一種隨機(jī)多波束一種一種多用戶復(fù)用技術(shù)

一種隨機(jī)多波束一種一種多用戶復(fù)用技術(shù)

1基于隨機(jī)波束的隨機(jī)調(diào)度信息論的研究表明，當(dāng)所有用戶的信道狀態(tài)信息（csi）精確已知時(shí)，多個(gè)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(gè)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(dá)到廣播信道的和容量，但DPC需要復(fù)雜的非線性處理，因此并不實(shí)用，即使如THP之類的次優(yōu)的非線性預(yù)編碼方案，其計(jì)算復(fù)雜度仍顯太高而難以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的處理簡(jiǎn)單的線性多用戶預(yù)編碼方案主要有基于迫零準(zhǔn)則或者對(duì)信道矩陣進(jìn)行塊對(duì)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(dāng)用戶數(shù)目較多的時(shí)候，這在實(shí)際系統(tǒng)中并不可行。在多用戶環(huán)境下，通過(guò)隨機(jī)調(diào)度(OpportunisticScheduling,OS)能充分利用多用戶分集來(lái)提高系統(tǒng)容量，每個(gè)用戶只需將其信道質(zhì)量度量CQI反饋給基站，系統(tǒng)反饋開銷比較小，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。文獻(xiàn)提出了一種簡(jiǎn)單的隨機(jī)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(diào)度方案保證用戶間的公平性。文獻(xiàn)把單天線用戶配置的隨機(jī)波束形成方案推廣到多天線用戶配置，基站給一個(gè)用戶同時(shí)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流，并可以根據(jù)反饋信息在多個(gè)流之間進(jìn)行合理的功率分配(注水)以提高系統(tǒng)的吞吐量。實(shí)際上，在多用戶MIMO系統(tǒng)中，一個(gè)時(shí)頻資源塊只是調(diào)度給一個(gè)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(xiàn)中，發(fā)射端每次調(diào)度先隨機(jī)產(chǎn)生多個(gè)波束，然后把各個(gè)波束分配給信道條件匹配的多個(gè)用戶，這樣可以同時(shí)獲得多用戶分集增益和空分復(fù)用增益。文獻(xiàn)中在產(chǎn)生承載多個(gè)用戶數(shù)據(jù)的多個(gè)波束時(shí)要求各個(gè)波束之間相互正交，因此它是一種隨機(jī)的正交波束空分多址技術(shù)，隨著用戶數(shù)的不斷增長(zhǎng)，它能漸進(jìn)地達(dá)到多天線系統(tǒng)廣播信道容量的增長(zhǎng)速度。但當(dāng)用戶數(shù)目有限時(shí)，該方案的性能會(huì)急劇下降。文獻(xiàn)中提出的隨機(jī)預(yù)編碼方案主要是針對(duì)用戶端配置多根天線的情形，每次調(diào)度基站先隨機(jī)產(chǎn)生多個(gè)預(yù)編碼矩陣，然后把各個(gè)矩陣分配給信道條件匹配的多個(gè)用戶，該方案雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但并不能顯式地控制復(fù)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(jī)調(diào)度問(wèn)題，與傳統(tǒng)的隨機(jī)調(diào)度方案不同的是，本文的方案是一種基于預(yù)編碼碼本的調(diào)度方式，所謂碼本，即預(yù)先定義一組可能的預(yù)編預(yù)矩陣。一次調(diào)度需要多個(gè)訓(xùn)練步驟，首先從碼本中隨機(jī)選取一個(gè)預(yù)編碼矩陣，用戶對(duì)此作出相應(yīng)反饋，基站選取一個(gè)主用戶，并選擇一個(gè)對(duì)主用戶干擾最小的預(yù)編碼矩陣作為第2個(gè)預(yù)編碼矩陣，然后通過(guò)第2次訓(xùn)練選擇次用戶。這種多次訓(xùn)練的方式能顯式地控制復(fù)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(diào)度信道條件較好并且相互正交性較好的多個(gè)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(fù)用增益。實(shí)際系統(tǒng)中，多個(gè)用戶可能具有不同的天線配置，通過(guò)融合文獻(xiàn)中的隨機(jī)正交波束空分多址技術(shù)思想，本文提出的調(diào)度方案能進(jìn)一步推廣應(yīng)用到這種異構(gòu)情形。