[发明专利]基于动态多小区用户配对联合虚拟MIMO资源分配方法

摘要

本发明公开了一种基于动态多小区用户配对联合虚拟MIMO资源分配方法，主要解决现有技术无法动态调整系统多小区用户配对和资源分配造成频谱利用率低和通信质量差的问题。技术方案是：以资源分配约束矩阵、用户配对约束矩阵、小区分配约束矩阵和用户对容量向量为参数，构建多小区用户配对和资源分配的模型并求解，得到最优用户配对和资源分配结果向量；依结果向量和用户调制矩阵对每个用户携带的数据信息进行调制；调制后数据信息在用户分配到的资源块上发送给信号接收机。本发明能高效进行动态多用户配对和资源分配，在满足系统通信质量要求情况下实现了最大化通信系统频谱利用率。用于虚拟MIMO系统中的手机用户进行多小区用户配对和资源分配。

主权项

1.一种基于动态多小区用户配对的联合虚拟MIMO资源分配方法，其特征在于，包括有如下步骤，(1)基站获得基本参数基站获取当前时隙的待配对用户集合l、单个N_u小区待配对用户数N_u、小区数目L、资源块集合r、资源块个数N、接收天线数N_r以及各个用户到各小区基站的距离d；(2)构建资源分配约束矩阵根据资源块集合r和资源块个数N，形成可选资源块分配集合P，包括有如下步骤：2a)生成一个空的初始可选资源块分配集合P₀；2b)在资源块集合r＝{r₁,r₂,…,r_j,…,r_N},中选取1个资源块，将这个资源块的编号作为一个元素放入P₀中；2c)在资源块集合r中选取2个连续的资源块，将这2个连续资源块的2个编号作为一个元素放入P₀中；2d)在资源块集合r中选取3个连续的资源块，将这3个连续资源块的3个编号又作为一个元素放入P₀中，每次放入的元素相互独立存在，以此类推进行资源块选择；2e)在资源块集合r中选取N‑1个连续的资源块，将这N‑1个连续资源块的N‑1个编号作为一个元素放入P₀中；2f)在资源块集合r中选取N个连续的资源块，将这N个连续资源块的N个编号作为一个元素放入P₀中；2g)重复步骤2b)、2c)、2d)、2e)和2f)直到在资源块集合r包含所有可能的连续资源块且互相不重复的组合情况，将赋值后的初始可选资源块分配集合P₀作为可选资源块分配集合P；根据该可选资源块分配集合P，生成资源块分配模式矩阵T，包括有如下步骤：2h)生成一个N行，Z列，且元素均为0的初始资源块分配模式矩阵T₀，其中Z等于可选资源块分配集合P中元素的总个数；2i)判断可选资源块分配集合P中第q个元素中是否包含编号等于r_j的资源块，若是，则令T₀中第r_j行、第q列的元素等于1；否则，令其等于0；2j)将赋有元素值的初始资源块分配模式矩阵T₀作为最终的资源块分配模式矩阵，生成资源块分配模式矩阵T；得到资源分配约束矩阵：1_G和1_L表示单位向量，其中1_G为长度与可选用户对集合G的元素数目|G|相同的单位向量，1_L为长度与小区数目L相同的单位向量，表示求克罗内克积的运算；(3)构建用户配对约束矩阵根据待配对用户集合l和接收天线数N_r，生成可选用户对集合G,按如下步骤进行：3a)生成一个空的初始可选用户对集合集合G₀；3b)在待配对用户集合中选取1个用户，将这个用户的编号作为一个元素放入G₀中；3c)在待配对用户集合l中选取2个用户，将这2个用户的2个编号作为一个元素放入G₀中；3d)在待配对用户集合l中选取N_r‑1个用户，将这N_r‑1个用户的N_r‑1个编号作为一个元素放入G₀中；3e)在待配对用户集合l中选取N_r个用户，将这N_r个用户的N_r个编号作为一个元素放入G₀中；3f)重复步骤3b)、3c)、3d)和3e)直到在待配对用户集合l中选取N_r个用户，将赋值后的初始可选用户对集合G₀作为最终的可选用户对集合G；根据可选用户对集合G，生成用户配对模式矩阵B，包括有如下步骤：3g)生成一个L×N_u行、Na列，且元素均为0的初始用户配对模式矩阵B₀，其中，Na等于可选用户对集合G中元素的个数；3h)判断可选用户对集合G的第p个元素中是否包含编号等于l_i的用户，若是，则令用户配对模式矩阵B₀的第l_i行、第p列的元素等于1，否则，令其等于0；3i)将赋有元素值的初始