器N10000054清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2007年第47卷第4期16/40J Tsinghua Univ (Sci Tech), 2007, Vol 47, No, 4514-517空分和頻分混合接入方式下的無線資源調(diào)度算法李蕾,牛志升(清華大學(xué)電子工程系,北京100084)摘要:為進(jìn)一步引入分集增益以提高無線資源頻譜利用(MIMO)技術(shù)不僅提高了物理傳輸容量和可靠性率,針對(duì)多用戶多輸入多輸出一正交頻分復(fù)用(MMO-而且為無線資源管理提供了頻率和空間維度上的自O(shè)DM)系統(tǒng)下行傳輸,提出聯(lián)合OFDM和多用戶空間復(fù)用由度。多用戶OFDM系統(tǒng)通過子載波的分配接入多MMO混合接入方式下的用戶調(diào)度和功率分配算法。采用路用戶,對(duì)該系統(tǒng)下的功率速率、子載波分配已有這種混合接入方式不僅能夠通過頻率信道和空間信道的調(diào)深入研究2。多用戶MIMO系統(tǒng)中,利用用戶空間度產(chǎn)生多用戶分集增益,而且能有效避免空分復(fù)用(SDMA中頻率復(fù)用產(chǎn)生的共信道于擾問題。在資源分配上,基于廣信道狀態(tài)作為標(biāo)識(shí)符接入多路用戶的方式統(tǒng)稱為空義處理機(jī)共享(GPS)優(yōu)化模型提出基于信道狀態(tài)的并行加分復(fù)用(SDMA)。進(jìn)一步,在多載波MIMO系統(tǒng)上權(quán)公平隊(duì)列( Cap-WFQ)調(diào)度和功率分配算法,算法在保證采用SDMA能在每個(gè)載波基礎(chǔ)上提供空間上的多多媒體用戶的最小數(shù)據(jù)率要求的同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的吞吐量用戶接入能力,從而產(chǎn)生頻率再利用并增加頻率和關(guān)鍵詞:正交頻分復(fù)用(OFDM);無線資源管理;調(diào)度;多空間分集的自由度;但不同于OFDM系統(tǒng),SDMA輸入多輸出(MIMO下多路用戶信道很難做到完全正交,因此共信道干中圖分類號(hào):TN914.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A擾問題是對(duì)多用戶MIMO的挑戰(zhàn)。盡管文[3]指出文章編號(hào):1000-0054(2007)040514-04若MIMO系統(tǒng)中每個(gè)天線能夠獨(dú)立接入當(dāng)前信道狀態(tài)較好的用戶,系統(tǒng)容量遠(yuǎn)優(yōu)于時(shí)分復(fù)用Radio resource allocation algorithm(TDMA)方式的MIMO系統(tǒng),但該文獻(xiàn)沒有進(jìn)for combined frequency and spatial步指出多用戶接入方式和由此帶來的共信道干擾問multiple access schemes題,也沒有設(shè)計(jì)具體的調(diào)度算法本文提出一種聯(lián)合OFDM和多用戶空間復(fù)用LI Lei, NiU ZhishengMIMO混合接入方式的下行鏈路調(diào)度算法。這種混Department of Electronic Engineering, Tsinghua UniversityBeijing 100084, China)合接入方式進(jìn)一步為子載波提供多個(gè)空間接入的選擇?；谶@種接入方式,建立采用廣義處理機(jī)共享in a combined orthogonal frequency division multiplexing(GPS)的OFDM子載波和MIMO空間子信道調(diào)度access and spatial multiplexing multiuser multiple input以及功率分配優(yōu)化模型,在總發(fā)送功率受限的約束fully utilize radio resources. This combined access sche下優(yōu)化系統(tǒng)容量由于GPS并行傳輸特性非常適合provides multiuser access with diversity in both frequency channel MIMO和OFDM中有多個(gè)能夠獨(dú)立并行接入的子heduling and spatial channel scheduling, with elimination of the信道傳輸環(huán)境,我們已用它建模OFDM以及聯(lián)合co-channel