中繼協(xié)作分布式多用戶調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大規(guī)模MIMO下中繼協(xié)作分布式多用戶調(diào)度方法，主要解決現(xiàn)有技術(shù)不能得到最優(yōu)的資源分配，且系統(tǒng)性能低的問題。其實現(xiàn)步驟為：1.用戶利用導(dǎo)頻信號得到下行鏈路的信道狀態(tài)信息；2.隨機將系統(tǒng)中相同數(shù)目的用戶分為一組，并為每個組分配一個中繼；3.用戶將其信道狀態(tài)信息發(fā)送給該組的中繼，中繼篩選出該組中信道相關(guān)性低的用戶，將它們的信道狀態(tài)信息反饋給基站；4.基站通過半正交算法得到最優(yōu)的發(fā)送用戶集合，5.基站將波束成形的信號發(fā)送給已選的用戶。本發(fā)明能夠有效的降低系統(tǒng)反饋信息量，且不會對系統(tǒng)的和速度性能造成過大的影響，可用于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)。
【專利說明】
中繼協(xié)作分布式多用戶調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，特別涉及一種多用戶調(diào)度方法，可用于大規(guī)模ΜΜ0系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在大規(guī)模MMO的多用戶調(diào)度中，基站需要接收用戶通過上行鏈路反饋的信道狀態(tài) 信息，來進行系統(tǒng)資源分配。然而，相比于傳統(tǒng)的ΜΜ0系統(tǒng)，大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)中的基站天線 數(shù)指數(shù)倍增加，同時，由于系統(tǒng)中龐大的用戶數(shù)目，基站想要得到完美的信道狀態(tài)信息就需 要占用極大的系統(tǒng)頻帶資源，這就會極大的降低系統(tǒng)的頻譜效率。針對反饋的信道狀態(tài)信 息占用系統(tǒng)頻帶的問題，目前很多學(xué)者已經(jīng)進行了深入的研究，如2005年Masoud Sharif在 "On the Capacity of ΜΙΜΟ Broadcast Channels With Partial Side Information"中 通過反饋每個用戶的信干噪比來減少系統(tǒng)的反饋量，如2010年，Kiyoen Kim在"An Efficient Feedback Scheme Using Compressive Sensing for ΜΙΜ0 Broadcast Channel with Random Beamforming"中通過壓縮感知來將信道狀態(tài)信息先進行壓縮再進 行反饋來減少反饋量，如2015年Moonsik Min在"Block diagonalization and user selection for ΜΙΜΟ broadcast channels with limited feedback" 中將信道狀態(tài)信息 進行量化來減少系統(tǒng)反饋量，然后基站通過量化的信道狀態(tài)信息進行用戶調(diào)度。
[0003] 然而，由于基站接收到的不再是每個用戶的完美信道狀態(tài)信息，所以，基站在進行 用戶調(diào)度和預(yù)編碼等工作時就很難找到最優(yōu)解決方案，最后就導(dǎo)致系統(tǒng)和速度和傳輸誤比 特率不同程度的降低，除此之外，它們在進行信道狀態(tài)信息量化和計算每個用戶的信干噪 比時還會加大用戶端的計算工作量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種中繼協(xié)作的分布式多用戶 調(diào)度方法，以降低大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)的反饋量，提高系統(tǒng)的可靠性，降低傳輸誤比特率。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括如下：
[0006] (1)用戶獲取信道狀態(tài)信息估計值H;
