【毕业学位论文】（Word原稿）基于有限反馈的多用户MIMO调度策略研究与验证-电子与通信工程

I 密级： 保密期限： 硕士学位论文 题目： 基于有限反馈的多用户 度策略研究与验证 学 号： 106132 姓 名： 陈东建 专 业： 电子科学与技术 导 师： 刘杰 学 院： 电子工程学院 2014 年 1 月 6 日 I 独创性（或创新性）声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定） 保密论文注释：本学位论文属于保密在 年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 日期： 导师签名： 日期： I 基于有限反馈的多用户 度策略研究与验证 摘 要 随着移动互联网的发展与应用，在移动蜂窝系统中数据传输量在成指数增长，单链路的效率已经接近了香农极限，然而多天线技术的出现能够有效的提升网络容量， 使得多用户多输入多输出（ 术成为新一代移动通信系统标准（ 的核心物理层技术之一。 考虑到实际部署中，用户的信道质量各不相同 。在最大化系统吞吐率的同时，保障不同 信道质量下用户享受服务的公平性， 有效降低 进行多用户 用户间干扰是调度策略 关注 的问题。 与此同时，调度策略的复杂度及系统开销与其所带来的性能增益需要得到平衡。 基于以上背景，本论文重点研究 增强 型 长期演进 系统（ 中基于有限信道状态信息反馈的用户选择及多用户配对算法， 并提出保障资源分配公平性及 考虑系统开销、实现复杂度的解决方案，论文主要内容包括： 首先，针对 单用户及多用户 设下用户信道状态信息反馈 及预编码技术 进行研究。分析 现有的多用户 度策略，并通过系统级仿真，对不同算法的性能进行 比 较 。 其次， 提出 基于比例公平的长期平均用户吞吐率调度算法，对单用户 多用户 景分别进行了推导和分析。论证通过用户数据传输速率的累积分布函数和小区内用户数量对长期平均用户吞吐率进行 有效 估计 ，进而进行 有效 调度 。 同时，对基于有限反馈的 用户 对算法进行了研究，提出了 2 种多用户 对算法，基于 交 I 配对集合，分别进行穷尽搜索（ 配对子集搜索（ 最后，在以上用户调度及多用户配对算法研究基础上，提出了小型蜂窝异构网络 中 多用户 度策略 ，总结了不同配对策略的计算复杂度和系统开销。通过系统级仿真，验证所提算法在多用户 能、用户调度复杂度及系统开销三者之间较为平衡， 并给出数值仿真结果以证明算法的优越性。 关键词： 多用户 度策略 有限反馈 比例公平 F N of in is in of to of of of is of of to be on on on a of a of is of of a on of of a be to on RI on on a of up of of to of I 目录 第一章 绪论 . 1 G 标准化进程 . 1 关键技术 . 2 用户 . 3 构组网 . 4 点协作通信 . 5 战与难点 . 5 究生期间主要工作 . 7 究内容及论文架构 . 8 第二章 多用户 度策略研究 . 10 言 . 10 统传输规则 . 10 道状态信息定义 . 10 馈周期分类 . 11 馈流程 . 12 用户 度关键技术 . 13 馈增强 . 13 编码技术 . 15 于码本 . 16 于非码本 . 18 有调度策略分析 . 19 交性配对策略（ . 19 佳陪同配对策略（ . 19 佳陪同子集配对策略（ . 20 有调度策略性能及总结 . 21 章小结 . 23 三章 基于比例公平的长期平均用户吞吐率调度算法 . 24 言 . 24 统模型 . 25 于比例公平的长期平均用户吞吐率估算法 . 26 例公平调度策略 . 26 例公平调度策略 . 28 真模型 . 30 真结果分析 . 30 章小结 . 33 第四章 小型蜂窝异构网络中多用户 度策略研究 . 35 言 . 35 统模型 . 