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MIMO无线通信传播技术调度探索

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本文作者:秦玉娟于华彬单位:兰州工业高等专科学校电子信息系天津市地下铁道运营有限公司设备中心

引言下一代的无线通信系统将为用户提供更多类型的服务,这些业务要占用很大的、时变的带宽,并具有各种不同的QoS要求。无线频谱一直都是稀缺的资源,因此我们应该在有限的带宽(或发射功率)内传输尽量多的数据。影响频谱效率的因素有调制阶数、编码方案、自动重传(AutomaticRepeat-reQuest,ARQ)策略、无线资源管理(如功率和编码分配),以及调度方案等。

在无线环境下,一个有效的分组调度方案就是根据用户的业务类型和信道的动态变化,对用户接入系统资源进行管理。调度方案能够有效保证系统的吞吐量、时延和时延抖动等参数。不同的性能要求和限制使我们在设计资源分配方案时要综合考虑来自几个层的信息。另外,多输入多输出(Multiple-InputMultiple-Output,MIMO)技术的优点就是能有效地利用无线信道的随机衰落特性和可能存在的多径传播来成倍的提高传输速率。多载波技术也是提高空中接口的频谱效率的有效方法。不同空间信道或子载波上的分组调度可以提供额外的自由度,但是同样会带来一些问题。本文主要研究多用户调度问题,以及资源分配方案。

1分组调度的信息论框架

考虑一个基站(BaseStation,BS)通过一个无线信道和多个移动台(MobileStation,MS)通信的情况,如图1所示。对于每一条链路,信道容量是指在满足一定误码率的前提下可以实现的数据传输速率(b/s/Hz)的上限。

但是,信道容量不仅与给定的带宽、发射功率、噪声功率有关,还与发射机和接收机的结构(如预编码和解码矩阵)相关。在多用户系统中,系统容量的表达形式是容量区域,它是用户瞬时可以达到的速率的集合。对于多用户容量区域,需要区分上行链路和下行链路,通常分别称为多址接入信道(MultipleAccessChannel,MAC,多对一)和广播信道(BroadcastChannel,BC,一对多)。远近效应和相关的功率限制使MAC信道和BC信道面临不同的资源分配问题,解决方法也相应有所不同。对于BC信道,BS的发射功率合并后同时传输(即单功率限制);而对于MAC信道,需要为每一个MS设置单独的功率限制。在MAC信道中,用户可能会受到远近效应的影响,相反在BC信道中不会存在这个问题。本文主要研究BC信道,即下行链路。容量表示的是理论上可以达到的速率,也表征了什么类型的发射机和接收机能够实现该目标,随后的研究展示了如何有效率地调度系统中的用户。另外,在实际系统中还必须考虑用户之间的公平性(被分配的速率和被调度的可能性)和QoS(队列的时延限制和优先级)要求。这些实际的限制因素也要在系统优化过程中得到处理。MIMO系统的跨层调度就是尝试弥合高性能物理层和来自更高层的用户要求之间的差别。跨层调度也涉及到其它一些实际方面,比如发射端如何利用尽量小的反馈开销获得信道状态信息(ChannelStateInformation,CSI)。

2信道感知调度

下面我们从多天线情况论证如何结合利用来自物理层的CSI来提高调度的效率。如果在发射端配置多幅天线,随机波束成形技术通过引入一个时变的随机加权集合,可以在低速移动环境中加快信道的波动。当随机加权和用户的信道向量结合,就可以带来波束成形增益,使SNR增大。如果用户的波束成形向量为0,则SNR会下降。有研究表明当用户数增多时,随机波束成形聚合为连续波束成形,但是前者只需要部分而是不是完整的CSI。另外,通过采用多重正交随机波束,结合空分多址接入(Space-DivisionMultipleAccess,SDMA)方案,利用一些额外的SNR测量和反馈开销也可以提高系统的容量。但是,通过随机生成波束的SDMA方案只适用于用户密集的网络,对于用户数量少的网络需要设计更复杂的波束成形方案。如果可以获得完全的CSI,采用信道倒置法(也叫做迫零发射波束成形),通过设计一个发射波束成形集合,就可以消除用户之间的干扰。对于秩亏的信道,信道倒置法会造成信号衰减严重,这种情况下可以采用最小均方误差(MinimumMeanSquaredError,MMSE)发射波束成形方案。如果在接收端也配置多幅天线,利用接收端固有的空间识别能力就能区分出发射给每个用户的多个数据流。有科学家提出了一种块对角化(BlockDiagonalization)结构,通过设计一个协方差矩阵达到完全消除用户间干扰的目的。这样每个接收机只需要处理用户流之间的干扰,从而简化了设计。

