空分和频分混合接入方式下的无线资源调度算法

器N10000054清华大学学报(自然科学版)2007年第47卷第4期16/40J Tsinghua Univ (Sci Tech), 2007, Vol 47, No, 4514-517空分和频分混合接入方式下的无线资源调度算法李蕾,牛志升(清华大学电子工程系,北京100084)摘要:为进一步引入分集增益以提高无线资源频谱利用(MIMO)技术不仅提高了物理传输容量和可靠性率,针对多用户多输入多输出一正交频分复用(MMO-而且为无线资源管理提供了频率和空间维度上的自ODM)系统下行传输,提出联合OFDM和多用户空间复用由度。多用户OFDM系统通过子载波的分配接入多MMO混合接入方式下的用户调度和功率分配算法。采用路用户,对该系统下的功率速率、子载波分配已有这种混合接入方式不仅能够通过频率信道和空间信道的调深入研究2。多用户MIMO系统中,利用用户空间度产生多用户分集增益,而且能有效避免空分复用(SDMA中频率复用产生的共信道于扰问题。在资源分配上,基于广信道状态作为标识符接入多路用户的方式统称为空义处理机共享(GPS)优化模型提出基于信道状态的并行加分复用(SDMA)。进一步,在多载波MIMO系统上权公平队列( Cap-WFQ)调度和功率分配算法,算法在保证采用SDMA能在每个载波基础上提供空间上的多多媒体用户的最小数据率要求的同时优化系统的吞吐量用户接入能力,从而产生频率再利用并增加频率和关键词:正交频分复用(OFDM);无线资源管理;调度;多空间分集的自由度;但不同于OFDM系统,SDMA输入多输出(MIMO下多路用户信道很难做到完全正交,因此共信道干中图分类号:TN914.5文献标识码:A扰问题是对多用户MIMO的挑战。尽管文[3]指出文章编号:1000-0054(2007)040514-04若MIMO系统中每个天线能够独立接入当前信道状态较好的用户,系统容量远优于时分复用Radio resource allocation algorithm(TDMA)方式的MIMO系统,但该文献没有进for combined frequency and spatial步指出多用户接入方式和由此带来的共信道干扰问multiple access schemes题,也没有设计具体的调度算法本文提出一种联合OFDM和多用户空间复用LI Lei, NiU ZhishengMIMO混合接入方式的下行链路调度算法。这种混Department of Electronic Engineering, Tsinghua UniversityBeijing 100084, China)合接入方式进一步为子载波提供多个空间接入的选择。基于这种接入方式,建立采用广义处理机共享in a combined orthogonal frequency division multiplexing(GPS)的OFDM子载波和MIMO空间子信道调度access and spatial multiplexing multiuser multiple input以及功率分配优化模型,在总发送功率受限的约束fully utilize radio resources. This combined access sche下优化系统容量由于GPS并行传输特性非常适合provides multiuser access with diversity in both frequency channel MIMO和OFDM中有多个能够独立并行接入的子heduling and spatial channel scheduling, with elimination of the信道传输环境,我们已用它建模OFDM以及联合co-channel interference introduced by spatial division multiple access(SDMA). a generalized processor sharing type optimization is useOFDM-MIMO系统的资源分配问题进一步提出to implement a channel-aware parallel WFQ for the scheme.The了实际可行的基于用户信道状态信息的并行加权公algorithm can optimize total throughput while guaranteeing the平队列(Cap-wFQ)调度算法,在保证多媒体用户最minimum data rate requirement for multimedia users小数据率要求的同时优化系统的吞吐量。