LTE系統(tǒng)中基于估計(jì)波束到達(dá)角的多用戶調(diào)度算法

彭張節(jié) 洪 赟 許 威 趙春明

(1東南大學(xué)移動(dòng)通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096)

(2聯(lián)發(fā)通訊科技(蘇州)有限公司,蘇州 215021)

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,MIMO信道建模是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題．3GPP TR 25.996[1]中提出了基于子徑的空間信道模型(SCM),這種建模方式既控制了復(fù)雜度,又能夠很好地模擬真實(shí)環(huán)境,因此在MIMO系統(tǒng)研究中被廣泛應(yīng)用．在LTE系統(tǒng)以及未來(lái)LTE-A系統(tǒng)中,重點(diǎn)考察基于SCM信道模型的通信系統(tǒng)性能．為了進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的性能,多用戶MIMO[2-3]成為研究的重點(diǎn),其性能增益很大程度上取決于多個(gè)參與空分復(fù)用的用戶間的信道相關(guān)性．在SCM信道模型中,用戶間的信道相關(guān)性取決于基站與移動(dòng)臺(tái)相鄰天線間的距離、波束到達(dá)角等諸多因素[4-5]．波束到達(dá)角的估計(jì)算法很多,如MUSIC類算法[6]、ESPRIT算法[7]等,這些經(jīng)典估計(jì)算法都需要求解特征向量,復(fù)雜度較高．

理論和實(shí)踐表明,采用合適的用戶調(diào)度算法能夠明顯提高系統(tǒng)性能．當(dāng)前,用戶調(diào)度技術(shù)主要需要解決公平性[8]和計(jì)算量2個(gè)問(wèn)題．其中,公平性問(wèn)題可以通過(guò)加入調(diào)度因子來(lái)實(shí)現(xiàn),最典型的算法是比例公平算法(PFS)[9];而運(yùn)算復(fù)雜度高的問(wèn)題始終是一個(gè)局限,很多用戶調(diào)度算法的復(fù)雜度高且反饋量大,對(duì)信道瞬時(shí)變化也非常敏感．

針對(duì)上述問(wèn)題,本文提出了一種復(fù)雜度較低的波束到達(dá)角估計(jì)算法．此外,本文還提出了一種基于波束到達(dá)角的調(diào)度算法,該算法對(duì)于信道的短時(shí)時(shí)變具有魯棒性,且計(jì)算復(fù)雜度也相對(duì)較低．

1 SCM信道模型及用戶相關(guān)性

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中的SCM信道模型,對(duì)于基站(BS)配置S根天線、移動(dòng)臺(tái)配置U根天線的系統(tǒng),在3GPP TR 25.996中,一條可辨徑的沖擊響應(yīng)可表示為

u=1,2,…,U;s=1,2,…,S;n=1,2,…,6

(1)

用戶調(diào)度的核心思想可以表述為:挑選信道相關(guān)性較小的用戶組成空分復(fù)用,以增加信道容量,提高系統(tǒng)性能．因此,基于式(1)中2個(gè)用戶間的相關(guān)性就顯得相當(dāng)重要．針對(duì)式(1)所表達(dá)的一般情況進(jìn)行分析較為困難．為了簡(jiǎn)化分析,本文首先進(jìn)行一些合理的假設(shè)．雖然分析過(guò)程做了一定假設(shè),但最后的仿真結(jié)果表明,本文算法對(duì)于式(1)所描述的一般情況也適用,能夠取得良好的效果．本文假設(shè)如下:① 天線為全向天線,在各個(gè)方位角上增益相等,設(shè)增益為1;② 無(wú)線信道有明顯的方向性,不妨首先假設(shè)為單徑;③ 不考慮角度擴(kuò)散,即屬于同一可分辨徑的子徑具有相同的到達(dá)角;④ 基站側(cè)天線數(shù)為S,相鄰天線間距為半波長(zhǎng),移動(dòng)臺(tái)配置單根天線．則式(1)可簡(jiǎn)化為

(2)

(3)

(4)

式中,

顯然,z1,z2,…,zS是幅度為1的復(fù)數(shù),其相角成倍數(shù)關(guān)系,即為0,φ,…,(S-1)φ,如圖1所示．

圖1 式(4)的推導(dǎo)附圖

一般來(lái)說(shuō),基站側(cè)天線數(shù)S為偶數(shù),故f(ΔθAOD)的最終相位為(S-1)φ/2．利用圖1,可計(jì)算出其幅度,則信道的相關(guān)性可表示為

(5)

(6)

圖2給出了基站天線數(shù)S=2,4,8時(shí)式(6)的積分?jǐn)?shù)值解,基站側(cè)相鄰天線間距離為半波長(zhǎng)．由圖可知,對(duì)于同一根曲線,從總體趨勢(shì)上來(lái)看,相關(guān)性是ΔθAOD的遞減函數(shù),曲線波動(dòng)是模型簡(jiǎn)化造成的．波束到達(dá)角相差較大,說(shuō)明2個(gè)用戶信道環(huán)境在地理位置上相距較遠(yuǎn),經(jīng)過(guò)的空間散射路徑也就相對(duì)獨(dú)立．對(duì)于不同曲線而言,增加基站數(shù)能夠降低相關(guān)性,這是由于多天線能夠提供相對(duì)較高的自由度,使得不同用戶信道之間變得更加獨(dú)立．

