专利名称:时分双工多入多出下行发射系统的用户调度方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及多入多出下行发射系统，特别是涉及一种时分双工多入多出下行发射系统的用户调度方法和装置。
背景技术：
MIMO (Multiple Input Multiple Output，多入多出)系统可分为 MU-MIM0 (多用 户多入多出)系统和SU-MIMO(单用户多入多出)系统。
FDD (Frequency Division Duplex，频分双工)系统中，如果基站采用预编码发射， 那么用户需要通过反馈信道反馈CQI (Channel Quality Indicator，信道质量指示)、下行 信道信息，以及其它必要信息给基站，基站根据这些信息进行用户调度及预编码处理，但反 馈信道降低了信道的频谱效率，如何降低FDD系统的反馈信息量是FDD系统通信研究的焦点。[0004]TDD(Time Division Duplex，时分双工)系统中，由于发射和接收都是使用相同的 频率资源，信道具有互惠属性，因此，发射机可以利用信道互惠属性来获取下行信道信息。 因此，与FDD系统相比，TDD通信系统中发射机可以获得更多的、更好的下行信道信息。这 样，就无需用户反馈下行信道信息，大大减少了反馈负担。正是基于这个原理，本发明和以 下现有技术主要是基于时分双工系统提出基站进行用户调度的方法，以及每个用户及子信 道(或子信道流)的调制编码方式选择方法。
在多用户多入多出下行发射系统中，在同一无线!《(resource block，资源块) 中，基站可以调度多个用户，用相同的时、频资源进行通信。研究证实，在有足够多的用户同 时具有活动数据需要传输的情况下，MU-MIMO系统能获得比SU-MIMO系统更多的增益。但在 MU-MIMO中，存在共信道干扰，因此，基站能用相同时频资源服务的用户数是有限的，如何高 效地调度活动用户(活动用户指在缓冲区有数据需要传输的用户，也就是有数据传输需 求的用户)进行服务是基站必须解决的问题，而且，还要合理的选择用户以最大限度地降 低或抑制用户间干扰。因此，为了保证MU-MIMO的频谱效率，调度的用户必须满足一些准 贝U。假定有两个不同的用户A和B，为了使他们能够有效地复用相同的物理资源进行通信， 以下三个准则必须满足1)在相同的时间里，用户A和B都有数据需要发送；2)在相同的频 率子带上，用户A和B都有高的信道增益；3)用户A和B具有很低的空间互干扰。准则2) 能保证服务用户(或称服务子信道)具有高的吞吐量，而准则3)则保障了服务用户之间具 有足够低的互干扰。
另一方面，MU-MIMO和SU-MIMO也具有各自的性能优势，MU-MIMO能获得更大的平 均扇区吞吐量，而SU-MIMO能使每个用户获得最大的峰值数据传输速率。此外，由于业务 模式的多样性，经常会出现只有一个活动用户有数据需要传输。在这种情况下，应该使用 SU-MIMO模式以增加用户的峰值数据传输速率，让用户尽快发送完数据。因此，SU-MIMO和 MU-MIMO的动态切换是需要的。用户的调度方法在保证用户通信质量的同时，也要尽量最大 化系统容量，以获得最大化平均扇区吞吐量。[0007]因此，如何在高效地调度活动用户进行服务的同时，还要保障SU-MIMO和MU-MIMO的动态切换，是急需解决的问题，而现有技术还没有能提出有效的解决方案，以下是现有技 术解决方案的举例。
现有的解决方案1 随机调度预编码方案，基本原理为系统选择那些瞬时信道增 益最大的用户获得基站服务，并组成预编码。这种方案的设计目标就是使整个系统的吞吐 量最大化。也称为“多用户分集”。该方案的缺点是没有考虑用户之间的干扰，可能出现单 个用户的性能降低，而且，由于用户间干扰，造成系统频谱效率的下降。
现有的解决方案2 发射机估计所有活动用户的下行信道信息，然后计算这些活 动用户的信道相关性，选择信道相关性最小的用户作为服务用户。该方案的缺点是该方法 最小化了服务用户之间的干扰，即只满足了准则1)和3)，最大化了通信性能。但是，该方法 没有考虑单个服务用户的通信质量，即准则2)，不能保证最大化用户吞吐量。其次，该方法 没有解决MU-MIMO和SU-MIMO的自动切换问题。
