lst在用户调度系统中的性能分析及其改进

L S T 在用户调度系统中的性能分析及其改进 都科摩( 北京) 通信技术研究中心有限公司 潘振岗陈岚 擅l ：未来的无线通信系统需要支持非常高的数据传输速率。为r 在有限的无线频率资源下实现这个 目标我们需要找到能提供高频谱效率的技术。多输人多输出系统( M I M O ) 和基于信道条件的用户调度 技术诎认为是分别针对物硼层和媒体接人层的两个非常有效的技术。针对于M I M O 系统例种基本的方豢 S T C 和I S T ，以前的研究表明S T C 在用户调度F 性能不好而L S T 表现很好。本文从理论l ：对L S T 在用 户捌度系统中的性能作r 分析，指出当发送天线数多于接收天线数的时候，L C , T 同样会有性能损失。根据 这个发现我们提出r 改进的调度方法，仿真结果表明改进的方法可以克服这个缺点。 关词：多输人多输出，空时码，分层信号处理( L S T ) ，用户调度o 1 、引言 未来的第4 代无线通信系统需要支持非常高速率的数据业务，比如说视频会议、视频点播、交互式 游戏等等。r r u RM 1 6 4 5 文件中对第4 代移动通信系统作了具体的要求：对于高速无线业务( H 磅 M o b i l i t y ) ，需要支持撮高到1 亿比特每秒( 1 0 0 M b p s ) 的速率( D a t aR ；而对于低速( L o wM o b i l i t y ) 或者固定 无线( F i x e dw i r e l e s s ) 业务，更需要达到1 0 亿比特每秒( I G b p s ) 的速率。无线通信中一个信道的速率等于那 个信道的频谱带宽( s p e c t r u mb a n d w i d t h ) 和其所应用技术的频谱效率( s p e c t r u me f f i c i e n c y ) 能J 乘积。为了提高 速率我们可以去提高它的频谱带宽或提高所应用技术的频谱效率。我们都知道，频率资源是有限的， 所以不可能无限制的去通过增加频谱带宽来增加通信速率。唯一的方法就是去提高技术的频谱效率。大 体的说，这可以通过两个途径来获得。一是通过物理层的技术如先进的调制编码技术、信号处理技术等 来提高链路级的频谱效率。另一个方面是通过高层的控制达到更灵活的资源分配来实现系统级的频谱效 率。多输人多输出( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t M I M O ) 系统和基于信道条件的用户调度( C h a n n e l a w a r e u s e rs c h e d u l i n g ) 是相应的两种最有希望实现这个目标的方法。 所谓的多输人多输出技术就是在通信系统的发送端和接收端安装多个天线( m u l t i p l ea n t e n n a s ) 。因为 不同的天线在物理上是分开的，所以我们一般认为多天线给通信系统引进了一个额外的信号域空间 域( s p a t i a l d o m a i n ) 。通过使用空间域，文献 1 】指出了多天线系统的频谱效率和m i n n r ，n 。) 是成正比的， 这里脚是发送端的天线数，n 。是接收端的天线数。这篇文章给多天线M 1 M O 系统提供了理论上的依据， 由此引发了对多天线系统的研究热潮，很多技术包括编码( c o d i n g ) 、空间信号处理( s p a t i a ls i g n a l p r e s s i n g ) 、多用户支持( m u l t i u s e rs u p p o r t i n g ) 等等被不同的学者相继提出。其中最早也是最基奉的空间域 使用方法有两种。一是文献【2 】中提出的分层空时信号处理( L a y e r e dS p a c e - T i m ep r o c e s s i n g L S T ) ，另一 个是文献 3 1 P 提出的空时编码( S p a c e - T i m eC o d i n g S T C ) o 他们是通过不同的方式使用空间域来实现链 路级的性能提高。文献【4 】给出了这些方式的明确定义：L S T 是利用空间域来提供复用增益( M u l t i p l e x i n g G a i n ) ，而S T C 是利用空间域来提供分集增益( D i v e r s i t yG a i n ) o 研究表明，在不同的情况下，这两种增益有 不同的性能表现。 我们再来讨论一下用户调度技术。传统的蜂窝系统的通信模式是这样的：蜂窝中的一个基站( a s 。B a s e S t a t i o n ) 同时为很多个用户( M s ，M o b i l es t a t i m O 服务。根据使用的多址方式( M u l t i p l eA c c e s s ) 的不同，有频分 多址( F D M A ，F r e q u e n c yD i v i s i o nM u l t i p l eA c c e s s ) 、时分多址O D M A ，T i m eD i v i s i o nM u l t i p l eA c c e s s ) 、码分多 址( C D M A ，C o d eD i v i s i o nM u l t i p l eA c c e s s ) 。它们都是基于电路交换( C i r c u i tS w i t c h ) 原则的。即每个用户都给 分配了一个固定的频带( F D M A ) 、时隙( T D M A ) 或扩频码( C D M A ) 。这种方法的优点就是可以保证通信业务 的时延特性，比较适合于语音通信这类对时延比较敏感的业务。缺点是同定资源分配没有考虑到用户通 信时的无线信道情况。