专利名称：一种实现多用户公平调度与预编码的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用户调度技术，特别是指一种实现多用户公平调度与预编码的 方法及装置。
背景技术：
随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为遏制无 线通信事业的瓶颈。如何充分地开发和利用有限的频谱资源、提高频谱资源的
利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。于是，多输入多输出(MIMO) 无线通信技术应运而生。所谓MIMO技术是指，对于任何一个无线通信系统， 在其发射端和接收端均釆用多个天线或天线阵列，就构成一个无线MIMO系统。 如果多个用户使用MIMO技术通信，则构成多用户MIMO系统。
在多用户MIMO系统中，基站必须使用适当的调度算法，使基站釆用相同 的时频资源，同时为多用户提供服务。在目前已有的大多数调度算法中，通常 只考虑单独在某一层范围内进行调度，比如在物理层或媒体访问控制(MAC, Media Access Control)层调度。但是，为了获得最好的整体系统性能，需要各 层设计共同配合，交互层设计是十分必要的。
多用户MIMO系统中，对于TDD系统，在信道相干时间之内，根据信道 的互惠原理，基站可以将上行信道估计用于下行发射，因此，基站能够使用更 多的信道信息。在将来的B3G或4G系统中，也必将融合根据3G国际标准之 一的时分-同步码分多址(TD-SCDMA)系统演进技术。预编码技术是发射机利 用可能的信道信息进行发射信号处理的一种方法，其已经被选择为B3G的下行 发射技术，因此，TDD系统的多用户预编码技术显得十分重要。而用户间干扰 是影响线性预编码系统性能的一个重要因素，这是由于用户之间空间相关性导
致的，或者说是用户对应的信道向量子空间相互重叠引起的。由于为每个用户 的发射波束向量的主瓣靠的很近，从而产生用户间干扰；因此，为了减少用户 间干扰，必须降低用户信道之间的相干特性，最理想的情况就是信道向量之间 相互正交。
优秀的多用户调度算法设计应该在最大化系统容量、公平服务和满足延迟 约東之间进行很好的权衡，也就是说， 一方面要考虑到公平服务，另一方面应
考虑尽量最大化系统容量。所谓公平服务是指防止某些信道质量好的用户长 期占用信道，而信道质量差的用户长时间得不到系统服务。而这样的调度对于 一些业务如实时语音业务是不合适的，为了兼顾公平服务和实时这两个因素， 调度应该具有渐进特性，即使各用户占用信道时间比例趋于相同。
为了实现优秀的多用户调度算法，现有技术中提出了几种多用户调度及预 编码方案
第一种，随机调度预编码方案，其基本实现原理为在选择服务用户时， 系统会选择瞬时信道增益最大的用户获得基站服务，并组成预编码，这种方案 既能使系统吞吐量达到最大，同时也能使单个用户的性能最优化。
但是，由于在实际无线通信环境下，用户的信道质量差别比较大，比如离 基站比较近的用户、静止用户的信道质量会比远离基站、移动用户的信道质量 好，因此随机调度算法会导致某些信道质量好的用户一直占用信道，不能满足 公平服务的原则。这种方案对延迟不敏感的数据业务影响不大，但对语音类实 时业务的影响就比较大。
第二种，最大信噪比多用户调度和预编码方案，其基本实现原理为选择 信噪比(SNR)最大的用户，并选择每个用户信道增益最大的空间子信道，并 组成发射预编码矩阵。但是，本方案同样会由于用户信道质量的差别，导致一 些信道质量好的用户一直占用信道，无法满足公平服务的原则。这种方案对延 迟不敏感的数据业务影响不大，但对语音类实时业务的影响就比较大。
第三种，非线性预编码，如发射机干扰抑制编码技术(DPC, Dirty paper code)，其基本实现原理为基站设计一定的算法，在为每个用户发射波束时，
预先去掉其他用户的干扰，这样，接收机或用户接收到的就是"干净"的信号， 从性能角度来说，DPC方法是性能最优化的。
但是，由于此方案属于非线性方法，每个用户的发射权向量的计算都需要 其它用户的信息，也就是说，每个用户的发射权向量是全局优化的结果，这样 就导致实际实现的复杂度很高，因此，这种方案会给实际系统的实现带来过高 的复杂度或处理延时。
可见，现有各种多用户调度及预编码的方案，在具体实现上分别存在不同 方面的问题，并不能权衡公平服务、最大化系统容量以及减小延时的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实现多用户公平调度与预编码 的方法及装置，能在保证相对公平调度的基础上，最大化系统容量，同时降低 实现复杂度。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的 一种实现多用户公平调度与预编码的方法，包括
