一種基于分組匹配的天線與功率聯(lián)合分配算法
【專利摘要】本發(fā)明一種基于分組匹配的天線與功率聯(lián)合分配算法，屬于移動(dòng)通信領(lǐng)域，步驟如下：首先，搭建MIMO中繼網(wǎng)絡(luò)的仿真場景；每個(gè)發(fā)送用戶將信道狀態(tài)信息發(fā)送給基站，形成信道狀態(tài)矩陣；然后，基站設(shè)定門限并對(duì)發(fā)送用戶進(jìn)行分組，以組為單位，對(duì)每組中發(fā)送天線的功率進(jìn)行調(diào)整分配，并廣播給發(fā)送用戶；最后，基站以接收用戶的分組為單位，對(duì)每組中所有基站天線的功率進(jìn)行調(diào)整分配，由基站內(nèi)部天線按調(diào)整后的功率值，將發(fā)送用戶的數(shù)據(jù)發(fā)射給接收用戶，通訊過程結(jié)束。優(yōu)點(diǎn)在于：將分組匹配算法引入到中繼系統(tǒng)資源分配中，降低了系統(tǒng)資源分配的復(fù)雜度，節(jié)約了計(jì)算時(shí)間，保證用戶系統(tǒng)QoS需求同時(shí)使系統(tǒng)頻譜效率最大。
【專利說明】
-種基于分組匹配的天線與功率聯(lián)合分配算法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于移動(dòng)通信領(lǐng)域，具體是一種基于分組匹配的天線與功率聯(lián)合分配算 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 21世紀(jì)W來，全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)日新月異，高速通信技術(shù)逐漸應(yīng)用于社 會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。信息時(shí)代對(duì)未來通信的要求集中體現(xiàn)在:高可靠性、高能效、低時(shí)延與 高質(zhì)量。目前的第Ξ代及第四代移動(dòng)通信技術(shù)部分實(shí)現(xiàn)了上述要求，同時(shí)也犧牲了一些其 他方面的性能。在通信業(yè)高速發(fā)展的今天，運(yùn)些技術(shù)已不能滿足用戶的需求;如何有效處理 海量信息、并及時(shí)高效地傳輸運(yùn)些信息W滿足用戶對(duì)通信服務(wù)質(zhì)量的高要求，已經(jīng)成為了 下一代通信技術(shù)關(guān)注的重點(diǎn)。
[0003] 第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5th Gneration Mobile Telecommunication,5G)，W大規(guī) 模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，為用 戶帶來吉比特每秒(Gigabit per second,Gbps)級(jí)別速率體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)高可靠性、高能效、低 時(shí)延與高質(zhì)量通信的新一代移動(dòng)通信技術(shù)。
[0004] 在5G的關(guān)鍵技術(shù)中，W大規(guī)模天線陣列，或稱大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple I噸ut Multiple Ou化ut,ΜΙΜΟ)技術(shù)研究最為深入。相比于普通ΜΙΜΟ,大規(guī)模ΜΙΜΟ有許多優(yōu) 點(diǎn)，如更高的頻譜效率(Spectrum Eff iciency，SE)，更好的鏈路可靠性和更好的分集/復(fù)用 增益折衷。然而由于大規(guī)模ΜΙΜΟ基站上天線的數(shù)量急劇增多，數(shù)量極大地超過當(dāng)前普通 ΜΙΜΟ基站上的天線數(shù)量，相關(guān)資源算法的復(fù)雜度預(yù)計(jì)會(huì)大幅增加。如果仍然采用對(duì)待普通 ΜΙΜΟ基站的方式進(jìn)行資源分配和管理，會(huì)使系統(tǒng)的資源利用率急劇下降而計(jì)算復(fù)雜度卻快 速升高。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中，針對(duì)大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)通常采用如下資源分配算法。
