專利名稱：：基于模糊滿意度的多業(yè)務(wù)多天線廣播信道調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于多輸入多輸出(MIMO)移動通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及下行多輸入多輸出通信系統(tǒng)中的多業(yè)務(wù)多天線調(diào)度方法。
背景技術(shù)：
：無線通信朝著寬帶化、業(yè)務(wù)多元化、用戶數(shù)增大化的方向發(fā)展。由于無線網(wǎng)絡(luò)資源的稀缺、無線信道的干擾以及時延等問題，造成無線環(huán)境下提供服務(wù)質(zhì)量的保證面臨諸多挑戰(zhàn)。而多用戶調(diào)度是支持無線網(wǎng)絡(luò)混合業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證的關(guān)鍵技術(shù)之一。《國際電子與電氣工程師協(xié)會國際通信會議》(IEEEInternationalConferenceonCommunication2008，Volume.l，pp.542-546，2005)提出基于準正交用戶選擇的調(diào)度方法(SUS)，每次選擇信道質(zhì)量最佳的用戶來最大化系統(tǒng)吞吐率，但這會造成對信道質(zhì)量差的用戶的不公平?！秶H電子與電氣工程師協(xié)會信息理論學(xué)報》(IEEETransactionsonInformationTheory,Volume.48,Issue6，pp.1277-1294，2002)提出正比公平調(diào)度算法(PFS)聯(lián)合考慮了系統(tǒng)吞吐率和用戶公平性，按照用戶加權(quán)平均吞吐率對瞬時速率進行歸一化，這種調(diào)度算法已經(jīng)應(yīng)用到高速數(shù)據(jù)速率(HDR)系統(tǒng)，其調(diào)度目的是在顧及系統(tǒng)公平度的同時最大化系統(tǒng)吞吐率，但是其最終目標還是為了使用戶最滿意。而對于不同服務(wù)質(zhì)量需求的業(yè)務(wù)，通過調(diào)度獲得相同的帶寬可能對應(yīng)著不同的滿意程度。《國際電子與電氣工程師協(xié)會無線通信學(xué)報》(正EETransactionsonWirelessCommunications,Volume.6,Issue2,pp.423-428,Feb.2007)定義了用戶滿意度因子，《國際電子與電氣工程師協(xié)會國際通信會議》(IEEEInternationalConferenceonCommunication2008，pp.4250-4254，May2008)定義了業(yè)務(wù)滿意度因子，并基于該滿意度因子去調(diào)度用戶，但是該方法采用當前時刻的信道狀態(tài)信息去調(diào)度下一時刻的用戶會帶來滯后誤差。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出一種基于模糊滿意度因子的多業(yè)務(wù)多天線廣播信道調(diào)度方法，該方法中考慮了變化趨勢對滿意度的影響，從而避免滯后誤差對調(diào)度的影響。本發(fā)明基于基于模糊滿意度因子的多業(yè)務(wù)多天線廣播信道調(diào)度方法，在發(fā)送端，調(diào)度器將被調(diào)度的用戶數(shù)據(jù)被經(jīng)過物理層的多用戶多輸入多輸出迫零波束預(yù)編碼后發(fā)射；在接收端，用戶將信道信息反饋給發(fā)送端；其特征在于在發(fā)送端，由應(yīng)用層得到無線網(wǎng)絡(luò)混合業(yè)務(wù)的速率時延服務(wù)質(zhì)量信息，由反饋得到用戶業(yè)務(wù)的平均速率和平均時延，再將其輸入到調(diào)度器去調(diào)度用戶，調(diào)度器根據(jù)輸入的速率時延服務(wù)質(zhì)量信息和業(yè)務(wù)速率和時延及其改變量得到輸出的判決即模糊滿意度因子，然后以最大化以模糊滿意度因子為權(quán)重的信道質(zhì)量為目標由調(diào)度算法去調(diào)度用戶，被調(diào)度的用戶數(shù)據(jù)在物理層經(jīng)過多輸入多輸出多用戶迫零波束預(yù)編碼后發(fā)送。