面向5G網絡的多用戶MIMO調度方法

摘要：多用戶MIMO調度方法無法達到預期的調度效果，為此，文章提出面向5G網絡的多用戶MIMO調度方法。建立5G網絡MIMO信道模型，根據用戶調度優先級對用戶分組，根據用戶信道之間的相關性，確定調度候選組中的用戶調度順序，以此完成面向5G網絡的多用戶MIMO調度。實驗結果表明，應用此方法5G網絡MIMO信道平均吞吐量、速率均有明顯的提升，具有良好的應用前景。

關鍵詞：5G網絡；MIMO；平均吞吐量；用戶信道

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.06.008

中圖分類號：TP 919.72" " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）06-00-03

Abstract： The multi-user MIMO scheduling method cannot achieve the expected scheduling effect. Therefore， this paper proposes a multi-user MIMO scheduling method for 5G communication. Establish a 5G communication MIMO channel model， group users according to their scheduling priorities， and determine the user scheduling order in the scheduling candidate group based on the correlation between user channels. This completes multiuser MIMO scheduling for 5G communication. The experimental results show that the average throughput and rate of the 5G communication MIMO channel can be improved significantly by using this method， which has a good application prospect.

Key words： 5G communication; MIMO； average throughput; user channel

5G網絡的通信流暢性更高、通信速率更快、通信距離更遠，能夠為用戶提供更好的通信網絡環境，為用戶帶來更加流暢的通信體驗。除此之外，5G網絡支持多種連接方式，包括無線連接、衛星連接和光纖連接等，能夠實現更廣泛的覆蓋和更靈活的部署。若想實現5G網絡資源利用率最大化，需要對多用戶MIMO資源進行合理調度，以此保證5G網絡功能得到有效的發揮。然而，在多用戶場景下，由于用戶之間的相互干擾，使得MIMO系統的調度問題變得更加復雜，現行調度方法無法達到預期的調度效果，在實際應用中5G網絡MIMO信道平均吞吐量、速率比較低，為此筆者提出面向5G網絡的多用戶MIMO調度方法。

1" 建立5G網絡MIMO信道模型

5G網絡主要是由基站、通信信號接收終端、天線組成，基站與通信信號接收終端之間由多根天線連接，由此構建5G網絡多用戶MIMO信道[1]。假設5G網絡只存在一個基站，即一個通信信號發射端，通信用戶以基站為中心均勻分布在基站的四周，5G網絡的總接收天線數量為

式中，表示通信系統中待調度的MIMO的用戶數量；表示用戶列表中第個用戶；表示用戶的接收天線數量[2]。通信用戶可以根據衡量MIMO信道狀態的信息估算出預編碼矩陣指示符和MIMO信道質量指示符，將其反饋給基站，基站根據反饋信息對MIMO資源調度，對被調度的通信用戶發射信號，并且進行預編碼，因此5G網絡MIMO信道數學模型可以表示為

式中，表示用戶接收的通信信號；表示5G基站的總功率；表示5G基站每根天線分配到的功率；表示5G基站到用戶終端之間的MIMO信道矩陣；表示5G基站的數字預編碼矩陣；表示5G基站的數字混合矩陣；表示5G網絡MIMO信道中的高斯白噪聲[3]。5G基站與信號接收端之間引入多根天線后，MIMO信道存在高斯白噪聲干擾，在只有滿足有利傳輸條件下，消除MIMO信道中的高斯白噪聲干擾，該條件可表示為

式中，表示5G網絡中MIMO信道數量；表示MIMO信道共軛轉置矩陣的行向量或者列向量函數；表示MIMO信道矩陣[4]。通過以上分析建立5G網絡MIMO信道數學模型，為多用戶MIMO調度策略執行提供主體。

2" 用戶分組

考慮到5G網絡MIMO上行鏈路中存在多個用戶，結合多用戶MIMO調度需求，此次采用5G網絡用戶分組調度技術，將用戶進行分組，確定用戶優先級，以此實現多用戶MIMO調度。通信用戶分組對于多用戶MIMO調度非常關鍵，為保證用戶分組的合理性，針對用戶分組提出以下假設。

假設1：5G用戶的信道條件存在差異，每個用戶被分配到的網絡帶寬資源依據用戶信道條件決定。

假設2：所有用戶分配到的網絡帶寬資源必須是連續的。

假設3：復用同一個網絡帶寬資源的用戶MIMO信道不能存在過高的相關性。

假設4：用戶MIMO調度必須遵循用戶的優先級順序[5]。

結合以上假設確定用戶MIMO調度的優先級：

式中，表示通信用戶對于MIMO調度的選擇優先級；表示待調度用戶組中帶寬資源數量；表示MIMO信道數量；表示用戶在待調度組別的MIMO信道矩陣[6]；表示通信用戶在待調度組中MIMO信道條件的優良情況。

