基于反馈补偿的MIMO系统的多用户调度方法.pdf

本发明公开了一种基于反馈补偿的MIMO系统的多用户调度方法，主要解决现有技术只是单纯利用延时的信道状态信息进行用户调度，导致误比特率降低的问题。其实现步骤是：1.基站发送训练序列到用户，用户根据接收到的信号和发送的训练序列估计信道状态信息；2.用户通过反馈信道向基站反馈信道状态信息，同时在反馈信道中反馈延时信道状态信息和真实信道状态信息之间的相关系数；3.基站将接收到的延时的信道状态信息和两种信道状态信息之间的相关系数组合成为新的调度系数，同时选择对应的调度系数最大的用户来接入信道，实现数据传输。本发明能到更优的误比特率性能，可用于大规模MIMO系统中的多用户调度。

1.一种基于反馈补偿的MIMO系统的多用户调度方法，包括如下步骤：
1)基站发送训练序列给用户，用户根据该训练序列和所接收到的信号估计信道状态
信息H；
2)在假设从用户到基站的上行反馈信道不会受到噪声干扰的情况下，即在用户发送
的信道状态信息能够无误的到达基站的情况下，用户通过反馈信道向基站反馈信道状态
信息H，基站接收到延时的信道状态信息同时用户在反馈信道中反馈不同用户的延
时信道状态信息和真实信道状态信息H之间的相关系数c_k；
3)基站将接收到的延时信道状态信息和所述两种信道状态信息之间的相关系数c_k
组合成为新的调度系数λ^(k)：
λ ( k ) = c k 2 | | H ^ ( k ) | | 2 2 , k = 1,2 , . . . , N , ]]>
其中，N为用户的总数目，λ^(k)为第k个用户对应的调度系数，为矩阵的2范数的平
方，c_k为第k个用户的真实信道状态信息H^(k)和延时信道状态信息之间的相关系数；
4)在所有的调度系数λ^(k)中，选取最大的调度系数λ^(u)对应的用户u接入信道进行数
据传输。
2.根据权利要求1所述的基于反馈补偿的MIMO系统的多用户调度方法，其中步骤1)
中用户所接收到的信号，其表达式为：
y＝Hx+n，
其中，x为基站发送的训练序列向量，H为信号传输过程中的衰减矩阵，即对应的信道
状态信息，n为传输过程中受到的噪声干扰向量，y为用户接收到的信号向量。
3.根据权利要求1所述的基于反馈补偿的MIMO系统的多用户调度方法，其中步骤1)
所述的用户根据该训练序列和所接收到的信号估计信道状态信息H，通过如下公式进行：
H = y ( x T R H x + σ n 2 r I ) - 1 x T R H , ]]>
其中，(·)^T表示向量的共轭转置，x为基站发送的训练序列向量，y为用户接收到的信号
向量，I为单位矩阵，R_H＝E{H^TH}为信道状态信息H的自相关矩阵，E{·}为统计期望
符号，r为缩放系数，其作用是减小估计误差，为接收噪声功率。
4.根据权利要求1所述的基于反馈补偿的MIMO系统的多用户调度方法，其中所述
步骤2)中的相关系数c_k，是指每个用户的真实信道状态信息与延时信道状态信息之间的
相关系数，其表示式为：
c k = J 0 ( 2 πf d k τ k ) , k = 1 , 2 , ... , N , ]]>
其中，J₀(·)代表第一类零阶贝塞尔函数，为第k个用户的多普勒频移，τ_k为第k个用
户信道状态信息的延迟时间，c_k为第k个用户的真实信道状态信息H^(k)和延时信道状态信
息之间的相关系数。

基于反馈补偿的MIMO系统的多用户调度方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及MIMO系统中的多用户调度方法，可用于当用户向
基站反馈的信道状态信息出现时延的多用户调度。

背景技术

MIMO系统中的多用户调度方法能够有效地提高系统的系统性能和系统容量，同时
提高系统稳定性。然而，在实际的情况中，由于用户与基站之间存在一定的距离，同时，
用户对信道状态信息进行估计需要一定的时间，系统想要获取完美的信道状态信息比较
困难。针对不完美的信道状态信息的系统的多用户调度问题，目前已经有很多学者进行
了深入的研究，如2009年L.Yang在“AchievablerateofMIMOsystemswithmulti-user
diversityanddelayedfeedback”中研究存在延时反馈，同时利用多用户分集的MIMO系
统的可达速率，2009年MohammadTorabi等人在“BERPerformanceAnalysisofMultiuser
DiversitywithAntennaSelectioninMRCMIMOSystems”中研究了存在延时反馈的最大
比例合并MIMO系统的误码率性能，2014年Xiang-binYu等人在“UnifiedAnalysisof
MultiuserSchedulingforDownlinkMIMOSystemswithImperfectCSI”中研究了存在延时
反馈的下行MIMO系统的多用户调度的性能。