interference introduced by spatial division multiple access(SDMA). a generalized processor sharing type optimization is useOFDM-MIMO系統(tǒng)的資源分配問題進(jìn)一步提出to implement a channel-aware parallel WFQ for the scheme.The了實(shí)際可行的基于用戶信道狀態(tài)信息的并行加權(quán)公algorithm can optimize total throughput while guaranteeing the平隊(duì)列(Cap-wFQ)調(diào)度算法,在保證多媒體用戶最minimum data rate requirement for multimedia users小數(shù)據(jù)率要求的同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的吞吐量。Key words: orthogonal frequeney division multiplexing (OFDM)radio resource management; scheduling multiple inputmultiple output (MIMO)收稿日期:2006-02作者簡(jiǎn)介:李營(yíng)(1976—),女(漢),山東,博士研究生正交頻分復(fù)用(OFDM)和多輸入多輸出通訊聯(lián)系人:牛志升,教授, E-mail: niuzhs@ tsinghua,edu,cmn李蕾,等:空分和頻分混合接入方式下的無線資源調(diào)度算法5151OFDM和多用戶空間復(fù)用MIMo混合接信號(hào)的估計(jì)值入模型x=Gy=√ PiCHer,+Gn,(2)考慮有M個(gè)用戶、K個(gè)子載波的OFDM用戶在N1維向量e中找到他預(yù)先分配位置上MIMO下行傳輸系統(tǒng),設(shè)基站有N1個(gè)發(fā)送天線,第的信號(hào)作為接收信號(hào)。由此可見,子載波k和中個(gè)移動(dòng)臺(tái)有N個(gè)接收天線(=1,2,…,M)。假設(shè)的位置序號(hào)可唯一標(biāo)識(shí)一路用戶,而且它們?cè)谡{(diào)度移動(dòng)臺(tái)敷設(shè)多于基站發(fā)送天線數(shù)目的接收天線,即算法中可獨(dú)立為之分配用戶,不妨將這些空間復(fù)用對(duì)任意i都有N≥Nr,并假設(shè)信道是 rayleigh塊的子載波信道統(tǒng)稱為子信道,排序1,…,N1K。下衰落信道,取塊衰落長(zhǎng)度作為調(diào)度時(shí)隙間隔長(zhǎng)度,調(diào)章將研究用戶調(diào)度和功率分配算法度算法在每個(gè)時(shí)隙開始時(shí)刻進(jìn)行多用戶 OFDM通過為用戶分配子載波接入多2連續(xù)GPS信道分配模型路用戶,調(diào)度算法為每一個(gè)(或一組)子載波選擇一GPS是一個(gè)理想的流模型,它假設(shè)所有用戶根個(gè)合適的待服務(wù)用戶,并通知用戶被分配的子載波據(jù)他們預(yù)先申請(qǐng)到的權(quán)重同時(shí)得到服務(wù)。這種并行編號(hào),該用戶將從相應(yīng)的頻點(diǎn)上接收信號(hào)。特性非常適合 MIMO-OFDM的多個(gè)空間子信道和基站用 BLAST的方式空間復(fù)用MIMO信子載波的并行傳輸。號(hào),完全的空間復(fù)用可達(dá)到Nr倍頻率再利用。當(dāng)接假設(shè)采用完全空間復(fù)用MIMO系統(tǒng),在總頻帶收端敷設(shè)有足夠多的天線時(shí),就能夠完全接收并協(xié)寬度為W的OFDM系統(tǒng)中將有NK個(gè)可獨(dú)立分調(diào)檢測(cè)出空間復(fù)用的信號(hào),當(dāng)所有信號(hào)被還原后,接配子信道,它們分別對(duì)應(yīng)于各子載波上的N個(gè)發(fā)收端有能力識(shí)別這些信號(hào)分別來自哪個(gè)發(fā)送天線;送天線。為采用GPS流模型,先假設(shè)OFDM系統(tǒng)可因此,空間復(fù)用的信號(hào)可以是同一路用戶的信息,也在任意小的頻帶上進(jìn)行子載波分配,亦即把子載波可以是不同路用戶的信息。