一种大规模多用户MIMO系统的节能与用户调度方法

技术领域

本发明涉及一种MIMO系统的用户调度方法，尤其是涉及一种大规模多用户 MIMO系统的节能与用户调度方法。

背景技术

在大规模多用户MIMO系统中，如何进行低复杂度的用户调度以实现节能是 一个亟待解决的问题。目前还没有专门针对大规模多用户MIMO系统的用户调度 和节能方法，在大规模多用户MIMO系统中使用常规的用户调度和功率控制方法 会带来不必要的执行开销，无法实现最佳能源利用效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大规模多用 户MIMO系统的节能与用户调度方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种大规模多用户MIMO系统的节能与用户调度方法，该方法通过基站和用 户设备根据基站端状态和用户设备端状态精确计算需要的用户终端发射功率和下 行功率并进行数据传输，具体包括上行链路节能调度和下行链路节能调度。

所述上行链路节能调度包括以下步骤：

101)基站端通知用户设备基站端的天线数量和噪声功率；

102)用户设备端通过反向链路测量得到信道增益并确定传输所需要达到的上 行信噪比目标值；

103)用户设备端计算出上行链路传输中所需的用户终端发射功率p_UE，k：

$p_{\mathrm{UE},k}=\frac{{\sigma }_{\mathrm{BS}}^2{\bar{\rho }}_{\mathrm{UL},k}}{M{\sigma }_{h,k}^2}$

其中：为用户设备基站端的噪声功率，为上行信噪比目标值，M为基 站端的天线数量，为信道增益；

104)用户设备端使用计算出的用户终端发射功率进行上行链路传输。

所述下行链路节能调度包括以下步骤：

201)用户设备端通知基站端用户设备端的噪声功率；

202)基站端通过反向链路测量得到信道增益并确定需要达到的下行信噪比目 标值；

203)基站端计算支持用户设备k下行链路传输所需要的下行功率

${\bar{p}}_{\mathrm{BS},k}=\frac{{\bar{\rho }}_{\mathrm{DL},k}{\sigma }_{\mathrm{UE},k}^2}{M{\sigma }_{h,k}^2}$

其中；为下行信噪比目标值，为用户设备端的噪声功率，为信道 增益，M为基站端的天线数量；

204)基站端对支持所有活跃用户所需要的下行功率进行求和，若其和大于基 站的发射功率，则执行步骤205)，若其和小于或等于基站的发射功率，则执行步 骤206)；

205)基站端根据选择标准选择k个用户设备同时获得服务；

206)所有活跃用户都得到服务。

所述步骤205)中挑选的k个用户设备的下行功率之和小于基站的发射功率。

所述用户设备UE只有一根天线。

所述选择标准包括综合速率最大化和服务对象数目最大化。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)实现了大规模多用户MIMO系统中的节能问题。

2)计算复杂度低。

附图说明

图1为本发明的上行节能方法流程图；

图2为本发明的下行节能方法流程图；

图3为本发明的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方 案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

一种大规模多用户MIMO系统的节能与用户调度方法，本发明上行做的是用 户功率控制，下行做的是用户调度，都是以节能为目的。

该方法通过基站和用户设备根据基站端状态和用户设备端状态精确计算需要 的用户终端发射功率和下行功率并进行数据传输，具体包括上行链路节能调度和下 行链路节能调度。

对于上行链路，用M表示基站的天线数量，用h_UL，k表示用户k的M×1向量信 道，则基站接收的信号为：

$y_{\mathrm{BS}}=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\Sigma }}\sqrt{p_{\mathrm{UE},k}}{h}_{\mathrm{UL},k}{x}_{\mathrm{UL},k}+n_{\mathrm{BS}}$

其中x_UL，k是用户的携带消息的符号，E(|x_UL，k|²)＝1，n_BS表示基站的加性白噪 声，方差为

因为大规模多用户MIMO系统中最好采用匹配过滤检测方法，

${\hat{x}}_{\mathrm{UL},k}=\frac{h_{\mathrm{UL},k}^H{y}_{\mathrm{BS}}}{\sqrt{p_{\mathrm{UE},k}}{\left|\right|h_{\mathrm{UL},k}\left|\right|}^2}$