现有的解决方案3 基于缩减搜索范围的最大化系统容量的贪婪用户选择法。该 方案的缺点是该方案考虑了单个用户的信道质量，同时也考虑了系统容量，以数学优化的 方式，即最大化系统容量进行用户选择。该方案的缺点是复杂度较高。其次，该方案不能 在MU-MIMO和SU-MIMO之间自适应切换，仅为MU-MIMO模式。而且，该方案没有涉及用户的 调制编码方式选择方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种时分双工多入多出下行发射系统的用户调度方法和装 置，综合考虑了准则1)至3)，以进行用户调度，还解决现有技术不能在高效地调度活动用 户进行服务的同时保障SU-MIMO和MU-MIMO的动态切换的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种时分双工多入多出下行发射系统的用户调 度方法，包括增益获得步骤，根据活动用户的至少二个可用子信道的信道增益和所述至少 二个可用子信道之间的相关系数获取每一所述至少二个可用子信道的有效增益；首选服务 子信道获得步骤，根据所述有效增益从所述至少二个可用子信道中选择出一个可用子信道 作为服务子信道；次选服务子信道获得步骤，根据剩余可用子信道与最新选出的服务子信 道之间的相关系数重新计算有效增益，并根据所述重新计算的有效增益选择下一个服务子 信道。
优选地，上述的方法，所述增益获得步骤具体包括信道集合获得步骤，获得所有 活动用户所具有的所有可用子信道的信道集合和每个所述可用子信道的信道增益；增益计 算步骤，计算每两个所述可用子信道之间的相关系数，根据所述信道增益和所述相关系数 获得每个所述可用子信道的有效增益。
优选地，上述的方法，所述首选服务子信道获得步骤具体包括选择有效增益最大 的可用子信道作为服务子信道；将所述服务子信道从所述信道集合中移除。
优选地，上述的方法，所述次选服务子信道获得步骤具体包括计算所述信道集合 中每个可用子信道相对于最新选择的服务子信道的相关系数；根据该相关系数重新获得每 个所述可用子信道的有效增益，选择有效增益最大的可用子信道作为服务子信道；将该服 务子信道从所述信道集合中移除。[0016]优选地，上述的方法，所述次选服务子信道获得步骤之后还包括判断步骤，判断服务子信道的个数是否达到预定数量，是则结束选择，否则返回所述次选服务子信道获得步骤。
优选地，上述的方法，所述信道集合获得步骤具体包括对单个活动用户的信道估 计信息进行特征分解获得对角矩阵，所述对角矩阵对角线上非零元素的个数为该活动用户 的可用子信道的数目，所述对角矩阵对角线上的元素项的值为对应所述可用子信道的信道 增益；逐个处理所有活动用户，获得所述信道集合和每个所述可用子信道的信道增益。
优选地，上述的方法，所述判断步骤之后还包括利用估计的噪声功率和每个所述 服务子信道对应的有效增益，估计出每个所述服务子信道的信干噪比，并根据所述信干噪 比为所述服务子信道确定调制编码方式。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种时分双工多入多出下行发射系统的用户 调度装置，包括信道集合获得单元，用于获得所有活动用户所具有的所有可用子信道的 信道集合和每个所述可用子信道的信道增益；连接所述信道集合获得单元的首选服务子信 道获得单元，用于计算每两个所述可用子信道之间的相关系数，根据所述信道增益和所述 相关系数获得每个所述可用子信道的有效增益，根据有效增益选择可用子信道作为服务子 信道，并将所述服务子信道从所述信道集合中移除。
优选地，上述的装置，还包括连接所述首选服务子信道获得单元的次选服务子信 道获得单元，用于计算所述信道集合中每个可用子信道相对于最新选择的服务子信道的 相关系数，根据该相关系数重新获得每个所述可用子信道的有效增益，选择有效增益最大 的可用子信道作为服务子信道，并将该服务子信道从所述信道集合中移除。