[0006] (1)平均分配算法
[0007] 平均分配算法化qual Power Allocation algorithm,ΕΡΑ)應(yīng)用最為普遍，有兩大 優(yōu)勢(shì):一是可W很好的保障用戶之間的公平性，包括長期公平性和短期公平性;二是容易實(shí) 現(xiàn)。但是，劣勢(shì)在于未將單個(gè)用戶此刻所處的信道條件及該用戶對(duì)其他用戶的干擾考慮在 內(nèi)，使得不管用戶所處的信道狀態(tài)優(yōu)劣都可W獲得相同的發(fā)送功率，而在相同的傳輸時(shí)間 內(nèi)，信道條件好的用戶若獲得較大功率，則較信道條件差的用戶可W得到更大的吞吐量，因 此平均分配算法會(huì)在很大程度上限制系統(tǒng)吞吐量。
[000引（2)對(duì)偶迭代分配算法
[0009]對(duì)偶迭代分配算法（Dual Iteration 化wer Allocation algorithm,DIPA)的特 點(diǎn)是每次進(jìn)行功率分配時(shí)先選擇此時(shí)信噪比最大（即信道狀況最好)的用戶，并為其分配盡 可能高的功率，由此得到的結(jié)果稱為預(yù)分配功率。系統(tǒng)隨后會(huì)按預(yù)分配功率重新計(jì)算信道 狀況。按信道狀況計(jì)算預(yù)分配功率一次和按預(yù)分配功率計(jì)算信道狀況一次合稱為進(jìn)行了對(duì) 偶迭代計(jì)算一次。算法的終止條件可W設(shè)置為達(dá)到功率的限值，也可W設(shè)置為達(dá)到了事先 規(guī)定的迭代次數(shù)。該算法對(duì)離基站距離較近、信道狀況一直比較良好的用戶，會(huì)一直分配較 高的功率;而對(duì)離基站距離較遠(yuǎn)、信道狀況一直比較差的用戶，會(huì)始終分配其較低的功率。 由于信道狀況差的用戶組無法得到足夠系統(tǒng)資源，該算法用戶之間公平性較差。和其它的 分配算法相比較，因?yàn)閷?duì)偶迭代分配算法未考慮其它的分配優(yōu)先級(jí)因素，所W是分配算法 中頻譜效率較高的一種算法。
[0010] 因此，針對(duì)現(xiàn)有算法中對(duì)偶迭代分配算法的系統(tǒng)吞吐量最高，但是相應(yīng)地算法復(fù) 雜度也較高，且用戶間公平性是最差的，其QoS(服務(wù)質(zhì)量，Quality of Service)的保障和 信道適應(yīng)性能成反比，也即二者之中只能優(yōu)化一個(gè);平均分配算法實(shí)現(xiàn)最簡單，可W最大程 度的保障用戶之間的公平性，但是犧牲了系統(tǒng)吞吐量性能，且其對(duì)于QoS的保障和信道適應(yīng) 性能也比較差。因此，研究復(fù)雜度較低的資源分配算法在大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)中具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有經(jīng)典算法，單向數(shù)據(jù)通信中只能在服務(wù)質(zhì)量需求和吞吐量之間二 選一，為了既能保證系統(tǒng)用戶QoS需求，又可W使系統(tǒng)獲得最大頻譜效率，提出一種基于分 組匹配的天線與功率聯(lián)合分配算法；
[0012] 具體步驟如下：
[0013] 步驟一、搭建大規(guī)模ΜΙΜΟ中繼網(wǎng)絡(luò)的仿真場景；
[0014] 仿真場景中屯、布置一個(gè)ΜΙΜΟ基站，基站上部署Ν根天線{1，2, ...，η，...，Ν};基站 周圍隨機(jī)分布通信的Κ對(duì)發(fā)送用戶和接收用戶；發(fā)送用戶和接收用戶通過ΜΙΜΟ基站互相傳 輸信息。發(fā)送用戶集合S={Si，S2, . . .，Sk，. . .，Sk};接收用戶集合D={Di，D2, . . .，Dk，...， 化};每個(gè)用戶設(shè)有兩根天線，一個(gè)接收天線和一個(gè)發(fā)送天線。
