一種隨機多波束一種一種多用戶復用技術

一種隨機多波束一種一種多用戶復用技術

1基于隨機波束的隨機調度信息論的研究表明，當所有用戶的信道狀態(tài)信息（csi）精確已知時，多個天線系統(tǒng)的傳輸信道的能力隨著用戶的增加而逐漸增加。m是發(fā)射天線的數(shù)量，n是單個用戶的接收天線的數(shù)量，k是用戶總數(shù)。已有理論證明，臟紙編碼(DPC)能達到廣播信道的和容量，但DPC需要復雜的非線性處理，因此并不實用，即使如THP之類的次優(yōu)的非線性預編碼方案，其計算復雜度仍顯太高而難以實現(xiàn)。現(xiàn)有的處理簡單的線性多用戶預編碼方案主要有基于迫零準則或者對信道矩陣進行塊對角化，以此把多用戶MIMO信道分解成并行的互不干擾的單用戶信道。需要指出的是，上述方案都要求發(fā)射端精確已知所有用戶的信道狀態(tài)信息(CSI)，當用戶數(shù)目較多的時候，這在實際系統(tǒng)中并不可行。在多用戶環(huán)境下，通過隨機調度(OpportunisticScheduling,OS)能充分利用多用戶分集來提高系統(tǒng)容量，每個用戶只需將其信道質量度量CQI反饋給基站，系統(tǒng)反饋開銷比較小，實現(xiàn)簡單。文獻提出了一種簡單的隨機波束形成方案，它把慢衰落信道人工等效成快衰落信道并用一定的調度方案保證用戶間的公平性。文獻把單天線用戶配置的隨機波束形成方案推廣到多天線用戶配置，基站給一個用戶同時發(fā)送多個數(shù)據(jù)流，并可以根據(jù)反饋信息在多個流之間進行合理的功率分配(注水)以提高系統(tǒng)的吞吐量。實際上，在多用戶MIMO系統(tǒng)中，一個時頻資源塊只是調度給一個信道條件好的用戶往往并不能充分利用MIMO系統(tǒng)的空間自由度。在文獻中，發(fā)射端每次調度先隨機產(chǎn)生多個波束，然后把各個波束分配給信道條件匹配的多個用戶，這樣可以同時獲得多用戶分集增益和空分復用增益。文獻中在產(chǎn)生承載多個用戶數(shù)據(jù)的多個波束時要求各個波束之間相互正交，因此它是一種隨機的正交波束空分多址技術，隨著用戶數(shù)的不斷增長，它能漸進地達到多天線系統(tǒng)廣播信道容量的增長速度。但當用戶數(shù)目有限時，該方案的性能會急劇下降。文獻中提出的隨機預編碼方案主要是針對用戶端配置多根天線的情形，每次調度基站先隨機產(chǎn)生多個預編碼矩陣，然后把各個矩陣分配給信道條件匹配的多個用戶，該方案雖然實現(xiàn)簡單，但并不能顯式地控制復用用戶之間的相互干擾。本文主要考慮MIMO系統(tǒng)下行鏈路的多用戶隨機調度問題，與傳統(tǒng)的隨機調度方案不同的是，本文的方案是一種基于預編碼碼本的調度方式，所謂碼本，即預先定義一組可能的預編預矩陣。一次調度需要多個訓練步驟，首先從碼本中隨機選取一個預編碼矩陣，用戶對此作出相應反饋，基站選取一個主用戶，并選擇一個對主用戶干擾最小的預編碼矩陣作為第2個預編碼矩陣，然后通過第2次訓練選擇次用戶。這種多次訓練的方式能顯式地控制復用用戶之間的相互干擾，并且只需要很少的反饋量。由于這種方法能調度信道條件較好并且相互正交性較好的多個用戶，它能夠充分利用多用戶MIMO系統(tǒng)的多用戶分集增益和空分復用增益。實際系統(tǒng)中，多個用戶可能具有不同的天線配置，通過融合文獻中的隨機正交波束空分多址技術思想，本文提出的調度方案能進一步推廣應用到這種異構情形。2多用戶預編碼碼本考慮多用戶多天線系統(tǒng)的下行鏈路，基站配置M根發(fā)射天線，用戶端配置N根接收天線，通常有M>N。假設基站需要服務的用戶總數(shù)為U，一個時隙可以同時發(fā)送K個用戶的信息，并采用多用戶預編碼。