[0007] (2)設(shè)系統(tǒng)中有N個中繼，Μ個用戶，隨機將
個相同數(shù)目的用戶分為一組，并為 每個組隨機分配一個中繼，且假定每個組之間不會出現(xiàn)反饋信息的相互干擾，其中L·」為向 下取整符號；
[0008] (3)每組用戶在假設(shè)上行信道不會出現(xiàn)噪聲以及時延的情況下，通過反饋信道向 該組的中繼反饋信道狀態(tài)信息Η;
[0009] (4)每個中繼找出該組對應(yīng)信道范數(shù)最大的用戶k，并計算用戶k和所有其它用戶 之間的相關(guān)系數(shù)γ :
[0011] 其中，hi和hk分別代表第i個用戶和第k個用戶的信道狀態(tài)信息向量，（· Γ表示為 用戶的信道狀態(tài)信息向量的共輒轉(zhuǎn)置，
為每個組中的用戶數(shù)，U · 11為用戶信道狀態(tài) 信息向量的2范數(shù)；
[0012] (5)中繼將信道狀態(tài)信息范數(shù)最大用戶k的信道狀態(tài)向量反饋給基站，同時，中繼 將用戶i的相關(guān)系數(shù)γ:與設(shè)定的系統(tǒng)閾值α進行比較，如果 γι〈α，則中繼將用戶i的信道狀 態(tài)向量hi反饋給基站，反之，則不進行反饋；
[0013] (6)基站接收到N個中繼發(fā)送過來的信道狀態(tài)信息后通過半正交用戶調(diào)度算法選 擇出信道正交特性最優(yōu)的用戶集合S，且card(S)<N t，其中card(S)表示集合S中的用戶數(shù) 目，Nt表示基站天線數(shù)；
[0014] (7)基站根據(jù)被選擇用戶的信道狀態(tài)信息構(gòu)造波束成形矩陣W，并用矩陣W對發(fā)送 數(shù)據(jù)做波束成形，然后波束成形后的信號發(fā)送給被選擇的用戶。
[0015] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0016] 1)本發(fā)明通過在系統(tǒng)中引入中繼進行輔助，完成對用戶的初步篩選，從而大大減 少了中繼端到基站端的反饋信息量，進而減少了整個系統(tǒng)的反饋信息量；
[0017] 2)本發(fā)明通過中繼輔助計算不同用戶信道之間的相關(guān)系數(shù)，減少了在用戶端和基 站端的計算工作量。
[0018] 下面通過附圖和實施實例，對本發(fā)明作進一步的描述。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明仿真使用的系統(tǒng)模型圖；
[0021 ]圖3是圖2系統(tǒng)和速度隨信噪比變化的性能仿真圖；
[0022]圖4是圖2系統(tǒng)中繼端的反饋用戶數(shù)隨系統(tǒng)相關(guān)性閾值α變化的性能仿真圖。
【具體實施方式】
[0023] 參照圖2,本發(fā)明使用的通信系統(tǒng)由基站、中繼、反饋信道、發(fā)送信道和用戶構(gòu)成， 其中，基站有Nt根發(fā)射天線，每根天線相互獨立;系統(tǒng)中有Μ個用戶，假設(shè)每個用戶均有1根 接收天線;每根發(fā)送天線和接收天線之間的發(fā)送信道服從復(fù)高斯分布，不同的發(fā)送信道之 間相互獨立，系統(tǒng)中有Ν個中繼，每個中繼相互獨立，中繼發(fā)送和接收的信息不會相互干擾， 同時發(fā)送信道受到加性高斯白噪聲干擾;設(shè)用戶端到中繼和中繼到基站端的反饋信道是完 美信道，即不會出現(xiàn)時延和噪聲。
[0024] 參照圖1，本發(fā)明的具體實現(xiàn)步驟如下：
[0025] 步驟1:用戶獲取信道狀態(tài)信息估計值Η。
[0026] (1.1)基站向用戶發(fā)送用戶已知的訓(xùn)練序列X，用戶獲得接收信號:y = Hx+n，其中η 為傳輸過程中受到的加性高斯白噪聲向量，Η為信號傳輸過程中的信道狀態(tài)信息矩陣，該信 道狀態(tài)信息矩陣Η中的每一項都服從均值為0，方差為1的復(fù)高斯分布；
[0027] (1.2)用戶利用接收到的信號y和基站發(fā)送的訓(xùn)練序列x，根據(jù)最小均方誤差估計 算法得到信號傳輸過程中的信道狀態(tài)信息矩陣H:
[0028] H = y (x; R"x -i-crjrl j x1' RH ?
