多天线分集调度方法和装置 【技术领域】
本发明涉及通信领域， 尤其是涉及一种多用户环境中的多天线分集调度方法和装置。 背景技术 目前在无线通信领域， 多天线分集技术得到了飞速的发展， 比如应用十分广泛的 空时块编码 (Space-Time Block Coding， STBC)、 空时传输分集 (Space-Time Transmit Diversity， STTD) 等时空编码技术都是针对点对点链路的多天线分集技术。但是这些技术 主要是用于增加点对点链路的分集增益， 而在多用户环境下却很难获得多用户分集增益。
所谓多用户分集增益， 是指在多用户环境中， 除了可以选择什么时间传输数据外， 还可以选择由哪个或哪些用户进行数据传输， 以及选择用户间的功率分配等问题， 这些额 外的选择所提供的点对点环境没有的性能增益， 就是多用户分集增益。
目前在多用户环境中所应用的一种比较经典的多天线分集技术是 Alamouti 方 案， 该方案包括 ： 系统中的多个用户首先通过导频信号测量调度子带内的瞬时信道状态信 息 (Channel Quality Information， CQI) 值， 然后将该瞬时 CQI 值通过上行信道反馈给演 进通用陆地无线接入网络节点 (E-UTRAN NodeB， eNB)， 最后 eNB 运用调度算法对用户进行 调度。常用的调度算法比如有最大信道状态信息算法 (Max-CQI scheduling)、 比例公平算 法 (Proportional Fair scheduling， PF scheduling) 等。
以 Max-CQI 算法来说， eNB 会调用具有最高 CQI 值的用户进行数据传输， 这样， 当用 户信道处于缓慢波动的状态时， 就会出现 eNB 总是调度一个或几个信道状态最好的用户， 从而在多用户环境中无法保证调度的公平性。
而以 PF 算法来说， eNB 是根据用户的某个参数 k 的值来进行调度的， k 越大， 该用 户就越有可能被调度， 该 k 的值等于该用户当前时刻的 CQI 值除以该用户以前被调度所传 输的数据量， 可见如果该用户被调度了多次其 k 的值就会减小， 从而得不到调度。这种算法 虽然保证了调度的公平性， 但是却极大地损失了系统容量， 因为其调度的并不一定是当前 信道最好的用户， 而调用当前信道最好的用户正是保证系统容量的关键。
可见， 现有技术在多用户环境中， 如果用户信道处于慢变状态， 如果想要最大限度 的保证系统容量， 则会损失系统公平性， 而如果想要保证系统公平性， 则又会损失系统容 量， 即现有技术很难保持系统容量最大化与用户调度公平性之间的平衡。
发明内容
本发明实施例提供了一种多天线分集调度方法和装置， 用于在多用户环境中， 当 用户信道处于慢变状态时， 也可以保证系统容量最大化与用户调度公平性之间的平衡。
一方面， 本发明实施例提供了一种多天线分集调度方法， 包括 ： 通过 a 根发射天线 发射导频信号， 其中至少 1 根至多 a-1 根发射天线上的导频信号为导频符号和一个相位序 列的乘积， 所述相位序列为随时间和 / 或频率变化的序列， 所述相位序列变化频率快于用户信道变化， a 为大于等于 2 正整数 ； 接收用户根据所述导频信号返回的瞬时 CQI 值 ； 根据 瞬时 CQI 值及调度算法调度用户进行数据传输。
另一方面， 本发明实施例还提供了一种多天线分集调度装置， 包括 ： a 根发射天 线， 用于发射导频信号 ； 信道调节单元， 用于将导频符号和一个相位序列相乘， 然后通过至 少 1 根至多 a-1 根发射天线发射给用户， 所述相位序列为随时间和 / 或频率变化的序列， 所 述相位序列的变化频率快于用户信道变化， a 为大于等于 2 正整数 ； CQI 接收单元， 用于接收 用户根据所述导频信号返回的瞬时信道状态信息 CQI 值 ； 调度单元， 用于根据瞬时 CQI 值及 调度算法调度用户进行数据传输。
本发明实施例通过在发射天线上引入相位序列来发送导频信号， 从而为用户信道 引入了更大、 更快的信道波动， 使得本发明实施例在结合调度算法进行调度时， 可以保证系 统容量最大化与用户调度公平性之间的平衡。 附图说明 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例描述 中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图仅仅是本发明的一些 实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些 附图获得其他的附图。