所以用户k的上行SINR为：

${\rho }_{\mathrm{UL},k}=\frac{p_{\mathrm{UE},k}{\left|\right|h_{\mathrm{UL},k}\left|\right|}^2}{{\sigma }_{\mathrm{BS}}^2+{\Sigma }_{k^{\prime }\ne k}\frac{p_{\mathrm{UE},k^{\prime }}{\left|h_{\mathrm{UL},k}^H{h}_{\mathrm{UL},k^{\prime }}\right|}^2}{{\left|\right|h_{\mathrm{UL},k}\left|\right|}^2}}.$

上行节能：当M很大，且M＞＞K时，

${\left|\right|h_{\mathrm{UL},k}\left|\right|}^2\approx M{\sigma }_{h,k}^2$

根据大数法则，因此当M很大时，

${\rho }_{\mathrm{UL},k}=\frac{p_{\mathrm{UE},k}{\sigma }_{h,k}^2}{\frac{{\sigma }_{\mathrm{BS}}^2}{M}+{\Sigma }_{k^{\prime }\ne k}\frac{p_{\mathrm{UE},k^{\prime }}{\left|h_{\mathrm{UL},k}^H{h}_{\mathrm{UL},k^{\prime }}\right|}^2}{M^2}}$

当M很大时

$\frac{\left|h_{\mathrm{UL}.k}{h}_{\mathrm{UL},k^{\prime }}^H\right|}{M}\approx 0$

因此，如果p_UE，k相对于M来说是常量，那么随着的增大，ρ_UE，k→+∞，但是 SINR也没必要无限大。为保证传输质量的要求，我们可以设p_UE，k随着M的减小成 线性降低，即：

$p_{\mathrm{UE},k}=\frac{c_k}{M}$

其中c_k是与M无关的一个系数，将上式代入ρ_UE，k公式，当M很大时，我们可 以得到：

${\rho }_{\mathrm{UL},k}\approx \frac{c_k{\sigma }_{h,k}^2}{{\sigma }_{\mathrm{BS}}^2}.$

要对传输数据成功解码并满足用户k的QoS指标，要求

其中是用户k的SINR阀值。对于用户k的给定SINR阀值c_k需要 满足：

$c_k\ge \frac{{\sigma }_{\mathrm{BS}}^2{\bar{\rho }}_{\mathrm{UL},k}}{{\sigma }_{h,k}^2}$

对于UE节能问题及满足传输要求，我们可以设：

$c_k={\bar{c}}_k=\frac{{\sigma }_{\mathrm{BS}}^2{\bar{\rho }}_{\mathrm{UL},k}}{{\sigma }_{h,k}^2}$

其中在基站是已知的，在UE是已知的，且UE处的已通过反向链 路测量得到，因此UE的发射功率为：

$p_{\mathrm{UE},k}=\frac{c_k}{M}$

其中M在基站是已知的。

上行用户调度：根据ρ_UL，k表达式可以看出，当基站的天线数量较大且M＞＞K 时，上行链路的多用户干扰可以忽略不计，因此可以同时调度所有活跃用户在上行 链路中发送数据。

如图1所示，上行链路节能调度包括以下步骤：

101)基站端通知用户设备基站端的天线数量和噪声功率；

102)用户设备端通过反向链路测量得到信道增益并确定传输所需要达到的信 噪比目标值，该值由用户需求确定，为已知量；

103)用户设备端计算出上行链路传输中所需的用户终端发射功率p_UE，k：

$p_{\mathrm{UE},k}=\frac{{\sigma }_{\mathrm{BS}}^2{\bar{\rho }}_{\mathrm{UL},k}}{M{\sigma }_{h,k}^2}$