用户配对模式矩阵B₀作为最终的用户配对模式矩阵，生成用户配对模式矩阵B；得到用户配对约束矩阵：1_L和1_P表示单位向量，其中1_L为长度与小区数目L相同的单位向量，1_P为长度与单小区待配对用户数N_u相同的单位向量；(4)构建小区分配约束矩阵根据得到的资源块分配集合P，用户对集合G，小区数目L，得到小区分配约束矩阵：其中1_L表示长度与小区数目L相同，I_L是单位矩阵，1_P×G表示长度为P×|G|的单位向量；(5)计算衰减因子，生成用户调制阶数矩阵和用户对容量矩阵β是指将路径损耗和阴影衰落所造成的干扰因素，根据各个用户到各小区基站的距离，计算出各个用户到各小区基站的相对衰减因子，具体是，β是指将路径损耗和阴影衰落所造成的干扰因素，也即衰减因子：d_k,i,j是小区k中第i个用户终端到小区j基站的距离，是分布在各个小区的所有用户到本小区基站的平均距离；γ是衰减指数，这里一般取值为2；z是对数正态随机变量，也就是说10log₁₀z的值服从于均值为0，标准差为σ_shad＝8dB的高斯分布，H_i,j,h表示在不考虑衰减的情况下，第i个用户对到第j个基站在第h个资源块上的信道增益，当考虑衰减因子β_k,i,j的情况下，可得到新的信道增益矩阵再根据小区数目L迭代生成大小为N*L*N_u行，Na列的用户调制阶数矩阵M，及大小是N行、Na列的用户对无衰减容量矩阵ψ，按如下步骤进行：5a)令i＝1，h＝1，生成一个大小为N*L*Nu行，Na列，且元素均等于0的初始用户调制阶数矩阵M₀；同时生成一个大小为N行、Na列，且元素均等于0的初始用户对容量矩阵ψ₀；5b)令g＝1，g表示所需要计算的用户容量中的用户个数，g最大不超过接收天线数N_r，从可选用户对集合G中选择第i个用户对；5c)按照下式，计算在第h个资源块上，第i个用户对中的第q个用户的信干噪比的值SINR_i,q,h：其中，E_q表示第q个用户的发射功率，σ²表示当前时隙的信道噪声功率，ζi,j,h表示第i个用户对到第j个基站在第h个资源块上的信道矩阵，I_n表示大小为n行、n列的单位矩阵，n表示第i个用户对包含的用户个数，(·)^H表示厄米转置操作，(·)^‑1表示取逆操作，[·]_q,q表示矩阵第q行、第q列的元素；5d)在给定误比特率门限值b的情况下，按照下式，计算第i个用户对中第q个用户在第h个资源块上的调制阶数并将该放入矩阵M₀的第(h‑1)*Nu+p_q行、第v₁列，其中，v₁数值上等于i，p_q表示第q个用户的编号；其中，b是预设的系统误比特率门限值，floor(·)表示向下取整操作，log₂(·)表示取以2为底的对数操作，ln(·)表示取自然对数操作；5e)判断g是否等于第i个用户对中包含的用户的个数n，若是，执行5f)，否则，令g＝g+1，返回5c)；5f)判断第i个用户对中每个用户的调制阶数是否均不等于0，若是，则将第i个用户对中所有用户的调制阶数相加，得到第i个用户对的容量；否则，令第i个用户对的容量等于0；再将得到的第i个用户对的容量值放入矩阵ψ₀的第v₂行、第v₃列，其中，v₂数值上等于h，v₃数值上等于g，执行5g)；5g)判断u是否等于可选用户对集合G中元素的个数Na，若是，则执行5h)；否则，令g＝g+1，返回5b)；5h)判断h是否等于N，若是，则将赋有元素值的初始用户调制阶数矩阵M₀作为最终的用户调制阶数矩阵M，并将赋有元素值的初始用户容量矩阵ψ₀作为最终的用户容量矩阵ψ，结束；否则，令h＝h+1，g＝1，返回5b)，其中，h表示参与计算的资源块，N是资源块的总数；其中，Na数值上等于可选用户对集合G中的元素个数，然后，由衰减因子β和用户对无衰减容量矩阵ψ得到实际用户对容量矩阵ζ；(6)计算用户容量向量根据资源块分配模式矩阵T和用户对容量矩阵ψ，采用信道容量计算得到容量向量η,按如下步骤进行：6a)令τ＝1、并生成长度为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)将用户容量矩阵ψ的第τ列数据转置后得到的行向量与资源分配矩阵T的第列数据相乘，并将该乘积赋给初始容量向量η₀中的第个元素；