[發明專利]基于動態多小區用戶配對聯合虛擬MIMO資源分配方法

有效

• 申請號: 201611065970.5
• 申請日: 2016-11-28
• 公開（公告）號: CN106793111B
• 公開（公告）日: 2019-10-08
• 發明（設計）人: 盧小峰;范寧;郭惠;李文娜;練秈汛;李凱
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H04W72/04
• 分類號: H04W72/04;H04B7/0413
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 程曉霞;王品華

1.一種基于動態多小區用戶配對的聯合虛擬MIMO資源分配方法，其特征在于，包括有如下步驟，

(1)基站獲得基本參數

基站獲取當前時隙的待配對用戶集合l、單個N_u小區待配對用戶數N_u、小區數目L、資源塊集合r、資源塊個數N、接收天線數N_r以及各個用戶到各小區基站的距離d；

(2)構建資源分配約束矩陣

根據資源塊集合r和資源塊個數N，形成可選資源塊分配集合P，包括有如下步驟：

2a)生成一個空的初始可選資源塊分配集合P₀；

2b)在資源塊集合r＝{r₁,r₂,…,r_j,…,r_N},中選取1個資源塊，將這個資源塊的編號作為一個元素放入P₀中；

2c)在資源塊集合r中選取2個連續的資源塊，將這2個連續資源塊的2個編號作為一個元素放入P₀中；

2d)在資源塊集合r中選取3個連續的資源塊，將這3個連續資源塊的3個編號又作為一個元素放入P₀中，每次放入的元素相互獨立存在，以此類推進行資源塊選擇；

2e)在資源塊集合r中選取N-1個連續的資源塊，將這N-1個連續資源塊的N-1個編號作為一個元素放入P₀中；

2f)在資源塊集合r中選取N個連續的資源塊，將這N個連續資源塊的N個編號作為一個元素放入P₀中；

2g)重復步驟2b)、2c)、2d)、2e)和2f)直到在資源塊集合r包含所有可能的連續資源塊且互相不重復的組合情況，將賦值后的初始可選資源塊分配集合P₀作為可選資源塊分配集合P；

根據該可選資源塊分配集合P，生成資源塊分配模式矩陣T，包括有如下步驟：

2h)生成一個N行，Z列，且元素均為0的初始資源塊分配模式矩陣T₀，其中Z等于可選資源塊分配集合P中元素的總個數；

2i)判斷可選資源塊分配集合P中第q個元素中是否包含編號等于r_j的資源塊，若是，則令T₀中第r_j行、第q列的元素等于1；否則，令其等于0；

2j)將賦有元素值的初始資源塊分配模式矩陣T₀作為最終的資源塊分配模式矩陣，生成資源塊分配模式矩陣T；

得到資源分配約束矩陣：1_G和1_L表示單位向量，其中1_G為長度與可選用戶對集合G的元素數目|G|相同的單位向量，1_L為長度與小區數目L相同的單位向量，表示求克羅內克積的運算；

(3)構建用戶配對約束矩陣

根據待配對用戶集合l和接收天線數N_r，生成可選用戶對集合G,按如下步驟進行：

3a)生成一個空的初始可選用戶對集合集合G₀；

3b)在待配對用戶集合中選取1個用戶，將這個用戶的編號作為一個元素放入G₀中；

3c)在待配對用戶集合l中選取2個用戶，將這2個用戶的2個編號作為一個元素放入G₀中；

3d)在待配對用戶集合l中選取N_r-1個用戶，將這N_r-1個用戶的N_r-1個編號作為一個元素放入G₀中；

3e)在待配對用戶集合l中選取N_r個用戶，將這N_r個用戶的N_r個編號作為一個元素放入G₀中；

3f)重復步驟3b)、3c)、3d)和3e)直到在待配對用戶集合l中選取N_r個用戶，將賦值后的初始可選用戶對集合G₀作為最終的可選用戶對集合G；

根據可選用戶對集合G，生成用戶配對模式矩陣B，包括有如下步驟：

3g)生成一個L×N_u行、Na列，且元素均為0的初始用戶配對模式矩陣B₀，其中，Na等于可選用戶對集合G中元素的個數；

3h)判斷可選用戶對集合G的第p個元素中是否包含編號等于l_i的用戶，若是，則令用戶配對模式矩陣B₀的第l_i行、第p列的元素等于1，否則，令其等于0；

3i)將賦有元素值的初始用戶配對模式矩陣B₀作為最終的用戶配對模式矩陣，生成用戶配對模式矩陣B；

得到用戶配對約束矩陣：1_L和1_P表示單位向量，其中1_L為長度與小區數目L相同的單位向量，1_P為長度與單小區待配對用戶數N_u相同的單位向量；

(4)構建小區分配約束矩陣

根據得到的資源塊分配集合P，用戶對集合G，小區數目L，得到小區分配約束矩陣：其中1_L表示長度與小區數目L相同，I_L是單位矩陣，1_P×G表示長度為P×|G|的單位向量；