优选地，上述的装置，还包括连接所述次选服务子信道获得单元的判断单元，用 于判断服务子信道的个数是否达到预定数量，是则结束选择，否则返回执行所述次选服务 子信道的功能。
优选地，上述的装置，所述信道集合获得单元中包括特征分解单元，用于对单个 活动用户的信道估计信息进行特征分解获得对角矩阵，所述对角矩阵对角线上非零元素的 个数为该活动用户的可用子信道的数目，所述对角矩阵对角线上的元素项的值为对应所述 可用子信道的信道增益。
优选地，上述的装置，还包括连接所述判断单元的调制编码方式的确定单元，用 于利用估计的噪声功率和每个所述服务子信道对应的有效增益，估计出每个所述服务子 信道的信干噪比，并根据所述信干噪比为所述服务子信道确定调制编码方式。
优选地，上述的装置，所述服务子信道不为有效增益最小的可用子信道
优选地，上述的装置，所述服务子信道为有效增益最大的可用子信道。
本发明实施例的技术效果在于
1、本发明实施例采用的“有效增益”是综合考虑单个用户信道质量(子信道增益) 和用户间干扰(信道相关系数)的用户选择准则，因此，本发明实施例在最小化用户干扰 (等价于最大化系统容量)的同时，也保证了单个用户的吞吐量；
2、在具有活动数据的活动用户比较少的情况下，本发明实施例能自动由MU-MIMO 模式切换到SU-MIMO模式，以获得最大化用户峰值数据传输速率；
3、“有效增益”也被用于基站为每个用户或子信道确定调制编码方式，等价于FDD模式下，基站根据用户反馈的CQI选择调制编码的方法，因为有效增益与噪声之比即为子 信道信干噪比的估计。
图1为本发明方法实施例的步骤流程图；
图2为本发明实施例提供的时分双工多入多出下行发射系统的结构图；
图3为本发明实施例提供的自适应调制编码控制单元的模块结构图；
图4为本发明实施例提供的用户调度方法的计算流程图；
图5a、5b为本发明实施例提供的MU-MIM0与SU-MIM0自动切换的操作实例(基站2天线、移动终端2天线)
图6为本发明实施例提供的几种用户调度算法的误码率性能曲线图；
图7为本发明用户调度方法实施例的公平性分析图；
图8是本发明方法实施例的调制编码方式的选择的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对具体实 施例进行详细描述。
图1为本发明方法实施例的步骤流程图，如图，本发明方法实施例包括
信道集合获得步骤SlOl 获得所有活动用户所具有的所有可用子信道的信道集 合和每个所述可用子信道的信道增益；
首选服务用户(服务子信道)获得步骤S102 计算每两个所述可用子信道之间的 相关系数，根据所述信道增益和所述相关系数获得每个所述可用子信道的有效增益，选择 有效增益最大的可用子信道作为服务用户，并将所述服务用户从所述信道集合中移除；
次选服务用户获得步骤S103 计算所述信道集合中每个可用子信道相对于最新 选择的服务用户的相关系数，根据该相关系数重新获得每个所述可用子信道的有效增益， 选择有效增益最大的可用子信道作为服务用户，并将该服务用户从所述信道集合中移除；
判断步骤S104:判断服务用户的个数是否达到预定数量，是则结束选择，否则返 回所述次选服务用户获得步骤。
可选地，还可以包括调制编码方式的确定步骤S105 利用估计的噪声功率和每个 所述服务用户对应的有效增益，估计出每个所述服务用户的信干噪比，并根据所述信干噪 比为所述服务用户确定调制编码方式。
图2为本发明实施例提供的时分双工多入多出下行发射系统的结构图，如图，本 发明实施例提供的用户调度装置包括图中的自适应调制编码控制单元20，用于根据活动用 户的可用子信道的信道增益和所述可用子信道之间的相关系数获取所述可用子信道的有 效增益，根据所述有效增益选择出一个可用子信道作为服务用户；根据剩余可用子信道与 最新选出的服务用户之间的相关系数重新计算有效增益，并根据所述重新计算的有效增益 选择下一个服务用户。
图3为本发明实施例提供的自适应调制编码控制单元的模块结构图，如图，自适 应调制编码控制单元20包括有与图1中的步骤相对应的功能模块，包括信道集合获得单元201、首选服务用户获得单元202、次选服务用户获得单元203、判断单元204、调制编码方式 的确定单元205。