[0015] 步驟二、每個(gè)發(fā)送用戶將信道狀態(tài)信息發(fā)送給基站，從而形成信道狀態(tài)矩陣化；
[0016] 每個(gè)發(fā)送用戶分別發(fā)送信道狀態(tài)信息到N根基站天線，信道狀態(tài)信息包括信干噪 比和校驗(yàn)參數(shù);K個(gè)發(fā)送用戶到咐良基站天線形成的信道狀態(tài)矩陣化如下：
[0017]
[001引也為表示第η根基站天線到發(fā)送用戶Sk的信道狀態(tài)信息；
[0019] 步驟Ξ、基站根據(jù)每個(gè)發(fā)送用戶返回的信道狀態(tài)信息，設(shè)定口限并對(duì)發(fā)送用戶進(jìn) 行分組；
[0020] 具體步驟如下：
[0021] 步驟301、基站根據(jù)自身的通信狀況需求設(shè)定初始的發(fā)送用戶分組值M;
[0022] 步驟302、計(jì)算每個(gè)發(fā)送用戶到每個(gè)基站天線的信干噪比；
[0023] 針對(duì)第k個(gè)發(fā)送用戶Sk，計(jì)算該發(fā)送用戶Sk到第η根基站天線的信干噪比SINR,,.、；
[0024]
[00巧]4,?表示第η根基站天線到對(duì)發(fā)送用戶Sk的權(quán)重因子，其取值為[0，1];σ^表示加性 高斯白噪聲的方差；
[00%]步驟303、計(jì)算每個(gè)發(fā)送用戶到所有基站天線的信干噪比平均值；
[0027]針對(duì)第k個(gè)發(fā)送用戶Sk，計(jì)算該用戶Sk的信干噪比平均值雨志& ;
[002引
[0029] 步驟304、選取所有發(fā)送用戶信干噪比平均值的最大值，結(jié)合初始分組值Μ計(jì)算口 限間隔Δ ζ;
[0030]
[0031] 窺麗胃為Κ個(gè)發(fā)送用戶的信干噪比平均值雨顯S,中的最大值；
[0032] 步驟305、根據(jù)口限間隔Δ ζ設(shè)定發(fā)送用戶的各分組口限：ζ(ι)，ζ(2)，. . .，ζ(ι)，... ζ(Μ)
[00削其中，ζω>ζ0>... >ζω>... >ζ(Μ)，每相鄰兩個(gè)口限值之間的差值為Δ ζ;
[0034] 步驟306、根據(jù)每個(gè)發(fā)送用戶到每個(gè)基站天線的信干噪比，將屬于兩個(gè)相鄰口限之 間的發(fā)送用戶劃分為一組。
[0035] 步驟307、根據(jù)分組后的發(fā)送用戶，將信道狀態(tài)矩陣化生成基站天線分組矩陣g;
[0036]
[0037] 第η行第m列元素3n,m表示：若第η根基站天線被分入第m個(gè)天線組則Ηη,η= 1，否則 Un, 1 〇 ?〇〇3引步驟308、根據(jù)信道狀態(tài)信息的校驗(yàn)參數(shù)計(jì)算分組校驗(yàn)向量^m)，并應(yīng)用LASSO算 子判斷發(fā)送用戶的天線分組是否適當(dāng)，如果是，則進(jìn)入步驟四；否則，進(jìn)入步驟309;
[0039] 第m個(gè)天線組的分組校驗(yàn)向量^m):
[0040] ^m)=rgv+互
[0041] 其中Γ eRPxw-為一實(shí)高斯矩陣，P是由系統(tǒng)設(shè)定的維度變量;V中的元素為0或1，是Μ XI維向量?；ケ硎靖咚拱自肼曄蛄浚?維，每個(gè)元素均是實(shí)高斯變量。
[0042] 步驟309、基站按LASSO算子對(duì)各口限值適當(dāng)調(diào)整，并返回步驟306。
[0043] 調(diào)整公式如下：
[0044]
[0045] 表示發(fā)送用戶Sk的信道狀況累積分布函數(shù);ζ表示基站對(duì)信道狀況分級(jí)使用 的口限值;A表示發(fā)送用戶Sk的下行信噪比；
[0046] 步驟四、基站W(wǎng)組為單位，對(duì)每組中所有發(fā)送天線的功率進(jìn)行調(diào)整分配；
[0047] 具體步驟如下：
[004引步驟401、分別查找每組中發(fā)送用戶對(duì)基站天線的最小信干噪比；
[0049] 步驟402、對(duì)每組發(fā)送用戶，基站按該組中的最小信干噪比值計(jì)算該組的發(fā)送功 率，并設(shè)置該組內(nèi)所有發(fā)送天線的功率相同；
