CN100392995C

CN100392995C - 一种多发送天线多接收天线系统中下行链路多用户调度方法

Info

Publication number: CN100392995C
Application number: CNB2004100909006A
Authority: CN
Inventors: 谢琼; 谢玉堂; 刁心玺
Original assignee: ZTE Corp
Current assignee: ZTE Corp
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: CN1780173A

Abstract

本发明公开了一种多发送天线多接收天线系统中下行链路多用户调度方法，包括：第一步，用户终端根据估计的信道信息选择基站发射天线的一个子集；第二步，用户终端反馈所选天线子集指示符和信道状态信息；第三步，调度算法根据反馈的信息和用户其他信息决定在下一传输时隙基站发射天线与用户终端的分配关系。本发明将MIMO天线选择技术与多用户分集结合起来，既充分利用了基站端的多天线系统，提供了空间分集增益或信道容量增益，又提供了多用户分集，从而提高了系统的数据吞吐量。可同时为拥有不同天线数量的用户终端提供服务，兼容MIMO、SISO、SIMO和MISO多种模式，并对用户终端的天线数目不做要求，因此具有很强的通用性。

Description

一种多发送天线多接收天线系统中下行链路多用户调度方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及多输入多输出系统中下行链路的多用户分集及调度方法。

背景技术

MIMO无线通信系统是一种将多天线同时应用在发送端和接收端系统。假定发送端的天线个数为N_T，接收端的天线个数是N_R。它被证明能极大地提高系统的信道容量。在理论上，MIMO系统的信道容量是与发送天线和接收天线中的最小个数成正比的。另外它不需要扩展频谱宽度，因此具有很高的频谱效率。

MIMO系统主要有两种系统应用：一种是空间复用，如D-BLAST或V-BLAST，将数据流去复用成N_T个子数据流并在N_T不同的发送天线上发送出去。在接收端，每个接收天线接收到的无线信号是N_T个数据流的叠加。在由MIMO引入的空间信道环境下，只要N_R≥N_T，可利用空时处理技术将N_T个数据流分离并检测出来。该应用旨在充分利用空间信道提供的信息容量，提高传输速率。但空间信道的特性将极大地影响系统的性能。如果空间信道相关性小，信道容量大，传输速率高。如果空间相关性大，则信道容量小，传输速率低。而空间信道的相关性又在很大程度上与收发两端的天线的信号到达角(DOA)、发射角(DOD)、角度扩展(angular spread)、及天线间距等有关。

MIMO系统的另一种应用是空时编码(STBC和STTC)。空时编码则通过在由空间和时间组成的两维空间上设计码字，为系统提供天线分集增益和编码增益。但分集增益的性能也同样极大地受到空间信道相关性的影响。

为减少MIMO系统的复杂度和降低成本，MIMO的天线选择技术引起了广泛的关注。MIMO的天线选择技术是在发送端和(或)接收端从N_T(N_R)个天线中根据某种原则选用其中的性能最好的一个子集。这些原则可以是容量最大化、子数据流输出信号与噪声干扰比(SNR)最大化或比特误码率(BER)最小化等等。研究结果表明，不论是空间复用还是空时编码，在结合天线选择技术后，系统性能均能接近使用全天线时的情况，即提供天线分集增益。在相关MIMO衰落信道的情况下，甚至存在容量增益。

在另一方面，信息理论研究结果指出多用户分集是一种有效增加多用户系统的数据吞吐量的方法。多用户分集利用不同用户所体验到的信道统计特性相对独立的特点，根据信道质量将系统资源动态分配给某个或多个用户，从而达到一种分集的效果，并提高整个系统的数据吞吐量。因为数据分组业务比传统话音业务更能容忍多用户调度引起的时间延迟，所以多用户分集技术非常适合高速数据传输业务。多用户分集已被3GPP的HSDPA标准所采用。而对于有N_T个发送天线的下行链路，在理论上已有文献证明，在任一时刻，数据吞吐量最大化的传输策略应包含N_T至