2多用戶預(yù)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(shè)基站需要服務(wù)的用戶總數(shù)為U，一個(gè)時(shí)隙可以同時(shí)發(fā)送K個(gè)用戶的信息，并采用多用戶預(yù)編碼。每個(gè)用戶最多可支持N路獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，即使用多個(gè)波束，基站根據(jù)用戶的反饋信息選擇K個(gè)發(fā)送用戶以及K個(gè)預(yù)編碼矩陣{kW}，空分復(fù)用信道資源。選中的第k個(gè)用戶以Wk為發(fā)送預(yù)編碼矩陣或波束發(fā)送信號(hào)sk，基站總的發(fā)送信號(hào)可以表示為則被選擇的第k個(gè)發(fā)送用戶的接收信號(hào)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(shí)約定并有E[sisiH]=EsIN，其中E[?]為期望運(yùn)算符；一般的多用戶預(yù)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(yù)編碼碼本的方式，即預(yù)先定義好一組預(yù)編碼矩陣，構(gòu)成一個(gè)碼本，每個(gè)預(yù)編碼矩陣作為一個(gè)碼字對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的標(biāo)號(hào)。每次調(diào)度時(shí)基站從碼本中選取K個(gè)預(yù)編碼矩陣并分配給信道條件匹配的K個(gè)用戶，為了保證一定的用戶調(diào)度公平性，基站在選取預(yù)編碼矩陣時(shí)需要具有一定的隨機(jī)性，但由于同時(shí)調(diào)度多個(gè)用戶，因此需要充分考慮復(fù)用用戶之間的相互干擾。3次狀態(tài)下的用戶干擾調(diào)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(diào)度兩個(gè)空分復(fù)用用戶，每個(gè)用戶發(fā)送N路獨(dú)立數(shù)據(jù)流，與文獻(xiàn)中的多用戶隨機(jī)預(yù)編碼方案不同的是，本文提出的調(diào)度方案能夠顯式地控制復(fù)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(diào)度的初始階段，基站從碼本中隨機(jī)選取一個(gè)M×N維的預(yù)編碼矩陣W1作為此次調(diào)度的發(fā)送預(yù)編碼矩陣之一，這里稱之為主預(yù)編碼矩陣。各個(gè)用戶在獲知此信息后利用各自的CSI計(jì)算以W1作為預(yù)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(shí)采用空分多址接入SDMA模式，即兩個(gè)用戶復(fù)用信道資源，用戶在計(jì)算支持容量時(shí)需要考慮其他用戶的干擾信息。與一般的調(diào)度方案不同的是，本文的調(diào)度方案在用戶第一次反饋時(shí)還需要額外反饋碼本中與用戶干擾最小的預(yù)編碼矩陣的編號(hào)，基站在收集各個(gè)用戶的上述反饋信息后選擇一個(gè)主發(fā)送用戶，該用戶將以1W為預(yù)編碼矩陣發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)確定第2個(gè)將采用的發(fā)送預(yù)編碼矩陣2W。到此為止，調(diào)度算法完成了第1個(gè)訓(xùn)練步驟。為了選擇第2個(gè)發(fā)送用戶(次發(fā)送用戶)，該用戶將以2W為預(yù)編碼矩陣?yán)猛恍诺蕾Y源發(fā)送數(shù)據(jù)，調(diào)度算法需要進(jìn)行第二次訓(xùn)練。在第二次訓(xùn)練的初始階段，基站需要把1W和W2的編號(hào)廣播給各用戶，然后用戶根據(jù)自身CSI計(jì)算若以2W為發(fā)送預(yù)編碼矩陣，以1W為干擾矩陣時(shí)所能支持的容量，并反饋給基站，基站以此信息選擇一個(gè)次發(fā)送用戶?；谝陨纤枷?，各移動(dòng)端的處理任務(wù)為：僅根據(jù)估計(jì)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(lái)計(jì)算出SDMA模式下所能支持的最大速率及首選的干擾用戶預(yù)編碼矩陣。由于實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸模型與調(diào)度模型可能有出入，本文采用等效的虛擬模型來(lái)進(jìn)行碼字的選擇及速率的計(jì)算。假設(shè)用戶端能精確估計(jì)其信道狀態(tài)信息CSI，因?yàn)樗杏脩舻陌l(fā)送預(yù)編碼矩陣都選自同一碼本，在計(jì)算用戶k所能支持的容量時(shí)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(yù)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(xiàng)認(rèn)為是其他用戶的干擾項(xiàng)。