所述模糊滿意度因子的獲得過程如下被調(diào)度用戶的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)度器，形成一個M,維矢量，經(jīng)過迫零波束預(yù)編碼(ZFBF)處理后，通過M個發(fā)射天線發(fā)送出去；系統(tǒng)中有《個具有1根接收天線的用戶，用戶數(shù)《大于發(fā)射天線數(shù)M;設(shè)從發(fā)射天線到移動臺的信道增益為一個零均值復(fù)高斯隨機變量，那么第)t個用戶接收到的信號為y*=7^XbA+1^V^Xb;+"(1)式(l)中x是基站發(fā)送的信號，M,是同時發(fā)送的子流數(shù)，^是波束成型預(yù)編碼矩陣8=[1>1，1)2,...1>她]中的第&項，h&是第A:個用戶的信道增益，"是分布為CN(0，1)的加性高斯隨機變量，P是總的發(fā)送功率；設(shè)￡{^^}=1，則天線接收處平均信噪比為p;在經(jīng)過波束成型向量加權(quán)后，用戶A:等效接收信噪比為"|ht《+S)，(2)用戶的瞬時速率為4=tog(l+rt)(3)采用歸一化的用戶速率i和時延D和其變化趨勢M和AD作為滿意度的度量的依據(jù)；當平均傳輸速率達到目標速率，時延為零時，用戶速率W和時延Z)都等于1，相應(yīng)的用戶滿意度達到l;其中用戶速率7=^7^，(4)時延/)=1(5)用戶速率變化趨勢^-(^"^("-Dy/i,(6)時延變化趨勢ad=(7)式中w是時隙號，A是用戶編號；5(")為在時隙"第A個用戶的平均速率，假設(shè)每個用戶只使用一種業(yè)務(wù)，V"r為第^個用戶的目標速率，；(")為平均時延，4""為目標時延；把用戶速率及、時延ZX用戶速率變化趨勢M和時延變化趨勢AD這四個變量作為模糊控制器的輸入，分別采用基于速率的模糊邏輯控制器(FLC1)和基于時延的模糊邏輯控制器(FLC2)兩個模糊邏輯控制器來控制；基于速率的模糊邏輯控制器(FLC1)的輸出s產(chǎn)F(^凡』A/}(8)基于時延的模糊邏輯控制器(FLC2)的輸出&-,{&1)，^/A￡>}(9)式(8)和式(9)中F為模糊函數(shù)，則用戶模糊滿意度因子<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(10)所述調(diào)度器中基于模糊滿意度因子的調(diào)度算法為調(diào)度器在每個時隙根據(jù)用戶不滿意的程度W;t和信道質(zhì)量來調(diào)度用戶<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中5是模糊滿意度因子；△是一個很小的正數(shù)，用以保證用戶滿意度超過1時WA才為0;調(diào)度的目標為最大化用戶滿意度權(quán)系數(shù)與用戶等效信道增益的乘積，則調(diào)度問題可以歸結(jié)為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式(12)中g(shù)fc,是用戶的等效信道增益，"是第/種業(yè)務(wù)的權(quán)重，^是第/種業(yè)務(wù)用戶的數(shù)目，/是業(yè)務(wù)類型數(shù)，在特定的系統(tǒng)中通過準入控制和優(yōu)先級設(shè)定K和&可以視為常數(shù)，ww即用戶滿意度權(quán)系數(shù)，狄產(chǎn)l表示該用戶獲得調(diào)度，否則表示該用戶未獲得調(diào)度；調(diào)度用戶的過程如下先從一個初始用戶集合^={1，..