6c)判断τ是否等于Na，若是，则执行6d)；否则，则令τ＝τ+1，返回6b)；6d)判断是否等于Z，若是，则将赋值后的初始容量向量η₀作为用户容量向量η；否则，令τ＝1，返回6b)；(7)构造及求解动态多小区用户配对联合虚拟MIMO资源分配模型(7.1)构造动态多小区用户配对联合虚拟MIMO资源分配模型以资源分配约束矩阵C1、用户配对约束矩阵C2、小区分配约束矩阵C3和容量向量η为参数，构建用户配对和资源分配模型，实现在用户数目，资源块数目，小区数目三者共同约束的最大系统容量；s.t.C1x≤1_NC3x≤1_L其中，x表示用户配对，资源分配和小区分配的指示向量，η^Tx表示系统容量值，1_N表示长度是N且元素全部等于1的向量，表示长度是N_u且元素全部等于1的向量，1_L表示长度是L且元素全部等于1的向量,(·)^T表示转置操作，表示求出使得括号内的值最大的x的操作；(7.2)求解动态多小区用户配对联合虚拟MIMO资源分配模型利用商用软件MATLAB求解动态多小区用户配对联合虚拟MIMO资源分配模型，是根据x得到用户配对和资源分配的结果向量U，包括有如下步骤：7.2a)令α＝1，并生成一个长度为Nr*N，且元素全部等于0的初始结果向量U₀；7.2b)确定x中第α个等于1的元素的位置值，用该位置值除以可选用户对集合G中元素的个数Na，得到商c1以及余数c2；7.2c)根据余数c2，找到用户配对模式矩阵B的与余数c2数值相同的列，得到该列中所有等于1的元素的行号，再将这些行号按从小到大的顺序排列，若这些行号的个数不够Nr个，则在这些行号后补零，得到用户对向量7.2d)对商c1做向上取整操作得到c3，找到资源分配模式矩阵T的与c3数值相同的列，得到该列中所有等于1的元素的行号，将这些行号按从小到大的顺序排列组成向量其中y_j表示第个等于1的元素的行号，7.2e)令将用户对向量中的元素分别存入初始结果向量U₀的第到个元素中；7.2f)判断是否等于N，若是，则执行7.2g)；否则，令并返回7.2e)；7.2g)判断α是否等于x中大小等于1的元素的个数，若是，则将赋值后的初始结果向量U₀作为最终的用户配对，资源分配和小区分配结果向量U；否则，令α＝α+1，返回7.2b)再次进行选择以确定用户和资源块；求解出用户配对，资源分配和小区分配的指示向量x，指示向量x携带有多小区动态用户所需要服务的数据信息；(8)对用户携带的多小区动态用户所需要服务的数据信息进行调制根据具体的用户配对，资源分配和小区分配的数据结果向量U和的用户调制阶数矩阵M，对每个用户携带的数据信息进行调制，按如下步骤进行：8a)令δ＝1，δ表示选择的资源块；8b)取出用户配对和资源分配的结果向量U的第(δ‑1)*Nr+1到(δ‑1)*Nr+Nr个元素中不等于0的元素，并设这些不等于0的元素为u₁,u₂,…,u_γ,…,u_d，其中，u_γ表示用户配对和资源分配的结果向量U的第(δ‑1)*Nr+1到(δ‑1)*Nr+Nr个元素中第γ个不等于0的元素，γ∈[1,d]，d等于用户配对和资源分配的结果向量U的第(δ‑1)*Nr+1到(δ‑1)*Nr+Nr个元素中不等于0的元素的总个数；8c)根据不等于0的元素u₁,u₂,…,u_γ,…,u_d，按照下式，计算用户对的编号w：其中，C表示取组合数操作；8d)令γ＝1，γ表示不为0的元素；8e)取用户调制阶数矩阵M中的第(δ‑1)*Nu+u_γ行、第列的元素m_γ作为编号等于u_γ的用户的最佳调制阶数，对编号等于u_j的用户携带的数据信息进行m_γ阶的正交幅度调制，其中数值上等于用户对的编号w；8f)判断γ是否等于d，若是，则执行8g)，否则，令γ＝γ+1，返回8g)；8g)判断δ是否等于N，若是，则结束循环；否则，令δ＝δ+1，返回8b)；以上操作，完成了对选择的用户携带的数据进行调制，得到各用户最佳调制阶数，以保证系统容量最大，完成本时隙用户流的用户配对，资源分配和小区分配；(9)继续进行下一时隙的调度分配判断是否存在下一时隙的用户流，若是，选择下一时隙的用户流，返回步骤(1)继续进行；否则，完成所有用户流的用户配对，资源分配和小区分配。