其中，首选服务用户获得单元202，用于计算每两个所述可用子信道之间的相关 系数，根据所述信道增益和所述相关系数获得每个所述可用子信道的有效增益，根据有效 增益选择可用子信道作为服务子信道，并将所述服务子信道从所述信道集合中移除。所述 服务子信道为一个有效增益较大的可用子信道，优选为有效增益最大的可用子信道，不为 有效增益最小的可用子信道图4为本发明实施例提供的用户调度方法的计算流程图，如 图，流程包括
S401，基站必须根据活动用户的上行导频信号估计出上行信道信息，并利用TDD
信道的互惠属性获得活动用户的下行信道信息，其中，k为活动用户索引且1 < k < κ，κ
为活动用户数目A为NrkXNt维矩阵，Nrk为第k个用户的天线元数目，Nt为基站天线元数 目。在用户高速移动或上下行间隔时间超过信道相干时间等，信道互惠属性被破坏的情况 下，也可使用现有技术中的其它稳健的信道估计方法。
S402，设基站要从K个活动用户中调度R个用户进行同时服务，根据第k个活动用 户的信道信息，计算可用子信道的信道增益Gki和可用子信道数目P(i为子信道索引，且 1彡i彡P)。方法为对信道估计Hit进行信道特征分解，即Hit =UkDkVk",其中，Dk为对角阵， 对角线非零元素Gki的个数就是用户k的可用子信道数目P，对角线元素就是对应子信道的 信道增益Gki ；Uk表示第k个用户的接收信道特征矩阵；Vk表示为第k个用户的发射信道矩 阵。将KXP个子信道形成集合AU= IaukiIl彡k彡K，1彡i彡P}，将对应的子信道增益 形成增益集合 G= {Gki 11 ^ k ^ K, 1 ^ i ^ P}；
S403，计算活动用户集合AU中两两子信道的相关系数，并存储。用户k的第i子
信道与用户1的第j子信道的信道相关系数的计算方法为=Ihf^I2，其中，Vki表示用户
k的发射相关矩阵Vk的第i列列向量；νυ表示用户1的发射相关矩阵V1的第j列列向量；
, κ'ρ
S404,计算AU中每个子信道的等效增益，计算方法为= Π ^ "A,-/,’
Ukj^ti
将各个子信道的等效增益进行存储。
S405，第一个服务用户的选择。选择具有最大等效增益的子信道及对应用户auki 作为第一个服务用户，即最大子信道增益Gki' = max (Gki' 1彡k彡K，1彡i彡P)，并将其 加入服务用户集合SU = IaukJ，且从AU集合中移出，从集合G中移出对应的子信道增益；
S406，判断集合SU中的服务用户数目是否等于设定的服务用户数目R，如果是，退 出服务用户调度程序，否则，继续执行S407 ；
S407,计算集合SU中最新选择的子信道及对应用户auki与AU中其余用户子信道 BUlj的等效子信道增益，G；。
S408，选择具有最大等效增益的子信道及对应用户aUlj作为第二个服务用户，即 G}j = max{G； :1</<^,1<;<Ρ},并加入 SU 集合，即 SU = {auki,aUlJ}，且从 AU 集合中移出， 从集合G中移出对应的子信道增益。同时，用计算的等效增益分别更新集合G中的对应元 素值；[0056]重复步骤S406 S408，直到调度程序结束。
以上实施例中，如果活动用户数比较少，而且用户之间的相关系数很高，那么这时，经过以上的用户选择过程之后，可能系统最终只选择了一个用户进行服务，这种情况 下，实际变为单用户MIMO情况(SU-MIMO)，即调度算法能根据环境在MU-MIMO和SU-MIMO之 间自适应切换。如图5a、5b所示的实施例，基站和用户都具有2根天线用于发射和接收。开 始时候，基站服务的小区中共有A到E共5位用户，但用户E还没有数据要传输。系统初始 选择用户C和A服务。到第2个发射时刻，用户C的数据传输完毕，活动用户只有A、B和D， 由于三个用户靠的比较近，信道相关系数很高，造成用户B和C的有效信道增益很低，因此， 基站调度用户A的2个子信道都进行数据传输，即系统由MU-MIMO模式转换成了 SU-MIMO 模式，即在用户间干扰可能严重的条件下，基站选择SU-MIMO模式，优先保障了单个用户的 峰值数据传输速率。图5a、5b中其余发射时刻基站的用户调度情况可以类似进行分析。