若用?表示碼本，則有U1,U2∈?,U1≠U2。在第1個(gè)訓(xùn)練步驟中，由于主預(yù)編碼矩陣在調(diào)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(shè)用戶端采用MMSE檢測(cè)方法，線性處理后的接收信號(hào)可以表示為其中當(dāng)U2取碼本中的第i個(gè)碼字時(shí)，則用戶的第n個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)際上，用戶k獲得Ck1時(shí)U2的取值即為碼本中對(duì)用戶干擾最小的碼字，其編號(hào)可以表示為完成上述計(jì)算后，用戶k向基站反饋Ck1和Ik,Ck1作為CQI信息在實(shí)際系統(tǒng)中一般先要進(jìn)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(dāng)前調(diào)度的主發(fā)送用戶，即并把該用戶同時(shí)反饋的標(biāo)號(hào)Iκ1對(duì)應(yīng)的碼字作為次發(fā)送預(yù)編碼矩陣，記為2W，因?yàn)樵摼仃噷?duì)主發(fā)送用戶具有最小的干擾，也意味著調(diào)度方案能顯式地控制了次發(fā)送用戶對(duì)主發(fā)送用戶的干擾。第2個(gè)訓(xùn)練步驟的主要任務(wù)是尋找次發(fā)送用戶，由于主發(fā)送預(yù)編碼矩陣和次發(fā)送預(yù)編碼矩陣已經(jīng)由第1個(gè)訓(xùn)練步驟確定，調(diào)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(lái)計(jì)算各個(gè)用戶的支持速率，與第1個(gè)訓(xùn)練步驟不同的是，此時(shí)有U1=W2,U2=W1，類似上述的計(jì)算方法，很容易得到用戶k的支持速率Ck2，此時(shí)用戶只需要向基站反饋Ck2?；驹谑占姓?qǐng)求用戶的反饋后，選擇具有最大支持速率的用戶作為次發(fā)送用戶，即實(shí)際上，由上面的計(jì)算過(guò)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(gè)特征：(1)信道條件與2W盡可能匹配；(2)1W對(duì)該信道干擾盡可能小。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，第2個(gè)訓(xùn)練步驟隱性地控制了主發(fā)送用戶對(duì)次發(fā)送用戶的干擾。需要指出的是，整個(gè)調(diào)度過(guò)程僅需要很小的反饋量，即{Ck1,Ck2,Ik}，通過(guò)逐次的訓(xùn)練過(guò)程，有效地控制了兩個(gè)復(fù)用用戶之間的相互干擾。4按響應(yīng)方向選擇波束矩陣并進(jìn)行是否合理分配上節(jié)主要考慮了天線配置滿足MN=2時(shí)，本節(jié)將考慮用戶具有異構(gòu)天線配置的情形，假設(shè)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(shí)候可能需要同時(shí)調(diào)度超過(guò)兩個(gè)用戶空分復(fù)用。由上節(jié)的調(diào)度機(jī)制可以看到，如果同時(shí)調(diào)度兩個(gè)用戶，其相互干擾可以通過(guò)低反饋的逐次調(diào)度進(jìn)行有效控制。在更具一般性的異構(gòu)天線配置情形下，碼本中碼字定義為M×N的預(yù)編碼矩陣，這樣上節(jié)的調(diào)度方案可以結(jié)合文獻(xiàn)中的隨機(jī)正交波束空分多址技術(shù)按組逐次調(diào)度用戶。具體思路如下，通過(guò)逐次調(diào)度方案可以半隨機(jī)地從碼本中選擇兩個(gè)發(fā)送預(yù)編碼矩陣及其相應(yīng)的用戶組，同時(shí)利用隨機(jī)正交波束空分多址技術(shù)把發(fā)送預(yù)編碼矩陣中各波束分配給相應(yīng)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(dāng)多用戶復(fù)用信道時(shí)仍采用兩個(gè)發(fā)送預(yù)編碼矩陣，并結(jié)合正交抑制干擾的方法，多個(gè)用戶選擇合適的波束同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)?？傮w的調(diào)度方案和第3節(jié)類似，不同的是，各用戶在第1個(gè)訓(xùn)練步驟中的反饋信息會(huì)隨自身的實(shí)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(gè)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(shí)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(xiàng)為干擾，類似上一節(jié)的方法，分別計(jì)算s1p中各數(shù)流的SINR，記為μkp,n,i，其中下標(biāo)n表示第n個(gè)數(shù)據(jù)流，n∈[1,Nk]，下標(biāo)i表示U2在碼本中第i種取值。