例

DCR_u，n(t)/ R_u(t)。

4)(S604)选择最大比例的用户作为目标用户，并分配当前时隙给它，即

$\hat{u}=\underset{u\∈\{1,...,U\}}{\arg \max }{\mathrm{DRC}}_{u,n}\left(t\right)/{\stackrel{\‾}{R}}_u\left(t\right).$

5)(S605)更新用户的平均速率 R_u(t)：

若 $u=\hat{u},{\stackrel{\‾}{R}}_{\hat{u}}(t+1)=(1-\frac{1}{t_c}){\stackrel{\‾}{R}}_{\hat{u}}\left(t\right)+\frac{1}{t_c}{R}_u\left(t\right);$

若 $u\≠\hat{u},{\stackrel{\‾}{R}}_{\hat{u}}(t+1)=(1-\frac{1}{t_c}){\stackrel{\‾}{R}}_{\hat{u}}\left(t\right).$

6)(S606)把N_t2赋给第n根天线，转到第2)步循环，直到n＞N_tn，调度结束。

可以看到，多用户分集的MIMO***中，AU-PFS算法利用了PHY层提供的一些特性(CSI、天线等)，使得MAC与信道变化相适应。同时，采用MuD提高了***有效SNR，这对PHY层的AMC产生有益影响，进而提高***吞吐量。

通信***所处环境因素有多种，但集中体现信道和用户方面。为使其与环境相适应，本发明提出的跨层设计方法中，在物理层，首先估计出信道状态信息CSI(信道矩阵系数、SNR等)；然后，采用WF法选择最优的k根天线，并在选定的k根发射天线中重新分配相等的发射功率；最后，根据该天线子集中最小SNR来选择AMC级别，使得被选择天线端的调整编码方式均能与SNR相适应而保持***合理的吞吐量。同时采用天线选择和AMC技术可以使***具有空间平面和衰落平面自适应能力。在MAC层，利用物理层提供的CSI、天线特征，应用天线一用户域的多用户分集(AU-PFS)使***接入多用户时能适应物理信道变化。

尽管已经针对典型实施例示出和描述了本发明，本领域的普通技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明不应该被理解为被局限于上述特定实例，而应当由所附权利要求所限定。

Claims (21)

1、一种用于多天线***的天线选择-自适应调制方法，包括以下步骤：

在接收端，

估计出信道状态信息，所述信息包括各信道衰落系数和每幅发射天线对应的接收信噪比；以及

把这些信息发送回发送端；

在发送端，

选择容量较优的多根天线；

在选定的多根天线中分配相等的发射功率给每根天线；

对各根天线的信噪比排序，选择出最小的信噪比；以及

根据选定的信噪比来选择自适应调制的阶数。

2、根据权利要求1所述的天线选择-自适应调制方法，其特征在于在发送端，利用注水算法选择容量较优的多根天线。

3、根据权利要求1所述的天线选择-自适应调制方法，其特征在于在接收端，利用反馈信道，将信道状态信息返送到发送端。

4、根据权利要求1所述的天线选择-自适应调制方法，其特征在于所述多天线***为多输入多输出码分多址***。

5、根据权利要求1所述的天线选择-自适应调制方法，其特征在于所述多天线***为多输入多输出正交频分复用***。

6、一种用于多天线***的天线选择-自适应调制模块，包括：

容量计算模块，用于计算分配给所有发射天线的功率；

天线选择模块，用于选择功率较大的多幅天线；

功率分配模块，用于在约束发射总功率的条件下，给每幅天线分配相等的功率；

排序模块，用于根据每幅发射天线对应的接收信噪比，对所述多幅天线的信噪比以从低到高的顺序排序；以及

调制阶数选择模块，用于根据最低的信噪比来选择调制的阶数。

7、根据权利要求6所述的天线选择-自适应调制模块，其特征在于所述容量计算模块利用注水算法计算分配给所有发射天线的功率。

8、根据权利要求6所述的天线选择-自适应调制模块，其特征在于所述多天线***为多输入多输出码分多址***。

9、根据权利要求6所述的天线选择-自适应调制模块，其特征在于所述多天线***为多输入多输出正交频分复用***。

10、一种用于多天线***的天线-用户调度方法，包括以下步骤：

存储初始化变量，所述初始化变量包括用户的平均数据速率、用户请求从每根发射天线发送的数据速率、以及用户的当前数据速率；

把每根发射天线对应的接收信噪比排序；

计算每个用户的请求发送速率与平均数据速率之比；

选择最大比例的用户作为目标用户；

将当前时隙分配给目标用户；

对目标用户的平均速率更新；以及

对所述排序的天线进行判断，若已对信噪比最低的天线进行了调度，则结束；否则，转至上述排序步骤进行循环处理。

11、根据权利要求10所述的天线-用户调度方法，其特征在于所述多天线***为多输入多输出码分多址***。

12、根据权利要求10所述的天线-用户调度方法，其特征在于所述多天线***为多输入多输出正交频分复用***。

13、一种用于多天线***的天线-用户调度装置，包括：

存储模块，用于存储初始化变量，所述初始化变量包括用户的平均数据速率、用户请求从每根发射天线发送的数据速率、以及用户的当前数据速率；

排序模块，用于把每根发射天线对应的接收信噪比排序；

计算模块，用于计算每个用户的请求发送速率与平均数据速率之比；

选择模块，用于选择最大比例的用户作为目标用户；

分配模块，用于将分配当前时隙给目标用户；

更新模块，用于对目标用户的平均速率更新；以及

判决模块，用于对由所述排序模块排序的天线进行判断，以确定是否仍需要对按照所述排序模块做出的排序进行调度处理。

14、根据权利要求13所述的天线-用户调度装置，其特征在于所述多天线***为多输入多输出码分多址***。

15、根据权利要求13所述的天线-用户调度装置，其特征在于所述多天线***为多输入多输出正交频分复用***。

16、一种用于多天线***的物理层和媒体接入控制层的方法，包括以下步骤：

在物理层，应用根据权利要求1到3之一所述的天线选择-自适应调制方法，给出信道状态信息和天线选择结果；以及

在媒体接入控制层，根据物理层所给出的信道状态信息和天线选择结果，应用根据权利要求10所述的天线-用户调度方法，把每根发射天线分配给不同的用户。

17、根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述多天线***为多输入多输出码分多址***。

18、根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述多天线***为多输入多输出正交频分复用***。

19、一种用于多天线***的物理层和媒体接入控制层的装置，包括：根据权利要求6或7所述的天线选择-自适应调制装置，给出信道状态信息和天线选择结果；以及根据权利要求13所述的天线-用户调度装置，根据由所述天线选择-自适应调制装置提供的信道状态信息和天线选择结果，把每根发射天线分配给不同的用户。

20、根据权利要求19所述的装置，其特征在于所述多天线***为多输入多输出码分多址***。

21、根据权利要求19所述的装置，其特征在于所述多天线***为多输入多输出正交频分复用***。

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