[0029] 其中，（·）?示向量的共輒轉(zhuǎn)置，I為單位矩陣，Rh = E{HtH}為信道狀態(tài)矩陣H的自 相關(guān)矩陣，E{ ·}為統(tǒng)計期望符號，r為縮放系數(shù)，其作用是減小估計誤差，不同的系統(tǒng)中該 縮放系數(shù)的值不同，4為接收噪聲功率。
[0030] 步驟2:對系統(tǒng)中的用戶進行分組，并對每個組進行中繼的分配。
[0031] 系統(tǒng)中有N個中繼，Μ個用戶，隨機將
個相同數(shù)目的用戶分為一組，并為每個組 隨機分配一個中繼，且假定每個組用戶向該組的中繼反饋信道狀態(tài)信息時，不會出現(xiàn)不同 組的反饋信息之間的相互干擾，其中L·」為向下取整符號。
[0032] 步驟3:用戶向中繼進行信道狀態(tài)信息的反饋。
[0033] 每組用戶在假設(shè)上行信道不會出現(xiàn)噪聲以及時延的情況下，通過反饋信道向該組 的中繼反饋信道狀態(tài)信息Η。
[0034] 步驟4:中繼計算不同用戶與信道范數(shù)最大用戶之間的相關(guān)性。
[0035] 每個中繼找出該組對應(yīng)信道范數(shù)最大的用戶k，并計算該用戶k和所有其它用戶之 間的相關(guān)系數(shù)γ :
[0037] 其中，hi和hk分別代表第i個用戶和第k個用戶的信道狀態(tài)信息向量，（· r表示為 用戶的信道狀態(tài)信息向量的共輒轉(zhuǎn)置
為每個組中的用戶數(shù)，U · 11表示向量的2范 數(shù)。
[0038] 步驟5:中繼篩選出需要向基站反饋信道狀態(tài)信息的用戶。
[0039] 中繼將信道狀態(tài)信息范數(shù)最大用戶k的信道狀態(tài)向量反饋給基站，同時，中繼將用 戶i的相關(guān)系數(shù)γ i與設(shè)定的系統(tǒng)閾值α進行比較，不同系統(tǒng)中閾值α的取值不同，如果γ χα， 則中繼將用戶i的信道狀態(tài)向量lu反饋給基站，反之，則不進行反饋。
[0040] 步驟6:基站接收到N個中繼發(fā)送過來的信道狀態(tài)信息后通過半正交用戶調(diào)度算法 選擇出信道特性最優(yōu)的用戶集合S。
[0041 ] (6.1)初始化第一次用戶選擇中待選用戶集合Γ :為：Γ : = {1，2，…，K};初始化被 選擇用戶的集合So為空集，即&=0;其中0表示集合為空集，K為待選用戶的總數(shù)目；
[0042] (6.2)計算第i次用戶選擇中待選用戶集合中用戶m的投影向量gm:
[0044]其中，Nt為基站天線數(shù)，gm為用戶m的信道狀態(tài)信息向量hm在span{g(i)，g(2)，…， g(i-i)}的正交補空間上的投影，m=l，2,…，card( Γ〇,其中card( 表示待選用戶集合 中的元素數(shù)目，span{g⑴，g⑵，…，g(i-i)}為前i-1次被選用戶的投影向量{g⑴，g⑵，…， g(1-υ}組成的子空間，gd-υ和gG)分別代表第i_l次和第j次被選擇用戶的投影向量，hm為用 戶m的信道狀態(tài)信息向量，（· Γ表示向量的共輒轉(zhuǎn)置，Μ · | |2為向量2范數(shù)的平方，I為單位 矩陣，當i = l時，投景多向量gm = hm;
[0045] (6.3)根據(jù)(6.2)中得到的投影向量，得到第i次被選擇用戶為：
[0047]其中，card( ·)表示集合中元素的數(shù)目；
[0048] (6.4)利用第i次被選用戶對相關(guān)的信息進行更新：
[0049] Si-Si-iU
[0050] h(i)=hii(i)，
[0051] g ⑴= glI⑴，