(5)計算衰減因子，生成用戶調制階數矩陣和用戶對容量矩陣

β是指將路徑損耗和陰影衰落所造成的干擾因素，根據各個用戶到各小區基站的距離，計算出各個用戶到各小區基站的相對衰減因子，具體是，β是指將路徑損耗和陰影衰落所造成的干擾因素，也即衰減因子：

d_k,i,j是小區k中第i個用戶終端到小區j基站的距離，是分布在各個小區的所有用戶到本小區基站的平均距離；γ是衰減指數，這里一般取值為2；z是對數正態隨機變量，也就是說10log₁₀z的值服從于均值為0，標準差為σ_shad＝8dB的高斯分布，H_i,j,h表示在不考慮衰減的情況下，第i個用戶對到第j個基站在第h個資源塊上的信道增益，當考慮衰減因子β_k,i,j的情況下，可得到新的信道增益矩陣

再根據小區數目L迭代生成大小為N*L*N_u行，Na列的用戶調制階數矩陣M，及大小是N行、Na列的用戶對無衰減容量矩陣ψ，按如下步驟進行：

5a)令i＝1，h＝1，生成一個大小為N*L*Nu行，Na列，且元素均等于0的初始用戶調制階數矩陣M₀；同時生成一個大小為N行、Na列，且元素均等于0的初始用戶對容量矩陣ψ₀；

5b)令g＝1，g表示所需要計算的用戶容量中的用戶個數，g最大不超過接收天線數N_r，從可選用戶對集合G中選擇第i個用戶對；

5c)按照下式，計算在第h個資源塊上，第i個用戶對中的第q個用戶的信干噪比的值SINR_i,q,h：

其中，E_q表示第q個用戶的發射功率，σ²表示當前時隙的信道噪聲功率，ζi,j,h表示第i個用戶對到第j個基站在第h個資源塊上的信道矩陣，I_n表示大小為n行、n列的單位矩陣，n表示第i個用戶對包含的用戶個數，(·)^H表示厄米轉置操作，(·)^-1表示取逆操作，[·]_q,q表示矩陣第q行、第q列的元素；

5d)在給定誤比特率門限值b的情況下，按照下式，計算第i個用戶對中第q個用戶在第h個資源塊上的調制階數并將該放入矩陣M₀的第(h-1)*Nu+p_q行、第v₁列，其中，v₁數值上等于i，p_q表示第q個用戶的編號；

其中，b是預設的系統誤比特率門限值，floor(·)表示向下取整操作，log₂(·)表示取以2為底的對數操作，ln(·)表示取自然對數操作；

5e)判斷g是否等于第i個用戶對中包含的用戶的個數n，若是，執行5f)，否則，令g＝g+1，返回5c)；

5f)判斷第i個用戶對中每個用戶的調制階數是否均不等于0，若是，則將第i個用戶對中所有用戶的調制階數相加，得到第i個用戶對的容量；否則，令第i個用戶對的容量等于0；再將得到的第i個用戶對的容量值放入矩陣ψ₀的第v₂行、第v₃列，其中，v₂數值上等于h，v₃數值上等于g，執行5g)；

5g)判斷u是否等于可選用戶對集合G中元素的個數Na，若是，則執行5h)；否則，令g＝g+1，返回5b)；

5h)判斷h是否等于N，若是，則將賦有元素值的初始用戶調制階數矩陣M₀作為最終的用戶調制階數矩陣M，并將賦有元素值的初始用戶容量矩陣ψ₀作為最終的用戶容量矩陣ψ，結束；否則，令h＝h+1，g＝1，返回5b)，其中，h表示參與計算的資源塊，N是資源塊的總數；

其中，Na數值上等于可選用戶對集合G中的元素個數，然后，由衰減因子β和用戶對無衰減容量矩陣ψ得到實際用戶對容量矩陣ζ；

(6)計算用戶容量向量

根據資源塊分配模式矩陣T和用戶對容量矩陣ψ，采用信道容量計算得到容量向量η,按如下步驟進行：

6a)令τ＝1、并生成長度為Na*Z，元素全部等于0的初始容量向量η₀，其中τ，表示容量向量η₀的行和列；

6b)將用戶容量矩陣ψ的第τ列數據轉置后得到的行向量與資源分配矩陣T的第列數據相乘，并將該乘積賦給初始容量向量η₀中的第個元素；

6c)判斷τ是否等于Na，若是，則執行6d)；否則，則令τ＝τ+1，返回6b)；

6d)判斷是否等于Z，若是，則將賦值后的初始容量向量η₀作為用戶容量向量η；否則，令τ＝1，返回6b)；

(7)構造及求解動態多小區用戶配對聯合虛擬MIMO資源分配模型

(7.1)構造動態多小區用戶配對聯合虛擬MIMO資源分配模型

以資源分配約束矩陣C1、用戶配對約束矩陣C2、小區分配約束矩陣C3和容量向量η為參數，構建用戶配對和資源分配模型，實現在用戶數目，資源塊數目，小區數目三者共同約束的最大系統容量；

s.t.C1x≤1_N

C3x≤1_L

其中，x表示用戶配對，資源分配和小區分配的指示向量，η^Tx表示系統容量值，1_N表示長度是N且元素全部等于1的向量，表示長度是N_u且元素全部等于1的向量，1_L表示長度是L且元素全部等于1的向量,(·)^T表示轉置操作，表示求出使得括號內的值最大的x的操作；