則對(duì)應(yīng)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(shí)把對(duì)應(yīng)的指標(biāo)p和i同時(shí)反饋給基站?；靖鶕?jù)反饋信息，把反饋相同預(yù)編碼矩陣編號(hào)i的用戶歸在一起，組成多個(gè)類，并根據(jù)相應(yīng)的p值，在類內(nèi)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(gè)類，該類對(duì)應(yīng)的i值標(biāo)示的預(yù)編碼矩陣即為次發(fā)送預(yù)編碼矩陣，該類中最佳波束分配對(duì)應(yīng)的用戶即為主發(fā)送用戶組。在第2個(gè)訓(xùn)練步驟中，若用戶天線數(shù)Nk<N，同樣需要額外反饋對(duì)應(yīng)的p值，用類似的方法同樣確定次發(fā)送預(yù)編碼矩陣對(duì)應(yīng)的次發(fā)送用戶組。5隨機(jī)預(yù)編碼的性能本節(jié)將用計(jì)算機(jī)仿真考察本文提出的隨機(jī)預(yù)編碼與復(fù)用方案的性能。仿真時(shí)假設(shè)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(jì)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(shí)碼本采用Grassmannian預(yù)編碼碼本，注意這里并未對(duì)碼本進(jìn)行優(yōu)化選擇。圖2和圖3給出了獨(dú)立信道環(huán)境下不同信噪比(SNR=20dB,SNR=10dB)時(shí)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(jī)波束形成/預(yù)編碼與復(fù)用方案比較，圖中同時(shí)給出了文獻(xiàn)中并未顯式考慮用戶間干擾的隨機(jī)預(yù)編碼與復(fù)用方案(RBF+SDMA)的性能，以及文獻(xiàn)中的隨機(jī)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(shí)請(qǐng)求服務(wù)的用戶數(shù)的增加而增加，這是由于隨機(jī)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(fù)用，文獻(xiàn)的方案由于在設(shè)計(jì)多個(gè)隨機(jī)預(yù)編碼矩陣時(shí)并未考慮用戶間的干擾問(wèn)題，因此相對(duì)其他方案，該方案性能較差，相比隨機(jī)正交波束空分多址方案在用戶數(shù)較多時(shí)(U=40)有1～1.5bps/Hz的間距。本文提出的方案通過(guò)逐次訓(xùn)練(兩次訓(xùn)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(shí)其性能明顯優(yōu)于其他方案，當(dāng)采用64長(zhǎng)度的Grassmannian碼本時(shí)，相比隨機(jī)正交波束空分多址方案在用戶數(shù)較多時(shí)有0.5bps/Hz左右的性能增益，而在用戶數(shù)較少時(shí)則有1bps/Hz的增益，說(shuō)明本文提出的方案對(duì)用戶數(shù)的減少具有很好的魯棒性。而當(dāng)采用16長(zhǎng)度的碼本時(shí)，本文的方案在用戶數(shù)較少時(shí)仍優(yōu)于隨機(jī)正交波束空分多址方案的性能，碼本長(zhǎng)度的減小限制了文中方案的隨機(jī)性，從而減少了多用戶分集增益。當(dāng)用戶信噪比較低(SNR=10dB)時(shí)由于此時(shí)噪聲的影響明顯增強(qiáng)，各方案之間的性能差距有所縮小，但本方案當(dāng)采用64長(zhǎng)度的預(yù)編碼碼本時(shí)仍然具有最優(yōu)的性能。實(shí)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(guān)性，圖4給出了考慮發(fā)射端空間相關(guān)性(相鄰天線之間相關(guān)系數(shù)為0.5)時(shí)本文提出方案的吞吐量性能，碼本仍采用64長(zhǎng)度的Grassmannian預(yù)編碼碼本。而作為比較的另外兩種方案在隨機(jī)產(chǎn)生預(yù)編碼矩陣時(shí)首先生成和信道矩陣具有相同統(tǒng)計(jì)特性的隨機(jī)矩陣，然后經(jīng)過(guò)SVD分解等方法產(chǎn)生隨機(jī)預(yù)編碼矩陣，這種方式能充分考慮信道空間相關(guān)性的影響。由圖可見，本文的方案即使在存在空間相關(guān)性的信道環(huán)境下仍然具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。6循環(huán)調(diào)度：預(yù)編碼矩陣的選取