36 于 用户 对策略研究 . 37 于有限反馈的 用户 对算法 . 38 I 配对选择 . 38 在配对用户调度 . 38 谱利用率分析 . 41 真模型 . 41 真结果分析 . 43 真方案性能比较 . 43 算复杂度比较 . 45 馈开销比较 . 46 章小结 . 47 第五章 总结与展望 . 48 要工作及创新点 . 48 来研究展望 . 49 参考文献 . 50 致谢 . 55 攻读学位期间发表的学术论文 . 56 第一章 绪论 1 第一章 绪论 随着宽带无线移动技术的迅猛发展，在过去几十年中，无线移动通信系统正朝着宽带、高速、大容量、多业务和低成本的方向快速发展。国际电信联盟也正式通过了将增强型长期演进系统（ 术规范确立为未来移动通信系统（ 际标准的议题。 在这种背景下，第四代移动通信技术 (4G)的长期演进技术第 10 版（ 1已日益成为移动通信产业界关注的焦点。国际电信联盟（ 未来移动通信系统提出了更为长期的目标与展望，即在固定和低速移动的热点覆盖场景下，在 100带宽内提供高达 1s 的传输速率，在高速移动的广域覆盖场景下提供不低于 100s 的传输速率，相应的频谱效率应能达到5s/改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟 ； 支持成对或非成对频谱，并可灵活配置多种带宽 。 G 标准化进程 随着科技的不断进步，用户对移动通信速率及质量的需求不断提升，为移动通信技术 不断向前发展注入了源源不断的动力。如图 1过去的十几年中，移动通信技术经历了迅猛发展的时期。目前，在全世界范围内， 3G 移动通信系统已经得到了广泛的商用，但仍然无法满足飞速增长的用户需求。 2008年，为了满足未来通信的需求，国际电信联盟无线电通信部向全世界各个国家发出通函，正式启动下一代移动通信系统 启了 4G 的标准化研究工作。为了达到更高的传输速率，提供更加可靠的通信服务， 功率和频率的利用提出了更高的要求。 性能上能够支持未来十至十五年的 移动通信需求，向用户提供更为广泛的移动应用，满足用户在不同场景下的业务需求。 未来的宽带无线移动系统正朝着高速率、高效率、高频段及异构网络融合的方向发展，并对现有空、时、频的接入方式进行多维度挖掘， 大量的关键技术 及网络结构 被提出以提高频谱效率 及 系统性能 。在 准确定以后，国际标准化组织 3 别提出了各自的 选技术方案 ,标 记为先进的长期演进（ 统和 2012 年， 过的 4G 标准包括 及 中国， 4G 牌照已经发放。不难预想，在不久的将来 ， 4G 网络 将 逐步 取代 3工学硕士 学位论文 2 网络，为用户提供 分组交换业务和基于互联网协议（ 服务将成为可能。 42与 3G 系统相比将在诸多方面都有提升，主要表现在： 更快的 数据速率 ： 4G 系统使基于互联网协议（ 服务成为可能，随着文件传输、流媒体应用等需高数据传输速率业务需求的不断增长，推动着移动通信系统的峰值速率从 2G 的 s 到 3G 的 s 并接近 4G 的 s。 更高的频谱效率：为了更有效的利用 稀缺 的频谱资源， 每个部 署基站以及授权频谱上每赫兹所平均提供的数据速率十分重要。在 4G 系统中， 下行提高到30z，上行提高到 15z。 更强的兼容性： 4G 移动通信系统为应对 2G、 3G 并存的现状，应支持业务的后向兼容性以及 2G、 3G、 4G 网络的互联互通，为用户带来平滑的过度和升级。 总之，用户不断增长的 业务 需求 以及移动互联网的发展为 移动通信技术的发展提供了 源源不断的 推 动力，未来的移动通信系统将朝着为用户提供 更 高性能 更 高 可靠性服务 的方向不断前进。 图 1动通信系统标准化演进示意图 关 键技术 本之上的一个演进，也是指 后的版本。它必须能够满足 规定的需求：在系统容量上完全超越 时为移动终端提供更加宽泛的接入。