A、 基站获得每个活动用户的信道信息，并根据获得的信道信息计算每个 活动用户的最大空间子信道增益；
B、 根据获得的所有活动用户的最大空间子信道增益计算所有活动用户的 平均增益以及每个活动用户与平均增益的离散度；
C、 按离散度的升序顺序，计算两两用户的信道相关性，并按设定规则选 择服务用户。
该方法进一步包括设置信道相关性阈值；所述设定规则为判断计算出 的所有信道相关性是否均小于信道相关性阈值。 上述方案中，步骤C具体包括 Cl、按离散度的升序排列，形成活动用户集合；
C2、选择活动用户集合中第一个用户为服务用户，形成服务用户集合，同 时从活动用户集合中删除此用户；
C3、两两计算活动用户集合中当前第一个用户"与服务用户集合中每个用
户的空间信道相关性；
C4、判断计算出的所有信道相关性是否均小于设置的信道相关性阈值，如
果是，则选择",作为当前服务用户；否则，不选择c/,作为当前服务用户；
C5、从活动用户集合中删除用户(/,。
其中，步骤C5之后进一步包括判断服务用户集合中的用户数是否达到 预定的服务用户数，如果未达到，返回步骤C2;否则，结東当前处理流程。
上述方案中，步骤A所述计算每个活动用户的最大空间子信道增益为对 所获得的信道信息进行奇异值分解，得到可能的空间子信道增益，从中选择出 最大空间子信道增益。
一种实现多用户公平调度与预编码的装置，包括信道信息获取单元、增 益计算单元、离散度计算单元以及服务用户选择单元；
其中，信道信息获取单元，与基站已有的信号收发单元相连，用于获取每 个活动用户的信道信息，发送给增益计算单元；
增益计算单元，根据接收到的信道信息计算每个活动用户的最大空间子信 道增益，再求取所有活动用户的平均增益，并将平均增益输出给服务用户选择 单元，将每个活动用户的最大空间子信道增益以及平均增益发送给离散度计算
单元；
离散度计算单元，根据收到的最大空间子信道增益和平均增益计算每个活 动用户与平均增益的离散度；
服务用户选择单元，按照离散度从小到大的顺序计算两两用户的信道相关 性，选择信道相关性满足规定原则的活动用户作为服务用户。
所述服务用户选择单元进一步包括相关性计算模块、相关性判别模块；其 中，相关性计算模块，用于计算活动用户集合中当前用户与服务用户集合中每 个用户的信道相关性，并将计算出的信道相关性送至相关性判别模块；相关性 判别模块，用于判断是否所有信道相关性均小于预设的信道相关性阈值，在是
的情况下选择当前用户作为服务用户，并通知相关性计算模块从活动用户集合 中删除当前用户。
所述服务用户选择单元进一步包括选择判断模块，用于确定服务用户集 合中的用户数是否达到预设阈值，未达到时继续选择新的服务用户。
本发明所提供的实现多用户公平调度与预编码的方法及装置，对一定范围 内的所有活动用户，计算所有活动用户最大空间子信道增益的平均增益，并计 算每个活动用户与平均增益的离散度，之后按照离散度升序顺序，计算两两用 户空间信道的信道相关性，基站选择相关度小的用户作为服务用户。本发明综 合考虑了多用户调度与线性预编码的交互优化设计，具有以下的优点和特点
1) 由于本发明方法是以每个基站范围内所有活动用户的平均增益为基准， 进一步计算离散度，并尽量选择离平均增益值最近的用户作为服务用户，如此， 可使用户的选择更具有服务公平性。
2) 本发明方法在选择服务用户时，从离散度最小的用户开始，对用户的信 道相关性进行评估，选择相关度最小的用户作为服务用户，也就是说，所选择 的服务用户加入服务后对其他用户的干扰最小，如此，可以保证做到用户干扰 最小化，满足最大化系统容量的要求。
3) 本发明选择线性预编码，且实现过程简单、计算量小，因此降低了整个 系统实现的复杂度。
4) 本发明可用于TDD预编码系统，如TD-SCDMA系统的演进系统中； 还可以用于FDD预编码系统中。
图1为本发明方法的实现流程图2为本发明方法中选择服务用户的实现流程图3为本发明方法与现有技术方案各用户占用信道的统计曲线图。
具体实施例方式
本发明的基本思想是对一定范围内的所有活动用户，先计算每个活动用
户可用空间子信道的最大空间子信道增益，再计算所有活动用户最大空间子信 道增益的平均增益，并求出每个活动用户与平均增益的离散度，之后按照离散 度的升序顺序，计算两两用户空间信道的信道相关性，选择相关度小的用户作 为服务用户。
本发明中， 一定范围是以每个基站覆盖的小区为单位，并由基站完成所有 的计算，选择出服务用户。所述活动用户是指当前需要基站提供服务的用户， 处于空闲待机状态的用户不考虑。
对于信道相关性的评估，可以预先设置信道相关性阔值，如果所计算出的 两两用户空间信道的信道相关性小于设置的信道相关性阈值，就认为相关度小， 满足信道相关性要求，则可以选作服务用户。其中，信道相关性阈值一般根据