[0052] 其中，Si-i和Si分別表示為第i-1次和第i次被選用戶的集合，h⑴和g⑴分別為第i 次被選用戶的信道狀態(tài)信息向量和投影向量；
[0053] (6.5)根據(jù)選用戶集合51中的數(shù)目，計算第1+1次待選用戶集合「1+1:
[0054]若待選用戶集合Si*的數(shù)目小于基站發(fā)射天線數(shù)Nt，即carcKSiKNt，則得到第i+1 次待選用戶集合ri+1:
[0056] i-i+1，
[0057] 其中，1C為用戶m對應(yīng)的信道狀態(tài)信息向量的共輒轉(zhuǎn)置，g⑴為第i次被選用戶的投 影向量，
[0058]否則，該半正交最優(yōu)用戶選擇過程結(jié)束；
[0059] (6.6)若待選用戶集合Γ1+1為非空集合，即ΓΗ1*0，則跳回步驟(6.2)繼續(xù)執(zhí)行， 否則，該半正交最優(yōu)用戶選擇過程結(jié)束。
[0060] 步驟7:基站將被選擇用戶的信息發(fā)送給用戶。
[0061] (7.1)為了減小傳輸過程中的用戶間干擾，需要先對發(fā)送數(shù)據(jù)做迫零波束成形，即 根據(jù)被選擇用戶的信道狀態(tài)信息構(gòu)造波束成形矩陣W:
[0063] 其中，W(S)表示集合S對應(yīng)的被選用戶的波束成形矩陣，H(S)表示集合S對應(yīng)的被 選用戶的信道狀態(tài)信息矩陣，η(?表示該矩陣的偽逆，H(sr為該矩陣的共輒轉(zhuǎn)置，（· Γ1 表不括號中的矩陣的逆矩陣；
[0064] (7.2)對發(fā)送信號做波束成形后，將其通過下行鏈路發(fā)送給用戶，即用戶接收到的 信號向量y為：
[0065] y = H(S)ff(S)x+n,
[0066] 其中，y為被選用戶的接收信號向量，X為基站發(fā)送的信號向量，η為數(shù)據(jù)傳輸過程 中經(jīng)歷的噪聲向量。
[0067] 本發(fā)明的效果可通過以下仿真進一步說明：
[0068] 1.仿真條件
[0069] 仿真使用的通信系統(tǒng)如圖2,所有發(fā)送信道均為準靜態(tài)平坦瑞利衰落信道，信道系 數(shù)服從均值為零，方差為1的復(fù)高斯分布，同時發(fā)送信道受到的干擾為均值為〇,方差為1的 加性尚斯白噪聲。
[0070] 為了簡化分析，假設(shè)用戶在系統(tǒng)中的位置是隨機均勻分布的，同時本發(fā)明采用用 戶隨機分組的方式，隨機將相同數(shù)目的用戶分為一組，仿真中中繼處的相關(guān)系數(shù)門限值α為 0.3,在半正交用戶選擇中的相關(guān)系數(shù)門限值β為0.25。每個用戶裝載一根接收天線。假設(shè)上 行反饋信道不受噪聲干擾，同時沒有時間延遲。在下行鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送中，基站為每個已選用 戶分配相同的功率。
[0071] 仿真使用的方法有5種：1、本發(fā)明方法，2、全反饋半正交用戶調(diào)度方法，3、隨機向 量量化有限反饋用戶調(diào)度方法，4、格拉斯曼碼本有限反饋用戶調(diào)度方法，5、隨機波束成形 方法。
[0072] 2.仿真內(nèi)容與結(jié)果
[0073] 仿真1，設(shè)通信系統(tǒng)基站有4根天線，有60個用戶，每個用戶裝載1根天線，同時將用 戶隨機分組，且每組用戶數(shù)目為4,其中隨機向量量化有限反饋方案中采用8比特隨機碼本 量化和半正交用戶調(diào)度結(jié)合的方法來實現(xiàn)用戶調(diào)度，格拉斯曼碼本有限反饋方案中采用8 比特格拉斯曼碼本量化和半正交用戶調(diào)度結(jié)合的方法來實現(xiàn)用戶調(diào)度。用上述5種方法進 行用戶調(diào)度，得到的系統(tǒng)和速度隨接收信噪比變化曲線如圖3所示。