如果復(fù)用了不同路用戶看成在W上連續(xù);因此,用連續(xù)函數(shù)A(s),s∈[O,的信息,用戶則需要找出預(yù)先分配給他的發(fā)送天線NrW)表示子信道分配,2()為二值函數(shù),P2(s)=1上送出的信號(hào),基站最多可同時(shí)傳送N路用戶的表示將第5個(gè)子信道分配給用戶i,否則P(s)=0信號(hào)發(fā)送天線分配由調(diào)度算法決定每個(gè)調(diào)度時(shí)隙P(s)表示用戶i使用第s個(gè)子信道時(shí)的功率分配。每個(gè)用戶可分配到0個(gè)、1個(gè)、或者更多直到N個(gè)GPS節(jié)點(diǎn)處,接納控制算法將用戶i最小數(shù)據(jù)發(fā)送天線的碼流,不同調(diào)度時(shí)隙用戶分配到的天線率請(qǐng)求R2解釋為相應(yīng)權(quán)重中。優(yōu)化目標(biāo)是在總發(fā)送數(shù)量和編號(hào)不同,基站將重新通知用戶分配結(jié)果,使功率約束下最大化系統(tǒng)容量,優(yōu)化問題描述為之正確接收。這種多用戶空間復(fù)用的方式可避免采用SDMA方式帶來的共信道干擾,但代價(jià)是用戶必進(jìn)一步,將多用戶空間復(fù)用MMO用在約束條1b1+()P(O)d須敷設(shè)多于基站發(fā)送天線數(shù)目的接收天線。OFDM系統(tǒng)中產(chǎn)生混合接入方式,則能夠在每一子載波基礎(chǔ)上提供多個(gè)空間接入的選擇,其對(duì)調(diào)度算Ib 1+p (s)P, (s)* ds法的優(yōu)勢(shì)在于增加了最多可達(dá)N1倍的分集自由度,而且增加的自由度是充分自由的,即調(diào)度算法無需為解決空間多用戶的干擾問題做額外設(shè)置。1b 1+p, (s)P,(s)N ds考慮某個(gè)子載波k上的情況,第i個(gè)用戶接收到的信號(hào)模型數(shù)學(xué)表示式為i,j∈M;y=√pHx,+n.(1)P: (s)ds= P其中:x∈C“表示基站N個(gè)發(fā)送天線在子載波其中:c"表示用戶;在子信道上的信道增益;Nk上的發(fā)送信號(hào);∈C為用戶的信道矩表示噪聲功率,第1個(gè)約束條件是GPS調(diào)度按權(quán)重陣;p為用戶i發(fā)送天線的功率分配;n是加性分配資源第2個(gè)約束條件是總功率約束。高斯白噪聲。為還原x4,接收端通過對(duì)信道矩陣的式(3)是連續(xù)分配模型,盡管這種并行分配方式估計(jì)計(jì)算出接收矩陣G∈CxAw,由此得到原始更適合 OFDM-MIMO傳輸,但子載波及發(fā)送符號(hào)清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2007,47(4)都不能無限可分。實(shí)際傳輸系統(tǒng)中加權(quán)公平隊(duì)列參數(shù)物理意義,增加了第1個(gè)約束表示子信道不能(wFQ)被認(rèn)為是對(duì)理想GPS模型較好的實(shí)現(xiàn)方式被多個(gè)用戶共享和第3個(gè)約束表示發(fā)送功率不能小之一6,因此,我們用WFQ對(duì)上述模型做了改進(jìn),于0。提出基于信道狀態(tài)的并行WFQ算法( Cap-WFQ:式(5)是典型的OFDM發(fā)送功率和子載波分配Channel-aware parallel WFQ)的優(yōu)化模型。類似問題可以用 Lagarange乘子法求3 Cap-WFQ算法解2,但運(yùn)算復(fù)雜。本文采用文[1]中的2步法思Cap-WFQ算法將式(3)中的問題分2步解決路:首先選擇有最好信道增益的用戶將該子信道分配給他,子信道分配完畢后用注水法進(jìn)行功率分配1)用戶選擇(不超過N1K個(gè));2)用戶與子信道間對(duì)選定的用戶與子信道間映射算法描述如下的映射。1)將SSG中信息幀相對(duì)應(yīng)的用戶在每個(gè)子信用戶選擇采用WFQ規(guī)則,在這里要選擇1組道上的增益排列在NK×NK矩陣廠中,NK個(gè)并行傳送的信息幀,而不是傳統(tǒng)WFQ規(guī)則只選出1個(gè)用戶。算法描述如下:1)為每個(gè)用戶建立一個(gè)先入先出隊(duì)列,對(duì)該用(6)戶隊(duì)列中到達(dá)的信息幀賦予時(shí)間戳,作為該符號(hào)期望的發(fā)送完成時(shí)間,時(shí)間戳的計(jì)算如下:aN-K N.K4 g= maxI, t (-)+(4)2)在廠所有元素中選擇最大值,將該元素對(duì)應(yīng)列標(biāo)號(hào)的子信道分配給對(duì)應(yīng)行標(biāo)號(hào)的信息幀。刪除其中:4”是該用戶第(-1)個(gè)符號(hào)的時(shí)間戳;真「中相應(yīng)行與列。