N_T(N_T+1)个活跃的用户。

在MIMO应用环境中的多用户系统具有以下特点：基站端的天线数目固定。各用户终端处的天线个数不一，且天线数目因终端尺寸原因较小。因此，各用户可能工作在不同的天线模式下，即MIMO、单发多收(SIMO)、或多发单收(MISO)。在设计MIMO环境下的多用户系统时，往往要考虑兼容这方面的特点。

在MIMO应用环境中的多用户分集和调度系统，目前已经有如下现有技术。

现有技术1：

美国朗讯科技公司，“Throughput simulations for MIMO and transmit diversityenhancements to HSDPA，”3GPP TSG RAN WGl，TSGR1#17(00)1388

使用Round Robin调度系统(RRS)。在某一时隙，RRS算法以一种确定的循环方式(即不考虑用户的信道条件)从待传数据的多个活跃用户中选择一个用户，将N_T个发送天线全部分配给所选用户。该调度方法为用户提供了同等公平的MIMO信道使用机会。但是，该方法没有利用多用户系统中内在的多用户分集，导致其容量等同于单用户系统的容量。

现有技术2：

美国朗讯科技公司US PATENT 2002/0094834 A1(Jul，18，2002)：“Method forsimultaneously conveying information to multiple mobiles with multipleantennas”。该方法的基本思路如下。

在调度算法的控制下，天线阵列的每一个天线可以工作在两个模式下。第一种模式是：一个或一组用户预分配给某些天线。根据预分配用户的信道状态信息，调度算法决定在某一时段每一个天线用于传送哪一个预分配用户的数据信息。

在第二种模式中，用户并不预先指派给任何特定的天线。调度算法监视由用户反馈的各种信道状态信息，在某一个特定时段，为某一用户选择最合适的某一个天线用于传输用户数据。相当于SIMO模式。

现有技术3：

美国高通公司US PATENT 6662024 B2(Dec。9，2003)：“Method and apparatusfor allocating downlink resources in a multiple-input multiple-output(MIMO)communication system”。该专利的基本思路如下。

该方法设计了三种不同的数据传输模式。在MIMO模式下，所有下行数据流被指派到单个拥有多个天线的终端(即MIMO终端)。在N-SIMO模式下，单个数据流被指派到某一个特定的终端，每个终端都使用多个天线，即为一个SIMO终端。在混合模式下，下行链路的资源可以用组合方式同时分配给SIMO和MIMO终端。通过同时传输数据到多个SIMO终端、一个MIMO终端、或者它们的组合，系统的传输容量得到增加。该专利提供了一种下行链路的调度方法。调度器根据多种因素，如终端要求的服务，来选择一种最优的工作模式。同时，调度器挑选特定一组用户以允许它们同时传输数据，并分配可用的发送天线给这些选出的用户，以达到较高的优化的系统性能。具体做法是：将一个移动通信系统的终端分成一个或多个集合，以对应数据传输的一种组合。每个集合是一个或多个终端的一种唯一组合方式，并定义它为一个假设。在一个假设中，对一个或多个终端的某种特定的天线分配组合方式被定义为一个子假设。再评估每一个假设的每一个子假设的性能后，挑选出一个子假设，并调度这个子假设中的终端在特定天线上传输数据。

现有技术1的缺点在于：仅在时间上调度用户，没有利用各用户空间信道的变化；在时间上的调度也没有考虑利用多用户的分集增益。

现有技术2的缺点在于：在第一种模式下，用户固定地预分配给某些天线。这样虽然可以简化算法设计，但整体性能会受到明显影响，是一种次优方案；而第二种模式，用户仅被动态分配一个基站端的发送天线。这样会限制用户的最大下行传输数据的速率。