[0074] 由圖3可知，對比全反饋半正交用戶調(diào)度方法，本發(fā)明沒有對系統(tǒng)的和速度造成過 大的損失。同時對比于兩種量化有限反饋方案和隨機波束成形方案，本發(fā)明的和速度性能 具有極大的優(yōu)勢，特別是在高信噪比情況下，本發(fā)明方法的和速度優(yōu)勢將進一步加大。
[0075] 仿真2,設(shè)通信系統(tǒng)基站有4根天線，有60個用戶，每個用戶裝載1根天線，具體分組 情況同仿真1，此時用戶平均接收信噪比為10dB;采用本發(fā)明和全反饋半正交用戶調(diào)度方法 進行用戶調(diào)度，得到的反饋用戶數(shù)隨中繼處的相關(guān)性閾值α變化的曲線圖，如圖4所示。
[0076] 由圖4可知，在全反饋半正交用戶調(diào)度方法中，系統(tǒng)永遠需要所有60個用戶的信道 狀態(tài)向量，而本發(fā)明可以通過控制閾值α的大小來調(diào)節(jié)中繼端向基站處反饋信道狀態(tài)信息 的用戶數(shù)，在本仿真中控制閾值α為0.3-0.45,此時基站大約只需要一半用戶的信道狀態(tài)信 息，且不會對系統(tǒng)的和速度性能造成太大的影響。
【主權(quán)項】
1. 一種中繼協(xié)作的分布式多用戶調(diào)度方法，包括：(1) 用戶獲取信道狀態(tài)信息估計值H; (2) 設(shè)系統(tǒng)中有N個中繼，M個用戶，隨機： -相同數(shù)目的用戶分為一組，并為每個 組隨機分配一個中繼，且假定每個組之間不會出現(xiàn)反饋信息的相互干擾，其中L*」為向下 取整符號； (3) 每組用戶在假設(shè)上行信道不會出現(xiàn)噪聲以及時延的情況下，通過反饋信道向該組 的中繼反饋信道狀態(tài)信息H; (4) 每個中繼找出該組對應(yīng)信道范數(shù)最大的用戶k，并計算用戶k和所有其它用戶之間 的方日類蓉撒V .其中，in和hk分別代表第i個用戶和第k個用戶的信道狀態(tài)信息向量，（· r表示為用戶 的信道狀態(tài)信息向量的共輒轉(zhuǎn)jI每個組中的用戶數(shù)，M · 11為用戶信道狀態(tài)信息 向量的2范數(shù)； (5) 中繼將信道狀態(tài)信息范數(shù)最大用戶k的信道狀態(tài)向量反饋給基站，同時，中繼將用 戶i的相關(guān)系數(shù)γ i與設(shè)定的系統(tǒng)閾值Ct進行比較，如果γ ifa，則中繼將用戶i的信道狀態(tài)向 量hi反饋給基站，反之，則不進行反饋； (6) 基站接收到N個中繼發(fā)送過來的信道狀態(tài)信息后通過半正交用戶調(diào)度算法選擇出 信道正交特性最優(yōu)的用戶集合S，且Card(S)SN t，其中card(S)表示集合S中的用戶數(shù)目，Nt 表示基站天線數(shù)； (7) 基站根據(jù)被選擇用戶的信道狀態(tài)信息構(gòu)造波束成形矩陣W，并用矩陣W對發(fā)送數(shù)據(jù) 做波束成形，然后波束成形后的信號發(fā)送給被選擇的用戶。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(1)中用戶獲取信道狀態(tài)信息估計值H，按如下 步驟進行： (la) 基站向用戶發(fā)送用戶已知的訓(xùn)練序列X，用戶獲得接收信號：y = Hx+n，其中η為傳 輸過程中受到的加性高斯白噪聲向量，H為信號傳輸過程中的衰減矩陣； (lb) 用戶利用接收到的信號y和基站發(fā)送的訓(xùn)練序列X，根據(jù)最小均方誤差估計算法得 到信號傳輸過程中的衰減矩陣H:其中，（· /表示向量的共輒轉(zhuǎn)置，I為單位矩陣，Rh = E{HtH}為衰減矩陣H的自相關(guān)矩 陣，E{ ·}為統(tǒng)計期望符號，r為縮放系數(shù)，其作用是減小估計誤差，為接收噪聲功率。