Key words: orthogonal frequeney division multiplexing (OFDM)radio resource management; scheduling multiple inputmultiple output (MIMO)收稿日期:2006-02作者简介:李营(1976—),女(汉),山东,博士研究生正交频分复用(OFDM)和多输入多输出通讯联系人:牛志升,教授, E-mail: niuzhs@ tsinghua,edu,cmn李蕾,等:空分和频分混合接入方式下的无线资源调度算法5151OFDM和多用户空间复用MIMo混合接信号的估计值入模型x=Gy=√ PiCHer,+Gn,(2)考虑有M个用户、K个子载波的OFDM用户在N1维向量e中找到他预先分配位置上MIMO下行传输系统,设基站有N1个发送天线,第的信号作为接收信号。由此可见,子载波k和中个移动台有N个接收天线(=1,2,…,M)。假设的位置序号可唯一标识一路用户,而且它们在调度移动台敷设多于基站发送天线数目的接收天线,即算法中可独立为之分配用户,不妨将这些空间复用对任意i都有N≥Nr,并假设信道是 rayleigh块的子载波信道统称为子信道,排序1,…,N1K。下衰落信道,取块衰落长度作为调度时隙间隔长度,调章将研究用户调度和功率分配算法度算法在每个时隙开始时刻进行多用户 OFDM通过为用户分配子载波接入多2连续GPS信道分配模型路用户,调度算法为每一个(或一组)子载波选择一GPS是一个理想的流模型,它假设所有用户根个合适的待服务用户,并通知用户被分配的子载波据他们预先申请到的权重同时得到服务。这种并行编号,该用户将从相应的频点上接收信号。特性非常适合 MIMO-OFDM的多个空间子信道和基站用 BLAST的方式空间复用MIMO信子载波的并行传输。号,完全的空间复用可达到Nr倍频率再利用。当接假设采用完全空间复用MIMO系统,在总频带收端敷设有足够多的天线时,就能够完全接收并协宽度为W的OFDM系统中将有NK个可独立分调检测出空间复用的信号,当所有信号被还原后,接配子信道,它们分别对应于各子载波上的N个发收端有能力识别这些信号分别来自哪个发送天线;送天线。为采用GPS流模型,先假设OFDM系统可因此,空间复用的信号可以是同一路用户的信息,也在任意小的频带上进行子载波分配,亦即把子载波可以是不同路用户的信息。如果复用了不同路用户看成在W上连续;因此,用连续函数A(s),s∈[O,的信息,用户则需要找出预先分配给他的发送天线NrW)表示子信道分配,2()为二值函数,P2(s)=1上送出的信号,基站最多可同时传送N路用户的表示将第5个子信道分配给用户i,否则P(s)=0信号发送天线分配由调度算法决定每个调度时隙P(s)表示用户i使用第s个子信道时的功率分配。每个用户可分配到0个、1个、或者更多直到N个GPS节点处,接纳控制算法将用户i最小数据发送天线的码流,不同调度时隙用户分配到的天线率请求R2解释为相应权重中。优化目标是在总发送数量和编号不同,基站将重新通知用户分配结果,使功率约束下最大化系统容量,优化问题描述为之正确接收。这种多用户空间复用的方式可避免采用SDMA方式带来的共信道干扰,但代价是用户必进一步,将多用户空间复用MMO用在约束条1b1+()P(O)d须敷设多于基站发送天线数目的接收天线。OFDM系统中产生混合接入方式,则能够在每一子载波基础上提供多个空间接入的选择,其对调度算Ib 1+p (s)P, (s)* ds法的优势在于增加了最多可达N1倍的分集自由度,而且增加的自由度是充分自由的,即调度算法无需为解决空间多用户的干扰问题做额外设置。1b 1+p, (s)P,(s)N ds考虑某个子载波k上的情况,第i个用户接收到的信号模型数学表示式为i,j∈M;y=√pHx,+n.(1)P: (s)ds= P其中:x∈C“表示基站N个发送天线在子载波其中:c"表示用户;在子信道上的信道增益;Nk上的发送信号;∈C为用户的信道矩表示噪声功率,第1个约束条件是GPS调度按权重阵;p为用户i发送天线的功率分配;n是加性分配资源第2个约束条件是总功率约束。高斯白噪声。为还原x4,接收端通过对信道矩阵的式(3)是连续分配模型,尽管这种并行分配方式估计计算出接收矩阵G∈CxAw,由此得到原始更适合 OFDM-MIMO传输,但子载波及发送符号清华大学学报(自然科学版)2007,47(4)都不能无限可分。实际传输系统中加权公平队列参数物理意义,增加了第1个约束表示子信道不能(wFQ)被认为是对理想GPS模型较好的实现方式被多个用户共享和第3个约束表示发送功率不能小之一6,因此,我们用WFQ对上述模型做了改进,于0。提出基于信道状态的并行WFQ算法( Cap-WFQ:式(5)是典型的OFDM发送功率和子载波分配Channel-aware parallel WFQ)的优化模型。类似问题可以用 Lagarange乘子法求3 Cap-WFQ算法解2,但运算复杂。本文采用文[1]中的2步法思Cap-WFQ算法将式(3)中的问题分2步解决路:首先选择有最好信道增益的用户将该子信道分配给他,子信道分配完毕后用注水法进行功率分配1)用户选择(不超过N1K个);2)用户与子信道间对选定的用户与子信道间映射算法描述如下的映射。