本發(fā)明涉及一種多用戶MIMO-OFDM中基于用戶公平性和QoS的吞吐量優(yōu)化方法，屬于無線通信系統(tǒng)的MIMO-OFDM吞吐量優(yōu)化的技術領域。

背景技術：

隨著無線通信的飛速發(fā)展以及移動終端數(shù)量的增加，用戶對于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笤絹碓狡惹?。為了容納更多的用戶，提供更高質量的服務，無線通信對系統(tǒng)的吞吐量、用戶服務質量等各方面提出了更高的要求。

在無線通信系統(tǒng)中，MIMO和OFDM技術作為LTE中的兩項關鍵技術，在過去一段時間內(nèi)一直受到很大的關注。MIMO技術通過引入空分多址，可以在不增加帶寬或總發(fā)送功率的情況下大幅度地增加系統(tǒng)吞吐量(throughput)。其核心在于：利用收發(fā)兩端多天線之間的空間自由度，建立多個平行的獨立信道來抑制信道衰落，進行數(shù)據(jù)傳輸，通過空分復用或者用戶分集達到提高系統(tǒng)容量的目的。OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復用技術，它是一種可靠的的高速數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸技術，能夠適合存在多徑效應和多普勒頻移的復雜無線信道。這是因為OFDM采用了多條正交子載波代替的單一頻率的無線信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸，利用其正交性減少子信道之間的相互干擾(ISI)。由于每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上可以看成平坦性衰落。故OFDM技術可以有效抑制多徑效應，消除碼間串擾，減輕頻率選擇性衰落的影響，大大提高無線信道的資源利用率。

多用戶MIMO-OFDM系統(tǒng)中，資源分配是提高頻譜效率的關鍵技術之一，由于不同種類業(yè)務對QoS速率、時延等要求各不相同，因此在保證QoS要求的前提下優(yōu)化吞吐量一直是MIMO系統(tǒng)資源分配的熱點。然而，由于業(yè)務種類繁多，在最大化吞吐量的目標下，同時保證不同業(yè)務的速率和時延會造成約束條件過多，因此多數(shù)文獻只是簡單考慮了時延或者速率其一，沒有對業(yè)務QoS提供精細化的保證。另一方面，由于不同通信鏈路的信道狀況不一，一味的追求吞吐量，將資源分配給信道條件好的用戶，很容易引起資源分配的不公平性，導致絕大多數(shù)資源被極少數(shù)的用戶占用，其余用戶一直得不到資源調(diào)度。因此，在優(yōu)化吞吐量的目標下合理兼顧用戶間的公平性成為了MIMO系統(tǒng)資源分配的另一熱點問題。目前為止，絕大多數(shù)文獻均未做到既合理兼顧用戶公平性，又對不同類型業(yè)務QoS提供精細化的保證。同時，由于多用戶MIMO通過空分復用，使得資源在可分配的維度上又增加了一倍，很多文獻也通過降低資源分配維度的方式實現(xiàn)了復雜度的降低：比如，規(guī)定每個子載波上只容納一個用戶，限定功率在每個子載波上平均分配等。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種多用戶MIMO-OFDM中基于用戶公平性和QoS的吞吐量優(yōu)化方法，解決現(xiàn)有的系統(tǒng)未做到既合理兼顧用戶公平性，又對不同類型業(yè)務QoS提供精細化的保證的問題，結合子載波分配、功率分配兩步進行系統(tǒng)吞吐量的優(yōu)化，大大降低了算法復雜度。

本發(fā)明具體采用以下技術方案解決上述技術問題：

多用戶MIMO-OFDM中基于用戶公平性和QoS的吞吐量優(yōu)化方法，包括以下步驟：

步驟1、推導獲得多用戶MIMO-OFDM系統(tǒng)中單個子載波支持的傳輸速率，并確定每個子載波的可容納最大用戶數(shù)；

步驟2、將用戶分成GBR用戶和非GBR用戶，根據(jù)當前用戶的業(yè)務狀態(tài)定義各自的優(yōu)先級權重；

步驟3、定義吞吐量優(yōu)化模型；

利用所定義的吞吐量優(yōu)化模型根據(jù)用戶的優(yōu)先級權重進行子載波平行信道的分配，包括：對GBR用戶按業(yè)務優(yōu)先級權重進行排序，依次為每個業(yè)務進行子載波的平行信道分配；對于剩余的子載波的平行信道，以比例公平調(diào)度算法分配給Non-GBR用戶；

利用注水算法對每個用戶所分配得到的子載波功率進行優(yōu)化分配，以獲得最大化吞吐量。

進一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案：所述步驟1推導獲得的單個子載波支持的傳輸速率為：