3. 根據(jù)權(quán)利要求書1所述的方法，其中步驟(6)中通過半正交用戶調(diào)度算法選擇信道正 交特性最優(yōu)的用戶集合，按如下步驟進行： (6a)初始化第一次用戶選擇中待選用戶集合「:為：Γ :=(1,2, ···，!(};初始化被選擇用 戶的集合So為空集，即& =0 ;其中0表示集合為空集，K為待選用戶的總數(shù)目； (6b)計算第i次用戶選擇中待選用戶集合Γ i中用戶m的投影向量gm，m= I，2,…，card (Ti):其中，Nt為基站天線數(shù)，grn為用戶m的信道狀態(tài)信息向量hm在span{g(i)，g(2)，…，g(i-1)}的 正交補空間上的投影，span{g(i)，g(2)，…，g(i-1)}為前i_l次被選用戶的投影向量{g(i)， g⑵，…，gu-υ}組成的子空間，gu-υ和gG)分別代表第i_l次和第j次被選擇用戶的投影向 量，h m為用戶m的信道狀態(tài)信息向量，（·廣表示向量的共輒轉(zhuǎn)置，M · I I2為向量2范數(shù)的平 方，I為單位矩陣，當i = l時，投影向量gm = hm; (6c)根據(jù)(6b)中得到的投影向暈，得到第i次被選擇用戶為：(6d)利用第i次被選用戶對相關(guān)的信息進行更新： Si^Si-i U h(i) = hn(i), g(i) = gir(i)， 其中，Si-i和Si分別表示為第i-l次和第i次被選用戶的集合，h⑴和g⑴分別為第i次被選 用戶的信道狀態(tài)信息向量和投影向量； (6e)根據(jù)選用戶集合&中的數(shù)目，計算第i+Ι次待選用戶集合Γ1+1: 若被選用戶集合S1*的數(shù)目小于基站發(fā)射天線數(shù)Nt，即CarcKS1XN t,則得到第i+1次待 選用戶集合r1+1:其中，hi為用戶m對應(yīng)的信道狀態(tài)信息向量的共輒轉(zhuǎn)置，g⑴為第i次被選用戶的投影向 量； 否則，該半正交最優(yōu)用戶選擇過程結(jié)束； (6f)判斷待選集合Γ i+1是否為空集： 若待選用戶集合r1+1為非空集合，即Fm產(chǎn)0，則返回步驟(6b)繼續(xù)進行最優(yōu)用戶選擇， 否則，該半正交最優(yōu)用戶選擇過程結(jié)束。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(7)中的基站根據(jù)被選擇用戶的用戶狀態(tài)信息 對發(fā)送的信息做迫零波束成形，按如下公式進行：其中，S為被選用戶集合，W(S)表示集合S對應(yīng)的被選用戶的波束成形矩陣，H(S)表示集 合S對應(yīng)的被選用戶信道狀態(tài)信息矩陣，H (Sji表示H(S)的偽逆，H(SΓ表示H(S)的共輒轉(zhuǎn) 置，（· Γ1表示矩陣的逆矩陣。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟（7)中將波束成形后的信號發(fā)送給被選的用 戶，是對發(fā)送信號做波束成形后，將其通過下行鏈路發(fā)送給用戶，即用戶接受到的信號向量 y為：其中，X為基站發(fā)送的信號向量，η為數(shù)據(jù)傳輸過程中經(jīng)歷的噪聲向量。
【文檔編號】H04W72/12GK106028461SQ201610344854
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】宮豐奎, 陳翔, 張南, 李棟
【申請人】西安電子科技大學(xué)