其中：为用户设备基站端的噪声功率，为上行信噪比目标值，M为基 站端的天线数量，为信道增益；

104)用户设备端使用计算出的用户终端发射功率进行上行链路传输。

分别用f_BS，k和h_DL，k表示用户数据传输的M×1预编码向量和1×M对应的向量信 道，用户k接收的信号为：

y_UE，k＝h_DL，kf_BS，kx_DL，k+Σ_k′≠kh_DL，kf_BS，k′x_DL，k′+n_UE，k

其中x_DL，k是用户k携带消息的符号，E(|x_DL，k|²)＝1且n_UE，k是UE的加性白噪声， 方差为

因为在大规模MIMO时分双工系统中，建议使用结合波束形成预编码，即：

$f_{\mathrm{BS},k}=\frac{\sqrt{p_{\mathrm{BS},k}}{h}_{\mathrm{DL},k}^H}{\left|\right|h_{\mathrm{DL},k}\left|\right|}$

其中是用户k数据流的分配功率，用户k的接收信号为：

$y_{\mathrm{UE},k}=\sqrt{p_{\mathrm{BS},k}}\left|\right|h_{\mathrm{Dl},k}\left|\right|x_{\mathrm{DL},k}+{\Sigma }_{k^{\prime }\ne k}\frac{\sqrt{p_{\mathrm{BS},k}}{h}_{\mathrm{DL},k}{h}_{\mathrm{DL},k^{\prime }}^H{x}_{\mathrm{DL},k^{\prime }}}{\left|\right|h_{\mathrm{DL},k^{\prime }}\left|\right|}+n_{\mathrm{UE},k}$

且

$\underset{k=0}{\overset{K-1}{\Sigma }}{p}_{\mathrm{BS},k}=P_{\mathrm{BS}}.$

因此，用户k的下行链路SINR为：

${\rho }_{\mathrm{Dl},k}=\frac{1}{\frac{{\sigma }_{\mathrm{UE},k}^2}{{\left|\right|h_{\mathrm{DL},k}\left|\right|}^2{p}_{\mathrm{BS},k}}+{\Sigma }_{k^{\prime }\ne k}\frac{{\left|h_{\mathrm{Dl},k}{h}_{\mathrm{DL},k^{\prime }}^H\right|}^2}{{\left|\right|h_{\mathrm{Dl},k}\left|\right|}^2{\left|\right|h_{\mathrm{Dl},k^{\prime }}\left|\right|}^2}}$

当M很大且M＞＞K时：

${\left|\right|h_{\mathrm{Dl},k}\left|\right|}^2\approx M{\sigma }_{h,k}^2$

根据大数法则及理由：

$\frac{\left|h_{\mathrm{Dl},k}{h}_{\mathrm{Dl},k^{\prime }}^H\right|}{M}\approx 0$

因此

${\rho }_{\mathrm{DL},k}\approx \frac{M{\sigma }_{h,k}^2{p}_{\mathrm{BS},k}}{{\sigma }_{\mathrm{UE},k}^2}$

为了能够对传输的数据成功解码并满足用户k的QoS指标，我们需要满足以下 要求

其中ρ_DL，k是用户k的SINR阀值，用户k的分配功率必须满足：

$p_{\mathrm{BS},k}\ge \frac{{\bar{\rho }}_{\mathrm{DL},k}{\sigma }_{\mathrm{UE},k}^2}{M{\sigma }_{h,k}^2}$

用P_BS，max表示基站的最大传输功率，基站发射功率限制为：

∑p_BS，k≤P_BS，max.