每個用戶最多可支持N路獨立的數(shù)據(jù)流，即使用多個波束，基站根據(jù)用戶的反饋信息選擇K個發(fā)送用戶以及K個預編碼矩陣{kW}，空分復用信道資源。選中的第k個用戶以Wk為發(fā)送預編碼矩陣或波束發(fā)送信號sk，基站總的發(fā)送信號可以表示為則被選擇的第k個發(fā)送用戶的接收信號為其中Hk為N×M維的平坦瑞利衰落信道矩陣；nk為白噪聲矢量，其元素的單邊功率譜密度為N0。同時約定并有E[sisiH]=EsIN，其中E[?]為期望運算符；一般的多用戶預編碼方案需要在發(fā)射端精確已知所有用戶的CSI，為了減小系統(tǒng)的反饋開銷，本文提出的系統(tǒng)將采用預編碼碼本的方式，即預先定義好一組預編碼矩陣，構成一個碼本，每個預編碼矩陣作為一個碼字對應一個唯一的標號。每次調度時基站從碼本中選取K個預編碼矩陣并分配給信道條件匹配的K個用戶，為了保證一定的用戶調度公平性，基站在選取預編碼矩陣時需要具有一定的隨機性，但由于同時調度多個用戶，因此需要充分考慮復用用戶之間的相互干擾。3次狀態(tài)下的用戶干擾調度首先考慮天線配置滿足MN=2的情形，在這種情況下，基站每次需要調度兩個空分復用用戶，每個用戶發(fā)送N路獨立數(shù)據(jù)流，與文獻中的多用戶隨機預編碼方案不同的是，本文提出的調度方案能夠顯式地控制復用用戶之間的相互干擾，并具有很低的反饋開銷。如圖1所示，在調度的初始階段，基站從碼本中隨機選取一個M×N維的預編碼矩陣W1作為此次調度的發(fā)送預編碼矩陣之一，這里稱之為主預編碼矩陣。各個用戶在獲知此信息后利用各自的CSI計算以W1作為預編碼矩陣所能支持的容量，并把它作為CQI反饋給基站，需要指出的是，由于此時采用空分多址接入SDMA模式，即兩個用戶復用信道資源，用戶在計算支持容量時需要考慮其他用戶的干擾信息。與一般的調度方案不同的是，本文的調度方案在用戶第一次反饋時還需要額外反饋碼本中與用戶干擾最小的預編碼矩陣的編號，基站在收集各個用戶的上述反饋信息后選擇一個主發(fā)送用戶，該用戶將以1W為預編碼矩陣發(fā)送數(shù)據(jù)，同時確定第2個將采用的發(fā)送預編碼矩陣2W。到此為止，調度算法完成了第1個訓練步驟。為了選擇第2個發(fā)送用戶(次發(fā)送用戶)，該用戶將以2W為預編碼矩陣利用同一信道資源發(fā)送數(shù)據(jù)，調度算法需要進行第二次訓練。在第二次訓練的初始階段，基站需要把1W和W2的編號廣播給各用戶，然后用戶根據(jù)自身CSI計算若以2W為發(fā)送預編碼矩陣，以1W為干擾矩陣時所能支持的容量，并反饋給基站，基站以此信息選擇一個次發(fā)送用戶?；谝陨纤枷?，各移動端的處理任務為：僅根據(jù)估計出的信道信息(由基站到自身的下行信道)及基站和用戶所共享的碼本來計算出SDMA模式下所能支持的最大速率及首選的干擾用戶預編碼矩陣。由于實際數(shù)據(jù)傳輸模型與調度模型可能有出入，本文采用等效的虛擬模型來進行碼字的選擇及速率的計算。假設用戶端能精確估計其信道狀態(tài)信息CSI，因為所有用戶的發(fā)送預編碼矩陣都選自同一碼本，在計算用戶k所能支持的容量時可以首先建立如下的虛擬等效模型：其中U1視為該用戶的發(fā)送預編碼矩陣，而1s則視為該用戶的發(fā)送數(shù)據(jù)；右邊第2項認為是其他用戶的干擾項。若用?表示碼本，則有U1,U2∈?,U1≠U2。在第1個訓練步驟中，由于主預編碼矩陣在調度初始階段已經(jīng)確定，故有U1=W1，而U2可能為碼本中除1W外的任一碼字。