空分和頻分混合接入方式下的無(wú)線(xiàn)資源調度算法

器N10000054清華大學(xué)學(xué)報(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(wú)線(xiàn)資源調度算法李蕾,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(wú)線(xiàn)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,針對多用戶(hù)多輸入多輸出一正交頻分復用(MMO-而且為無(wú)線(xiàn)資源管理提供了頻率和空間維度上的自ODM)系統下行傳輸,提出聯(lián)合OFDM和多用戶(hù)空間復用由度。多用戶(hù)OFDM系統通過(guò)子載波的分配接入多MMO混合接入方式下的用戶(hù)調度和功率分配算法。采用路用戶(hù),對該系統下的功率速率、子載波分配已有這種混合接入方式不僅能夠通過(guò)頻率信道和空間信道的調深入研究2。多用戶(hù)MIMO系統中,利用用戶(hù)空間度產(chǎn)生多用戶(hù)分集增益,而且能有效避免空分復用(SDMA中頻率復用產(chǎn)生的共信道于擾問(wèn)題。在資源分配上,基于廣信道狀態(tài)作為標識符接入多路用戶(hù)的方式統稱(chēng)為空義處理機共享(GPS)優(yōu)化模型提出基于信道狀態(tài)的并行加分復用(SDMA)。進(jìn)一步,在多載波MIMO系統上權公平隊列( Cap-WFQ)調度和功率分配算法,算法在保證采用SDMA能在每個(gè)載波基礎上提供空間上的多多媒體用戶(hù)的最小數據率要求的同時(shí)優(yōu)化系統的吞吐量用戶(hù)接入能力,從而產(chǎn)生頻率再利用并增加頻率和關(guān)鍵詞:正交頻分復用(OFDM);無(wú)線(xiàn)資源管理;調度;多空間分集的自由度;但不同于OFDM系統,SDMA輸入多輸出(MIMO下多路用戶(hù)信道很難做到完全正交,因此共信道干中圖分類(lèi)號:TN914.5文獻標識碼:A擾問(wèn)題是對多用戶(hù)MIMO的挑戰。盡管文[3]指出文章編號:1000-0054(2007)040514-04若MIMO系統中每個(gè)天線(xiàn)能夠獨立接入當前信道狀態(tài)較好的用戶(hù),系統容量遠優(yōu)于時(shí)分復用Radio resource allocation algorithm(TDMA)方式的MIMO系統,但該文獻沒(méi)有進(jìn)for combined frequency and spatial步指出多用戶(hù)接入方式和由此帶來(lái)的共信道干擾問(wèn)multiple access schemes題,也沒(méi)有設計具體的調度算法本文提出一種聯(lián)合OFDM和多用戶(hù)空間復用LI Lei, NiU ZhishengMIMO混合接入方式的下行鏈路調度算法。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共享in a combined orthogonal frequency division multiplexing(GPS)的OFDM子載波和MIMO空間子信道調度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系統的資源分配問(wèn)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(hù)信道狀態(tài)信息的并行加權公algorithm can optimize total throughput while guaranteeing the平隊列(Cap-wFQ)調度算法,在保證多媒體用戶(hù)最minimum data rate requirement for multimedia users小數據率要求的同時(shí)優(yōu)化系統的吞吐量。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(wú)線(xiàn)資源調度算法5151OFDM和多用戶(hù)空間復用MIMo混合接信號的估計值入模型x=Gy=√ PiCHer,+Gn,(2)考慮有M個(gè)用戶(hù)、K個(gè)子載波的OFDM用戶(hù)在N1維向量e中找到他預先分配位置上MIMO下行傳輸系統,設基站有N1個(gè)發(fā)送天線(xiàn),第的信號作為接收信號。