丄}選出第一個用戶<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(16)當選出/個用戶后，從集合<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>中選出第&l個用戶<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>17)直到用戶集合中的用戶數(shù)I&I等于發(fā)送子流數(shù)A6，算法結(jié)束；其中信道增益<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>，(l是選擇的信道之間干擾門限,v^為用戶不滿意的程度。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明調(diào)度方法中模糊滿意度的得來不僅考慮了業(yè)務(wù)的速率和時延，而且考慮了它們的變化趨勢對用戶滿意度及調(diào)度的影響，可以很好地度量用戶的滿意程度并且避免滯后誤差；仿真結(jié)果表明，相比于其他基于滿意度的度量準則的調(diào)度方法，本發(fā)明調(diào)度方法的模糊滿意度更合理地考慮了用戶在不同時延和速率及其變化趨勢下的滿意度，可更好地利用頻譜資源，在不降低吞吐率的前提下，保證用戶的公平性，更有效地保證了用戶的服務(wù)質(zhì)量需求，最大化系統(tǒng)滿意度。圖1為本發(fā)明的下行多輸入多輸出多用戶系統(tǒng)框圖；圖2為基于模糊滿意度因子的調(diào)度器內(nèi)部框圖3為系統(tǒng)吞吐率與用戶數(shù)的仿真曲線；圖4為系統(tǒng)平均滿意度與用戶數(shù)的仿真曲線。具體實施例方式以下結(jié)合本方法的實施例。實施例l:本實施實例采用下行多輸入多輸出多用戶系統(tǒng)。設(shè)基站端(BS)配置AA尸4根天線，用戶端(UE)配備1根天線，信噪比p為10dB，信道帶寬為20MHz，一幀長8.375ms，每幀有10個時隙。調(diào)度器每個時隙工作一次。有兩種業(yè)務(wù)應(yīng)用，一種是FTP業(yè)務(wù)，一種是視頻會議業(yè)務(wù)，兩者的比例為3:1。每次調(diào)度時每一個用戶只使用一種業(yè)務(wù)。FTP業(yè)務(wù)的服務(wù)類型是后臺類的業(yè)務(wù)，對時延不敏感，而視頻會議業(yè)務(wù)的服務(wù)類型是會話類業(yè)務(wù)對時延最為敏感。設(shè)定兩類業(yè)務(wù)的參數(shù)如下表1所示表1兩類業(yè)務(wù)參數(shù)設(shè)置<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>本實施實例系統(tǒng)框圖見圖1所示，基站端的模塊1應(yīng)用層可以得到業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量特征參數(shù)第A個用戶的目標速率r,r和目標時延c4'""，調(diào)度器位于模塊2媒體訪問控制子層的控制面中，它從應(yīng)用層得到業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，由反饋得到時隙"第A個用戶的平均速率5(")和平均時延^(w)，模塊4調(diào)度器每時隙工作一次，根據(jù)信道信息和用戶的滿意程度來調(diào)度用戶。用戶模糊滿意度度量過程如下所示本發(fā)明調(diào)度器內(nèi)部框圖如附圖2所示按照式(4)~式(7)得到用戶速率及、時延D、用戶速率變化趨勢M和時延變化趨勢AD這四個變量。