图 1 为本发明实施例提供的一种多天线分集调度方法的流程示意图 ；
图 2 为本发明实施例提供的另一种多天线分集调度方法的流程示意图 ；
图 3 为本发明实施例提供的一种多天线分集调度装置的结构示意图 ；
图 4 为本发明实施例提供的另一种多天线分集调度装置的结构示意图 ；
图 5 为本发明实施例提供的多用户调度下各调度方案频谱效率的 CDF 曲线图 ；
图 6 为本发明实施例提供的各调度方案的平均频谱效率的比较示意图 ；
图 7 为本发明实施例提供的用户被调度次数的分布示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例， 都属于本发明保护的范围。
如图 1 为本发明实施例提供的一种多天线分集调度方法的流程示意图， 需要指出 的是， 本发明实施例是从 eNB 侧进行的描述， 该方法包括 ：
S101 ： 通过 a 根发射天线发射导频信号， 其中至少 1 根至多 a-1 根发射天线上的 导频信号为导频符号和一个相位序列的乘积， 所述相位序列为随时间和 / 或频率变化的序 列， 所述相位序列的变化频率快于用户信道变化， 其它剩余天线发射导频符号， a 为大于等 于 2 正整数 ；
在本实施例中， 导频信号的发射是为了让用户根据该导频信号测量瞬时 CQI 值， 而 eNB 则可以根据这些 CQI 值决定调度方案 ； eNB 侧利用多天线进行数据传输则可以为点 对点链路增加分集增益。在本实施例中， 将 a 根天线中的至少 1 根至多 a-1 根天线作为了调节天线， 该调节 天线的功能是可以调节用户信道的波动， 这是由于该调节天线上所发出的导频信号是导频 符号和一个相位序列的乘积， 而该相位序列为随时间和 / 或频率变化的序列， 因此该相位 序列的变化可以导致用户测得的 CQI 值发生相应的变化， 即可以通过该相位序列来调节用 户信道的波动。当该相位序列的变化频率快于用户信道变化时， 其可以使得用户信道的波 动变得更快、 更大。当利用 a-1 根天线作为了调节天线时， 可以达到较好的效果。
S102 ： 接收用户根据所述导频信号返回的瞬时信道状态信息 CQI 值 ；
用户在收到步骤 S101 的导频信号后， 即会根据该导频信号， 利用 CQI 计算公式计 算出瞬时 CQI 值， 然后通过上行控制信道将该瞬时 CQI 值反馈给 eNB。
S103 ： 根据瞬时 CQI 值及调度算法调度用户进行数据传输。
作为本发明的一个实施例， 调度算法可以包括 MAX-CQI 算法或者 PF 算法。
以 MAX-CQI 算法来说， 假设本实施例中在 10ms 中 eNB 是调度 10 次， 而原本用户信 道在 10ms 中变化很缓慢或者说几乎没什么变化， 则该 10 次调度只能调度到一个或几个信 道状况好的用户， 此时虽然保证了系统容量， 但无公平性， 而通过相位序列引入了更快、 更 大的波动后， eNB 的 10 次调度还是可以调度到信道状况好的用户， 只是这些用户会呈现出 多样性， 因此很好的保证了公平性。 需要指出的是， 在本实施例中相位序列的变化频率是快 于用户信道变化的， 但其最适合的值可以通过仿真方法进行获得。 以 PF 算法来说， 由于其算法的特殊性决定了公平性肯定可以得到保证， 而更快、 更大信道波动的引入也使得其调度的用户的信道会以更大概率出现在高峰值附近， 因此系 统容量也可以得到一定的保证。
当然， 本发明实施例并不限于上述两种调度方法， 对于其他的调度方法， 更快、 更 大的用户信道波动的引入也能产生相似的性能增益。
本发明实施例通过在发射天线上引入相位序列来发送导频信号， 从而为用户信道 引入了更大、 更快的信道波动， 使得本发明实施例在结合调度算法进行调度时， 可以保证系 统容量最大化与用户调度公平性之间的平衡。
下面通过一具体的实例来对上述实施例进行进一步的描述， 如图 2 为本发明实施 例提供的另一种多天线分集调度方法的流程示意图， 本实施例中假设 eNB 侧的发射天线数 为 2， 系统采用 OFDM 调制方式， 则本发明实施例的方法包括 ：