[0050] 步驟403、計(jì)算每組內(nèi)所有發(fā)送天線的信干噪比平均值，并與最小信干噪比比較， 如果組內(nèi)信干噪比平均值與最小信干噪比的差值大于口限，進(jìn)入步驟404;否則，進(jìn)入步驟 405；
[0051] 該口限由基站確定，基站認(rèn)為各用戶的通信狀況已經(jīng)足夠接近，停止計(jì)算。
[0052] 步驟404、將整組發(fā)送天線的功率上調(diào)一個(gè)單位，進(jìn)入步驟403;
[0053] 步驟405、檢查可行性約束條件中發(fā)送功率的最大值限制是否被滿足，如果是，分 配結(jié)束并進(jìn)入步驟五;否則，進(jìn)入步驟406;
[0054] 可行性約束條件如下：
[0化5]
[0化6]其中，/?表示發(fā)送用戶Sk的實(shí)際發(fā)送功率；表示發(fā)送用戶Sk允許的最大發(fā) 送功率；
[0化7] 步驟406、將每個(gè)發(fā)送天線的功率減小一個(gè)單位，進(jìn)入步驟405;
[0058] 步驟五、基站將調(diào)整分配好后的發(fā)送功率廣播給發(fā)送用戶；
[0059] 步驟六、基站W(wǎng)接收用戶的分組為單位，對(duì)每組中所有基站天線的功率進(jìn)行調(diào)整 分配；
[0060] 發(fā)送用戶分組后，與發(fā)送用戶成對(duì)的接收用戶也自動(dòng)分組。
[0061 ] 具體步驟如下：
[0062] 步驟601、分別查找每組中基站天線對(duì)接收用戶的最小信干噪比；
[0063] 步驟602、基站按最小信干噪比值計(jì)算該組的基站天線功率，并設(shè)置該組內(nèi)所有基 站天線的功率相同；
[0064] 步驟603、計(jì)算每組內(nèi)所有基站天線的信干噪比平均值，并與最小信干噪比比較， 如果組內(nèi)信干噪比平均值與最小信干噪比的差值大于口限，進(jìn)入步驟604;否則，進(jìn)入步驟 605；
[0065] 該口限由基站確定，基站認(rèn)為各用戶的通信狀況已經(jīng)足夠接近，停止計(jì)算。
[0066] 步驟604、將整組基站天線的功率上調(diào)一個(gè)單位，進(jìn)入步驟603;
[0067] 步驟605、檢查可行性約束條件中基站功率的最大值限制是否被滿足，若不滿足， 進(jìn)入步驟606;否則，分配結(jié)束并進(jìn)入步驟屯；
[006引可行性約束條件如下：
[0069]
[0070] 是基站天線對(duì)接收用戶化的功率，扣,max是基站的最大總發(fā)送功率。
[0071 ] 步驟606、將每個(gè)基站天線的功率減小一個(gè)單位，進(jìn)入步驟605;
[0072] 步驟屯、基站天線的功率進(jìn)行調(diào)整分配后，由基站內(nèi)部天線按調(diào)整后的功率值，將 發(fā)送用戶的數(shù)據(jù)發(fā)射給接收用戶，通訊過程結(jié)束。
[0073] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0074] 1、一種基于分組匹配的天線與功率聯(lián)合分配算法，通過將分組匹配算法引入到大 規(guī)模ΜΙΜΟ中繼系統(tǒng)資源分配中，充分利用算法的特性，參數(shù)少和實(shí)現(xiàn)簡單，降低了系統(tǒng)資源 分配的復(fù)雜度，節(jié)約了計(jì)算時(shí)間，從而，既可W保證用戶系統(tǒng)QoS需求又可W使系統(tǒng)頻譜效 率達(dá)到最大。
【附圖說明】
[0075] 圖1是本發(fā)明基于分組匹配的天線與功率聯(lián)合分配算法的仿真場景；
[0076] 圖2是本發(fā)明基于分組匹配的天線與功率聯(lián)合分配算法的方法流程圖；
[0077] 圖3是本發(fā)明基站對(duì)發(fā)送用戶進(jìn)行分組的方法流程圖；
[0078] 圖4是本發(fā)明基站對(duì)每組中所有發(fā)送天線的功率進(jìn)行調(diào)整分配的方法流程圖；
[0079] 圖5是本發(fā)明基站對(duì)每組中所有基站天線的功率進(jìn)行調(diào)整分配的方法流程圖；
[0080] 圖6是本發(fā)明Ξ種算法下不同基站天線數(shù)目與系統(tǒng)總SE的比較圖；