其中，λ_i，m為子載波m上用戶i等效信道矩陣的秩；N₀是滿足零均值復高斯隨機變量信道噪聲的功率；1/Г是功率損失，且1/Γ＝-ln(5BER)/1.5；s_{i，m，l}是信道增益對角矩陣的第l個對角元素，即該子載波上用戶i的第l個等效平行信道；p_i,m,l是分配給該等效平行信道的功率，而α_i，m則表示用戶i是否在子載波m上，等于1時表示用戶i占用子載波m，等于0時表示不占用。

進一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案：所述步驟1中確的定每個子載波的可容納最大用戶數(shù)為：

其中，K_m是子載波上可容納的最大用戶數(shù)，N_T是發(fā)射天線數(shù)目，n_r是接收天線數(shù)目，表示對向下取整。

進一步地，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選技術方案：所述步驟2中定義各自的優(yōu)先級權重為：

其中，W_i為用戶所對應的調(diào)度優(yōu)先級，GBR_i表示第i個業(yè)務的保證比特率，T_i表示第i個業(yè)務容許的最大時延；。D_i(t)表示第i個業(yè)務t時刻緩沖區(qū)隊首分組的等待時延，等于當前時間減去到達時間；對于實時業(yè)務，若D_i(t)＞T_i則丟棄該分組；r_i(t)為用戶的瞬時數(shù)據(jù)速率，為用戶一段時間內(nèi)的平均速率。

本發(fā)明采用上述技術方案，能產(chǎn)生如下技術效果：

本發(fā)明提出了一種多用戶MIMO-OFDM系統(tǒng)中兼顧用戶公平性和精細化保證用戶QoS的吞吐量優(yōu)化方法，將經(jīng)典的比例公平算法，結合MIMO中的多用戶空間多址技術，并聯(lián)合用戶的速率、時延QoS要求，在時間、頻率和空間三個維度上分配系統(tǒng)資源，進一步優(yōu)化了系統(tǒng)吞吐量，并且在合理兼顧用戶公平性的基礎上，精細化保證了用戶的速率、時延的QoS要求。

本發(fā)明通過兼顧用戶公平性和精細化保證不同用戶QoS要求的吞吐量目標優(yōu)化算法，并充分利用空分復用帶來的頻譜增益，允許每個子載波上容納多個用戶，結合子載波分配、功率分配兩步進行系統(tǒng)吞吐量的優(yōu)化，大大降低了算法復雜度。在時間、頻率和空間三個維度上分配系統(tǒng)資源，增加了資源優(yōu)化的靈活性，進一步優(yōu)化了系統(tǒng)吞吐量和用戶服務質量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方法的流程示意圖。

圖2為本發(fā)明方法所建立的信道模型。

具體實施方式

下面結合說明書附圖對本發(fā)明的實施方式進行描述。

如圖1和2所示，本發(fā)明提出了多用戶MIMO-OFDM中基于用戶公平性和QoS的吞吐量優(yōu)化方法，該方法利用圖2所建立的信道模型進行基于用戶公平性和QoS的吞吐量優(yōu)化過程，具體地，方法包括以下步驟：

步驟1、推導獲得多用戶MIMO-OFDM系統(tǒng)中單個子載波支持的傳輸速率，并確定每個子載波的可容納最大用戶數(shù)。

假設在多用戶MIMO-OFDM系統(tǒng)中，基站有N_T根發(fā)送天線，每個終端有n_r根接收天線，系統(tǒng)總的用戶數(shù)為K，子載波m上有K_m個用戶復用該子載波，T_k，m為用戶k(k＝1,2…K_m)在子載波m上的預編碼矩陣，x_i，m為該用戶的傳輸數(shù)據(jù)，則子載波m上用戶i的接收信號y_i，m是：

其中，

H_i，m是子載波m上用戶i的信道矩陣，n_i，m是該信道上的高斯白噪聲。顯然，x_i，m作為用戶發(fā)送端的傳輸數(shù)據(jù)不為零，故要使式(5)中其他K_m-1個用戶對用戶i產(chǎn)生的干擾為零，則有：

然后，定義干擾用戶聯(lián)合矩陣其維度是則：

設滿秩，則秩對進行奇異值分解：

其中，和是酉矩陣(滿足)，它們的列分別是矩陣對應的左右奇異值向量。由于酉矩陣各列構成的向量相互正交，故酉矩陣任意兩列相乘為零。是由矩陣的奇異值組成的對角矩陣。和分別對應矩陣的零奇異值和非零奇異值，也稱是矩陣的零空間。因此預編碼矩陣滿足：

定義令發(fā)送端的預編碼矩陣接收端相應的處理矩陣經(jīng)處理后消除用戶間干擾。此時在子載波m上用戶i的實際接收信號為:

