摘要：多用戶MIMO調(diào)度方法無(wú)法達(dá)到預(yù)期的調(diào)度效果，為此，文章提出面向5G網(wǎng)絡(luò)的多用戶MIMO調(diào)度方法。建立5G網(wǎng)絡(luò)MIMO信道模型，根據(jù)用戶調(diào)度優(yōu)先級(jí)對(duì)用戶分組，根據(jù)用戶信道之間的相關(guān)性，確定調(diào)度候選組中的用戶調(diào)度順序，以此完成面向5G網(wǎng)絡(luò)的多用戶MIMO調(diào)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用此方法5G網(wǎng)絡(luò)MIMO信道平均吞吐量、速率均有明顯的提升，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：5G網(wǎng)絡(luò)；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(hào)：TP 919.72" " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)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(wǎng)絡(luò)的通信流暢性更高、通信速率更快、通信距離更遠(yuǎn)，能夠?yàn)橛脩籼峁└玫耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為用戶帶來(lái)更加流暢的通信體驗(yàn)。除此之外，5G網(wǎng)絡(luò)支持多種連接方式，包括無(wú)線連接、衛(wèi)星連接和光纖連接等，能夠?qū)崿F(xiàn)更廣泛的覆蓋和更靈活的部署。若想實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)資源利用率最大化，需要對(duì)多用戶MIMO資源進(jìn)行合理調(diào)度，以此保證5G網(wǎng)絡(luò)功能得到有效的發(fā)揮。然而，在多用戶場(chǎng)景下，由于用戶之間的相互干擾，使得MIMO系統(tǒng)的調(diào)度問(wèn)題變得更加復(fù)雜，現(xiàn)行調(diào)度方法無(wú)法達(dá)到預(yù)期的調(diào)度效果，在實(shí)際應(yīng)用中5G網(wǎng)絡(luò)MIMO信道平均吞吐量、速率比較低，為此筆者提出面向5G網(wǎng)絡(luò)的多用戶MIMO調(diào)度方法。

1" 建立5G網(wǎng)絡(luò)MIMO信道模型

5G網(wǎng)絡(luò)主要是由基站、通信信號(hào)接收終端、天線組成，基站與通信信號(hào)接收終端之間由多根天線連接，由此構(gòu)建5G網(wǎng)絡(luò)多用戶MIMO信道[1]。假設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)只存在一個(gè)基站，即一個(gè)通信信號(hào)發(fā)射端，通信用戶以基站為中心均勻分布在基站的四周，5G網(wǎng)絡(luò)的總接收天線數(shù)量為

式中，表示通信系統(tǒng)中待調(diào)度的MIMO的用戶數(shù)量；表示用戶列表中第個(gè)用戶；表示用戶的接收天線數(shù)量[2]。通信用戶可以根據(jù)衡量MIMO信道狀態(tài)的信息估算出預(yù)編碼矩陣指示符和MIMO信道質(zhì)量指示符，將其反饋給基站，基站根據(jù)反饋信息對(duì)MIMO資源調(diào)度，對(duì)被調(diào)度的通信用戶發(fā)射信號(hào)，并且進(jìn)行預(yù)編碼，因此5G網(wǎng)絡(luò)MIMO信道數(shù)學(xué)模型可以表示為

式中，表示用戶接收的通信信號(hào)；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(shù)字預(yù)編碼矩陣；表示5G基站的數(shù)字混合矩陣；表示5G網(wǎng)絡(luò)MIMO信道中的高斯白噪聲[3]。5G基站與信號(hào)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(wǎng)絡(luò)中MIMO信道數(shù)量；表示MIMO信道共軛轉(zhuǎn)置矩陣的行向量或者列向量函數(shù)；表示MIMO信道矩陣[4]。通過(guò)以上分析建立5G網(wǎng)絡(luò)MIMO信道數(shù)學(xué)模型，為多用戶MIMO調(diào)度策略執(zhí)行提供主體。

2" 用戶分組

考慮到5G網(wǎng)絡(luò)MIMO上行鏈路中存在多個(gè)用戶，結(jié)合多用戶MIMO調(diào)度需求，此次采用5G網(wǎng)絡(luò)用戶分組調(diào)度技術(shù)，將用戶進(jìn)行分組，確定用戶優(yōu)先級(jí)，以此實(shí)現(xiàn)多用戶MIMO調(diào)度。通信用戶分組對(duì)于多用戶MIMO調(diào)度非常關(guān)鍵，為保證用戶分組的合理性，針對(duì)用戶分組提出以下假設(shè)。

假設(shè)1：5G用戶的信道條件存在差異，每個(gè)用戶被分配到的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源依據(jù)用戶信道條件決定。

假設(shè)2：所有用戶分配到的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源必須是連續(xù)的。

假設(shè)3：復(fù)用同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的用戶MIMO信道不能存在過(guò)高的相關(guān)性。

假設(shè)4：用戶MIMO調(diào)度必須遵循用戶的優(yōu)先級(jí)順序[5]。

結(jié)合以上假設(shè)確定用戶MIMO調(diào)度的優(yōu)先級(jí)：

式中，表示通信用戶對(duì)于MIMO調(diào)度的選擇優(yōu)先級(jí)；表示待調(diào)度用戶組中帶寬資源數(shù)量；表示MIMO信道數(shù)量；表示用戶在待調(diào)度組別的MIMO信道矩陣[6]；表示通信用戶在待調(diào)度組中MIMO信道條件的優(yōu)良情況。

利用式（4）確定當(dāng)前用戶在MIMO信道通信的合適程度以及通信優(yōu)先程度[7]。根據(jù)通信用戶對(duì)于MIMO調(diào)度的選擇優(yōu)先級(jí)，對(duì)通信用戶排序，根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況確定MIMO調(diào)度候選組數(shù)量，以此確定MIMO通信候選組。