然而，当MIMO系统中存在延时的信道状态信息时，上面的研究成果中没有利用
到延时的信道状态信息和真实的信道状态信息之间的关系。它们只是在原来的调度系数
中用延时的信道状态信息取代真实的信道状态信息，然后，用这个新的调度系数进行用
户调度，与拥有真实信道状态信息的系统相比，在同样的接收信噪比的情况下，毫无疑
问会导致系统的误码率性能的降低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于反馈补偿的MIMO系统
的多用户调度方法，以提高系统的可靠性，降低传输误比特率。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

1)基站发送训练序列给用户，用户根据该训练序列和所接收到的信号估计信道状
态信息H；

2)在假设从用户到基站的上行反馈信道不会受到噪声干扰的情况下，即在用户发
送的信道状态信息能够无误的到达基站的情况下，用户通过反馈信道向基站反馈信道状
态信息H，基站接收到延时的信道状态信息同时用户在反馈信道中反馈延时信道状
态信息和真实信道状态信息H之间的相关系数c；

3)基站将接收到的延时信道状态信息和所述两种信道状态信息之间的相关系数c
组合成为新的调度系数λ，不同用户的调度系数λ^(k)表示为：

λ ( k ) = c k 2 | | H ^ ( k ) | | 2 2 , k = 1 , 2 , ... , N , ]]>

其中，N为用户的总数目，λ^(k)为第k个用户对应的调度系数，为矩阵的2范数的平
方，c_k为第k个用户的真实信道状态信息H^(k)和延时信道状态信息之间的相关系数；

4)在所有的调度系数λ^(k)中，选取最大的调度系数λ^(u)对应的用户u接入信道进行
数据传输。

本发明具有如下优点：

(1)本发明由于考虑了真实的信道状态信息和延时的状态信息之间的关系，利用了
它们之间的相关系数，从而在基站得到延时的信道状态信息时，因而能得到更好的误比
特率性能；

(2)本发明采用了多用户调度，提高了系统的可靠性。

下面通过附图和实施实例，对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明仿真使用的系统模型图；

图3是本发明的系统平均误比特率随信噪比变化的性能仿真图；

图4是本发明的系统平均误比特率随接收用户数目变化的性能仿真图。

具体实施方式

参照图2，本发明使用的通信系统由基站、发送信道、反馈信道和用户构成；其中，
基站有N_t根发射天线，每根天线相互独立；系统中有N个用户，每个用户均有N_r根接
收天线；每根发送天线和接收天线之间的发送信道服从复高斯分布，不同的发送信道之
间相互独立，同时发送信道受到加性高斯白噪声干扰；由于不同的用户离基站的距离不
同，每个用户接收到的信号功率会受到不同程度的衰减。

参照图1，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1：获取信道状态信息估计值H。

(1)基站向用户发送用户已知的训练序列x，用户获得接收信号，该接收信号的
表示式为：y＝Hx+n，其中n为传输过程中受到的加性高斯白噪声向量，H为信号传
输过程中的衰减矩阵；

(2)用户利用接收到的信号y和基站发送的训练序列x，根据最小均方误差得到
的信号传输过程中的衰减矩阵，即信道状态信息的估计值为：

H = y ( x T R H x + σ n 2 r I ) - 1 x T R H , ]]>

其中，(·)^T表示向量的共轭转置，I为单位矩阵，R_H＝E{H^TH}为信道状态信息H的自
相关矩阵，E{·}为统计期望符号，r为缩放系数，其作用是减小估计误差，为接收
噪声功率；

步骤2：用户通过反馈信道向基站反馈信道状态信息H，同时在反馈信道中反馈每
个用户的真实信道状态信息H^(k)和延时信道状态信息之间的相关系数c_k。

由于用户通过根据所接收到的信号和训练序列进行信道估计需要耗费一定的时间，
同时，用户向基站反馈信道状态信息时，基站与用户间隔一定的距离，进行信道状态信
息的反馈也需要耗费一定的时间，所以基站接收到的延时信道状态信息和真实的信道
状态信息H不相同，即基站接收到的信道状态信息是真实信道状态信息H延时之后的
结果；