S201 ： eNB 通 过 天 线 AP1 和 AP2 发 射 导 频 信 号， 其 中 AP1 直 接 发 射 导 频 符 号， AP2 上将导频符号和一个相位序列相乘后再发射出去， 具体两根天线上的发射信号为 ：
其中是一个 2 列的矩阵， s[m， n] 是子载波 m， 第 n 个正交频分复用 (Orthogonal Frequency Divi sion Multiplexing， OFDM) 符号上的导频符号， 为相位序列， θn 为随时间在 [-π， π] 内周期变化的序列， τ 为循环延迟， N 为快速傅里叶逆变换 (IFFT) 点数。在本实施例中， θn 的变化频 率 fm 快于用户信道变化， 而 fm 具体的数值可以根据仿真结果选择最优的值。由相位序列中的 θn 可以看出， 该相位序列为随时间变化的序列， 该相位序列在时间域上可以随机产生或以规律变化， 比如 ...θn ＝ 2nfm， θn 随时间 从 0 到 2n 之间变化， 或者首先产生一个随机相位序列， 这个序列可通过标准化方式使得用 户和 eNB 都已知。另外， 由相位序列 由的 可以看出， 该相位序列为随频率变化的序列， 所述相位序列在频域上是子载波序号的线性序列或是子载波组的 线性序列， 比如， 如果 m 是子载波编号， 那么相位序列随子载波变化 ； 如果 m 是物理资源块 (Physical Resource B lock， PRB) 编号 ( 比如在 LTE 系统中， 一个 PRB 由 12 个子载波组 成 )， 那么该相位序列随 PRB 编号变化， 而在一个 PRB 内保持不变。
S202 ： 系统中收到上述导频信号的用户根据该导频信号测量瞬时 CQI 值， 其中一 个用户 k 在一个子带内的瞬时 CQI 为 ：
其中 Pt 是发射信号功率， σ2 是方差， NRE 是一个调度子带内的资源块个数， 是两根发射天线到接收天线的信道估计值。 S203 ： 用户将其瞬时 CQI 值通过上行控制信道反馈至 eNB。 S204 ： eNB 根据 CQI 值及调度算法在各子带上选择用户进行数据传输。当 eNB 采 即和
用 MAX-CQI 算法时， 假设共有 K 个用户参与调度， 则 MAX-CQI 算法为 ：表示选择系统中具有最大 CQI 的用户进行数据传输， 此时由于引入了更快、 更大的用户信 道波动， 可以保证公平性。
当 eNB 采用 PF 算法时， 其调度算法为 ：其中 Rk(t) 是用户 k 当前能支持的数据速率， 它根据用户 k 的瞬时 CQIk 得到， Tk(t) 是在时间窗 Tw 内用户 k 的平均 速率， 可见， 当在时间窗 Tw 内调度越多， 该用户的平均速率也就越高 ( 即数据传输量越大 )， 因而会得不到调度， 从而保证了公平性， 而更快、 更大的用户信道波动的引入， 则保证了系 统容量。
当然， 本发明实施例并不限于上述两种调度方法， 对于其他的调度方法， 更快、 更 大的用户信道波动的引入也能产生相似的性能增益。
需要指出的是， 本实施例是以两根天线对本发明所作的说明， 但本领域的技术人 员应当可以得到， 当两根以上多根天线时， 采用本发明实施例的方法也同样可以解决本发 明所要解决的技术问题。
比如当采用 a(a ＞ 2) 根天线， 而 a-1 根调节天线时， 步骤 S201 中 a 根天线上的发 射信号相应的可以变为 ：
上式中括号内为一个行数为 a 的矩阵，分别表示 a-1 根天线上所乘的相位序列， 而当采用 a-2 根调节天线时， 只要将上述矩阵中的 换成 1 即可， 其它数量的调节天线的情形可以以此类推。
当采用 a-1 根调节天线时， 步骤 S202 中的 CQI 计算公式相应的变为 ：
。其中为 a 根发射天线到接收天线的信道估计值，m， n 表示子载波 m， 第 n 个正交频分复用 OFDM 符号， NRE 是一个调度子带内的资源块个数， Pt 2 是发射信号功率， σ 为方差， θ′ n 为随时间在 [-π， π] 内周期变化的序列， τ′为循环 延迟，
分别表示 a-1 根天线上所乘的相位序列。其它步骤都相应不变即可。
需要指出的是， 上述的公式中的 θ′ n、 τ′与 θn、 τ 既可以相同， 也可以不同， 即每根天线上所乘的相位序列随时间及频率的变化既可以相同， 也可以不同。
本发明实施例通过在发射天线上引入相位序列来发送导频信号， 从而为用户信道 引入了更大、 更快的信道波动， 使得本发明实施例在结合调度算法进行调度时， 可以保证系 统容量最大化与用户调度公平性之间的平衡。