因此，在 将涌现一批新的技术，包括载波聚合第一章 绪论 3 (上、下行分别达到 4、 8 层的空分复用，小区间的多点协同 (除了在频谱利用率方面的提升，传输延迟的缩减也是一大目标。 要将时延从 100少到 50 除了上述的方案之外， 将通过部署异构网络 3来提成覆盖和容量。在宏小区内再部署一些低功耗结点，如微小区（ 微微小区 (毫微微小区 (中继。它们可以被用来应对不同的地形和应用场景。 用户 天线技术 4是指在发射机和接收机上采用多根天线，结合先进的信号处理与矩阵计算，以达到提高小区容量和扩展小区覆盖范围的目的。它主要针对的 是由 多径及多径时延扩展 带来的性能恶化问题。在频谱资源日益稀缺的背景下， 输入多输出）增强技术由于通过扩展空间的传输维度进而成倍地提高信道容量，获得更高的通信速率和可靠性，已被多种无线通信标准广泛采纳。 考虑到实际系统往往是一个 时和多个 行通信的实际情况，加贴近实际系统需求，使其成为新一代移动通信系统标准的核心物理层技术之一。 虑天线的方向性增益来区分用户进而消除用户间的干扰。在发射端 或接收端的信号处理的组合，可以用来降低不同传输层之间的干扰。利用多天线空分复用和分集增益在有限的资源上扩大系统的吞吐量5、提高系统性能并最终提升用户体验。 在 统的下行多天线技术基础上， 求支持的下行最高多天线配置规格为 8此同时增强多用户空分复用 6被认为是标准化的重点。但是，随着使用天线数目的增加， 术实现的复杂度和系统开销大幅度增高，而在天线使用数目受限制的情况下，不能充分发挥 术的优势。目前，如何在保证一定的系统性能的基础上降低 术的算法和实现的复 杂度及系统开销，已成为业界面临的巨大挑战。然而，结合实际应用场景，不同用户所处信道质量不同，在下行链路 度选择和资源分配算法研究中，高复杂度和高反馈开销成为制约 统性能的关键因素。另一方面，增加一定的复杂度和系统开销可以说是多用户 术所带来的众多优点所必需付出的代价。在实际系统应用中，需要在 能、用户调度复杂度及系统开销三者之间寻找一个平衡点。因此， 统中用户调度算法 有着重要的研究价值 和意义。 随着无线通信理论的不断发展，新兴的 术也越 来越多。例如，上文提到的由一个信源在同一个时频资源上面服务多个用户的多用户 工学硕士 学位论文 4 （ 术；通过单天线的用户协作或者单天线用户和多天线用户混合协作的技术，虚拟 ；不断增长天线数目达到几十根乃至数百根的大规模天线技术（ 89。 构组网 现代无线通信网络中，对于更高的网络容量的需求不断提高。对无线应用的调查研究表明，超过 50%的语音通话及超过 70%的数据流量来源于室内环境。然而，传统的移动蜂窝网络 由于高衰减损耗，具有较差的室内覆盖，很难获得高品质的信号。因而，对室内设备很难实现高数据数率的传输。提升网络容量和室内覆盖的解决方案通常是建设新的基站或是使用多天线技术。这些解决方案的缺点是相关的新的基础设施的建设和维护成本高，而且，它们并不能保证可靠的室内覆盖。例如，在移动网高度发达的城区，如果增加更多的基站则意味着严重的站间干扰及能量损耗。研究表明，在一个干扰受限的系统中，密集的部署基站并不能达到获得系统增益最大的目的。受到绿色通信的启发，低功耗、低覆盖节点（微微蜂窝（ 站功率在 250 2W 之间；毫微微蜂窝（ 站功率大约在 100内，用于室内覆盖）的部署能够有效解决上述问题，也为现代无线通信网络的发展指明了新的方向 异构网络融合。 微型小区（ 10作为一种低成本、高效的提升网络容量和室内覆盖的方法引起了越来越多的关注。 在 3新的 版本演进过程中，定义了 3 类场景： 型小区增强） 1：指部署与宏站同频的低功耗室外站点，也就是 a/2b：指部署与宏站异频的站点，通常使用 频段，分别位于室外和室内，室内的 点类似于 : 专门用来研究 的场景 . 般认为应该通过光纤与宏站相互连接 11，并且在其覆盖区域内，信道质量更加好且稳定，因此一些新的技术方案也将加入到这个家族中。例如， 把高阶调制 256交振幅调制）加入到 道质量指示）和 码调制方式）的表格中，使得一个符号能够携带 8信息，相比传统的 64升约 性能。 