故用戶i在子載波m上的等效傳輸矩陣是假設各個用戶的傳輸矩陣滿秩，則由式(5)可知是一個N_T×n矩陣，n＝N_T-(K_m-1)N_R。顯然要使預編碼矩陣存在，則n必大于0，即子載波上的最大復用用戶數(shù)K_m滿足下式(7)，其中[x]表示對x向下取整。K_m限定了每個子載波上可容納的最大用戶數(shù)，在此限度內(nèi)，每個子載波上多用戶間的共道干擾可以通過塊對角化的方式被消除。所述子載波上可容納的最大用戶數(shù)為：

其中，K_m是子載波上可容納的最大用戶數(shù)，N_T是發(fā)射天線數(shù)，n_r是各終端接收天線數(shù)，表示對向下取整。

且由式(6)可知，等效的信道增益為它是經(jīng)奇異值分解后，由奇異值組成的對角矩陣。經(jīng)上述處理后，用戶間干擾被消除，每一個子載波上的MU-MIMO信道等效成多個獨立的SU-MIMO信道。

令λ_i，m為信道增益對角矩陣的秩，即有λ_i，m個不為0的奇異值，傳輸信道可以這樣表示：因此每個子載波上每個用戶的信道又可以等效成λ_i，m個平行信道。故在某一子載波m，用戶i的某一個等效平行信道l上，帶寬歸一化數(shù)據(jù)速率可以表示成：

式(11)中,N₀是滿足零均值復高斯隨機變量信道噪聲的功率,對于特定的誤碼率，是由非理想傳輸技術所帶來的功率損失。s_{i，m，l}是信道增益對角矩陣的第l個對角元素，即該子載波上用戶i的第l個等效平行信道，p_i,m,l是分配給該等效平行信道的功率，而α_i，m則表示用戶i是否在子載波m上：

因此，在任一子載波m上，第i個用戶的帶寬歸一化數(shù)據(jù)速率可以表示為：

步驟2、將用戶分成GBR用戶和非GBR用戶，根據(jù)當前用戶的業(yè)務狀態(tài)定義各自的優(yōu)先級權重。

本發(fā)明中，用戶分成GBR用戶和非GBR用戶兩大類，每位用戶只使用一種業(yè)務。其中，GBR業(yè)務對速率、時延要求較高，容忍性較差，非GBR業(yè)務則可以容忍數(shù)據(jù)有一定的時延。

針對GBR用戶和非GBR用戶這兩大類用戶群體，綜合考慮當前用戶的業(yè)務狀態(tài)，包括業(yè)務類型、隊列狀態(tài)以及速率等，具體可以為信道質量狀況、用戶保證速率、最大時延、分組數(shù)據(jù)包的隊列時延以及瞬時速率和長期平均速率的比值，定義各自的優(yōu)先級權重如下：

其中，W_i為用戶所對應的調(diào)度優(yōu)先級，GBR_i表示第i個業(yè)務的保證比特率，T_i表示第i個業(yè)務容許的最大時延(對于非實時業(yè)務，為無窮大)。D_i(t)表示第i個業(yè)務t時刻緩沖區(qū)隊首分組的等待時延，等于當前時間減去到達時間；對于實時業(yè)務，若D_i(t)＞T_i則丟棄該分組。r_i(t)為用戶的瞬時數(shù)據(jù)速率，為用戶一段時間內(nèi)的平均速率。μ和ξ是調(diào)節(jié)參數(shù)。對于GBR用戶，上式中第一部分提供滿足對應用戶的速率保證，使得每個用戶的速率不低于其保證用戶速率；第二部分提供滿足最大時延保證，在用戶最大時延閾值內(nèi)，隨用戶在調(diào)度隊列中等待時間的加長，用戶優(yōu)先級迅速提高。第三部分根據(jù)用戶的瞬時速率和在一段時間內(nèi)的平均速率提供公平性保證。對于非GBR用戶，則通過比例公平算法提供用戶公平性保證。

步驟3、結合子載波分配、功率分配兩步進行系統(tǒng)吞吐量的優(yōu)化，使得多用戶MIMO-OFDM中基于用戶公平性和QoS的吞吐量得到優(yōu)化，具體如下：

步驟31、定義兼顧用戶公平性和精細化保證QoS的吞吐量優(yōu)化模型；

s.t.α_i，m∈{0，1}

r_i≥g_i

D_i≤T_i

式中，R為系統(tǒng)總速率，M為子載波個數(shù)，K_m為子載波上可容納的最大用戶數(shù)，λ_i，m為子載波m上用戶i等效信道矩陣的秩(用戶i的等效平行信道個數(shù))，W_i為每個用戶所對應的調(diào)度優(yōu)先級，α_i，m表示用戶i是否在子載波m上，等于1時表示用戶i占用子載波m，等于0時表示不占用，r_i，m，l為子載波m上用戶i的某一等效平行信道l上的帶寬歸一化數(shù)據(jù)速率,r_i為用戶的瞬時數(shù)據(jù)速率,g_i為用戶的保證速率，D_i表示第i個業(yè)務緩沖區(qū)隊首分組的等待時延，T_i表示第i個業(yè)務容許的最大時延，p_i，m，l為分配給某一等效平行信道l的功率，P_total為系統(tǒng)總功率。