如图 3 所示为本发明实施例提供的一种多天线分集调度装置的结构示意图， 该装 置位于 eNB 侧， 包括 ： a 根发射天线 310、 信道调节单元 320、 CQI 接收单元 330 和调度单元 340， a 为大于等于 2 的正整数。
发射天线 310 用于发射导频信号， 当然， 本发明实施例的发射天线 310 还用于 eNB 和用户间的其它无线数据的传输， 利用多天线进行数据传输则可以为点对点链路增加分集 增益。
信道调节单元 320 用于将导频符号和一个相位序列相乘， 然后通过至少 1 根至多 a-1 根发射天线 310 发射给用户， 所述相位序列为随时间和 / 或频率变化的序列， 所述相位 序列的变化频率快于用户信道变化。
在本实施例中， 将 a 根天线中的其中 a-1 天线作为了调节天线， 该调节天线的功能 是可以调节用户信道的波动， 这是由于该调节天线上所发出的导频信号是导频符号和一个 相位序列的乘积， 而该相位序列为随时间和 / 或频率变化的序列， 因此该相位序列的变化可以导致用户测得的 CQI 值发生相应的变化， 即可以通过该相位序列来调节用户信道的波 动。 当该相位序列的变化频率快于用户信道变化时， 其可以使得用户信道的波动变得更快、 更大。需要指出的是， 当利用 a-1 根天线作为了调节天线时， 可以达到最佳效果。
在本实施例中， 可以由一个信道调节单元 320 为多根发射天线 310 提供导频信号 和相位序列乘积， 且为每根发射天线 310 所提供的相位序列既可以相同， 也可以不同 ； 另外 也可以为每根需要相位序列的发射天线 310 单独提供一个信道调节单元 320。
CQI 接收单元 330 用于接收用户根据所述导频信号返回的瞬时信道状态信息 CQI 值， 具体来说， CQI 接收单元 330 是通过上行控制信道来完成瞬时 CQI 值的接收的。
调度单元 340 用于根据瞬时 CQI 值及调度算法调度用户进行数据传输。作为本发 明的一个实施例， 调度算法可以包括 MAX-CQI 算法、 PF 算法或者其他调度算法。
本发明实施例通过在发射天线上引入相位序列来发送导频信号， 从而为用户信道 引入了更大、 更快的信道波动， 使得本发明实施例在结合调度算法进行调度时， 可以保证系 统容量最大化与用户调度公平性之间的平衡。
如图 4 所示为本发明实施例提供的另一种多天线分集调度装置的结构示意图， 该 装置位于 eNB 侧， 包括 ： a 根发射天线 310、 信道调节单元 320、 CQI 接收单元 330、 调度单元 340 和相位序列产生单元 350。
相位序列产生单元 350 用于产生相位序列， 并将该相位序列发送给信道调节单元 320， 该相位序列为 θn 为随时间在 [-π， π] 内周期变化的序列， τ为循环延迟， N 为快速傅里叶逆变换 (IFFT) 点数。在本实施例中， θn 的变化频率 fm 快于 用户信道变化， 而 fm 具体的数值可以根据仿真结果选择最优的值。该相位序列相对于不同 的发射天线既可以相同， 也可以不同， 只要保证其变化频率 fm 快于用户信道变化即可。
由相位序列中 的 θn 可 以 看 出， 该相位序列为随时间变化的序列， 该相位序列在时间域上可以随机产生或以规律变化 ； 另外， 由相位序列 中的 可以看出， 该相位序列为随频率变化的序列， 所述相位序列在频域上是子载波序号的线性序列或是子载波组的线性序列。
信道调节单元 320 用于将上述相位序列与一导频符号相乘， 然后通过发射天线 310 发出， 在本实施例中， 当具有两根发射天线 310 时， 该两根天线发射单元 310 所发出的发 其中 s[m， n] 是子载波 m， 第 n 个正交频分复用射信号为 ：OFDM 符号上的导频符号。
CQI 接收单元 330 用于接收用户返回的 CQI 值， 在本实施例中， 其中一个用户 k 在 一个子带内返回的瞬时 CQI 为 ：
其中 Pt 是发射信号功率， σ2 是方差， NRE 是一个调度子带内的资源块个数， 是两根发射天线到接收天线的信道估计值。 调度单元 340 用于根据瞬时 CQI 值及调度算法调度用户进行数据传输， 在本实施 当 eNB 采用 MAX-CQI 算法时， 假设共有 K 个用户参与调度， 则 MAX-CQI 算法为 ： 即表示选择系统中具有最大 CQI 的用户进行数据传输， 此时由于引入了和
例中 ：