(7.2)求解動態多小區用戶配對聯合虛擬MIMO資源分配模型利用商用軟件MATLAB求解動態多小區用戶配對聯合虛擬MIMO資源分配模型，是根據x得到用戶配對和資源分配的結果向量U，包括有如下步驟：

7.2a)令α＝1，并生成一個長度為Nr*N，且元素全部等于0的初始結果向量U₀；

7.2b)確定x中第α個等于1的元素的位置值，用該位置值除以可選用戶對集合G中元素的個數Na，得到商c1以及余數c2；

7.2c)根據余數c2，找到用戶配對模式矩陣B的與余數c2數值相同的列，得到該列中所有等于1的元素的行號，再將這些行號按從小到大的順序排列，若這些行號的個數不夠Nr個，則在這些行號后補零，得到用戶對向量

7.2d)對商c1做向上取整操作得到c3，找到資源分配模式矩陣T的與c3數值相同的列，得到該列中所有等于1的元素的行號，將這些行號按從小到大的順序排列組成向量其中y_j表示第個等于1的元素的行號，

7.2e)令將用戶對向量中的元素分別存入初始結果向量U₀的第到個元素中；

7.2f)判斷是否等于N，若是，則執行7.2g)；否則，令并返回7.2e)；

7.2g)判斷α是否等于x中大小等于1的元素的個數，若是，則將賦值后的初始結果向量U₀作為最終的用戶配對，資源分配和小區分配結果向量U；否則，令α＝α+1，返回7.2b)再次進行選擇以確定用戶和資源塊；

求解出用戶配對，資源分配和小區分配的指示向量x，指示向量x攜帶有多小區動態用戶所需要服務的數據信息；

(8)對用戶攜帶的多小區動態用戶所需要服務的數據信息進行調制根據具體的用戶配對，資源分配和小區分配的數據結果向量U和的用戶調制階數矩陣M，對每個用戶攜帶的數據信息進行調制，按如下步驟進行：

8a)令δ＝1，δ表示選擇的資源塊；

8b)取出用戶配對和資源分配的結果向量U的第(δ-1)*Nr+1到(δ-1)*Nr+Nr個元素中不等于0的元素，并設這些不等于0的元素為u₁,u₂,…,u_γ,…,u_d，其中，u_γ表示用戶配對和資源分配的結果向量U的第(δ-1)*Nr+1到(δ-1)*Nr+Nr個元素中第γ個不等于0的元素，γ∈[1,d]，d等于用戶配對和資源分配的結果向量U的第(δ-1)*Nr+1到(δ-1)*Nr+Nr個元素中不等于0的元素的總個數；

8c)根據不等于0的元素u₁,u₂,…,u_γ,…,u_d，按照下式，計算用戶對的編號w：

其中，C表示取組合數操作；

8d)令γ＝1，γ表示不為0的元素；

8e)取用戶調制階數矩陣M中的第(δ-1)*Nu+u_γ行、第列的元素m_γ作為編號等于u_γ的用戶的最佳調制階數，對編號等于u_j的用戶攜帶的數據信息進行m_γ階的正交幅度調制，其中數值上等于用戶對的編號w；

8f)判斷γ是否等于d，若是，則執行8g)，否則，令γ＝γ+1，返回8g)；

8g)判斷δ是否等于N，若是，則結束循環；否則，令δ＝δ+1，返回8b)；

以上操作，完成了對選擇的用戶攜帶的數據進行調制，得到各用戶最佳調制階數，以保證系統容量最大，完成本時隙用戶流的用戶配對，資源分配和小區分配；

(9)繼續進行下一時隙的調度分配

判斷是否存在下一時隙的用戶流，若是，選擇下一時隙的用戶流，返回步驟(1)繼續進行；否則，完成所有用戶流的用戶配對，資源分配和小區分配。

2.根據權利要求1所述的基于動態多小區用戶配對的聯合虛擬MIMO資源分配方法，其特征在于，步驟(4)中所述的構建小區分配約束矩陣是根據資源塊分配集合P，用戶對集合G，小區數目L，得到小區分配約束矩陣：將維度是P×|G|的單小區用戶配對及資源分配聯合矩陣進行多小區復制，即進行克羅內克積運算，得到多小區下，用戶配對及資源分配矩陣。