实际系统需要来确定，比如根据系统所要求的服务质量(QoS)来确定；在 系统优化过程中完成信道相关性阈值的设定、或动态调整所设置的信道相关性 阈值。
如图l所示，本发明的方法包括以下步骤
步骤101:基站获得每个活动用户的信道信息H, ("i...K)，其中，A表示 用户序号，《为总的活动用户数目。
本步骤中，基站先要确定所覆盖小区内有哪些用户是活动用户，再获得每 个活动用户的信道信息。其中，如何获得用户的信道信息与当前使用的通信系 统相关，可根据所基于系统的不同采用不同的方式。比如在TDD系统中，基 站可以利用信道的互惠属性来获得发射信道的信息，即基站根据接收到的上行 信号估计上行信道信息，并直接将估计的上行信道信息作为发射信道信息。再 比如在FDD系统中，则由接收机估计信道信息，并通过反馈信道将信道信息 反馈给发射机。
步骤102:基站根据获得的信道信息，计算每个活动用户最大增益的空间
子信道及其对应的增益。
本步骤中，基站对&进行奇异值分解，获得每个活动用户可能的空间子信 道增益及对应的右特征向量，之后选择最大空间子信道增益G4对应的空间子信 道、及对应的子信道向量^ ("l..l)。
步骤103:基站根据步骤102获得的所有活动用户的最大空间子信道增益^ 计算所有活动用户最大空间子信道增益的平均增益M,、及每个活动
用户与平均增益M,的离散度aq。其中，t表示用户的调度时刻。 其中，所述平均增益以及离散度分别按照下式计算
步骤104:根据所计算出的每个活动用户与平均增益,",的离散度a&,对活
动用户按离散度ac^升序排列，形成有序的活动用户集合j—^l^…"j。
其中，t/,代表第/个活动用户。
步骤105:按照步骤104的排列顺序，从离散度最小的用户开始，计算两 两用户的信道相关性，并按设定规则选择服务用户集合L
这里，所述设定规则是指预先根据系统的QoS要求设置信道相关性阈值， 如果计算出的两两用户的信道信道相关性小于预设的信道相关性阈值，则可以
将此用户选作服务用户。
具体的信道相关性计算和服务用户的选择方法，如图2所示，包括 步骤201:选择集合J中第一个用户t/,为服务用户，形成服务用户集合
s = {^，同时从集合^中删除用户"，则h{t/2,..,W;
步骤202:两两计算集合^中当前第一个用户与集合s中每个用户的空间信
道相关性。假设当前集合力中的第一个用户是",，当前集合s中的用户为
u,(/"…")("<aO,则计算",和^的空间信道相关性&=|《、『(y = i..."， "<w)，
其中，w为基站在相同时频能同时提供服务的最大用户数；
步骤203:如果所有p,(!…")都小于预先设置的信道相关性阈值L，则选择t/,
作为当前服务用户，即有s—m,…，W;否则，不选择u,作为当前服务用户；
步骤204:从集合^中删除用户^;
步骤205:如果集合s中的用户数目少于w，说明当前的服务用户数还未达
到预定的基站能提供服务的服务用户数，还可以继续选择，则返回步骤202继
续进行选择；否则，结東当前的服务用户选择流程。
上述流程中，集合a也可称为活动用户集合；集合s也可称为服务用户集合。 为实现本发明的方法，本发明还提出了一种实现多用户公平调度与预编码
的装置，位于基站中。该装置包括信道信息获取单元、增益计算单元、离散
度计算单元以及服务用户选择单元。
其中，信道信息获取单元，与基站已有的信号收发单元相连，用于获取每 个活动用户的信道信息，发送给增益计算单元；
增益计算单元，接收信道信息获取单元输出的信道信息，根据所述信道信 息计算每个活动用户的最大空间子信道增益，再求取所有活动用户最大空间子
信道增益的平均值，即求出平均增益，并将平均增益输出给服务用户选择单元，
将每个活动用户的最大空间子信道增益以及平均增益发送给离散度计算单元；
离散度计算单元，根据收到的最大空间子信道增益和平均增益计算每个活 动用户与平均增益的离散度；
服务用户选择单元，按照离散度从小到大的顺序计算两两用户的信道相关 性，选择信道相关性满足规定原则的活动用户作为服务用户。
该装置中，所述服务用户选择单元进一步由相关性计算模块、相关性判别 模块以及选择判断模块构成，其中，相关性计算模块用于计算活动用户集合中 当前用户与服务用户集合中每个用户的信道相关性，并将计算出的信道相关性 送至相关性判别模块；相关性判别模块用于判断是否所有信道相关性均小于预 设的信道相关性阈值，在是的情况下选择当前用户作为服务用户，并通知相关 性计算模块从活动用户集合中删除当前用户；选择判断模块用于确定服务用户 集合中的用户数是否达到预设阈值，如果未达到，可继续选择新的服务用户。
采用本发明的方法及装置，可使用户的选择更具服务公平性，如图3所示。