图6显示的是几种用户调度算法的误码率性能曲线，模拟系统条件为基站4天 线，每个移动台2根天线，活动用户40，每次选择4个用户接受同时服务。信噪比(SNR)单 位为分贝(dB)，调制方式为QPSK，随机平衰落信道。如果每次选择2个用户进行同时服务， 模拟表明，SU-MIMO模式的概率为大约6%。图7显示的是本发明用户调度方法实施例的公 平性分析，并与参考方案进行了对比，可以看出，本发明用户调度方法实施例与参考方案具 有相似的调度公平性。
图8是本发明方法实施例的调制编码方式的选择流程图。基站选择了服务用户， 即SU集合，接下来，基站根据这些调度的服务用户的信道质量，为它们选择适当的调制编 码方式，其选择依据将是用户子信道的信干噪比(SINR)。如果TDD系统中没有反馈链路，那 么基站无法得到用户测量的子信道的SINR。但是，根据服务用户选择方法的原理，本实施例 用有效信道增益与噪声功率之比作为调制编码方式的选择依据是合理的，因为有效信道增 益已经考虑了其它用户干扰的因素。有效信道增益与噪声功率之比是一个类似于SINR的 量，但是，用其作为子信道调制编码方式的选择依据足够了。那么，如图8，调制编码方式的 选择流程包括
S801，根据以上实施例的步骤S403中所存储的两两用户的相关系数，计算集合SU
中对应子信道auki的等效信道增益，计算方式如下 κ,ρ
<formula>formula see original document page 9</formula>
S802，计算集合SU中对应子信道的有效信道增益与噪声功率之比EGNR。SU中子 信道auki的EGNR估计为-.EGNRki/ckinf其中，σ kin为基站获得的第k个用户的噪
声功率；
S803，根据估计的EGNR和设定的选择规则为每个子信道选择调制编码方式。
由上可知，采用本方案之后的优势是
1、“有效增益”是综合考虑单个用户信道质量(子信道增益)和用户间干扰(信道 相关系数)的用户选择准则，因此，本发明实施例在最小化用户干扰(等价于最大化系统容 量)的同时，也能保证单个用户的吞吐量；
2、在具有活动数据的活动用户比较少的情况下，本发明实施例能自动由MU-MIMO模式切换到SU-MIMO模式，以获得最大化用户峰值数据传输速率；
3、“有效增益”也被用于基站为每个用户或子信道确定调制编码方式，等价于FDD 模式下，基站根据用户反馈的SINR选择调制编码的方法，因为有效增益与噪声之比即为子 信道信干噪比的估计。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域：
的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
权利要求
一种时分双工多入多出下行发射系统的用户调度方法，其特征在于，包括增益获得步骤，根据活动用户的至少二个可用子信道的信道增益和所述至少二个可用子信道之间的相关系数获取每一所述可用子信道的有效增益；所述增益获得步骤具体包括信道集合获得步骤，获得所有活动用户所具有的所有可用子信道的信道集合和每个所述可用子信道的信道增益；增益计算步骤，计算每两个所述可用子信道之间的相关系数，根据所述信道增益和所述相关系数获得每个所述可用子信道的有效增益；首选服务子信道获得步骤，根据所述有效增益从所述至少二个可用子信道中选择出一个可用子信道作为服务子信道；次选服务子信道获得步骤，根据剩余可用子信道与最新选出的服务子信道之间的相关系数重新计算有效增益，并根据所述重新计算的有效增益选择下一个服务子信道。
2.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述首选服务子信道获得步骤具体包括 选择有效增益最大的可用子信道作为服务子信道；将所述服务子信道从所述信道集合中移除。