下行链路用户选择和功率分配：假设有K₁个活跃用户，用户k的所需功率分配 可以根据下面公式计算：

${\bar{p}}_{\mathrm{BS},k}=\frac{{\bar{\rho }}_{\mathrm{DL},k}{\sigma }_{\mathrm{UE},k}^2}{M{\sigma }_{h,k}^2}$

其中M在基站为已知数，在基站设置，在基站测量，需要UE表 示，若

$\underset{k=0}{\overset{K_1-1}{\Sigma }}{\bar{p}}_{\mathrm{BS},k}>P_{\mathrm{BS},\max }$

那么根据诸如综合速率最大化等选择标准，满足条件：

$\underset{k=0}{\overset{K-1}{\Sigma }}{\bar{p}}_{\mathrm{BS},k}\le P_{\mathrm{BS},\max }$

的K个用户可以同时获得服务，用户k相应的分配功率为

下行链路节能：如果有K个用户且

$\underset{k=0}{\overset{K-1}{\Sigma }}{\bar{p}}_{\mathrm{BS},k}{<P}_{\mathrm{BS},\max }$

那么每个用户的分配功率为以及及利用UE表达的可以看 出基站的发射功率小于P_BS，max，这表示基站发射功率节能实现了。

如图2所示，下行链路节能调度包括以下步骤：

201)用户设备端通知基站端用户设备端的噪声功率；

202)基站端通过反向链路测量得到信道增益并确定需要达到的接收信噪比目 标值；

203)基站端计算支持用户设备k下行链路传输所需要的下行功率

${\bar{p}}_{\mathrm{BS},k}=\frac{{\bar{\rho }}_{\mathrm{DL},k}{\sigma }_{\mathrm{UE},k}^2}{M{\sigma }_{h,k}^2}$

其中：下行信噪比目标值，为用户设备端的噪声功率，为信道增 益，M为基站端的天线数量；

204)基站端对支持所有活跃用户所需要的下行功率进行求和，若其和大于基 站的发射功率，则执行步骤205)，若其和小于或等于基站的发射功率，则执行步 骤206)；

205)基站端根据综合速率最大化等选择标准选择k个用户设备同时获得服务；

206)所有活跃用户都得到服务。

步骤205)中挑选的k个用户设备的下行功率之和小于基站的发射功率。

以下给出在具体的场景中，假设在一个时分双工蜂窝系统中，某一UE漫游到 基站装有大量天线的某一小区内，在接入过程中UE会发现小区处于大规模MIMO 工作模式，天线数量M和基站噪音水平通过小区消息发送至UE，同时该消息也会 通过广播方式发送至小区内所有UE。

上行链路：如果UE有多个天线，它将采用主特征向量传输并将主特征向量作 为预编码向量。UE通过反向链接估量信道方差并将发射功率调整至p_UE，k：

$p_{\mathrm{UE},k}=\frac{c_k}{M}$

其中：

$c_k={\bar{c}}_k=\frac{{\sigma }_{\mathrm{BS}}^2{\bar{\rho }}_{\mathrm{UL},k}}{{\sigma }_{h,k}^2}$

从基站获得，通过UE根据上行链路数据流要求设置。

下行链路：每个UE通过UE专用消息将噪声水平发送至基站，基站根据 每个用户流计算所需的功率分配

${\bar{p}}_{\mathrm{BS},k}=\frac{{\bar{\rho }}_{\mathrm{DL},k}{\sigma }_{\mathrm{UE},k}^2}{M{\sigma }_{h,k}^2}$

其中包含在响应的UE专用消息中，通过基站根据传输质量要求设 置，M在基站为已知量，而是基站通过反向链路估量。如果有K₁个活跃UE 且基站端对支持K₁个活跃用户所需要的下行功率之和大于基站的发射功率，那么 根据诸如综合速率最大化等选择标准，基站选择满足条件的K个用户(这K个用 户的下行功率之和不大于基站的发射功率)，通过结合波束形成对K个用户的数 据流进行预编码，为每个用户数据流分配响应的功率，并同时发送所有的预编码流。 如果有该K₁个活跃用户所需要的下行功率之和不大于基站的发射功率，那么每个 用户数据流的功率分配为：

$P=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\Sigma }}{\bar{p}}_{\mathrm{BS},k}\le P_{\mathrm{BS},\max }$

因此基站的发射功率为：

$P=\underset{k=0}{\overset{K-1}{\Sigma }}{\bar{p}}_{\mathrm{BS},k}\le P_{\mathrm{BS},\max }$

这表示基站发射功率节能实现了。