將這四個變量輸入模塊P1,P2模糊化接口依據(jù)模糊邏輯控制器的輸入變量量化表表2進行量化表2模糊邏輯控制器的輸入變量量化表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>200810195811.6說明書第5/7頁<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>接著，根據(jù)模糊功率控制的思想，通過分析閉環(huán)系統(tǒng)用戶的滿意度隨時延和速率的動態(tài)變化而變化的規(guī)律和趨勢來度量用戶的滿意程度，得到模塊Q1基于速率得模糊控制規(guī)則和模塊Q2基于時延的模糊控制規(guī)則，模塊R1和模塊R2接口引擎輸出模糊判決結(jié)果由模塊S1和模塊S2去模糊化接口通過加權(quán)平均法得到判決量；經(jīng)過模糊化，最小相關(guān)的判斷及去模糊化之后，每一組速率和時延及它們的變化都會得到他們相應(yīng)的控制輸入值；將速率時延及其變化趨勢所對應(yīng)的模糊判決量制成模糊判決表表4模糊邏輯控制器的速率判決表表5模糊邏輯控制器的時延判決表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>把量化后的結(jié)果作為模糊控制器的輸入，分別采用基于速率的模糊邏輯控制器(FLC1)和基于時延的模糊邏輯控制器(FLC2)兩個模糊邏輯控制器來控制，基于速率的模糊邏輯控制器(FLC1)采用的控制判決表見表4,基于速率的模糊邏輯控制器(FLC2)采用的控制判決表見表5;速率判決結(jié)果s1和時延判決結(jié)果s2由式(8)(9)得到，用戶滿意度s由(10)式得到。由式(11)得到用戶不滿意的程度Wk。模塊8調(diào)度算法在每個時隙根據(jù)用戶不滿意的程度Wk和信道質(zhì)量來調(diào)度用戶。調(diào)度的目標為最大化以模糊滿意度為權(quán)重的信道質(zhì)量。調(diào)度用戶的過程如下先從一個初始用戶集合^0={1，..丄}選出第一個用戶Alhargmaxfe^llgChOi^ll當選出/個用戶后，從集合4={""^1^1:。)|<，1^^}選出第/+1個用戶l)=argmax滅|lg(h扭l|直到用戶集合中用戶數(shù)ISol等于發(fā)送子流數(shù)Mt算法結(jié)束。其中信道增益g(h;O叫l(wèi)hAll2，a是選擇的信道之間干擾門限，Wk為用戶不滿意的程度。調(diào)度器將調(diào)度結(jié)果送給模塊5媒體訪問控制子層的數(shù)據(jù)面，被調(diào)度用戶的數(shù)據(jù)經(jīng)過模塊3物理層的多用戶多輸入多輸出預(yù)編碼后發(fā)射。為了衡量調(diào)度方法的效果，在計算系統(tǒng)滿意度時，采用下式來計算系統(tǒng)的滿意度<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>"""表示業(yè)務(wù)的最低保證速率<對不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)滿意度曲線曲線冪次0)的取式中，w值不同，本實施例中冪次0)取2。附圖3為系統(tǒng)吞吐率與用戶數(shù)的仿真曲線圖中橫軸表示用戶數(shù)，范圍為60-170,縱軸表示吞吐率。隨著用戶數(shù)的增加，系統(tǒng)吞吐率增加。基于模糊滿意度因子的多用戶調(diào)度方法吞吐率曲線F遵從容量漸近曲線C即Mlog(l+尸/Mlog(iO);基于模糊滿意度因子的調(diào)度方法曲線F和最大化吞吐率的調(diào)度方法吞吐率曲線A基本上一致，并且用戶數(shù)尺很大的時候明顯高于采用比例公平調(diào)度準則的迫零波束成型方曲線B法，基于用戶滿意度準則的迫零波束成型方法曲線D和基于業(yè)務(wù)滿意度準則的迫零波束成型方法曲線E。附圖4為系統(tǒng)滿意度與用戶數(shù)的仿真曲線圖中橫軸表述用戶數(shù)，范圍為10-300，縱軸表示系統(tǒng)滿意度。