[发明专利]MIMO-OFDMA下行信道中的用户调度和能量效率联合优化方法

权利要求书

1.MIMO-OFDMA下行信道用户调度和能量效率联合优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1、建立系统模型

建立MIMO-OFDMA下行链路模型，并且利用块对角化方法，将每个用户的信道分解成为多个平行信道，计算用户下行速率和用户得到资源块获得的功率，建立系统模型包括：

表示分配子载波k(n)给用户m时，基站和用户之间的信道矩阵，用户接收到的输出信息表示为：

y_m,k(n)＝H_m,k(n)s_m,k(n)+n_m,k(n)    (1)

其中是多天线基站的输入信号向量，而是信道H_m,k(n)的噪音信息，通过块对角化，H_m,k(n)被解为：

其中和都为酉矩阵，和分别表示U_m,k(n)和V_m,k(n)的共轭矩阵，是对角矩阵，其对角元素为其中J_m＝min{K_m,K_T}＝K_m在发送端和接收端分别用V_m,k(n)和进行对信号的预处理和后处理，得到

其中表示子载波k(n)通过信道传递给用户m的输入信号向量，且得到资源块n中的子载波k(n)分配给用户m之后的获得的下行传输速率为：

所以可知分配给用户m的资源块的下行速率

其中B代表子载波带宽，所以分配给用户m的子载波k(n)的传输功率为

所以分配给用户m的资源块n的总功率为

步骤2、进行用户调度

定义一个效益函数用来为用户分配资源块，考虑用户端缓存器，将资源块分配给用户当前时延大及信道条件好的用户，进行用户调度具体如下：

设一个调度周期的长度为tii，调度算法描述为：

调度开始时，第一个调度周期有如下步骤：

第一步：初始化q_m(t)，使得初始化Q_m＝0，初始化资源块集合N；

第二步：分配资源块，先根据q_m(t)计算每个用户的w_m(t)，再令表示资源块n^*被分配给用户m^*，其中n^*和m^*满足以下的效益函数

若用户集合中有w_m(t)≥1的用户，对这部分用户根据n^*和m^*分配资源块，若用户集合中所有用户都满足w_m(t)＜1时，对剩下的用户继续按照n^*和m^*分配资源块；

第三步：将n^*从N中移除，并重新计算q_m(t)；

第四步：如果N为空，结束算法，若不为空，执行第二步；

从第二个调度周期开始，每个调度周期开始时，假设当前用户m，m＝1,2,...M,在上个调度周期之后得到的资源块集合为Θ_m，有如下步骤：

第一步：对于Ω_B中的用户，因为经过一个调度周期以后，缓存数据发生了改变，初始化初始化q_m(t)，使得若q_m(t)＜0,则q_m(t)＝0，即缓存数据足够，无需分配资源块，初始化资源块集合N；

第二步至第四步同第一个调度周期中的第二步至第四步；

步骤3、进行功率分配

以最大化能量效率EE为目标，为用户资源块中的子载波重新进行功率分配，根据用户缓存器的容量确定用户获得的下行速率的最大值和最小值，并以此作为优化问题的限制条件，进行最优化求解，假设根据上述步骤2的用户调度分配好资源块使得每个用户得到的资源块集合为Θ_m，此时对功率进行重新分配以进一步提高EE，

设x_m,n为1代表资源块n分配给了用户m，否则x_m,n为0，由用户调度确定x_m,n，n＝1,2…N,m＝1,2,…M，

能量效率设为EE，则最优化问题为：

R_min≤R_m≤R_max    (11)

R_m的上下限由用户缓存器容量和业务需求速率决定，为了保证用户承受的最大时延要求，Ω_A中即使用A类业务的用户获得的下行速率必须满足R_m≥μ_m，其中得到R_m的最小值R_min＝u_m，设定最大下行速率限制R_max，对于Ω_B中即使用B类业务的用户满足以下条件，一个调度周期过后有Q_m＝Q_m+R_m×tii-μ_m×tii，Q_m≤Q_max(m)，得到对应的根据用户承受的最大时延，所以当Q_m为0之后，继续等待D_max(m)时长，等效为Q_m≥-u_mD_max(m)，这样得到用户下行速率的最小值

求解EE的最优解等价于求的最大值，其中利用拉格朗日方程进行求解，

其中，α，γ＝(γ₁,γ₂,...,γ_M)，β＝(β₁,β₂,...,β_M)为拉格朗日乘子，相应的拉格朗日对偶函数为：

则问题(15)的拉格朗日对偶问题是：

其中α，γ,β≥0表示乘子中的每个元素都大于等于零，由于该问题是无约束问题，所以直接求导得：

所以

上述公式中出现的字符中文含义包括：

K_T表示基站具有的天线根数，K_m表示第m个用户的接收天线数，K表示每个资源块具有的字载波数；q_m(t)为在调度周期中基站需要为用户m传播的数据包的数量，用户m正在运行的业务所需的速率为μ_m,S表示数据包大小，w_m(t)表示用户m的当前时延，R_m，n表示资源块n分配给用户m后用户获得的下行速率，使用B类业务的用户集合为Ω_B；P_T表示基站的功率限制。