[0081] 圖7是本發(fā)明Ξ種算法下不同用戶對(duì)數(shù)目與系統(tǒng)總SE的比較圖；
[0082] 圖8是本發(fā)明Ξ種算法下不同天線分組數(shù)目與系統(tǒng)總SE的比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0083] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0084] 在大規(guī)模ΜΙΜΟ中繼系統(tǒng)中，發(fā)送用戶利用大規(guī)模ΜΙΜΟ基站作為中繼，向接收用戶 傳輸消息。由于同時(shí)設(shè)及收發(fā)兩端的消息，該系統(tǒng)中的資源分配和管理變得更為復(fù)雜。而通 過將向相同或相似用戶傳輸信息的基站天線劃分成群組，并將信道狀況相似的用戶劃分成 對(duì)應(yīng)的群組，收發(fā)兩側(cè)同時(shí)W群組為單位進(jìn)行資源分配，極大地降低對(duì)終端控制和操作的 復(fù)雜度、減少不必要的資源占用，提高資源利用率。
[0085] 本發(fā)明一種基于分組匹配的天線與功率聯(lián)合分配算法，如圖1所示，包含1個(gè)基站 的大規(guī)模ΜΙΜΟ中繼網(wǎng)絡(luò)，此基站又被稱為中繼，用符號(hào)R表示。通信系統(tǒng)中共包含兩部分用 戶，即發(fā)送用戶和接收用戶。發(fā)送用戶Sk和接收用戶化之間依靠大規(guī)模ΜΙΜΟ基站作為中繼互 相傳輸信息。假設(shè)每個(gè)用戶都有兩根天線，而在任意時(shí)間其中一根天線只能用于接收信息， 而另一根只能用于發(fā)送信息。
[0086] 如圖2所示:具體步驟如下：
[0087] 步驟一、搭建大規(guī)模ΜΙΜΟ中繼網(wǎng)絡(luò)的仿真場景；
[0088] 仿真場景中屯、布置一個(gè)ΜΙΜΟ基站，基站上部署Ν根天線，N=U，2, . . .，η，. . .，Ν}; 基站周圍隨機(jī)分布通信的Κ對(duì)發(fā)送用戶和接收用戶；發(fā)送用戶和接收用戶通過ΜΙΜΟ基站互 相傳輸信息。全體發(fā)送用戶集合S={Si，S2, . . .，Sk，. . .，Sk};全體接收用戶集合D={Di， 〇2,. . . ,Dk,. . . ,Dk};
[0089] 步驟二、每個(gè)發(fā)送用戶將信道狀態(tài)信息發(fā)送給基站，從而形成信道狀態(tài)矩陣化；
[0090] 為了有效地為用戶分配天線，用戶需要將信道測(cè)量中獲得的信道狀態(tài)信息 (Channel State Information,CSI)發(fā)送給基站。
[0091] 每個(gè)發(fā)送用戶分別發(fā)送信道狀態(tài)信息到N根基站天線，信道狀態(tài)信息包括信干噪 比和校驗(yàn)參數(shù);K個(gè)發(fā)送用戶到咐良基站天線形成的信道狀態(tài)矩陣化如下：
[0092]
[0093] 表示第η根基站天線到發(fā)送用戶Sk的信道狀態(tài)信息；第η根基站天線到K個(gè)發(fā)送 用戶的信道狀態(tài)形成信道狀態(tài)向量hn，成=把4，、5,，..4&，...馬,& 維度為ΚΧ 1;各元素獨(dú)立且 均服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布；
[0094] 步驟Ξ、基站根據(jù)每個(gè)發(fā)送用戶返回的信道狀態(tài)信息，設(shè)定口限并對(duì)發(fā)送用戶進(jìn) 行分組；
[00M]基站獲得了CSI后，用CSI調(diào)整用戶分組所需要的口限值，使各組內(nèi)發(fā)送用戶的信 道狀態(tài)更為接近;本發(fā)明采用了 LASSO算子進(jìn)行口限值調(diào)整。
[0096] 如圖3所示，具體步驟如下：
[0097] 步驟301、基站根據(jù)自身的通信狀況需求設(shè)定初始的發(fā)送用戶分組值M;
[0098] 步驟302、計(jì)算每個(gè)發(fā)送用戶到每個(gè)基站天線的信干噪比；
[0099] 針對(duì)第k個(gè)發(fā)送用戶Sk，計(jì)算該發(fā)送用戶Sk到第η根基站天線的信干噪比SINR,,、 (Signal to Interference and Noise Ratio,SINK)；