由此可見(jiàn),子載波k和中個(gè)移動(dòng)臺有N個(gè)接收天線(xiàn)(=1,2,…,M)。假設的位置序號可唯一標識一路用戶(hù),而且它們在調度移動(dòng)臺敷設多于基站發(fā)送天線(xiàn)數目的接收天線(xiàn),即算法中可獨立為之分配用戶(hù),不妨將這些空間復用對任意i都有N≥Nr,并假設信道是 rayleigh塊的子載波信道統稱(chēng)為子信道,排序1,…,N1K。下衰落信道,取塊衰落長(cháng)度作為調度時(shí)隙間隔長(cháng)度,調章將研究用戶(hù)調度和功率分配算法度算法在每個(gè)時(shí)隙開(kāi)始時(shí)刻進(jìn)行多用戶(hù) OFDM通過(guò)為用戶(hù)分配子載波接入多2連續GPS信道分配模型路用戶(hù),調度算法為每一個(gè)(或一組)子載波選擇一GPS是一個(gè)理想的流模型,它假設所有用戶(hù)根個(gè)合適的待服務(wù)用戶(hù),并通知用戶(hù)被分配的子載波據他們預先申請到的權重同時(shí)得到服務(wù)。這種并行編號,該用戶(hù)將從相應的頻點(diǎn)上接收信號。特性非常適合 MIMO-OFDM的多個(gè)空間子信道和基站用 BLAST的方式空間復用MIMO信子載波的并行傳輸。號,完全的空間復用可達到Nr倍頻率再利用。當接假設采用完全空間復用MIMO系統,在總頻帶收端敷設有足夠多的天線(xiàn)時(shí),就能夠完全接收并協(xié)寬度為W的OFDM系統中將有NK個(gè)可獨立分調檢測出空間復用的信號,當所有信號被還原后,接配子信道,它們分別對應于各子載波上的N個(gè)發(fā)收端有能力識別這些信號分別來(lái)自哪個(gè)發(fā)送天線(xiàn);送天線(xiàn)。為采用GPS流模型,先假設OFDM系統可因此,空間復用的信號可以是同一路用戶(hù)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(hù)的信息。如果復用了不同路用戶(hù)看成在W上連續;因此,用連續函數A(s),s∈[O,的信息,用戶(hù)則需要找出預先分配給他的發(fā)送天線(xiàn)NrW)表示子信道分配,2()為二值函數,P2(s)=1上送出的信號,基站最多可同時(shí)傳送N路用戶(hù)的表示將第5個(gè)子信道分配給用戶(hù)i,否則P(s)=0信號發(fā)送天線(xiàn)分配由調度算法決定每個(gè)調度時(shí)隙P(s)表示用戶(hù)i使用第s個(gè)子信道時(shí)的功率分配。每個(gè)用戶(hù)可分配到0個(gè)、1個(gè)、或者更多直到N個(gè)GPS節點(diǎn)處,接納控制算法將用戶(hù)i最小數據發(fā)送天線(xiàn)的碼流,不同調度時(shí)隙用戶(hù)分配到的天線(xiàn)率請求R2解釋為相應權重中。優(yōu)化目標是在總發(fā)送數量和編號不同,基站將重新通知用戶(hù)分配結果,使功率約束下最大化系統容量,優(yōu)化問(wèn)題描述為之正確接收。這種多用戶(hù)空間復用的方式可避免采用SDMA方式帶來(lái)的共信道干擾,但代價(jià)是用戶(hù)必進(jìn)一步,將多用戶(hù)空間復用MMO用在約束條1b1+()P(O)d須敷設多于基站發(fā)送天線(xiàn)數目的接收天線(xiàn)。OFDM系統中產(chǎn)生混合接入方式,則能夠在每一子載波基礎上提供多個(gè)空間接入的選擇,其對調度算Ib 1+p (s)P, (s)* ds法的優(yōu)勢在于增加了最多可達N1倍的分集自由度,而且增加的自由度是充分自由的,即調度算法無(wú)需為解決空間多用戶(hù)的干擾問(wèn)題做額外設置。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(hù)接收到的信號模型數學(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(xiàn)在子載波其中:c"表示用戶(hù);在子信道上的信道增益;Nk上的發(fā)送信號;∈C為用戶(hù)的信道矩表示噪聲功率,第1個(gè)約束條件是GPS調度按權重陣;p為用戶(hù)i發(fā)送天線(xiàn)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(guò)對信道矩陣的式(3)是連續分配模型,盡管這種并行分配方式估計計算出接收矩陣G∈CxAw,由此得到原始更適合 OFDM-MIMO傳輸,但子載波及發(fā)送符號清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2007,47(4)都不能無(wú)限可分。