MIMO系統(tǒng)中基于THP的用戶調(diào)度技術(shù)研究

王曉艷，徐高魁

（西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650024）

0 引 言

21世紀(jì)，無線通信技術(shù)成為人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活中必不可少的科學(xué)技術(shù)之一。伴隨全球邁入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，越來越多的多媒體及互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，大大增加了移動(dòng)通信的利用率。為了保證用戶的通信要求及舒適感，通信系統(tǒng)面臨新的要求和挑戰(zhàn)[1]。移動(dòng)通信中引入MIMO系統(tǒng)可以解決上述問題。與單用戶MIMO技術(shù)相比，多用戶MIMO技術(shù)為用戶提供了復(fù)用增益和多用戶增益。

隨著新型通信技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，出現(xiàn)了諸多問題。其中，共道干擾和用戶過載是頻繁出現(xiàn)的問題。預(yù)編碼技術(shù)是解決共道干擾問題的關(guān)鍵技術(shù)，THP預(yù)編碼技術(shù)是消除干擾的核心技術(shù)[2]。此外，用戶調(diào)度技術(shù)能夠解決用戶過載的問題。因此，本文提出了基于THP預(yù)編碼技術(shù)的用戶調(diào)度技術(shù)，以解決共道干擾和用戶過載問題。

1 用戶調(diào)度技術(shù)概述

通信網(wǎng)絡(luò)的日常使用中，當(dāng)用戶周邊的基站個(gè)數(shù)和配置天線的個(gè)數(shù)有限，且接收端用戶的數(shù)目巨大時(shí)，將導(dǎo)致當(dāng)前基站無法滿足用戶實(shí)際需求。即當(dāng)系統(tǒng)的基站天線個(gè)數(shù)小于或遠(yuǎn)小于用戶天線總和時(shí)，需要通過用戶調(diào)度算法選取所有用戶中活躍度較高的用戶，實(shí)現(xiàn)通信資源的最優(yōu)配置[3]。尤其在多用戶MIMO系統(tǒng)中，用戶調(diào)度算法更能充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，通過優(yōu)化通信資源的配置，滿足每個(gè)用戶的需求，進(jìn)而保證通信系統(tǒng)的公平性和穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)的用戶調(diào)度技術(shù)主要協(xié)調(diào)任務(wù)復(fù)雜度和系統(tǒng)線性之間的關(guān)系。比如，在保持任務(wù)復(fù)雜程度不變的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的線性程度；在保持系統(tǒng)線性程度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低任務(wù)復(fù)雜程度[4]。本文著重介紹基于THP的用戶調(diào)度技術(shù)，保證系統(tǒng)達(dá)到最大容量。此外，THP預(yù)編碼技術(shù)與BD預(yù)編碼技術(shù)的復(fù)雜程度較低。

2 基于THP的用戶調(diào)度算法研究

BD預(yù)編碼算法與THP預(yù)編碼算法的區(qū)別比較明顯。THP預(yù)編碼算法比BD預(yù)編碼算法的復(fù)雜程度低，且THP預(yù)編碼算法能夠完全消除信道中的干擾因素[5]。但是，傳統(tǒng)的THP預(yù)編碼算法只考慮了信道容量，忽略了系統(tǒng)的誤碼率。鑒于上述情況，本文提出了一種基于最小誤碼率的THP預(yù)編碼用戶調(diào)度算法。

2.1 基于最小誤碼率的THP預(yù)編碼用戶調(diào)度算法的實(shí)現(xiàn)

本文的研究對(duì)象為多用戶MIMO系統(tǒng)模型。設(shè)系統(tǒng)基站的天線個(gè)數(shù)為Nt，用戶的端天線的個(gè)數(shù)為Nr，且系統(tǒng)基站的天線個(gè)數(shù)小于用戶端的天線個(gè)數(shù)。其中，要求在K個(gè)用戶中選擇較為活躍的M個(gè)用戶，使用戶端被服務(wù)的用戶個(gè)數(shù)與基站的天線個(gè)數(shù)一致。算法實(shí)現(xiàn)的具體流程如圖1所示。

基于圖1所示的算法流程，可以得到最優(yōu)用戶活動(dòng)的集合：

因?yàn)樯鲜鏊惴ㄒ訲HP算法為基礎(chǔ)，所以繼承了THP預(yù)編碼算法的低誤碼率特點(diǎn)。此外，算法依據(jù)的準(zhǔn)則依然為最小誤碼率。因此上述用戶調(diào)度算法得到是更低誤碼率的最優(yōu)解。

2.2 基于MP-THP預(yù)編碼的MBER-THP用戶調(diào)度算法的實(shí)現(xiàn)