现有技术3的缺点在于：调度算法估算每一个假设的每一个子假设的性能来调度用户，该算法虽然可看作为一种最优的多用户调度算法，但是其计算复杂度无疑是相当高的。当需要传输数据的用户数较大时和天线数目较大时，其计算量是系统无法负荷的。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种多发送天线多接收天线系统中下行链路多用户调度方法，能充分利用MIMO系统的空间资源，以期达到优化系统性能(如数据吞吐量)的目的。现有技术要么没有充分利用MIMO系统的空间信道资源，要么计算复杂度太大，系统无法承受。本发明充分考虑了计算复杂度和系统的整体性能这两方面的因素，在降低计算复杂度的基础上，尽可能地提高系统的整体性能。

本发明提出的多发送天线多接收天线系统中下行链路多用户调度方法包括以下处理过程：

第一步，用户终端根据估计的信道信息选择基站发射天线的一个子集；

第二步，用户终端反馈所选天线子集指示符和信道状态信息；

第三步，调度算法根据反馈的信息和用户其他信息决定在下一传输时隙基站发射天线与用户终端的分配关系。

第一步具体包括：所有待传数据的用户终端通过接收在下行链路上所有基站发射天线发送的导向信号，估计出各自的MIMO信道状态信息，用户终端根据估计的信道信息选择基站发射天线的一个子集。

基站发射天线的选择原则可以是信道容量最大化或信道相关性最小化或输出SNR最大化或BER最小化，且每个用户终端可为自己设置不同的选择原则。

天线子集的天线个数可依据实际系统应用或实际信道质量的变化动态而定。如果是空间复用，所述天线子集的天线个数可设为与用户终端天线个数相同或小于用户终端天线个数以适用低速数据传输的要求；如果使用空时编码，则所述天线子集的天线个数可大于用户终端的天线个数。

第二步中信道状态信息的具体表现形式与系统的实现形式有关：如果系统发送端需要全部信道状态信息的，则各用户可反馈与所选天线子集相关的全部信道信息和希望得到服务的基站天线的子集指示符；如系统发送端仅需要部分信道状态信息的，各用户可仅反馈部分信道信息和基站天线的子集指示符；如系统发送端不需要任何信道状态信息的，各用户可仅反馈信道状态指示符和基站天线的子集指示符给发送端的调度算法。

第三步具体包括以下处理过程：

1)调度算法根据反馈接收的用户的信道状态信息，计算各用户的优先权限；

确定用户优先权的过程中，既要考虑各用户的数据特点、传输分配的公平性又要顾及系统性能最优原则及充分考虑各用户的信道状态信息。

2)根据用户的优先权权值将用户排成一个优先权降序队列；

3)按优先权次序，决定下一个进行天线分配的用户；

4)对选出的一个待分配的用户，按此用户所选基站发射天线和基站发射天线使用情况决定是否给该用户分配所要天线；

5)当基站发射天线同时分配给多个用户时，给共享发射天线阵列的用户分配不同的正交码或MIMO-OFDM系统中的不同子载频；

6)直到所有的天线或用户已被分配，调度结束。

本发明是一种两维的既在时间上又在空间(基站天线)上实施的多用户分集和调度的方法。此方法是发生在每一个时段上的多用户调度算法，以决定下一时段多用户在空间上的调度。在下一个时段到来之前，该调度算法让所有待传数据的各用户终端使用MIMO天线选择技术决定和选择基站端的发送天线，并将此信息和信道状态信息一起反馈给发送端，调度算法再由此决定下一个时段用户和基站天线的调配关系。在某一时段可将基站端的多天线系统同时分配给多个相对低速的用户或天线数目较少的用户；也可在某个时段全部分配给一个高速率的用户。当某一时段基站的天线系统分配给多个用户时，则需要通过其他方法将用户分离开。例如，使用正交码(如Walsh码)进行多用户接入；或在MIMO-OFDM系统中，也可使用不同的子载频组。