[0100]
[0101] 4?表示第n根基站天線到對(duì)發(fā)送用戶Sk的權(quán)重因子，其取值為[0，1];咐良天線對(duì)發(fā) 送用戶Sk的權(quán)重因子形成權(quán)重向量如K，如，=沁，也，..我，…成} '維度為KX 1;如Sk向量中的 元素為各天線對(duì)用戶的權(quán)重。請(qǐng)表示加性高斯白噪聲的方差；同理，N根天線對(duì)接收用戶Dk 的權(quán)重因子形成權(quán)重向量的f，知f 如，也如，…，知.}，全體用戶的分配向量集合則表示 巧
[0102] 步驟303、計(jì)算每個(gè)發(fā)送用戶到所有基站天線的信干噪比平均值；
[0103] 針對(duì)第k個(gè)發(fā)送用戶Sk，計(jì)算該用戶Sk的信干噪比平均值訊而S.;
[0104]
[0105] 步驟304、選取所有發(fā)送用戶信干噪比平均值的最大值，結(jié)合初始分組值Μ計(jì)算口 限間隔Δ ζ;
[0106]
[0107] 濕顯?、為Κ個(gè)發(fā)送用戶的信干噪比平均值汲處,中的最大值；
[010引步驟305、根據(jù)口限間隔Δ ζ設(shè)定發(fā)送用戶的各分組口限：ζ(ι)，ζ(2)，. . .，ζ(ι)，... ζ如）
[0109] 其中，ζω>ζ(2)>... >C(i)>... >ζ(Μ)，每相鄰兩個(gè)口限值之間的差值為Δ ζ;
[0110] 步驟306、根據(jù)每個(gè)發(fā)送用戶到每個(gè)基站天線的信干噪比，將屬于兩個(gè)相鄰口限之 間的發(fā)送用戶劃分為一組。
[0111] 步驟307、根據(jù)分組后的發(fā)送用戶，將信道狀態(tài)矩陣化生成基站天線分組矩陣g;
[0112]
[0113]第η行第m列元素3n,m表示：若第η根基站天線被分入第m個(gè)天線組則Ηη,η= 1，否則 Un, 1 〇 Γ〇114]步驟308、根據(jù)信道狀態(tài)信息的校驗(yàn)參數(shù)計(jì)算分組校驗(yàn)向量^m)，并應(yīng)用LASSO算 子判斷發(fā)送用戶的天線分組是否適當(dāng)，如果是，則進(jìn)入步驟四（即功i分配）；否則，進(jìn)入步 驟309;
[0115]分組校驗(yàn)向量^m):
[0116]
[0117] 其中Γ eRPx%-實(shí)高斯矩陣，P是由系統(tǒng)設(shè)定的維度變量;V中的元素為0或1，是Μ XI維向量。互表示高斯白噪聲向量，ΚΧ1維，每個(gè)元素均是實(shí)高斯變量。
[0118] 基站對(duì)^m)應(yīng)用LASSO算子，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷發(fā)送用戶對(duì)應(yīng)的天線分組是否 適當(dāng)，若適當(dāng)，則進(jìn)入步驟四（即功率分配）；若不適當(dāng)，則調(diào)整各口限值，并重新計(jì)算Z(m)W 確保分組結(jié)果的適用性。
[0119] 步驟309、基站按LASSO算子對(duì)各口限值適當(dāng)調(diào)整，并返回步驟306。
[0120] 調(diào)整公式如下：
[0121]
[0122] 巧 <(()表示發(fā)送用戶Sk的信道狀況累積分布函數(shù)，是基站按照LASSO算子進(jìn)行口限 值調(diào)整的主要依據(jù);ζ表示基站對(duì)信道狀況分級(jí)使用的口限值;嗦表示發(fā)送用戶Sk的下行信 噪比；
[0123] 天線分組的目的是為了將信道狀態(tài)相近的用戶編為一組進(jìn)行協(xié)作通信，W提升系 統(tǒng)的頻譜效率。
[0124] 步驟四、基站W(wǎng)組為單位，對(duì)每組中所有發(fā)送天線的功率進(jìn)行調(diào)整分配；
[0125] 如圖4所示，具體步驟如下：
[01%]步驟401、分別查找每組中發(fā)送用戶對(duì)基站天線的最小信干噪比；
[0127] 步驟402、對(duì)每組發(fā)送用戶，基站按該組中的最小信干噪比值計(jì)算該組的發(fā)送功 率，并設(shè)置該組內(nèi)所有發(fā)送天線的功率相同；