由于无线信道的变化非常大，如果用户在他的信道处于深衰落的时候给分配到了 信道的话，将导致系统性能的损失。未来的通信系统将以数据业务为主，对时延的要求不是太严格。这 样的话可以采用分组交换( P a c k e t S w i t c h ) 的多址方式。采用分组交换时，多个用户共享一个比较宽的公共 5 5 7 信道，然后基站根据某个准则把信道动态的分配给不同的用户，这种动态信道分配五斌叫作用户调度 f I J 。S c h 。d u l i n g ) 。文献【5 中提到的最大载于比( M “c I ) 调度方法就是通过动态的把信道的使用极分配给那 个有最大载波干扰比的用户来极大的提高系统的性能。通过这种最大载干比调度得到的性能增益叫作多 目j 户分集( M u l I i m e rD i v e r s i t v ) 。但当系统的物理层是使用多天线的时候，文献 6 r p 的研究发现最大载千比 的力法不一定能够提供好的系统性能。文献【7 1 中对s T c 在用户凋度下的系统性能作了具体的分析。文章 假设每个调度时隙都给分配给有最大有效信噪比t r H 。H ：J 的用户。结果表明，在这种情况下，多天线 系统的性能还不如单天线系统的性能好。这样的结果是不能让人接受的。另一方面L S T 在用户调度系 统中的性能在文献f 8 1 中作了一定的研究。结果表明，L S T 在这种情况下有比较好的性能袭现。但这个结 果的得出是基于当接收天线数n 。大于发送天线数件假设上的。但我们知道基站可以安装的天线数一 般来讲肯定要多于移动站可以安装的天线数。因此对于下行链路来讲，上面的假设是不合理的。奉文针 对下行链路的实际情况，对 S T 在用户调度系统下的性能在理论上作了具体的分析，然后给出了相应的 改进的调度方法。 本文以下的部分安排如下：第二节给出了本文将讨论的系统的结构描述，第i 节给出了I A S T 在用户 调度系统中盼眭能分析，并根据得出的结论给出了一种改进的L s T 调度方法。然后在第四节给出了本文 的结论。 2 、系统描述 图1 多用户M I M O 下行链路的系统示意圈 网1 给出了一个单蜂窝情况下多用户多输人多输出系统的示意图。在图中，一个基站要给K 个用户 提供数据传输胀务。其中基站有唧个天线，每个用户有甩也个天线。假设基站和用户之间是一个平坦衰 落信道，则用户k 接收到的信号可以表示为： y t ( f ) = H ( r ) x l ( f ) + K ( t ) k = l ，K ( 1 ) 其中x ( f ) C 4 7 是基站的发送信号，Y ( f ) C ”n 用户t 接收到的信号。I I 。( f ) c 饥代表接收 端的白噪声。基站和用户k 之间是一个砷维的矩阵信道： H 。( ，) = 畔， h ：k 5 5 8 瞄。噬： 磋。醴： 唆。 ( ” 这里假设信道矩阵中的每一个元索是服从零均值单位方差的复高斯随机变餐。在本文的讨论中，为 了保证系统的公平性假设系统的的发射功率固定为P ，即可x x 】_ P 。另外为了讨论的：驴便，假设 各个用户的接收天线数是相等的，即5 27 k2 。 为了方便理解，我们假设信道的调度是在时间域里进行的，即整个时间轴给划分成很多小的调度区 间。在每个调度区间，每个用户通过信道估计方法来获得它当前的信道情况然后根据当前的信道情况 计算出信道的反馈信息并通过反馈信道把它报告给基站。反馈信息的量是跟反馈信道的带宽有直接关系 的。基站在接收到所有用户的反馈信息的基础上进行用户调度。 3 、L S T 在用户调度系统中的性能分析 在上述用户调度系统下，文献 7 】已经表明S T C 的性能是不能接受的，而L S T 在唧n R 的条件下性 能还可以。本节对L S T 在用户调度系统中的性能作了一个全面的分析。 根据公式( 1 ) 描述的系统传输方程，当L S T 作为物理层的空时处理方法时，我们可以得出每个用户 k 在时刻t 可以实现的瞬时信道容量是： C , ( t ) = l o g u d e t 1 。+ P H t ( t ) H 沁) j ( 2 ) 当这个瞬时容量反馈给基站后，则每个调度区间内，那个可以实现最大信道容量q ( f ) 的用户将被调度 到，数学表示为： t 5 0 ) = a r g m a x G O )( 3 ) 这样，对于整个系统而言，它可以实现的瞬时系统容量是： c ( f ) 2 燃e ( ) ( 4 ) 一般来讲，系统的平均容量可以很好的用来评价一个系统性能的好坏。这样，我们把一个有X 个用户 脚根发送天线，每个用户有n R 根接收夭线的用户调度系统的系统性能定义为： 。= E c ( r ) ) ( 5 ) 为了求c l ：。，我们这里要作一些近似。在系统低信噪比的情况下公式( 2 ) 可以近似表示为： C , ( t ) = l 0 9 2 l 和1 2 在系统高信噪比的情况下，公式( 2 ) 可以近似为： 啪) 一m ( " 川。g ：寺“0 9 2 博啪坪 ( 7 ) 其中钟( f ) 是信道矩阵H 。( r ) 的奇异值肘是信道矩阵的秩。为不失一般性，我们这里假设 M = m i n ( n r ，) 。因为在大多数情况下，系统的信噪比都在l O d B 以上，在本文中可以认为是高信噪比 的情况了。下面的推导都针对高信噪比的情况下的近似，对于低信噪比的情况，读者可以很方便的根据 本文的推导得到。 为了推导方便，我们先定义一个新的变量魄( r ) = r I ：I o - ：( t ) 1 2 。很显然，根据公式( 7 ) ，我们知 道基于公式( 3 ) 的用户调度方法可以等效为： 5 5 9 k 4 p ) = a r g m a xy 【f )婵) I = l ， 如果再定义： g ( t ) 5 墨黔饥( ) (