当可以获得完全CSI时,基于污纸编码(DirtyPaperCoding,DPC)的非线性处理方案提供了一种在发射端预先消除用户间干扰的方法。最近,Shamai等已经证明DPC方案能够达到MIMO-BC信道容量区域的上限,即可以使总速率达到最大。与单天线系统相反,多天线广播信道下的最优解决方法不是在一个时刻调度一个用户,而是多个用户。当用户的数量大于空间信道的数量时,最基本的问题是如何选择最优的用户子集。有人提出了一种采用迫零发射波束成形的迭代用户选择法。每次迭代时,将一个与上一次迭代得到的用户子集信道正交的用户加入到活动用户子集中。为了加速迭代过程,与当前子集不是正交的用户被移出剩余用户列表。当活动用户子集中的用户数与发射天线数相等或剩余用户列表为空时迭代结束,最终得到的用户子集构成全秩信道矩阵。在用户数量不太多的情况下,利用信道倒置法,这种限制用户数量的方案与其它更复杂的DPC方案相比,可以得到相近的效果。在此基础上,有人提出了一种适用于单天线接收机的方案,系统中的用户根据空间特性分成几个群组,不同群组的用户空间兼容,因此,可以为每个群组设计一个最优的波束成形方案。每个组中只有一个用户被选择发送信息,从而有效地利用了多用户分集。

3信道和队列感知调度

在信道感知调度方案中,拥有最佳信道的用户独占系统的资源。信道感知调度基于两个假设的存在,即:没有最大发射缓冲的限制;被调度的用户一直有数据等待发送。但是在现实场景中,队列长度是有限的,而且发射缓冲队列为空的用户即使拥有最好的信道状态也不应被调度,否则会造成资源的浪费。设计良好的跨层调度方案应该使业务发生的随机性与无线环境的时变性互相匹配,并满足一定的QoS限制。为了方便讨论,本文只考虑信道、业务和QoS约束对调度的影响,如图2所示。系统稳定是指在系统正常工作期间,队列长度不会无限增长。大致来说,如果用户分组的到达速率在容量范围之内,系统的稳定性可以得到实现。调度决断时,通过比较用户的到达速率来衡量每个用户信道可实现的速率。

在实际中,评估到达速率也不是容易实现的,但是可以得到近似的效果,即可以用可实现速率与瞬时队列长度的自适应加权来代替。这种策略被称为最长队列最高可能速率(LongestQueueHighestPossibleRate,LQHPR)方案,可以保证系统的吞吐量性能和稳定性。实际上,LQHPR在MAC和BC信道下有不同的调度策略。在BC-SISO信道中,LQHPR选择瞬时信道状态最佳和队列长度最长的用户。在MAC-SISO情况下,多个用户同时被调度,并通过连续干扰消除方案进行解码。LQHPR策略会对检测顺序产生一定的影响,即优先级高的用户最后被解码,因为当多用户干扰中的一部分已经被消除时,他们的可实现速率相应的也更高(即优先级越高)。基于此提出了对于MAC-MIMO信道的稳定性和吞吐量最佳的传输策略。另外,Papadias等提出了一种叫做联合机会波束成形调度(JointlyOpportunisticBeamformingandScheduling,JOBS)的方案,该方案利用无线信道固有的空间分集,为存在衰落的移动环境提供了一种简单强健的下行链路分组接入技术。JOBS方案结合采用随机波束成形的信道感知调度,利用所有历史信息去估计当前每个用户的最优波束成形方案。这些信息用来决定用户在下一次调度时的优先权,虽然引入了一些时延,但使吞吐量性能进一步提高。

4空间频率调度

现代无线通信系统的每一条链路都具有很大的带宽,从而导致无线信道具有频率选择性。多载波技术比如OFDMA技术可以将单个频率选择性衰落信道转化为多个正交的平坦衰落信道,从下面的讨论可以看出,这为资源分配提供了另一种思路。MIMO-OFDMA系统中,由于子载波之间存在串扰,需要考虑它们的信道矩阵特征(比如空间相关性),这就使MIMO-OFDMA系统的跨层调度相较于SISO-OFDMA系统来说更难实现。但是,MIMO-OFDMA广播信道可以看作一个块对角化的MIMO广播信道,这时子载波之间不存在串扰。在BC信道下,容量区域可以达到污纸编码的水平。同样,MIMO-OFDMA多址接入信道的容量区域可以达到SIC方案的水平。

容量实现方案可以简化为每个子载波只允许一个用户,即子载波信道矩阵奇异值最大的用户。资源分配问题进一步简化为把用户分配给子载波,然后根据多维注水算法(比如空间和频率)分配发射功率。上面描述的MIMO-OFDMA资源分配方案需要获得所有用户的完全CSI才能实现。在单载波情况下,可采用机会单/多波束成形技术。不同子载波采用独立随机波束,通过使用信道感知方案可以对频率选择性加以利用。如果采用子载波群集方案,同一群集内的所有子载波使用同一波束。

5结论

本文主要研究了支持QoS的多天线无线通信系统的分组调度问题。在物理层上,无线信道动态随机的特性提供了固有的分集,即多用户分集。尽力而为的分组业务充分利用了这种分集并保证了系统的吞吐量最大,并提出了MIMO信道的最优策略。但是在定义了QoS的前提下,还会涉及到除了吞吐量以外的参数(如时延、抖动等),问题变得复杂。为了实现业务的随机性和物理层之间的匹配,就必须采用跨层的方法去设计调度算法。对于多载波系统,频率域在分组调度上提供了额外的灵活性,即频率分集结合多用户分集的方案。更进一步的研究主要集中在跨层方案的设计,它是满足未来无线通信系统用户QoS要求的唯一途径。

MIMO无线通信传播技术调度探索责任编辑:陈老师    阅读:人次