圖2 式(6)的數(shù)值積分值

2 波束到達(dá)角估計(jì)算法

由第1節(jié)的分析可以看出,信道的相關(guān)性與ΔθAOD直接相關(guān)．故基站需利用波束到達(dá)角估計(jì)技術(shù)來(lái)估計(jì)出波束到達(dá)角．

(7)

式中，

(8)

(9)

故SCM信道的空間譜函數(shù)為

f(sinθ)=c(sinθ)HHHcH(sinθ)

(10)

在信道矩陣只有1個(gè)離開(kāi)角度時(shí),利用式(10)得到的空間譜函數(shù)曲線如圖3所示．圖中,基站配置4根發(fā)送天線,用戶配置1根接收天線,基站側(cè)相鄰天線間距離為半波長(zhǎng),信號(hào)波束到達(dá)角為0.7590°．另外,為了使縱坐標(biāo)統(tǒng)一,將譜函數(shù)的幅度進(jìn)行歸一化．譜函數(shù)曲線只有1個(gè)波峰,峰值所在角度為0.7590°,故利用式(9)可以精確估計(jì)出波束到達(dá)角．

圖3 SCM信道空間譜函數(shù)

3 基于波束到達(dá)角的用戶調(diào)度算法

① 系統(tǒng)初始化．檢測(cè)到活躍用戶數(shù)I,并任意選擇L個(gè)用戶,形成空分復(fù)用．

② 判斷當(dāng)前時(shí)刻是否進(jìn)行用戶調(diào)度,若I≤L,則無(wú)需調(diào)度,系統(tǒng)為當(dāng)前I個(gè)用戶傳輸數(shù)據(jù);否則,轉(zhuǎn)入步驟③．

⑤ 對(duì)于每個(gè)子集Zl(l=1,2,…,L),計(jì)算其中所有用戶信道矩陣的Frobenius范數(shù)．

⑥ 在每個(gè)子集中選擇具有最大Frobenius范數(shù)的用戶,即為最終的調(diào)度用戶集合,系統(tǒng)將為其傳輸數(shù)據(jù)．

⑦ 下一個(gè)傳輸時(shí)刻到來(lái),返回步驟②．

此算法的優(yōu)點(diǎn)在于:① 復(fù)雜度明顯減少,更適合于實(shí)際系統(tǒng);② 此算法根據(jù)估計(jì)的波束到達(dá)角進(jìn)行調(diào)度,具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值;③ 由于到達(dá)角信息變化緩慢,可以相隔較長(zhǎng)時(shí)間估計(jì)波束到達(dá)角,進(jìn)一步減小調(diào)度時(shí)的運(yùn)算量;④ 調(diào)度方案設(shè)計(jì)完全基于實(shí)際的無(wú)線信道環(huán)境,更能模擬真實(shí)情況．

4 仿真結(jié)果

仿真基于TD-LTE系統(tǒng),無(wú)線信道采用3GPP TR 25.996中所敘述的SCM模型,波達(dá)方向設(shè)為主徑的方向．具體仿真參數(shù)見(jiàn)表1．

表1 TD-LTE 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖4 3種調(diào)度算法的系統(tǒng)誤幀率曲線

公平性問(wèn)題是衡量調(diào)度算法性能優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)．圖5為I=10時(shí)基于估計(jì)波束到達(dá)角調(diào)度算法的公平性柱狀圖．由圖可知,該算法并未導(dǎo)致明顯的公平性問(wèn)題．其原因在于,算法步驟中,根據(jù)Frobenius范數(shù)選擇用戶時(shí),信道范數(shù)的較快時(shí)變使得該集合內(nèi)的所有用戶都有被服務(wù)到的機(jī)會(huì)．因此,從公平性角度來(lái)說(shuō),本文算法也是一種較為可行的方案．

圖5 基于波束到達(dá)角調(diào)度算法的公平性柱狀圖(I=10)

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了SCM信道模型特點(diǎn),由3GPP TR 25.996中的SCM信道模型公式出發(fā),推導(dǎo)得到相關(guān)性與波束到達(dá)角之差的函數(shù)關(guān)系,估計(jì)出波束到達(dá)角,進(jìn)而提出了一種基于估計(jì)波束到達(dá)角的用戶調(diào)度算法．該用戶調(diào)度算法通過(guò)犧牲較小的系統(tǒng)性能以降低反饋量和系統(tǒng)復(fù)雜度,并且對(duì)于用戶信道的瞬時(shí)變化具有較好的魯棒性．仿真結(jié)果表明,這種用戶調(diào)度算法不但能夠獲得良好的多用戶增益,還能顯著降低算法復(fù)雜度．

)

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