隨著用戶數(shù)的增加，系統(tǒng)平均滿意度降低。曲線G基于準證交用戶選擇的迫零波束預(yù)編碼方案和曲線H基于比例公平調(diào)度迫零波束預(yù)編碼方案由于沒有考慮到用戶的滿意度所以其系統(tǒng)滿意度低于其他調(diào)度方案。當用戶數(shù)大于150的時候，基于模糊滿意度因子調(diào)度的方式曲線K在滿意度上有明顯的提高，這主要是因為，當用戶數(shù)很大的時候，調(diào)度用戶所花的時延增大，用戶的平均速率降低，而曲線K基于模糊滿意度因子的調(diào)度的方法相較于曲線I基于用戶滿意度因子的調(diào)度和曲線J基于業(yè)務(wù)滿意度因子的調(diào)度更細致地考慮了時延對用戶滿意度的影響及趨勢，當用戶數(shù)增大時，每個用戶調(diào)度的平均時延也增大，此時對時延敏感的視頻業(yè)務(wù)時延達到門限，模糊滿意度大幅下降，因此得到優(yōu)先調(diào)度，所以在用戶數(shù)較大的時候模糊滿意度調(diào)度的方法可以保證用戶時延及速率的需求，更好的利用頻譜，最大化系統(tǒng)滿意度。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明模糊滿意度的得來不僅考慮了業(yè)務(wù)的速率和時延而且考慮了它們的變化趨勢對用戶滿意度及調(diào)度的影響，可以很好的度量用戶的滿意程度并且避免滯后誤差。仿真結(jié)果表明，相比于其他基于滿意度的度量準則的調(diào)度方法更合理的考慮了用戶在不同時延和速率及其變化趨勢下的滿意度，更好的利用頻譜資源，在不降低吞吐率的前提下，保證了用戶的公平性，更有效的保證了用戶的服務(wù)質(zhì)量需求，最大化系統(tǒng)滿意度。權(quán)利要求1、一種基于基于模糊滿意度因子的多業(yè)務(wù)多天線廣播信道調(diào)度方法，在發(fā)送端，調(diào)度器將被調(diào)度的用戶數(shù)據(jù)被經(jīng)過物理層的多用戶多輸入多輸出迫零波束預(yù)編碼后發(fā)射；在接收端，用戶將信道信息反饋給發(fā)送端；其特征在于在發(fā)送端，由應(yīng)用層得到無線網(wǎng)絡(luò)混合業(yè)務(wù)的速率時延服務(wù)質(zhì)量信息，由反饋得到用戶業(yè)務(wù)的平均速率和平均時延，再將其輸入到調(diào)度器去調(diào)度用戶，調(diào)度器根據(jù)輸入的速率時延服務(wù)質(zhì)量信息和業(yè)務(wù)速率和時延及其改變量得到輸出的判決即模糊滿意度因子，然后以最大化以模糊滿意度因子為權(quán)重的信道質(zhì)量為目標由調(diào)度算法去調(diào)度用戶，被調(diào)度的用戶數(shù)據(jù)在物理層經(jīng)過多輸入多輸出多用戶迫零波束預(yù)編碼后發(fā)送。2、如權(quán)利要求1所述基于基于模糊滿意度因子的多業(yè)務(wù)多天線廣播信道調(diào)度方法，特征在于所述模糊滿意度因子的獲得過程為-被調(diào)度用戶的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)度器，形成一個M,維矢量，經(jīng)過迫零波束預(yù)編碼(ZFBF)處理后，通過M個發(fā)射天線發(fā)送出去；系統(tǒng)中有《個具有1根接收天線的用戶，用戶數(shù)尺大于發(fā)射天線數(shù)W,;設(shè)從發(fā)射天線到移動臺的信道增益為一個零均值復(fù)高斯隨機變量，那么第A個用戶接收到的信號為y4=V^XbAV^Xb,,+"式中JC是基站發(fā)送的信號，M是同時發(fā)送的子流數(shù)，bA是波束成型預(yù)編碼矩陣B-[b!