如2.1所述，基于THP的用戶調(diào)度算法能夠在解決用戶過載問題的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的誤碼率性能。此外，MP-THP預(yù)編碼算法能夠在THP用戶調(diào)度算法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升系統(tǒng)誤碼率性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶的調(diào)度[6]。基于MP-THP預(yù)編碼的用戶調(diào)度算法如圖2所示。

圖1 基于最小誤碼率的THP預(yù)編碼用戶調(diào)度算法流程

圖2 基于MP-THP預(yù)編碼的用戶調(diào)度算法實(shí)施流程圖

分析圖2可知，當(dāng)用戶端天線個(gè)數(shù)總和大于系統(tǒng)基站天線個(gè)數(shù)時(shí)，基于最小誤碼率預(yù)編碼的用戶調(diào)度算法可得到最活躍的用戶，并將最活躍的用戶信道矩陣轉(zhuǎn)化為一種新的信道矩陣，且依托新的信道矩陣發(fā)送多種模式結(jié)構(gòu)。此外，基于MP-THP用戶調(diào)度算法可優(yōu)化最終用戶調(diào)度的性能，并與多種結(jié)構(gòu)相結(jié)合，不斷提升系統(tǒng)誤碼率性能。

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證MP-THP預(yù)編碼和MBER-THP預(yù)編碼聯(lián)合算法的性能，本文將對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

3.1 MBER-THP用戶調(diào)度算法誤碼率性能的仿真結(jié)果分析

為了分析MBER-THP用戶調(diào)度算法對(duì)誤碼率性能的影響，本文以用戶端天線個(gè)數(shù)總和為變量，具體仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 MBER-THP用戶調(diào)度算法的誤碼率性能分析

本次仿真的前提如下：基站系統(tǒng)天線為8個(gè)，用戶端分別為4個(gè)和6個(gè)，且每個(gè)用戶端所使用的天線為2個(gè)。分析圖3可知，基于MBER-THP用戶調(diào)度算法時(shí)，用戶端為6的誤碼率性能明顯優(yōu)于采用MBERTHP用戶調(diào)度算法用戶端為4的誤碼率性能。圖3的數(shù)據(jù)還表明，同一誤碼率情況下，基于MBER-THP用戶調(diào)度算法的調(diào)度性能比未采用MBER-THP用戶調(diào)度算法的調(diào)度性能大6 dB。

3.2 基于MBER-THP用戶調(diào)度算法誤碼率性能與用戶端個(gè)數(shù)的關(guān)系

為了驗(yàn)證不同用戶端個(gè)數(shù)下，基于MBER-THP用戶調(diào)度算法誤碼率性能的變化情況。本文選取用戶端分別為6和8時(shí)二者的誤碼率性能進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。

分析圖4可知，基于MBER-THP用戶調(diào)度算法的誤碼率性能，隨著用戶端數(shù)目的增加，誤碼率性能逐步提升。此外，當(dāng)同一誤碼率時(shí)，用戶端數(shù)目較大，性能大約提升2 dB，原因是隨著用戶數(shù)量的增加，最活躍用戶的概率隨之增加，從而提升了系統(tǒng)的誤碼率性能。

3.3 基于MP-THP預(yù)編碼的MBER-THP用戶調(diào)度算法與MBER-THP用戶調(diào)度算法的性能比較

上述用戶調(diào)度算法性能的比較是通過誤碼率衡量的。仿真分析的參數(shù)如下：系統(tǒng)的基站天線為8個(gè)，用戶端數(shù)目為6個(gè)，且每個(gè)用戶端有2個(gè)天線。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 用戶端數(shù)目與誤碼率性能的關(guān)系

圖5 不同用戶調(diào)度算法下的誤碼率性能比較

分析圖5可知，基于MP-THP預(yù)編碼的MBERTHP用戶調(diào)度算法，系統(tǒng)誤碼率性能明顯優(yōu)于基于MBER-THP用戶調(diào)度算法的誤碼率性能，且在同等誤碼率情況下，基于MP-THP預(yù)編碼的MBER-THP用戶調(diào)度算法可得到基于MBER-THP用戶調(diào)度算法大1 dB的性能增益。

4 結(jié) 論

本文在傳統(tǒng)用戶調(diào)度算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于THP用戶調(diào)度算法，解決用戶過載問題和共道干擾問題，并提出了基于MBER-THP的用戶調(diào)度算法和基于MP-THP預(yù)編碼的MBER-THP用戶調(diào)度算法。此外，通過仿真分析MBER-THP用戶調(diào)度算法誤碼率性能、基于MBER-THP用戶調(diào)度算法誤碼率性能與用戶端個(gè)數(shù)的關(guān)系和基于MP-THP預(yù)編碼的MBER-THP用戶調(diào)度算法與MBER-THP用戶調(diào)度算法的性能，證明了本文提出的用戶調(diào)度算法誤碼率性能最佳。