本站小編為你精心準備了MIMO無線通信傳播技術調度探索參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

本文作者：秦玉娟于華彬單位：蘭州工業高等專科學校電子信息系天津市地下鐵道運營有限公司設備中心

引言下一代的無線通信系統將為用戶提供更多類型的服務，這些業務要占用很大的、時變的帶寬，并具有各種不同的QoS要求。無線頻譜一直都是稀缺的資源，因此我們應該在有限的帶寬（或發射功率）內傳輸盡量多的數據。影響頻譜效率的因素有調制階數、編碼方案、自動重傳（AutomaticRepeat-reQuest，ARQ）策略、無線資源管理（如功率和編碼分配），以及調度方案等。

在無線環境下，一個有效的分組調度方案就是根據用戶的業務類型和信道的動態變化，對用戶接入系統資源進行管理。調度方案能夠有效保證系統的吞吐量、時延和時延抖動等參數。不同的性能要求和限制使我們在設計資源分配方案時要綜合考慮來自幾個層的信息。另外，多輸入多輸出（Multiple-InputMultiple-Output，mimo）技術的優點就是能有效地利用無線信道的隨機衰落特性和可能存在的多徑傳播來成倍的提高傳輸速率。多載波技術也是提高空中接口的頻譜效率的有效方法。不同空間信道或子載波上的分組調度可以提供額外的自由度，但是同樣會帶來一些問題。本文主要研究多用戶調度問題，以及資源分配方案。

1分組調度的信息論框架

考慮一個基站（BaseStation，BS）通過一個無線信道和多個移動臺（MobileStation，MS）通信的情況，如圖1所示。對于每一條鏈路，信道容量是指在滿足一定誤碼率的前提下可以實現的數據傳輸速率（b/s/Hz）的上限。

但是，信道容量不僅與給定的帶寬、發射功率、噪聲功率有關，還與發射機和接收機的結構（如預編碼和解碼矩陣）相關。在多用戶系統中，系統容量的表達形式是容量區域，它是用戶瞬時可以達到的速率的集合。對于多用戶容量區域，需要區分上行鏈路和下行鏈路，通常分別稱為多址接入信道（MultipleAccessChannel，MAC，多對一）和廣播信道（BroadcastChannel，BC，一對多）。遠近效應和相關的功率限制使MAC信道和BC信道面臨不同的資源分配問題，解決方法也相應有所不同。對于BC信道，BS的發射功率合并后同時傳輸（即單功率限制）;而對于MAC信道，需要為每一個MS設置單獨的功率限制。在MAC信道中，用戶可能會受到遠近效應的影響，相反在BC信道中不會存在這個問題。本文主要研究BC信道，即下行鏈路。容量表示的是理論上可以達到的速率，也表征了什么類型的發射機和接收機能夠實現該目標，隨后的研究展示了如何有效率地調度系統中的用戶。另外，在實際系統中還必須考慮用戶之間的公平性（被分配的速率和被調度的可能性）和QoS（隊列的時延限制和優先級）要求。這些實際的限制因素也要在系統優化過程中得到處理。MIMO系統的跨層調度就是嘗試彌合高性能物理層和來自更高層的用戶要求之間的差別。跨層調度也涉及到其它一些實際方面，比如發射端如何利用盡量小的反饋開銷獲得信道狀態信息（ChannelStateInformation，CSI）。

2信道感知調度

下面我們從多天線情況論證如何結合利用來自物理層的CSI來提高調度的效率。如果在發射端配置多幅天線，隨機波束成形技術通過引入一個時變的隨機加權集合，可以在低速移動環境中加快信道的波動。當隨機加權和用戶的信道向量結合，就可以帶來波束成形增益，使SNR增大。如果用戶的波束成形向量為0，則SNR會下降。有研究表明當用戶數增多時，隨機波束成形聚合為連續波束成形，但是前者只需要部分而是不是完整的CSI。另外，通過采用多重正交隨機波束，結合空分多址接入（Space-DivisionMultipleAccess，SDMA）方案，利用一些額外的SNR測量和反饋開銷也可以提高系統的容量。但是，通過隨機生成波束的SDMA方案只適用于用戶密集的網絡，對于用戶數量少的網絡需要設計更復雜的波束成形方案。如果可以獲得完全的CSI，采用信道倒置法（也叫做迫零發射波束成形），通過設計一個發射波束成形集合，就可以消除用戶之間的干擾。對于秩虧的信道，信道倒置法會造成信號衰減嚴重，這種情況下可以采用最小均方誤差（MinimumMeanSquaredError，MMSE）發射波束成形方案。如果在接收端也配置多幅天線，利用接收端固有的空間識別能力就能區分出發射給每個用戶的多個數據流。有科學家提出了一種塊對角化（BlockDiagonalization）結構，通過設計一個協方差矩陣達到完全消除用戶間干擾的目的。這樣每個接收機只需要處理用戶流之間的干擾，從而簡化了設計。