每个用户的相关系数表达式为：

c k = J 0 ( 2 πf d k τ k ) , k = 1 , 2 , ... , N , ]]>

其中，N为用户的总数目，J₀(·)代表第一类零阶贝塞尔函数，为第k个用户的最大
多普勒频移，τ_k为第k个用户对应的信道状态信息的延迟时间。

步骤3：基站根据接收到的延时信道状态信息和上述两种信道状态信息之间的不
同用户对应的相关系数c_k，构建新的调度系数λ^k。

(3.1)延时信道状态信息和真实信道状态信息H之间存在一定的时延关系，故两
者之间满足下述的关系式：

H ( k ) = c k H ^ ( k ) + 1 - c k 2 E ( k ) , k = 1 , 2 , ... , N , ]]>

其中，H^(k)为第k个用户的真实信道状态信息，为第k个用户的延时信道状态信息；
c_k为第k个用户的真实信道状态信息H^(k)和延时信道状态信息之间的相关系数，
E^(k)为第k个用户的信道误差矩阵，误差矩阵中的每一项都服从高斯分布，同时它与延
时的信道状态信息相互独立；

(3.2)根据比例公平算法，基站选择接收信噪比和平均信噪比的比值
最大的用户进行数据传输，

其中，γ^(k)为第k个用户的接收信噪比，其表达式为：

γ ( k ) = ρ k P t ( k ) | | H ^ ( k ) | | 2 2 / σ n 2 , k = 1 , 2 , ... , ]]>

为第k个用户的平均接收信噪比，表达式为：

γ ‾ ( k ) = ρ k P t k / σ n 2 , ]]>

式中，ρ^k为第k个用户的功率衰减系数，为第k个用户接收到的信号总功率，为
接收噪声功率，为矩阵的2范数平方；

(3.3)比例公平算法将上步骤(3.2)中的比值ε^(k)作为调度系数，选择该系数最大
的用户进行数据传输；

(3.4)本发明结合上述的真实信道状态信息H和延时信道状态信息之间的关系
式，利用延时的信道状态信息和不同用户的两种信道状态信息之间的相关系数c_k构建
新的调度系数λ^(k)：

λ ( k ) = c k 2 | | H ^ ( k ) | | 2 2 , k = 1 , 2 , ... , ]]>

其中，λ^(k)为第k个用户对应的调度系数，为矩阵的2范数平方，c_k为第k个用户的
真实信道状态信息H^(k)和延时信道状态信息之间的相关系数。

由步骤(3.3)可知，比例公平算法中的调度系数ε只利用了延时信道状态信息，相
比于拥有真实信道状态信息的系统，误码率性能会有明显的降低。

步骤4：在所有的调度系数λ^(k)中，选取最大的调度系数λ^(u)对应的用户u接入信道
进行数据传输。

由步骤(3.4)可知，对比于比例公平算法中只是用延时的信道状态信息替换真实信
道状态信息，本发明中采用的新的调度系数λ^(k)利用了两种信道状态信息之间的相关系
数，所以对真实信道状态信息有更好的近似。因此，本发明的误比特率性能也就能更加
逼近拥有真实的信道状态信息的系统的误比特率性能，从而补偿了信道状态信息延时对
系统性能的影响。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件

仿真使用的通信系统如图2，所有发送信道均为准静态瑞利平坦衰落信道，信道系
数服从均值为零，方差为1的复高斯分布，同时发送信道受到的干扰为均值为0，方差
为1的加性高斯白噪声。

所有的仿真在发送端使用选择性发送方案，在接收端使用选择性合并方案。由于每
个用户在该系统中的位置是随机均匀分布的，即每个用户与基站之间的距离是随机均匀
分布的，所以在本次仿真中认为每个用户的功率衰减因子是随机变量，而且服从0.8～1.0
之间的均匀分布。同时，假设本次仿真中的真实信道状态信息和延时信道状态信息之间
的相关系数也是随机变量，而且服从0.9～1.0之间的均匀分布。

2.仿真内容与结果

用本发明仿真在星座集合S为16QAM星座时的系统平均误比特率，分别与用真实
信道状态信息和延时信道状态信息进行用户调度的平均误比特率进行比较。

仿真1，设通信系统基站有200根发射天线，有100个用户，每个用户均装载5根
天线比较三种方案的误比特率随平均接收信噪比的变化曲线，结果如图3所示。

由图3可知，在不能得到真实信道状态信息的情况下，相比于用延时状态信息进行
用户调度的方案，本发明能够获得更好的误比特率性能。而且，在误比特率达到2×10^-5
时，与采用延时信道状态信息的发明相比，本发明方案可以得到0.4dB左右的性能提升。
而且随着平均接收信噪比的增加，本发明的优势更加明显。

仿真2，设通信系统基站有10根发送天线，每个用户装载有5根天线，在平均接收
信噪比为10dB的条件下，比较三种方案的误比特率随接收用户数目变化的曲线，结果
如图4所示。

由图4可知，在平均接收信噪比固定的情况下，对于任意数目的接受用户，对比采
用延时信道状态信息的方法，本发明都能得到更好的误比特率性能。