[0128] 發(fā)送功率為單位功率；
[0129] 步驟403、計(jì)算每組內(nèi)所有發(fā)送天線的信干噪比平均值，并與最小信干噪比比較， 如果組內(nèi)信干噪比平均值與最小信干噪比的差值大于口限，進(jìn)入步驟404;否則，進(jìn)入步驟 405；
[0130] 該口限由基站確定，基站認(rèn)為各用戶的通信狀況已經(jīng)足夠接近，停止計(jì)算。
[0131] 步驟404、將整組發(fā)送天線的功率上調(diào)一個(gè)單位，進(jìn)入步驟403;
[0132] 步驟405、檢查可行性約束條件中發(fā)送功率的最大值限制是否被滿足，若不滿足， 進(jìn)入步驟406;否則，分配結(jié)束并進(jìn)入步驟五；
[0133] 可行性約束條件如下：
[0134]
[0135] 其中，表示發(fā)送用戶Sk的實(shí)際發(fā)送功率表示發(fā)送用戶Sk允許的最大發(fā) 送功率；
[0136] 上述約束條件限制單個(gè)發(fā)送用戶的最大發(fā)送功率W控制用戶間干擾。
[0137] 步驟406、將每個(gè)發(fā)送天線的功率減小一個(gè)單位，進(jìn)入步驟405;
[0138] 步驟五、基站將調(diào)整分配好后的發(fā)送功率廣播給發(fā)送用戶；
[0139] 步驟六、基站W(wǎng)接收用戶的分組為單位，對(duì)每組中所有基站天線的功率進(jìn)行調(diào)整 分配；
[0140] 發(fā)送用戶分組后，與發(fā)送用戶成對(duì)的接受用戶也自動(dòng)分組。
[0141] 如圖5所示，具體步驟如下：
[0142] 步驟601、分別查找每組中基站天線對(duì)接收用戶的最小信干噪比；
[0143] 步驟602、基站按最小信干噪比值計(jì)算該組的基站天線功率，并設(shè)置該組內(nèi)所有基 站天線的功率相同；
[0144] 步驟603、計(jì)算每組內(nèi)所有基站天線的信干噪比平均值，并與最小信干噪比比較， 如果組內(nèi)信干噪比平均值與最小信干噪比的差值大于口限，進(jìn)入步驟604;否則，進(jìn)入步驟 605；
[0145] 該口限由基站確定，基站認(rèn)為各用戶的通信狀況已經(jīng)足夠接近，停止計(jì)算。
[0146] 步驟604、將整組基站天線的功率上調(diào)一個(gè)單位，進(jìn)入步驟603;
[0147] 步驟605、檢查可行性約束條件中基站功率的最大值限制是否被滿足，若不滿足， 進(jìn)入步驟606;否則，分配結(jié)束并進(jìn)入步驟屯；
[0148] 可行性約束條件如下：
[0149]
[0150] 是基站天線對(duì)接收用戶化的功率，扣,max是基站的最大總發(fā)送功率。
[0151] W上約束條件限制基站的最大發(fā)送功率，W此來保證用戶通過中繼獲得的QoS性 能。
[0152] 步驟606、將每個(gè)基站天線的功率減小一個(gè)單位，進(jìn)入步驟605;
[0153] 步驟屯、基站天線的功率進(jìn)行調(diào)整分配后，通過基站內(nèi)部的天線發(fā)射出去，整個(gè)通 訊過程結(jié)束。
[0154] 實(shí)施例：
[01巧]一種基于分組匹配與LASSO算子的天線與功率聯(lián)合分配算法（Joint Power and Antenna Allocation algorithm, JAPA)，仿真場景設(shè)置為大規(guī)模ΜΙΜΟ網(wǎng)絡(luò)的常用仿真網(wǎng)絡(luò) 配置。小區(qū)中屯、布置一個(gè)基站，在其周圍500米的半徑圓內(nèi)隨機(jī)分布需要依靠基站為中繼通 信的用戶。假設(shè)用戶之間采用正交信道進(jìn)行資源分配，則不同用戶之間不存在干擾，考慮大 規(guī)模衰落信道。詳細(xì)的仿真參數(shù)如表1所示：
[0156]表1 「01571
[0158] 本發(fā)明的通信建模包括兩部分:從發(fā)送用戶Sk到基站R的建模W及從基站R到接受 用戶Dk的通信建模，因此在功率分配部分，也包括對(duì)應(yīng)的兩部分，因?yàn)閮烧呔哂邢嗨菩?，?W主要描述發(fā)送用戶Sk到基站R的功率分配算法流程，基站R到接收用戶Dk的流程可類比得 到。