1)将SSG中信息帧相对应的用户在每个子信用户选择采用WFQ规则,在这里要选择1组道上的增益排列在NK×NK矩阵厂中,NK个并行传送的信息帧,而不是传统WFQ规则只选出1个用户。算法描述如下:1)为每个用户建立一个先入先出队列,对该用(6)户队列中到达的信息帧赋予时间戳,作为该符号期望的发送完成时间,时间戳的计算如下:aN-K N.K4 g= maxI, t (-)+(4)2)在厂所有元素中选择最大值,将该元素对应列标号的子信道分配给对应行标号的信息帧。删除其中:4”是该用户第(-1)个符号的时间戳;真「中相应行与列。为式(3)中的用户权重;L表示信息帧长度;V是调3)重复2)直到厂中所有行与列都被删除。度系统参考时间,它记录了系统最后发送的符号的对式(5)中的目标函数和后2个约束条件用时间戳,用于为新用户或是重新开始的用户做时间 Lagarange乘子法计算得到功率分配。结果为参考。2)基于时间戳调度用户。在系统所有队列中挑选时间戳最小的NrK个信息帧作为选择信息帧组P(=-k3-2Ss).有可能1个用户队列中的多个信息顿被选4仿真结果入SSG,因为该用户有较大的权重或者因为该用户已经长时间没有被服务;也有可能有某个用户队列仿真釆用16个子载波OFDM系统。基站设有中没有符号被选中,由于该用户权重较小或者已经4个发送天线,每个移动台4个接收天线。信噪比得到了超过他权重的服务量。(SNR)为10dBWFQ规则根据用户对数据率的要求在时间上Cap -WFQ算法在采用空间复用多用户MIMO完成对用户的调度,而对系统容量优化通过用户与系统和采用 Zero-forcing方式的 SDMA MIMO系子信道间映射实现选择了SG后,式(3)优化模型统(该系统基站8个发送天线,每个移动台2个接收天线,可最多同时传输4路信号)下的性能比较如简化为Nrk图1所示。结果表明,空间复用多用户系统,不论是maxC=∑∑lb1+p,(c)P,(c)多载波传输还是单载波传输,由于无多用户干扰,系e,(), P,(e)约束条件:统容量大大优于Zero- forcing方式的SDMAMIMO。图中还显示多载波方式下,由于资源分配自∑(c)≤1JESs由度增加,频带利用率较单载波传输有很大提高,尤对于所有c;其是用户数增加,多用户分集效应显著。联合空间复用多用户MIMO与OFDM混合接∑∑P)=P;P(c)≥0.(5)入系统下 Cap-WFQ算法性能验证如图2所示,作其中:P(c)和P()分别为子信道分配因子和功率为比较还仿真了 Cap-WFQ算法在仅采用OFDM分配因子,它们是离散函数;c=1,2,…,NK表示接入的MIMO-OFDM系统下的性能,同时仿真了子信道标号,表示SSG中的信息帧标号。考虑到完全多用户分集方式(只服务信道状态最好的用户,李蕾,等:空分和频分混合接入方式下的无线资源调度算法5170.8要01:付时0.4-OFDM+多用户空间复用MMO单载波+多用户空间复用MMo-▲-OFDM+ ZF SDMA时间(调度时隙)用户数用户1,一用户3图1多用户空间复用MIMO和 ZF SDMA采用Cap-WFQ算法的客量比较图3算法公平性验证无公平性考虑)和固定信道分配方式(无多用户分集源的潜能。而此方式的代价是用户需敷设较多数量增益)。图中显示联合空间复用多用户MDMO与的天线,因此,该方式可用于较大体积的终端中。本OFDM混合接入方式,由于充分利用了资源分配在文还提出了一种基于信道状态的并行加权公平队列空间维和频率维的灵活性当用户超过20个时,系( Cap-WFQ)算法。结果显示, Cap-WFQ算法能够统资源利用率可提高1bs-Hz-左右。在保证用户公平性基础上优化系统容量。参考文献( References)[1] Jang J, Lee K. 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Davis, USA1996,1:120-1285结论[7] Rhee W, Cioffi J M. Increase in capacity of multiuser OFDM空间复用多路用户的MIMO传输方式可以有system using dynamic subchannel allocation [C]// Proc ofIEEE Vehicular Technology Conference. Tokyo, Japar效避免SDMA共信道的干扰问题,简化了调度算法2000,2:1085-1089设计。仿真结果验证了多用户空间复用MIMO在容[8]Yoor, Goldsmith A. On the optimality of multi-antenna量上的优势,同时说明了联合多用户空间复用MMOIEEE J Select Areas Commun, 2006, 24(2): 528-541.与OFDM的混合接入方式具有更充分利用系统资