3.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述次选服务子信道获得步骤具体包括 计算所述信道集合中每个可用子信道相对于最新选择的服务子信道的相关系数；根据该相关系数重新获得每个所述可用子信道的有效增益，选择有效增益最大的可用 子信道作为服务子信道；将该服务子信道从所述信道集合中移除。
4.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述次选服务子信道获得步骤之后还包括判断步骤，判断服务子信道的个数是否达到预定数量，是则结束选择，否则返回所述次 选服务子信道获得步骤。
5.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于，所述信道集合获得步骤具体包括对单个活动用户的信道估计信息进行特征分解获得对角矩阵，所述对角矩阵对角线上 非零元素的个数为该活动用户的可用子信道的数目，所述对角矩阵对角线上的元素项的值 为对应所述可用子信道的信道增益；逐个处理所有活动用户，获得所述信道集合和每个所述可用子信道的信道增益。
6.根据权利要求
4所述的方法，其特征在于，所述判断步骤之后还包括利用估计的噪声功率和每个所述服务子信道对应的有效增益，估计出每个所述服务子 信道的信干噪比，并根据所述信干噪比为所述服务子信道确定调制编码方式。
7.一种时分双工多入多出下行发射系统的用户调度装置，其特征在于，包括信道集合获得单元，用于获得所有活动用户所具有的所有可用子信道的信道集合和 每个所述可用子信道的信道增益；连接所述信道集合获得单元的首选服务子信道获得单元，用于计算每两个所述可用 子信道之间的相关系数，根据所述信道增益和所述相关系数获得每个所述可用子信道的有 效增益，根据有效增益选择可用子信道作为服务子信道，并将所述服务子信道从所述信道 集合中移除；连接所述首选服务子信道获得单元的次选服务子信道获得单元，用于计算所述信道 集合中每个可用子信道相对于最新选择的服务子信道的相关系数，根据该相关系数重新获得每个所述可用子信道的有效增益，选择有效增益最大的可用子信道作为服务子信道，并 将该服务子信道从所述信道集合中移除。
8.根据权利要求
7所述的装置，其特征在于，还包括连接所述次选服务子信道获得单元的判断单元，用于判断服务子信道的个数是否达 到预定数量，是则结束选择，否则返回执行所述次选服务子信道获得单元的功能。
9.根据权利要求
7所述的装置，其特征在于，所述信道集合获得单元中包括特征分解 单元，用于对单个活动用户的信道估计信息进行特征分解获得对角矩阵，所述对角矩阵对 角线上非零元素的个数为该活动用户的可用子信道的数目，所述对角矩阵对角线上的元素 项的值为对应所述可用子信道的信道增益。
10.根据权利要求
8所述的装置，其特征在于，还包括连接所述判断单元的调制编码方 式的确定单元，用于利用估计的噪声功率和每个所述服务子信道对应的有效增益，估计出 每个所述服务子信道的信干噪比，并根据所述信干噪比为所述服务子信道确定调制编码方 式。
11.根据权利要求
7所述的装置，其特征在于，所述首选服务子信道不为有效增益最小 的可用子信道。
专利摘要
本发明提供一种时分双工多入多出下行发射系统的用户调度方法和装置，属于通信领域，方法包括增益获得步骤，根据活动用户的至少二个可用子信道的信道增益和所述至少二个可用子信道之间的相关系数获取每一所述至少二个可用子信道的有效增益；首选服务子信道获得步骤，根据所述有效增益从所述至少二个可用子信道中选择出一个可用子信道作为服务子信道；次选服务子信道获得步骤，根据剩余可用子信道与最新选出的服务子信道之间的相关系数重新计算有效增益，并根据所述重新计算的有效增益选择下一个服务子信道。本发明能在高效地调度活动用户进行服务的同时保障SU-MIMO和MU-MIMO的动态切换。
文档编号H04W28/18GKCN101472298 B发布类型授权 专利申请号CN 200710304071
公开日2010年8月25日 申请日期2007年12月24日
发明者刘云辉, 张孝林, 罗琳佳 申请人:联想(北京)有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (3),