實(shí)際傳輸系統中加權公平隊列參數物理意義,增加了第1個(gè)約束表示子信道不能(wFQ)被認為是對理想GPS模型較好的實(shí)現方式被多個(gè)用戶(hù)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(lèi)似問(wèn)題可以用 Lagarange乘子法求3 Cap-WFQ算法解2,但運算復雜。本文采用文[1]中的2步法思Cap-WFQ算法將式(3)中的問(wèn)題分2步解決路:首先選擇有最好信道增益的用戶(hù)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(hù)選擇(不超過(guò)N1K個(gè));2)用戶(hù)與子信道間對選定的用戶(hù)與子信道間映射算法描述如下的映射。1)將SSG中信息幀相對應的用戶(hù)在每個(gè)子信用戶(hù)選擇采用WFQ規則,在這里要選擇1組道上的增益排列在NK×NK矩陣廠(chǎng)中,NK個(gè)并行傳送的信息幀,而不是傳統WFQ規則只選出1個(gè)用戶(hù)。算法描述如下:1)為每個(gè)用戶(hù)建立一個(gè)先入先出隊列,對該用(6)戶(hù)隊列中到達的信息幀賦予時(shí)間戳,作為該符號期望的發(fā)送完成時(shí)間,時(shí)間戳的計算如下:aN-K N.K4 g= maxI, t (-)+(4)2)在廠(chǎng)所有元素中選擇最大值,將該元素對應列標號的子信道分配給對應行標號的信息幀。刪除其中:4”是該用戶(hù)第(-1)個(gè)符號的時(shí)間戳;真「中相應行與列。為式(3)中的用戶(hù)權重;L表示信息幀長(cháng)度;V是調3)重復2)直到廠(chǎng)中所有行與列都被刪除。度系統參考時(shí)間,它記錄了系統最后發(fā)送的符號的對式(5)中的目標函數和后2個(gè)約束條件用時(shí)間戳,用于為新用戶(hù)或是重新開(kāi)始的用戶(hù)做時(shí)間 Lagarange乘子法計算得到功率分配。結果為參考。2)基于時(shí)間戳調度用戶(hù)。在系統所有隊列中挑選時(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(hù)隊列中的多個(gè)信息頓被選4仿真結果入SSG,因為該用戶(hù)有較大的權重或者因為該用戶(hù)已經(jīng)長(cháng)時(shí)間沒(méi)有被服務(wù);也有可能有某個(gè)用戶(hù)隊列仿真釆用16個(gè)子載波OFDM系統?；驹O有中沒(méi)有符號被選中,由于該用戶(hù)權重較小或者已經(jīng)4個(gè)發(fā)送天線(xiàn),每個(gè)移動(dòng)臺4個(gè)接收天線(xiàn)。信噪比得到了超過(guò)他權重的服務(wù)量。(SNR)為10dBWFQ規則根據用戶(hù)對數據率的要求在時(shí)間上Cap -WFQ算法在采用空間復用多用戶(hù)MIMO完成對用戶(hù)的調度,而對系統容量?jì)?yōu)化通過(guò)用戶(hù)與系統和采用 Zero-forcing方式的 SDMA MIMO系子信道間映射實(shí)現選擇了SG后,式(3)優(yōu)化模型統(該系統基站8個(gè)發(fā)送天線(xiàn),每個(gè)移動(dòng)臺2個(gè)接收天線(xiàn),可最多同時(shí)傳輸4路信號)下的性能比較如簡(jiǎn)化為Nrk圖1所示。結果表明,空間復用多用戶(hù)系統,不論是maxC=∑∑lb1+p,(c)P,(c)多載波傳輸還是單載波傳輸,由于無(wú)多用戶(hù)干擾,系e,(), P,(e)約束條件:統容量大大優(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,尤對于所有c;其是用戶(hù)數增加,多用戶(hù)分集效應顯著(zhù)。聯(lián)合空間復用多用戶(hù)MIMO與OFDM混合接∑∑P)=P;P(c)≥0.(5)入系統下 Cap-WFQ算法性能驗證如圖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;c=1,2,…,NK表示接入的MIMO-OFDM系統下的性能,同時(shí)仿真了子信道標號,表示SSG中的信息幀標號?？