更快、 更大的用户信道波动， 可以保证公平性。
当 eNB 采用 PF 算法时， 其调度算法为 ：其中 Rk(t) 是用户 k 当前能支持的数据速率， 它根据用户 k 的瞬时 CQIk 得到， Tk(t) 是在时间窗 Tw 内用户 k 的平均 速率， 可见， 当在时间窗 Tw 内调度越多， 该用户的平均速率也就越高 ( 即数据传输量越大 )， 因而会得不到调度， 从而保证了公平性， 而更快、 更大的用户信道波动的引入， 则保证了系 统容量。
当然， 本发明实施例的调度单元 340 并不限于用上述两种调度方法， 对于其他的 调度方法， 更快、 更大的用户信道波动的引入也能产生相似的性能增益。
上述的描述是以两根天线发射单元 310 进行描述的， 当存在两根以上天线发射单 元 310 时， 具体的变化可以参见前述实施例的描述， 在此不再赘述。
本发明实施例通过在一根调节天线上引入一个相位序列来发送导频信号， 从而为 用户信道引入了更大、 更快的信道波动， 使得本发明实施例在结合调度算法进行调度时， 可 以保证系统容量最大化与用户调度公平性之间的平衡。
下面将本发明应用于长期演进 (Long Term Evolution， LTE) 下行链路中进行仿 真， 以仿真结果来说明本发明的有益效果， 具体仿真参数如表 1 ：
表1
通过方针， 可以得到本发明的容量增益和公平性增益， 具体分析如下 ：
1、 本发明的容量增益 ：
如图 5 所示为本发明实施例提供的多用户调度下各调度方案频谱效率的累积 分布函数 (Cumulative Distribution Function， CDF) 曲线图， 从图中可见， 无论是采用 max-CQI 调度还是采用 PF 调度， 本发明方案获得的系统频谱效率都要大于采用 Alamouti 方 案。
如图 6 所示为本发明实施例提供的各调度方案的平均频谱效率的比较示意图， 从图中可见， 采用 MAX-CQI 调度时， 本发明的平均频谱效率为 1.9209， 而 Alamouti 方案为 1.7192， 可见本发明的平均频谱效率相对于 Alamouti 方案有 11.7％的增益 ； 采用 PF 调度 时， 本发明的平均频谱效率为 1.7767， 而 Alamouti 方案为 1.5233， 可见本发明的平均频谱 效率相对于 Alamouti 方案有 16.6％的增益。
因此， 本发明实施例的方案相对于 Alamouti 获得了更大的容量增益。
2、 本发明的公平性增益 ：
如图 7 所示为本发明实施例提供的用户被调度次数的分布示意图， 其横坐标表示 小区中总共有 10 个用户参与调度， 纵坐标表示在考察期间每个用户被调度的次数， 因此图 7 中波动越小说明调度的公平性越好。表 2 中数值是用户被调度次数的标准差除以平均被 调度次数， 它也反映了调度的公平性， 数值越小说明越公平。
11102377466 A CN 102377475
std(n)/mean(n) Max-CQI 调度
说明书本发明 0.15179/9 页Alamouti 0.2352表2
由图 7 和表 2 可以看出， 本发明实施例相对于传统的多天线分集技术 Alamo uti， 在多用户调度的情况下既保证了用户的公平性， 又获得了更大的多用户分集增益。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程， 可以通 过计算机程序来指令相关的硬件来完成， 所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质 中， 该程序在执行时， 可包括如上述各方法的实施例的流程。其中， 所述的存储介质可为磁 碟、 光盘、 只读存储记忆体 (Read-On ly Memory， ROM) 或随机存储记忆体 (Random Access Memory， RAM) 等。
以上所述的具体实施例， 对本发明的目的、 技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明， 所应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施例而已， 并不用于限定本发明的保 护范围， 凡在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本 发明的保护范围之内。