假設用戶端采用MMSE檢測方法，線性處理后的接收信號可以表示為其中當U2取碼本中的第i個碼字時，則用戶的第n個數(shù)據(jù)流的SINR可以表示為式(6)中(A)nm表示矩陣A的第(n,m)個元素，(A)n表示矩陣A的第n行。因此，U2在可能的第i種取值時用戶k所能支持的速率可以表示為遍歷U2所有的取值可能，可以得到用戶k能支持的最大速率：實際上，用戶k獲得Ck1時U2的取值即為碼本中對用戶干擾最小的碼字，其編號可以表示為完成上述計算后，用戶k向基站反饋Ck1和Ik,Ck1作為CQI信息在實際系統(tǒng)中一般先要進行量化處理?；驹谑占杏脩舻姆答佇畔⒑?，選擇具有最大支持速率的用戶作為當前調度的主發(fā)送用戶，即并把該用戶同時反饋的標號Iκ1對應的碼字作為次發(fā)送預編碼矩陣，記為2W，因為該矩陣對主發(fā)送用戶具有最小的干擾，也意味著調度方案能顯式地控制了次發(fā)送用戶對主發(fā)送用戶的干擾。第2個訓練步驟的主要任務是尋找次發(fā)送用戶，由于主發(fā)送預編碼矩陣和次發(fā)送預編碼矩陣已經(jīng)由第1個訓練步驟確定，調度方案將選擇具有最大支持速率的用戶作為次發(fā)送用戶。同樣采用式(3)的虛擬模型來計算各個用戶的支持速率，與第1個訓練步驟不同的是，此時有U1=W2,U2=W1，類似上述的計算方法，很容易得到用戶k的支持速率Ck2，此時用戶只需要向基站反饋Ck2?；驹谑占姓埱笥脩舻姆答伜螅x擇具有最大支持速率的用戶作為次發(fā)送用戶，即實際上，由上面的計算過程可以發(fā)現(xiàn)，具有最大支持速率的用戶的信道條件一般需要滿足下面兩個特征：(1)信道條件與2W盡可能匹配；(2)1W對該信道干擾盡可能小。從這個意義上來說，第2個訓練步驟隱性地控制了主發(fā)送用戶對次發(fā)送用戶的干擾。需要指出的是，整個調度過程僅需要很小的反饋量，即{Ck1,Ck2,Ik}，通過逐次的訓練過程，有效地控制了兩個復用用戶之間的相互干擾。4按響應方向選擇波束矩陣并進行是否合理分配上節(jié)主要考慮了天線配置滿足MN=2時，本節(jié)將考慮用戶具有異構天線配置的情形，假設用戶最多配置N=M2根天線，不同的用戶可能有{N,N2,N4,,1}多種不同的天線配置。為了充分利用多天線的空間自由度，這時候可能需要同時調度超過兩個用戶空分復用。由上節(jié)的調度機制可以看到，如果同時調度兩個用戶，其相互干擾可以通過低反饋的逐次調度進行有效控制。在更具一般性的異構天線配置情形下，碼本中碼字定義為M×N的預編碼矩陣，這樣上節(jié)的調度方案可以結合文獻中的隨機正交波束空分多址技術按組逐次調度用戶。具體思路如下，通過逐次調度方案可以半隨機地從碼本中選擇兩個發(fā)送預編碼矩陣及其相應的用戶組，同時利用隨機正交波束空分多址技術把發(fā)送預編碼矩陣中各波束分配給相應用戶組中的具體用戶，即把波束分配給具有最高SINR的用戶。因此，當多用戶復用信道時仍采用兩個發(fā)送預編碼矩陣，并結合正交抑制干擾的方法，多個用戶選擇合適的波束同時發(fā)送數(shù)據(jù)。總體的調度方案和第3節(jié)類似，不同的是，各用戶在第1個訓練步驟中的反饋信息會隨自身的實際接收天線數(shù)而有所不同，如果用戶天線數(shù)為N，則其反饋完全等同于第3節(jié)的情形。若第k個用戶的接收天線Nk<N，則首先把U1分解成U1=????1?2?P???，其中P=NNk，?p為M×Nk的矩陣，同樣，s1=???sT11sT12sT1P?T??，此時式(3)可以重新表示為然后，用戶k分別視?p,p=1,,P為發(fā)送矩陣或波束，其余數(shù)據(jù)項為干擾，類似上一節(jié)的方法，分別計算s1p中各數(shù)流的SINR，記為μkp,n,i，其中下標n表示第n個數(shù)據(jù)流，n∈[1,Nk]，下標i表示U2在碼本中第i種取值。