采用本发明所述方法，与现有技术相比，采用了相对较简单多用户调度算法，提高系统的整体性能。该方法将MIMO天线选择技术与多用户分集结合起来，既充分利用了基站端的多天线系统，提供了空间分集增益或信道容量增益，又提供了多用户分集，从而提高了系统的数据吞吐量。本发明还可同时为拥有不同天线数量的用户终端提供服务，同一时刻兼容MIMO、SISO、SIMO和MISO多种模式，并对用户终端的天线数目不做要求，因此具有很强的通用性。

附图说明

图1是本发明使用的多发送天线多接收天线系统组成示意图；

图2是本发明多用户调度方法的基本工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图1和附图2对技术方案的实施作进一步的详细描述：

本发明所述的多用户调度方法在对下一个时段的多用户调度由如下步骤组成：

1.所有待传数据的用户终端通过接收在下行链路上基站所有发射天线发送的公共导频信号，估计出各自的MIMO信道状态信息；根据这些信道状态信息，按某种原则为自己选择一个最优的基站发送天线的子集。

2.各用户向基站反馈天线子集指示符和相关信道状态信息。

3.调度算法根据反馈的用户信道状态信息，计算各用户的优先权限。

4.根据用户的优先权权值将用户排成一个优先排序队列，优先权高的用户在前，优先权低的用户在后。

5.取优先队列中的第一个用户，即优先权最高的用户；按照该用户要求分配基站发射天线。

6.检查基站天线是否全部被分配，如果是，步骤转11；如果否，转至下一步。

7.检查当前用户是否是优先队列的队末，即所有用户是否已被检查。如果是，转至步骤11；如果否，转至下一步。

8.取队列中的下一个用户。

9.检查用户所选的天线是否与已分配的天线相冲突，如果有冲突，转至步骤7；如果没有，转至下一步。

10.分配所需基站发射天线；转至步骤6。

11.当基站天线系统同时分配给多个用户时，给这些用户的每一个用户分配一个唯一的正交码或OFDM系统中的子载频组。结束本次调度。

假设基站端的发送天线的个数为N_T＝4，在某一时段，共有6个活跃的用户A-F，即6个有数据传输要求的用户。此时，本发明所述的多用户调度方法用来决定下一时段的基站发送天线的分配。此方法是发生在每一个时段上的多用户调度算法，而一个时段的具体长度是由系统决定的。

在本次的具体实施例中，本发明的多用户调度方法步骤如下：

1)所有待传数据的6个用户终端通过接收在下行链路上基站发射天线发送的公共导向信号，估计出各自的MIMO信道状态信息；根据这些信道状态信息，按某种原则为自己选择最优的基站发送天线的一个子集。

该原则可以是信道容量最大化、或信道相关性最小化、或输出SNR最大化、或BER最小化等等。每个用户终端可为自己设置不同的原则。

同时，天线子集中的天线个数可依据实际系统应用而定。如果是空间复用(例如BLAST)，可设为与用户终端天线个数相同，或小于用户终端天线个数以适用低速数据传输的要求。如果使用空时编码(例如STBC)，则天线子集的个数可大于用户终端的天线个数。天线子集的天线个数也可依据实际信道质量的变化动态而定。

2)用户A-F将自己所选的发送天线子集信息和信道状态信息一起反馈到基站端。

如果系统发送端需要全部MIMO信道状态信息的，则各用户可反馈所选天线子集的全部信道信息和希望得到服务的基站天线的子集指示符；

如系统发送端仅需要部分MIMO信道状态信息的，各用户可仅反馈部分信道信息和基站天线的子集指示符；

如系统发送端不需要任何MIMO信道状态信息的，各用户可仅反馈信道状态指示符和基站天线的子集指示符给发送端的调度算法。

3)根据各用户的信道状态信息，基站计算出各用户的优先权。

在确定用户优先权的过程中，既要考虑各用户的数据特点(如，对时延的要求等)、传输分配的公平性又要顾及系统性能最优原则。

假设此时各用户终端的终端天线数目、反馈的选择天线子集、和优先权等信息如表1。

表1：活跃用户信息表

	用户A	用户B	用户C	用户D	用户E	用户F
	用户A	用户B	用户C	用户D	用户E	用户F	天线数目	2	4	1	2	2	1
优先权	1	2	3	4	5	6	天线数目	2	4	1	2	2	1
优先权	1	2	3	4	5	6	所选天线序号	(1，3)	(1，2，3，4)	(4)	(2，3)	(2)	(2，4)