3" 多用戶MIMO調(diào)度

考慮到5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況[8]，兩個(gè)調(diào)度用戶MIMO信道相關(guān)性不能過(guò)高，即需要滿足上文提出的假設(shè)3，因此利用相關(guān)性矩陣計(jì)算出優(yōu)先級(jí)第一的用戶MIMO信道與優(yōu)先級(jí)第二的用戶MIMO信道之間的相關(guān)性，其計(jì)算公式為

式中，表示兩個(gè)相鄰優(yōu)先級(jí)用戶、的MIMO信道的相關(guān)系數(shù)；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(duì)通信用戶MIMO進(jìn)行調(diào)度，將其反應(yīng)到構(gòu)建的5G網(wǎng)絡(luò)MIMO信道模型中，執(zhí)行調(diào)度策略，以此實(shí)現(xiàn)面向5G網(wǎng)絡(luò)的多用戶MIMO調(diào)度。

4" 實(shí)驗(yàn)論證

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證本文提出的面向5G網(wǎng)絡(luò)的多用戶MIMO調(diào)度方法的可行性與可靠性，以某5G網(wǎng)絡(luò)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該5G網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)基站和6副全向天線組成，包含800個(gè)5G用戶，基站的最大發(fā)射功率為25 W，多入多出（MIMO）信道噪聲系數(shù)為10 dB，對(duì)數(shù)正態(tài)陰影標(biāo)準(zhǔn)差為15.44 dB，信號(hào)接收天線與信號(hào)發(fā)送天線之間的信道為平坦瑞利衰落信道。利用本文中設(shè)計(jì)方法對(duì)該5G網(wǎng)絡(luò)的多用戶多入多出（MIMO）調(diào)度，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性與說(shuō)明性，選擇兩種傳統(tǒng)方法作為對(duì)比，設(shè)計(jì)一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，兩種傳統(tǒng)方法分別為文獻(xiàn)[1]提出的聯(lián)合天線選擇與用戶調(diào)度的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)能效優(yōu)化算法和文獻(xiàn)[2]提出的無(wú)人機(jī)輔助無(wú)蜂窩大規(guī)模MIMO中的空地協(xié)同調(diào)度方法，以下分別用傳統(tǒng)方法X與傳統(tǒng)方法Y表示。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)以5G網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量為三種方法性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，吞吐量可以反映5G網(wǎng)絡(luò)的吞吐功能，進(jìn)而反映多用戶MIMO調(diào)度的合理性。以用戶數(shù)量為變量，使用電子表格記錄不同用戶數(shù)量下應(yīng)用三種方法時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可知，在應(yīng)用設(shè)計(jì)方法時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量更高，雖然三種方法平均吞吐量均隨著用戶數(shù)量的增加而不斷降低，但是設(shè)計(jì)方法平均吞吐量降低幅度比較小，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量為800人時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量為22.03 bps，而采用兩種傳統(tǒng)方法時(shí)平均吞吐量隨著用戶數(shù)量的增加而大幅度降低，當(dāng)系統(tǒng)用戶數(shù)量為800人時(shí)，傳統(tǒng)方法X與傳統(tǒng)方法Y平均吞吐量分別為4.76 bps、5.25 bps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)方法，說(shuō)明設(shè)計(jì)方法多用戶MIMO調(diào)度更為合理。為了進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的適用性，對(duì)應(yīng)用三種方法的5G網(wǎng)絡(luò)MIMO信道速率進(jìn)行對(duì)比，速率可以反映出5G網(wǎng)絡(luò)MIMO信道傳輸速率性能，多用戶MIMO調(diào)度越協(xié)調(diào)，5G網(wǎng)絡(luò)MIMO信道速率越高。實(shí)驗(yàn)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(yīng)用三種方法的5G網(wǎng)絡(luò)速率，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，在設(shè)計(jì)方法應(yīng)用下，5G網(wǎng)絡(luò)速率相對(duì)較高，雖然應(yīng)用三種方法時(shí)5G網(wǎng)絡(luò)速率均隨用戶端信噪比值的減小而不斷降低，但是設(shè)計(jì)方法降低比例比較小，當(dāng)用戶端信噪比為2 dB時(shí)，應(yīng)用設(shè)計(jì)方法的5G網(wǎng)絡(luò)速率為5.46 bps/s，比傳統(tǒng)方法X高3.01 bps/s，比傳統(tǒng)方法Y高3.02 bps/s。因此本次實(shí)驗(yàn)證明，無(wú)論是在5G網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面還是速率方面，設(shè)計(jì)方法均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，相比較兩種傳統(tǒng)方法更適用于面向5G網(wǎng)絡(luò)的多用戶MIMO調(diào)度。

5" 結(jié)束語(yǔ)

MIMO調(diào)度是5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，本文針對(duì)當(dāng)前多用戶MIMO調(diào)度理論存在的不足，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，提出一個(gè)全新的調(diào)度思路，有效提高5G網(wǎng)絡(luò)MIMO信道吞吐量和速率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)方法的優(yōu)化與創(chuàng)新。本次研究不僅可為面向5G網(wǎng)絡(luò)的多用戶MIMO調(diào)度提供參考依據(jù)，而且有助于提高多用戶MIMO調(diào)度技術(shù)水平。鑒于本文研究方法尚未得到大量實(shí)踐與應(yīng)用，在某些方面可能存在缺陷，今后會(huì)在方法優(yōu)化設(shè)計(jì)方面展開進(jìn)一步研究，為面向5G網(wǎng)絡(luò)的多用戶MIMO調(diào)度提供有力的理論支撐。

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