則對應不同的p值和i值，用戶k支持的速率可以表示為用戶從{Cpk,i,i,p}中的最大值反饋給基站，同時把對應的指標p和i同時反饋給基站。基站根據(jù)反饋信息，把反饋相同預編碼矩陣編號i的用戶歸在一起，組成多個類，并根據(jù)相應的p值，在類內尋找最好的一種波束分配方案，使得U1中各波束能承載最大的和速率。然后選取具有最大和速率的一個類，該類對應的i值標示的預編碼矩陣即為次發(fā)送預編碼矩陣，該類中最佳波束分配對應的用戶即為主發(fā)送用戶組。在第2個訓練步驟中，若用戶天線數(shù)Nk<N，同樣需要額外反饋對應的p值，用類似的方法同樣確定次發(fā)送預編碼矩陣對應的次發(fā)送用戶組。5隨機預編碼的性能本節(jié)將用計算機仿真考察本文提出的隨機預編碼與復用方案的性能。仿真時假設基站配置4根發(fā)射天線，用戶端配置2根接收天線，信道環(huán)境為平坦衰落，各用戶的信道矩陣具有相同的統(tǒng)計特性，各用戶接收端具有相同的噪聲方差，其信噪比定義為SNR=MEsN0。仿真時碼本采用Grassmannian預編碼碼本，注意這里并未對碼本進行優(yōu)化選擇。圖2和圖3給出了獨立信道環(huán)境下不同信噪比(SNR=20dB,SNR=10dB)時本文提出方案的系統(tǒng)平均吞吐量隨用戶數(shù)變化的曲線，為了同其他隨機波束形成/預編碼與復用方案比較，圖中同時給出了文獻中并未顯式考慮用戶間干擾的隨機預編碼與復用方案(RBF+SDMA)的性能，以及文獻中的隨機正交波束空分多址方案(OrthogonalRBF+SDMA)的性能。由圖所示，各方案獲得的吞吐量都隨著同時請求服務的用戶數(shù)的增加而增加，這是由于隨機波束方式能充分利用系統(tǒng)的多用戶分集。雖然各方案都采用了多用戶空分復用，文獻的方案由于在設計多個隨機預編碼矩陣時并未考慮用戶間的干擾問題，因此相對其他方案，該方案性能較差，相比隨機正交波束空分多址方案在用戶數(shù)較多時(U=40)有1～1.5bps/Hz的間距。本文提出的方案通過逐次訓練(兩次訓練)的方式更加有效地抑制了用戶間的干擾，因此在較高信噪比(SNR=20dB)時其性能明顯優(yōu)于其他方案，當采用64長度的Grassmannian碼本時，相比隨機正交波束空分多址方案在用戶數(shù)較多時有0.5bps/Hz左右的性能增益，而在用戶數(shù)較少時則有1bps/Hz的增益，說明本文提出的方案對用戶數(shù)的減少具有很好的魯棒性。而當采用16長度的碼本時，本文的方案在用戶數(shù)較少時仍優(yōu)于隨機正交波束空分多址方案的性能，碼本長度的減小限制了文中方案的隨機性，從而減少了多用戶分集增益。當用戶信噪比較低(SNR=10dB)時由于此時噪聲的影響明顯增強，各方案之間的性能差距有所縮小，但本方案當采用64長度的預編碼碼本時仍然具有最優(yōu)的性能。實際系統(tǒng)中基站往往由于周圍散射體的缺乏而使多天線之間存在一定的空間相關性，圖4給出了考慮發(fā)射端空間相關性(相鄰天線之間相關系數(shù)為0.5)時本文提出方案的吞吐量性能，碼本仍采用64長度的Grassmannian預編碼碼本。而作為比較的另外兩種方案在隨機產(chǎn)生預編碼矩陣時首先生成和信道矩陣具有相同統(tǒng)計特性的隨機矩陣，然后經(jīng)過SVD分解等方法產(chǎn)生隨機預編碼矩陣，這種方式能充分考慮信道空間相關性的影響。由圖可見，本文的方案即使在存在空間相關性的信道環(huán)境下仍然具有明顯的性能優(yōu)勢。6循環(huán)調度：預編碼矩陣的選取