开关机制 12也是一项用来提升用户吞吐率性能、降低能耗的备选方案。它主要的思路是让 备休眠功能，在没有用户的数据传输需求时，不再令每个第一章 绪论 5 输时间间隔）都发送 区特 定参考信号），以降低对相邻小区的干扰强度。 综上所述， 一个相对宽泛的概念，包含了多种低功耗基站类型，并支持各种潜在的技术，如 256点协同、认知无线电等。 点协作通信 代移动通信网络正从同构网向异构网转变，小区间的干扰协调将变得越发重要和复杂。多点协作技术 3就是从 区间干扰协调）的基础上发展而来，但是它将更加灵活且对延迟要求更高。为了满足 延迟的需求， 频拉远头）的概念应运而生。 带处理单元）之间通过光纤相连，每个 独服务一个区域，但事实上数据运算都在 行。这样每个 小区之间就能够进行超低延迟的协作。 3 义了几种类型 14：协同调度 /协同波束赋形（ B），联合传输（ T），动态小区选择（ 联合信号处理（ 等。在 实现方法里，对于任意一个用户首先要通过考信号接收功率）和功率门限决定出一个 测量集合，在集合内的基站之间才考虑协同。一般来说 。对于 B 方案，一个小区的用户只能由 量集里的某一个基站服务，但是具体它被调度到哪些 用什么样的预编码方式，是需要由 相邻的几个小区共同决定的。这样做的目的是为了避免小区间的干扰，增大系统容量。 案则有所不同，它主要是针对小区边缘的弱用户。它将由多个基站共同服务，因此信道质量将会大幅度提升。 指在量集中动态的选择服务基站，使得数据传输更加灵活。 般来说对回传链路的要求很高，因为需要小区间共同处理数据才能解码。 战与难点 随着移动互联网的发展与应用，在移动蜂窝系统中数据传输量在成指数增长，单链路的效率已经接近了香农极限，然而多天线技术的出现能够有效的提升网络容量。但是在整个多用户传输系统的研究中 ，已有文献的出发点多是基于在基站端通过干扰预消除的方法进行多用户调度，以降低多用户间干扰。鲜有站在系统级的角度，在充分保证公平性的前提下，对整个小区内用户的平均性能进行评估，也少有针对调度过程中用户选择，配对，资源分配完整过程的北京邮电大 学工学硕士 学位论文 6 系统性分析。通过系统级仿真，验证多用户调度算法的性能，并综合考虑系统实现复杂度、性能增益及系统开销三者之间的平衡，以上是本文研究的重点。 多用户传输与单用户传输的主要区别 在 于如何抑制和消除多用户间的干扰。其中，主要面对如下挑战： 调度策略的公平性及有效性：为了满足用户享受服务的公平性 并在此基础上通过有效调度，降低多用户间干扰并最大化系统增益，同时考虑新增的系统反馈开销及可行性，需要更多的研究和仿真结果的支持。 反馈粒度：即反馈的精确度。由于多用户传输引入了用户间干扰，基于单用户传输反馈的信道状态信息如 能准确的反应调度后用户的调制编码阶数。因此，配置多用户 及增加多用户 来的额外反馈开销，需要进行定义和评估。 小区边缘用户的调度策略：小区边缘用户的信道质量通常较差，同时易受到来自临小区信号的干扰。针对这部分低 户的调度策略需要明确，若所有用户都进行调度无任何限 制，对于低 户来说，传输出错及重传的几率较大。不仅无法提升系统性能，反而有可能造成资源浪费及性能损失。 反馈层数的自适应性：目前的 统支持多用户层数的自适应性，但如何进行层数选择，依然没有合适的策略和评估方法。 根据仿真环境和实际应用系统需求，针对反馈粒度中配置多个信道状态信息进程的定义在第二章中给出，针对小区边缘用户的调度策略和反馈层数的自适应性研究将在第三、四章中给出，调度策略的有效性研究参见第四章。总的来说，本文研究的重点和难点如下两部分所示： 基于比例公平的用户选择和资源分配的研究 为了平衡系统吞吐率和用户享受服务的公平性， 出了比例公平的调度算法。比例公平调度算法是根据用户以往接受的数据及瞬时数据速率来决定调度用户的。由于其较低的实现复杂性以及显著的性能增益，文献对其收敛、最优化、吞吐率分析等特性做了深入的研究和讨论。