利用式（4）確定當前用戶在MIMO信道通信的合適程度以及通信優先程度[7]。根據通信用戶對于MIMO調度的選擇優先級，對通信用戶排序，根據5G網絡實際情況確定MIMO調度候選組數量，以此確定MIMO通信候選組。

3" 多用戶MIMO調度

考慮到5G網絡實際情況[8]，兩個調度用戶MIMO信道相關性不能過高，即需要滿足上文提出的假設3，因此利用相關性矩陣計算出優先級第一的用戶MIMO信道與優先級第二的用戶MIMO信道之間的相關性，其計算公式為

式中，表示兩個相鄰優先級用戶、的MIMO信道的相關系數；表示通信用戶與所屬基站間的信道矩陣；表示通信用戶與所屬基站間的信道矩陣[9-10]。按照上述步驟依次對通信用戶MIMO進行調度，將其反應到構建的5G網絡MIMO信道模型中，執行調度策略，以此實現面向5G網絡的多用戶MIMO調度。

4" 實驗論證

4.1 實驗準備與設計

為了驗證本文提出的面向5G網絡的多用戶MIMO調度方法的可行性與可靠性，以某5G網絡為實驗對象，該5G網絡由一個基站和6副全向天線組成，包含800個5G用戶，基站的最大發射功率為25 W，多入多出（MIMO）信道噪聲系數為10 dB，對數正態陰影標準差為15.44 dB，信號接收天線與信號發送天線之間的信道為平坦瑞利衰落信道。利用本文中設計方法對該5G網絡的多用戶多入多出（MIMO）調度，為了保證實驗數據與實驗結果的可靠性與說明性，選擇兩種傳統方法作為對比，設計一組對比實驗，兩種傳統方法分別為文獻[1]提出的聯合天線選擇與用戶調度的大規模MIMO系統能效優化算法和文獻[2]提出的無人機輔助無蜂窩大規模MIMO中的空地協同調度方法，以下分別用傳統方法X與傳統方法Y表示。

4.2 實驗結果與討論

實驗以5G網絡平均吞吐量為三種方法性能評價指標，吞吐量可以反映5G網絡的吞吐功能，進而反映多用戶MIMO調度的合理性。以用戶數量為變量，使用電子表格記錄不同用戶數量下應用三種方法時5G網絡平均吞吐量，具體數據如表1所示。

從表1可知，在應用設計方法時5G網絡平均吞吐量更高，雖然三種方法平均吞吐量均隨著用戶數量的增加而不斷降低，但是設計方法平均吞吐量降低幅度比較小，并且當網絡用戶數量為800人時，5G網絡平均吞吐量為22.03 bps，而采用兩種傳統方法時平均吞吐量隨著用戶數量的增加而大幅度降低，當系統用戶數量為800人時，傳統方法X與傳統方法Y平均吞吐量分別為4.76 bps、5.25 bps，遠遠低于設計方法，說明設計方法多用戶MIMO調度更為合理。為了進一步驗證設計方法的適用性，對應用三種方法的5G網絡MIMO信道速率進行對比，速率可以反映出5G網絡MIMO信道傳輸速率性能，多用戶MIMO調度越協調，5G網絡MIMO信道速率越高。實驗以用戶端信噪比為變量，使用電子表格記錄不同用戶端信噪比情況下應用三種方法的5G網絡速率，具體數據如表2所示。

從表1中數據可以看出，在設計方法應用下，5G網絡速率相對較高，雖然應用三種方法時5G網絡速率均隨用戶端信噪比值的減小而不斷降低，但是設計方法降低比例比較小，當用戶端信噪比為2 dB時，應用設計方法的5G網絡速率為5.46 bps/s，比傳統方法X高3.01 bps/s，比傳統方法Y高3.02 bps/s。因此本次實驗證明，無論是在5G網絡吞吐量方面還是速率方面，設計方法均表現出明顯的優勢，相比較兩種傳統方法更適用于面向5G網絡的多用戶MIMO調度。

5" 結束語

MIMO調度是5G網絡運行中一個必不可少的環節，本文針對當前多用戶MIMO調度理論存在的不足，參考相關文獻資料，提出一個全新的調度思路，有效提高5G網絡MIMO信道吞吐量和速率，實現了對傳統方法的優化與創新。本次研究不僅可為面向5G網絡的多用戶MIMO調度提供參考依據，而且有助于提高多用戶MIMO調度技術水平。鑒于本文研究方法尚未得到大量實踐與應用，在某些方面可能存在缺陷，今后會在方法優化設計方面展開進一步研究，為面向5G網絡的多用戶MIMO調度提供有力的理論支撐。

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