其中用户的优先权以数值小的优先级高。从表中可以看到用户A至用户D是MIMO用户，用户E是SIMO用户，用户F是MISO用户。

4)将用户按优先级排成一个降序队列；即

用户A→用户B→用户C→用户D→用户E→用户F

5)给优先级最高的用户A按其需要分配天线，即分配天线1和3给用户A。

6)检查基站发送天线没有全部被分配，用户A也不是队列的队末。

7)取优先队列的下一个用户，即用户B。

8)检查用户B所选天线是否与已分配天线有冲突。因为天线1和天线3已被分配，判决为有冲突，不为用户B分配天线。

9)检查用户B不是队列的队末。

10)取优先队列的下一个用户，即用户C。因为用户C所选的天线4未被分配，所以给它分配天线4。

11)检查基站发送天线没有全部被分配，用户C也不是队列的队末。

12)取优先队列的下一个用户，即用户D。因天线3已被分配，不调度用户D使用天线资源。

13)检查用户D不是队列的队末。

14)取优先队列的下一个用户，即用户E。因为用户E所选的天线2未被分配，所以给它分配天线2。

15)基站天线已全部被分配。给用户A、C和E各分配一个Walsh正交码。

16)在下一时段，调度用户A、C和E使用基站的天线同时接收下行数据。

Claims

1.一种多发送天线多接收天线系统中下行链路多用户调度方法，其特征在于，该方法包括：

第三步，调度算法根据用户终端反馈的信道状态信息计算各用户的优先权权值，再根据各用户的优先权值和用户其他信息决定在下一传输时隙基站发射天线与用户终端的分配关系，当基站发射天线同时分配给多个用户时，给共享发射天线阵列的用户分配不同的正交码或OFDM系统中的不同子载频。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步具体包括：所有待传数据的用户终端通过接收在下行链路上所有基站发射天线发送的导向信号，估计出各自的信道信息，用户终端根据估计的信道信息选择基站发射天线的一个子集。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基站发射天线的选择原则是信道容量最大化或信道相关性最小化或输出SNR最大化或BER最小化，且每个用户终端为自己设置不同的选择原则。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，天线子集的天线个数依据实际系统应用或实际信道质量的变化动态而定。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，如果是空间复用，所述天线子集的天线个数设为与用户终端天线个数相同或小于用户终端天线个数以适用低速数据传输的要求；如果使用空时编码，则所述天线子集的天线个数大于用户终端的天线个数。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二步中信道状态信息的具体表现形式与系统的实现形式有关：

如果基站需要全部信道状态信息的，则各用户反馈与所选天线子集相关的全部信道信息和希望得到服务的基站天线的子集指示符：如系统发送端仅需要部分信道状态信息的，各用户仅反馈部分信道信息和基站天线的子集指示符；

如基站不需要任何信道状态信息的，各用户仅反馈信道状态指示符和基站天线的子集指示符给基站的调度算法。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三步具体包括以下处理过程：

1)调度算法根据用户终端反馈的信道状态信息，计算各用户的优先权权值；

2)根据用户的优先权权值将用户排成一个优先权降序队列；

3)按优先权次序，决定下一个进行天线分配的用户；

5)直到所有的天线或用户已被分配，调度结束。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中在确定用户优先权的过程中，既要考虑各用户的数据特点、传输分配的公平性又要顾及系统性能最优原则及充分考虑各用户的信道状态信息。