在时频资源日益紧缺的情况下，多用户 来的空间维度的扩展和利用使系统整体性能的增加成为了可能。在多用户 统中，在保障公平性的前提下，对下行链路系统中用户选择和资源分配进行研究，以达到系统增益的最大化是本论文的研究目标。 通过对用户长期平均吞吐率 及用户传输环境波动的研究，为多用户 源分配带来了更多的可能。在保障公平性的前提下，利第一章 绪论 7 用长期平均吞吐率估算方法，对不同空间位置用户的调度选择、资源分配，是本论文解决的重要难点问题。 基于 用户配对算法的研究 在增强型下行 统中，影响调度用户的因素有很多，例如不同用户反馈的信道状态信息（ 不同用户的信道矩阵，不同用户的信干噪比（ 基站侧（ 用预编码技术进行干扰预消除等等。不同的调度策略在算法复杂度，系统开销，实现可行性等方面具备各自的 优劣势。由于行系统中对完美信道矩阵的不可预知，本论文选择在有限增加反馈开销的条件下，均衡复杂度，利用预编码矩阵进行干扰预消除这一方向上继续研究。 针对基站侧预编码预消除策略，又分为基于码本和非码本的预编码。在非码本的预编码方式中，预编码矩阵在发射端获得。 统中 基于用户专用参考信号 (行解调，这样网络不需通知用户传输预编码矩阵序号，可以采用非码本的预编码操作。基站侧利用信道估计的状态信息，进行预编码矩阵预测计算，常见的计算方法有奇异值分解 (均匀信 道分解 (。但是基于非码本的预编码需要完整的信道矩阵及信道状态信息，并且计算复杂度高，实现系统设计困难，目前均处于理论研究阶段。而基于码本的预编码，基站和用户侧都具有固定的预编码码本矩阵，通过用户端量化信道矩阵，反馈预编码矩阵指示，基站侧根据反馈的 用户指示需要的预编码码本，不需要复杂的算法流程，实现简单，是一种更为通用的预编码策略。本论文将在预编码矩阵特性上做进一步研究，提出基于 设测量和上报的预编码矩阵组，用于基站侧实现用户配对。 究生期间主要工作 本人在研究生期间， 主要 参与的科研项目有： 北京邮电大学重大专项“ 知无线电的验证与研究”，日立 4G 移动通信系统关键技术的研发”。 在北京邮电大学重大专项“ 目中，主要负责 分析下行链路通信环境特点，提出动态分配算法模型，有效提高 时， 提出优化的频谱感知算法并完成研究报告，并设计基于认知数据库的架构，搭建了 台对方案进行仿真。最终，向 案 技 术 提 案 2 篇 ， 编 号 为 630046 北京邮电大 学工学硕士 学位论文 8 在日立 4G 移动通信系统关键技术的研发”项目中，开发了 行系统级仿真平台并对以下技术进行评估：多点协同多用户多输入多输出 源调度，外环链路自适应 阶调制 256及 n/制。搭建了 路级平台，对 256术进行了 能的测试。最终，项目组向3 交 技 术 提 案 6 篇： 标准化工作做出了重要贡献。 究内容及论文架构 本文介绍了基于有限反馈的 度策略的研究，提出了长期平均用户吞吐率估计法则和频谱利用率法则用于控制共享资源在各用户间的分配。在频谱利用率法则中，设计了基于码本的配对集合及反馈开销与系统吞吐率折中的调度算法。并提出了一种联合调度方案，利用频谱利用率法则进行预调度并提供用户传输速率变化数据，利用长期平均用户吞吐率估计法则保障公平性及提供最终最优的调度选择，能够精确调度用户进 行 将干扰最小化。具体研究内容如下： 如何利用信道快速变化以提升整个系统吞吐率，同时保证对系统中所有用户提供一定程度的服务，满足一定程度的用户间公平性。 如何在异构组网中，在进行 ，提升用户反馈信道状态信息精度，有效降低配对用户间的干扰，提升 能。 如何在 能、用户调度复杂度及系统开销三者之间寻找平衡点，在增加一定复杂度和系统开销的情况下最大化系统吞吐率和小区边缘用户吞吐率。 本文架构如下： 第二章为多用户传输系统传输规则及调度关键技术研究。对 统中，信道状态信息的定义及反馈流程进行了调研。分别分析了基于单用户多用户 馈的优劣势，研究了多用户配对策略中关键的预编码码本技术。