紤]到完全多用戶(hù)分集方式(只服務(wù)信道狀態(tài)最好的用戶(hù),李蕾,等:空分和頻分混合接入方式下的無(wú)線(xiàn)資源調度算法5170.8要01:付時(shí)0.4-OFDM+多用戶(hù)空間復用MMO單載波+多用戶(hù)空間復用MMo-▲-OFDM+ ZF SDMA時(shí)間(調度時(shí)隙)用戶(hù)數用戶(hù)1,一用戶(hù)3圖1多用戶(hù)空間復用MIMO和 ZF SDMA采用Cap-WFQ算法的客量比較圖3算法公平性驗證無(wú)公平性考慮)和固定信道分配方式(無(wú)多用戶(hù)分集源的潛能。而此方式的代價(jià)是用戶(hù)需敷設較多數量增益)。圖中顯示聯(lián)合空間復用多用戶(hù)MDMO與的天線(xiàn),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)的并行加權公平隊列空間維和頻率維的靈活性當用戶(hù)超過(guò)20個(gè)時(shí),系( Cap-WFQ)算法。結果顯示, Cap-WFQ算法能夠統資源利用率可提高1bs-Hz-左右。在保證用戶(hù)公平性基礎上優(yōu)化系統容量。參考文獻( References)[1] Jang J, Lee K. Transmit power adaptation for multiuserOFDM systems U]. IEEE J Select Areas Commun,200321(2):171-178N.e[2] Wong C Y, Cheng R S, Letaief K B, et al. Multiuser OFDMwith adaptive subcarrier, bit, and power allocation [IEEE J Select Areas Commun, 1999, 17(10):1747-1758[3] Heath R W, Airy M, Paulraj A J. Multiuser diversity for■一最優(yōu)多用戶(hù)分集MIMO wireless systems with linear receivers [C]// Proc ofAsilomar Conf Signals, Systems and Computers. USADMA2001,2:1194-11[4] Cai J, Shen X, Mark J w. Downlink resource management用戶(hù)數for packet transmission in OFDM wireless communication圖2 CapwFQ與其他算法性能比較systems [C]// Proc of IEEE GLOBECOM. San FranciscoUsA,2003,6:2999-3003為驗證Cap-WFQ算法的公平性,仿真抽取系[5] Foschini g統的4個(gè)用戶(hù)做吞吐量比較。他們的權重設為中=communication in a fading environment when using42=24=2中4圖3顯示雖然每個(gè)調度時(shí)隙上用戶(hù)得multi-element antennas [ ]. Bell Labs Technical Journal996,1(2):41-59到的吞吐量隨用戶(hù)信道狀態(tài)的影響存在波動(dòng),但長(cháng)6] Bennett JC R, Zhang H.WFaQ: worst-case fair weighted時(shí)平均吞吐率跟用戶(hù)權重成正比。fair queueing [Cl// Proc of IEEE INFOCOM. Davis, USA1996,1:120-1285結論[7] Rhee W, Cioffi J M. Increase in capacity of multiuser OFDM空間復用多路用戶(hù)的MIMO傳輸方式可以有system using dynamic subchannel allocation [C]// Proc ofIEEE Vehicular Technology Conference. Tokyo, Japar效避免SDMA共信道的干擾問(wèn)題,簡(jiǎn)化了調度算法2000,2:1085-1089設計。仿真結果驗證了多用戶(hù)空間復用MIMO在容[8]Yoor, Goldsmith A. On the optimality of multi-antenna量上的優(yōu)勢,同時(shí)說(shuō)明了聯(lián)合多用戶(hù)空間復用MMOIEEE J Select Areas Commun, 2006, 24(2): 528-541.與OFDM的混合接入方式具有更充分利用系統資