當可以獲得完全CSI時，基于污紙編碼（DirtyPaperCoding，DPC）的非線性處理方案提供了一種在發射端預先消除用戶間干擾的方法。最近，Shamai等已經證明DPC方案能夠達到MIMO-BC信道容量區域的上限，即可以使總速率達到最大。與單天線系統相反，多天線廣播信道下的最優解決方法不是在一個時刻調度一個用戶，而是多個用戶。當用戶的數量大于空間信道的數量時，最基本的問題是如何選擇最優的用戶子集。有人提出了一種采用迫零發射波束成形的迭代用戶選擇法。每次迭代時，將一個與上一次迭代得到的用戶子集信道正交的用戶加入到活動用戶子集中。為了加速迭代過程，與當前子集不是正交的用戶被移出剩余用戶列表。當活動用戶子集中的用戶數與發射天線數相等或剩余用戶列表為空時迭代結束，最終得到的用戶子集構成全秩信道矩陣。在用戶數量不太多的情況下，利用信道倒置法，這種限制用戶數量的方案與其它更復雜的DPC方案相比，可以得到相近的效果。在此基礎上，有人提出了一種適用于單天線接收機的方案，系統中的用戶根據空間特性分成幾個群組，不同群組的用戶空間兼容，因此，可以為每個群組設計一個最優的波束成形方案。每個組中只有一個用戶被選擇發送信息，從而有效地利用了多用戶分集。

3信道和隊列感知調度

在信道感知調度方案中，擁有最佳信道的用戶獨占系統的資源。信道感知調度基于兩個假設的存在，即：沒有最大發射緩沖的限制；被調度的用戶一直有數據等待發送。但是在現實場景中，隊列長度是有限的，而且發射緩沖隊列為空的用戶即使擁有最好的信道狀態也不應被調度，否則會造成資源的浪費。設計良好的跨層調度方案應該使業務發生的隨機性與無線環境的時變性互相匹配，并滿足一定的QoS限制。為了方便討論，本文只考慮信道、業務和QoS約束對調度的影響，如圖2所示。系統穩定是指在系統正常工作期間，隊列長度不會無限增長。大致來說，如果用戶分組的到達速率在容量范圍之內，系統的穩定性可以得到實現。調度決斷時，通過比較用戶的到達速率來衡量每個用戶信道可實現的速率。

在實際中，評估到達速率也不是容易實現的，但是可以得到近似的效果，即可以用可實現速率與瞬時隊列長度的自適應加權來代替。這種策略被稱為最長隊列最高可能速率（LongestQueueHighestPossibleRate，LQHPR）方案，可以保證系統的吞吐量性能和穩定性。實際上，LQHPR在MAC和BC信道下有不同的調度策略。在BC-SISO信道中，LQHPR選擇瞬時信道狀態最佳和隊列長度最長的用戶。在MAC-SISO情況下，多個用戶同時被調度，并通過連續干擾消除方案進行解碼。LQHPR策略會對檢測順序產生一定的影響，即優先級高的用戶最后被解碼，因為當多用戶干擾中的一部分已經被消除時，他們的可實現速率相應的也更高（即優先級越高）。基于此提出了對于MAC-MIMO信道的穩定性和吞吐量最佳的傳輸策略。另外，Papadias等提出了一種叫做聯合機會波束成形調度（JointlyOpportunisticBeamformingandScheduling，JOBS）的方案，該方案利用無線信道固有的空間分集，為存在衰落的移動環境提供了一種簡單強健的下行鏈路分組接入技術。JOBS方案結合采用隨機波束成形的信道感知調度，利用所有歷史信息去估計當前每個用戶的最優波束成形方案。這些信息用來決定用戶在下一次調度時的優先權，雖然引入了一些時延，但使吞吐量性能進一步提高。

4空間頻率調度

現代無線通信系統的每一條鏈路都具有很大的帶寬，從而導致無線信道具有頻率選擇性。多載波技術比如OFDMA技術可以將單個頻率選擇性衰落信道轉化為多個正交的平坦衰落信道，從下面的討論可以看出，這為資源分配提供了另一種思路。MIMO-OFDMA系統中，由于子載波之間存在串擾，需要考慮它們的信道矩陣特征（比如空間相關性），這就使MIMO-OFDMA系統的跨層調度相較于SISO-OFDMA系統來說更難實現。但是，MIMO-OFDMA廣播信道可以看作一個塊對角化的MIMO廣播信道，這時子載波之間不存在串擾。在BC信道下，容量區域可以達到污紙編碼的水平。同樣，MIMO-OFDMA多址接入信道的容量區域可以達到SIC方案的水平。

容量實現方案可以簡化為每個子載波只允許一個用戶，即子載波信道矩陣奇異值最大的用戶。資源分配問題進一步簡化為把用戶分配給子載波，然后根據多維注水算法（比如空間和頻率）分配發射功率。上面描述的MIMO-OFDMA資源分配方案需要獲得所有用戶的完全CSI才能實現。在單載波情況下，可采用機會單/多波束成形技術。不同子載波采用獨立隨機波束，通過使用信道感知方案可以對頻率選擇性加以利用。如果采用子載波群集方案，同一群集內的所有子載波使用同一波束。

5結論

本文主要研究了支持QoS的多天線無線通信系統的分組調度問題。在物理層上，無線信道動態隨機的特性提供了固有的分集，即多用戶分集。盡力而為的分組業務充分利用了這種分集并保證了系統的吞吐量最大，并提出了MIMO信道的最優策略。但是在定義了QoS的前提下，還會涉及到除了吞吐量以外的參數（如時延、抖動等），問題變得復雜。為了實現業務的隨機性和物理層之間的匹配，就必須采用跨層的方法去設計調度算法。對于多載波系統，頻率域在分組調度上提供了額外的靈活性，即頻率分集結合多用戶分集的方案。更進一步的研究主要集中在跨層方案的設計，它是滿足未來無線通信系統用戶QoS要求的唯一途徑。