，b2，…bM]中的第&項，W是第A:個用戶的信道增益，w是分布為CN(O，l)的加性高斯隨機變量，P是總的發(fā)送功率；設(shè)￡{/^}=1，則天線接收處平均信噪比為p;在經(jīng)過波束成型向量加權(quán)后，用戶A等效接收信噪比為jHlhAll/(爺+乙M)用戶的瞬時速率為4=log(l+h)采用歸一化的用戶速率i和時延Z)和其變化趨勢M和AZ)作為滿意度的度量的依據(jù)；當平均傳輸速率達到目標速率，時延為零時，用戶速率i和時延D都等于l，相應(yīng)的用戶滿意度達到l;其中用戶速率y^5("y^,，時延0=1-^(")/《，，用戶速率變化趨勢M-R(")巧("-1))",，時延變化趨勢AD=(K(")《("-l))/《欣式中W是時隙號，A:是用戶編號；5(H)為在時隙W第it個用戶的平均速率，假設(shè)每個用戶只使用一種業(yè)務(wù)，A^f為第A:個用戶的目標速率，5;(")為平均時延，d/"為目標時延；把用戶速率及、時延Z)、用戶速率變化趨勢M和時延變化趨勢AZ)這四個變量作為模糊控制器的輸入，分別采用基于速率的模糊邏輯控制器和基于時延的模糊邏輯控制器兩個模糊邏輯控制器來控制；基于速率的模糊邏輯控制器的輸出s尸"^i，^Ai}基于時延的模糊邏輯控制器的輸出&=F{AW￡>，~,dAD}式中F為模糊函數(shù),則用戶模糊滿意度因子s=5lX&。3、如權(quán)利要求l所述基于基于模糊滿意度因子的多業(yè)務(wù)多天線廣播信道調(diào)度方法，特征在于所述調(diào)度器中基于模糊滿意度因子的調(diào)度算法為調(diào)度器在每個時隙根據(jù)用戶不滿意的程度W和信道質(zhì)量來調(diào)度用戶式中s是模糊滿意度因子，△是一個小的正數(shù)，用以保證用戶滿意度超過1時WA才為0;調(diào)度的目標為最大化用戶滿意度權(quán)系數(shù)與用戶等效信道增益的乘積，則調(diào)度問題歸結(jié)式中&,是用戶的等效信道增益，f/,是第/種業(yè)務(wù)的權(quán)重，^是第/種業(yè)務(wù)用戶的數(shù)目，/是業(yè)務(wù)類型數(shù)，在特定的系統(tǒng)中通過準入控制和優(yōu)先級設(shè)定"和&可以視為常數(shù)，v^,,即用戶滿意度權(quán)系數(shù)，^產(chǎn)1表示該用戶獲得調(diào)度，否則表示該用戶未獲得調(diào)度；調(diào)度用戶的過程如下-先從一個初始用戶集合^rU，…iQ選出第一個用戶41)-argmax;M。llg(h。w川當選出/個用戶后，從集合4={""^:|1^:("|<"，1^^}中選出第/+1個用戶4/+l)=argmax直到用戶集合中的用戶數(shù)I&I等于發(fā)送子流數(shù)M,，算法結(jié)束；其中信道增益g0u)叫l(wèi)hdl2，a是選擇的信道之間干擾門限，vi^為用戶不滿意的程度。全文摘要本發(fā)明公開了一種基于模糊滿意度因子的多業(yè)務(wù)多天線廣播信道調(diào)度方法，特征是考慮了不同業(yè)務(wù)的速率和時延的變化趨勢對用戶滿意度及調(diào)度的影響，通過最大化以模糊滿意度因子為權(quán)重的信道質(zhì)量來調(diào)度用戶，從而避免了滯后誤差對調(diào)度的影響。本發(fā)明可以很好地度量用戶的滿意程度并且避免滯后誤差。仿真結(jié)果表明，相比于其他基于滿意度的度量準則的調(diào)度方法，本發(fā)明調(diào)度方法更合理地考慮了用戶在不同時延和速率及其變化趨勢下的滿意度，更好地利用了頻譜資源，在不降低吞吐率的前提下，保證了用戶的公平性，更有效的保證了用戶的服務(wù)質(zhì)量需求，最大化系統(tǒng)滿意度。文檔編號H04B7/06GK101383650SQ20081019581公開日2009年3月11日申請日期2008年9月3日優(yōu)先權(quán)日2008年9月3日發(fā)明者濤劉,蓓劉,玲邱申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)