為式(3)中的用戶權(quán)重;L表示信息幀長(zhǎng)度;V是調(diào)3)重復(fù)2)直到廠中所有行與列都被刪除。度系統(tǒng)參考時(shí)間,它記錄了系統(tǒng)最后發(fā)送的符號(hào)的對(duì)式(5)中的目標(biāo)函數(shù)和后2個(gè)約束條件用時(shí)間戳,用于為新用戶或是重新開始的用戶做時(shí)間 Lagarange乘子法計(jì)算得到功率分配。結(jié)果為參考。2)基于時(shí)間戳調(diào)度用戶。在系統(tǒng)所有隊(duì)列中挑選時(shí)間戳最小的NrK個(gè)信息幀作為選擇信息幀組P(=-k3-2Ss).有可能1個(gè)用戶隊(duì)列中的多個(gè)信息頓被選4仿真結(jié)果入SSG,因?yàn)樵撚脩粲休^大的權(quán)重或者因?yàn)樵撚脩粢呀?jīng)長(zhǎng)時(shí)間沒有被服務(wù);也有可能有某個(gè)用戶隊(duì)列仿真釆用16個(gè)子載波OFDM系統(tǒng)?；驹O(shè)有中沒有符號(hào)被選中,由于該用戶權(quán)重較小或者已經(jīng)4個(gè)發(fā)送天線,每個(gè)移動(dòng)臺(tái)4個(gè)接收天線。信噪比得到了超過他權(quán)重的服務(wù)量。(SNR)為10dBWFQ規(guī)則根據(jù)用戶對(duì)數(shù)據(jù)率的要求在時(shí)間上Cap -WFQ算法在采用空間復(fù)用多用戶MIMO完成對(duì)用戶的調(diào)度,而對(duì)系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化通過用戶與系統(tǒng)和采用 Zero-forcing方式的 SDMA MIMO系子信道間映射實(shí)現(xiàn)選擇了SG后,式(3)優(yōu)化模型統(tǒng)(該系統(tǒng)基站8個(gè)發(fā)送天線,每個(gè)移動(dòng)臺(tái)2個(gè)接收天線,可最多同時(shí)傳輸4路信號(hào))下的性能比較如簡(jiǎn)化為Nrk圖1所示。結(jié)果表明,空間復(fù)用多用戶系統(tǒng),不論是maxC=∑∑lb1+p,(c)P,(c)多載波傳輸還是單載波傳輸,由于無多用戶干擾,系e,(), P,(e)約束條件:統(tǒng)容量大大優(yōu)于Zero- forcing方式的SDMAMIMO。圖中還顯示多載波方式下,由于資源分配自∑(c)≤1JESs由度增加,頻帶利用率較單載波傳輸有很大提高,尤對(duì)于所有c;其是用戶數(shù)增加,多用戶分集效應(yīng)顯著。聯(lián)合空間復(fù)用多用戶MIMO與OFDM混合接∑∑P)=P;P(c)≥0.(5)入系統(tǒng)下 Cap-WFQ算法性能驗(yàn)證如圖2所示,作其中:P(c)和P()分別為子信道分配因子和功率為比較還仿真了 Cap-WFQ算法在僅采用OFDM分配因子,它們是離散函數(shù);c=1,2,…,NK表示接入的MIMO-OFDM系統(tǒng)下的性能,同時(shí)仿真了子信道標(biāo)號(hào),表示SSG中的信息幀標(biāo)號(hào)?？紤]到完全多用戶分集方式(只服務(wù)信道狀態(tài)最好的用戶,李蕾,等:空分和頻分混合接入方式下的無線資源調(diào)度算法5170.8要01:付時(shí)0.4-OFDM+多用戶空間復(fù)用MMO單載波+多用戶空間復(fù)用MMo-▲-OFDM+ ZF SDMA時(shí)間(調(diào)度時(shí)隙)用戶數(shù)用戶1,一用戶3圖1多用戶空間復(fù)用MIMO和 ZF SDMA采用Cap-WFQ算法的客量比較圖3算法公平性驗(yàn)證無公平性考慮)和固定信道分配方式(無多用戶分集源的潛能。而此方式的代價(jià)是用戶需敷設(shè)較多數(shù)量增益)。圖中顯示聯(lián)合空間復(fù)用多用戶MDMO與的天線,因此,該方式可用于較大體積的終端中。本OFDM混合接入方式,由于充分利用了資源分配在文還提出了一種基于信道狀態(tài)的并行加權(quán)公平隊(duì)列空間維和頻率維的靈活性當(dāng)用戶超過20個(gè)時(shí),系( Cap-WFQ)算法。結(jié)果顯示, Cap-WFQ算法能夠統(tǒng)資源利用率可提高1bs-Hz-左右。在保證用戶公平性基礎(chǔ)上優(yōu)化系統(tǒng)容量。參考文獻(xiàn)( References)[1] Jang J, Lee K. 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