图3中，横坐标是用户索引，纵坐标是调度帧数，由圈构成的曲线为现有技术 调度方案中用户发送帧的统计曲线，由星构成的曲线为本发明中用户发送帧的 统计曲线。可以看出，在一定的时间段内，本发明方法对应的曲线更趋于平滑， 说明本发明方案对所有用户的调度相对更均衡、公平。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
权利要求
1、一种实现多用户公平调度与预编码的方法，其特征在于，该方法包括A、基站获得每个活动用户的信道信息，并根据获得的信道信息计算每个活动用户的最大空间子信道增益；B、根据获得的所有活动用户的最大空间子信道增益计算所有活动用户的平均增益以及每个活动用户与平均增益的离散度；C、按离散度的升序顺序，计算两两用户的信道相关性，并按设定规则选择服务用户。
2、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括设置信 道相关性阈值；所述设定规则为判断计算出的所有信道相关性是否均小于信 道相关性阈值。
3、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤C具体包括 Cl、按离散度的升序排列，形成活动用户集合；C2、选择活动用户集合中第一个用户为服务用户，形成服务用户集合，同 时从活动用户集合中删除此用户；C3、两两计算活动用户集合中当前第一个用户t/,与服务用户集合中每个用 户的空间信道相关性；C4、判断计算出的所有信道相关性是否均小于设置的信道相关性阈值，如 果是，则选择",作为当前服务用户；否则，不选择t/,作为当前服务用户；C5、从活动用户集合中删除用户^。
4、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤C5之后进一步包括 判断服务用户集合中的用户数是否达到预定的服务用户数，如果未达到，返回 步骤C2;否则，结束当前处理流程。
5、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A所述计算每个活动 用户的最大空间子信道增益为对所获得的信道信息进行奇异值分解，得到可 能的空间子信道增益，从中选择出最大空间子信道增益。
6、 一种实现多用户公平调度与预编码的装置，其特征在于，该装置包括信道信息获取单元、增益计算单元、离散度计算单元以及服务用户选择单元；其中，信道信息获取单元，与基站已有的信号收发单元相连，用于获取每个活动用户的信道信息，发送给增益计算单元；增益计算单元，根据接收到的信道信息计算每个活动用户的最大空间子信 道增益，再求取所有活动用户的平均增益，并将平均增益输出给服务用户选择 单元，将每个活动用户的最大空间子信道增益以及平均增益发送给离散度计算单元；离散度计算单元，根据收到的最大空间子信道增益和平均增益计算每个活 动用户与平均增益的离散度；服务用户选择单元，按照离散度从小到大的顺序计算两两用户的信道相关 性，选择信道相关性满足规定原则的活动用户作为服务用户。
7、 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述服务用户选择单元进一 步包括相关性计算模块、相关性判别模块；其中，相关性计算模块，用于计算活动用户集合中当前用户与服务用户集合中每 个用户的信道相关性，并将计算出的信道相关性送至相关性判别模块；相关性判别模块，用于判断是否所有信道相关性均小于预设的信道相关性 阈值，在是的情况下选择当前用户作为服务用户，并通知相关性计算模块从活 动用户集合中删除当前用户。
8、 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述服务用户选择单元进一步包括选择判断模块，用于确定服务用户集合中的用户数是否达到预设阈值，未 达到时继续选择新的服务用户。
全文摘要
本发明公开了一种实现多用户公平调度与预编码的方法，包括A.基站获得每个活动用户的信道信息，并根据获得的信道信息计算每个活动用户的最大空间子信道增益；B.根据获得的所有活动用户的最大空间子信道增益计算所有活动用户的平均增益以及每个活动用户与平均增益的离散度；C.按离散度的升序顺序，计算两两用户的信道相关性，并按设定规则选择服务用户。本发明还同时公开了一种实现多用户公平调度与预编码的装置，采用本发明的方法及装置，能在保证相对公平调度的基础上，最大化系统容量，同时降低实现复杂度。
文档编号H04B7/06GK101350657SQ200710119178
公开日2009年1月21日 申请日期2007年7月17日 优先权日2007年7月17日
发明者刘云辉, 张孝林, 颖 李 申请人:联想(上海)有限公司