步驟32、利用所定義的吞吐量優(yōu)化模型根據(jù)用戶的優(yōu)先級權重進行子載波平行信道的分配，具體為：把每個子載波看成相互無干擾的平行信道，對GBR用戶按業(yè)務優(yōu)先級權重進行排序，依次為每個業(yè)務進行子載波的平行信道分配；對于剩余的子載波的平行信道，以比例公平調(diào)度算法分配給Non-GBR用戶；該過程如下：

①設置待調(diào)度用戶集合K＝{1,2,…,K}，可用子載波集合M＝{1,2,…,M}，保證速率集合GBR＝{g₁,g₂,…,g_k}。

②初始化。子載波發(fā)射功率相等，用戶初始速率在子載波m上，設(空集)，表示子載波m上用戶選擇集合(每個子載波上最大可共享的用戶數(shù)為K_m)。

③將用戶按屬性分為GBR用戶集合和Non-GBR用戶集合。

④當GBR用戶集合為非空時，按用戶優(yōu)先級從高到低排序。從隊頭取一個用戶k，當用戶k的速率小于其保證速率且可用子載波集合不為空時，比較用戶k在所有子載波平行信道上的速率，將速率最大的子載波平行信道分配給用戶k。

若子載波m上被選的總用戶數(shù)不超過K_m，計算R，如果新算得的R大于或者等于之前的R值，則該用戶被選擇，將k加入到該子載波用戶集合U_m中，更新用戶k的速率；否則，該用戶被舍棄。直至子載波m上被選的總用戶數(shù)大于或者等于K_m，從集合M中刪除m；

直至用戶k的速率大于或者等于其保證速率時，從GBR用戶集合中刪除k，從GBR用戶保證速率集合中刪除g_k。

⑤當非GBR用戶集合且可用子載波集合為非空時，對子載波m，選擇r_{k，m，l}/r_k值最大的子載波的平行信道，將其分配給用戶k；若子載波m上被選的總用戶數(shù)不超過K_m，計算R，如果新算得的R大于或者等于之前的R值，則該用戶被選擇，將k加入到該子載波用戶集合U_m中，更新用戶k的速率；否則，該用戶被舍棄；直至子載波m上被選的總用戶數(shù)大于或者等于K_m，從集合M中刪除m。

⑥更新各業(yè)務的平均速率。

⑦循環(huán)執(zhí)行②～⑥直至完成所有數(shù)據(jù)的發(fā)送。

步驟33、對每個用戶所分配得到的子載波功率進行調(diào)整，利用注水算法對每個用戶子載波的功率進行優(yōu)化分配，以獲得最大化吞吐量。即使用步驟32完成子載波分配，且子載波分配過程中功率是平均分配的，而本步驟繼續(xù)用注水算法進行子載波的功率優(yōu)化分配。

上述子載波分配算法中，為了使得問題簡化，過程中假設功率平均分配,即為了進一步提高系統(tǒng)的性能，子載波分配完成后需要對功率進行優(yōu)化分配。

假設基站完全已知所有用戶的信道狀態(tài)信息h_i，m,其中基站根據(jù)h_i，m進行相應的功率分配，分配信息可以通過獨立的信道傳遞給各個用戶。首先利用式(5)確定每個用戶獲得的歸一化總功率。

然后對每個用戶各子載波的功率進行調(diào)整，利用注水算法可以獲得最優(yōu)的功率分配，每個用戶的子載波上的功率分配可分別按如下公式計算：

p_i，m≥0 (17)

其中，p_i，1表示用戶i在最小特征值空間子信道上的功率，p_i，m表示用戶i在子載波m上所分配的功率，h_i，1表示用戶i所在空間子信道中的最小特征值，h_i，m表示用戶i在子載波m空間子信道上的特征值。此時，基于注水原理完成了功率的二次分配，使得每個用戶子載波之間的功率得到優(yōu)化調(diào)整：信道條件好的給予更大的發(fā)送功率，信道條件差的適當降低發(fā)送功率，從而更進一步的優(yōu)化了系統(tǒng)吞吐量。

綜上所述，本發(fā)明將比例公平和MIMO中的多用戶空分多址技術運用到了傳統(tǒng)的3G-LTE MIMO-OFDM系統(tǒng)中，并結合用戶的速率、時延等QoS要求，在時間、頻率和空間三個維度上分配系統(tǒng)資源，增加了資源優(yōu)化的靈活性，進一步優(yōu)化了系統(tǒng)吞吐量和用戶服務質量。

上面結合附圖對本發(fā)明的實施方式作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。