[0159] 系統(tǒng)的總頻譜效率SE包含兩部分:發(fā)送用戶Sk到基站R的SE和基站R到接收用戶Dk 的SE。為了最大化系統(tǒng)的總SE，分別計(jì)算發(fā)送用戶Sk的發(fā)送功率與基站R的發(fā)送功率，通過 調(diào)整口限值實(shí)現(xiàn)用戶與天線匹配的最優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上給出對(duì)應(yīng)的功率分配結(jié)果。
[0160] 本發(fā)明中系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)是最大化系統(tǒng)總SE，即目標(biāo)函數(shù)應(yīng)當(dāng)表示為：
[0161] argmaxCs
[0162]
[0163]用向量C= kl,C2,…，CK]T中的兀素分別表不每個(gè)用戶對(duì)的沈，[Σ表不系統(tǒng)總沈;Pk 表示由發(fā)送用戶Sk的自身發(fā)送功率與基站R的發(fā)送功率計(jì)算的接收用戶化的接收SNR;
[0164]
[01化]Elk表示鏈路發(fā)送用戶Sk到基站R的載干比（化annel to Noise Ratios,CNR) ;psk表 示發(fā)送用戶Sk的實(shí)際發(fā)送功率;bk表示基站R到和接收用戶Dk的載干比；供*是基站天線對(duì)接 收用戶Dk的功率；
[0166] 其中，兩個(gè)載干比的表達(dá)式如下：
[0167]
[016引叛R是發(fā)送用戶Sk到基站R的大尺度衰落系數(shù)，保0,是基站R到接收用戶Dk的大尺度 衰落系數(shù)；為表示發(fā)送用戶Sk到基站R的噪聲功率譜密度，C毎表示基站R到接收用戶Dk的噪 聲功率譜密度;bk表示基站的迫零(Zero Forcing，ZF)接收機(jī)的接收向量，fk表示接收用戶 的ZF接收機(jī)的接收向量;變量II bk II 和II fk II 服從參數(shù)為(N-K+1，1)的伽馬分布，兩者期 望相等，即 E[ I |bk| 鬥=E[||fk| |2] = (N-K；)-i。
[0169] 最終，大規(guī)模ΜΙΜΟ中繼系統(tǒng)下的天線及功率分配問題建模為一個(gè)最優(yōu)化問題。此 優(yōu)化問題同時(shí)設(shè)及到的變量維度較高，適合采用分步式算法進(jìn)行求解。下面將給出具體的 仿真示意圖，并解釋其中曲線及其變化趨勢(shì)的含義，來證明所提的JAPA算法性能優(yōu)于ΕΡΑ和 DIPA算法。
[0170] 本發(fā)明從基站天線數(shù)目的增加對(duì)系統(tǒng)總SE的影響、用戶對(duì)數(shù)目的增加對(duì)系統(tǒng)總SE 的影響、相同數(shù)量用戶對(duì)和基站天線情況下不同天線分組數(shù)對(duì)系統(tǒng)總SE的影響來分析不同 算法在系統(tǒng)總SE性能上的差異。
[0171] 隨著基站天線數(shù)目的增多，系統(tǒng)總SE變化曲線如圖6所示，仿真場景設(shè)置為一個(gè)蜂 窩基站W(wǎng)及128對(duì)用戶，從圖中可W看出，當(dāng)用戶對(duì)數(shù)目固定而BS上的天線數(shù)增多時(shí)，系統(tǒng) 總SE不斷增加，不過增加幅度越來越平緩，因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)總天線數(shù)目增加到一定程度時(shí)，天線 間的干擾也越來越嚴(yán)重，從而系統(tǒng)總SE增幅越來越小。此外在Ξ組算法的對(duì)比中，JAPA并非 始終能獲得最大的系統(tǒng)總SE。運(yùn)是因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)中可用于中繼通信的天線數(shù)量較少時(shí)，各用 戶間信道差異也相對(duì)較小，此時(shí)ΕΡΑ可W更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)SE;而當(dāng)基站天線數(shù)逐漸增加 時(shí)，受到天線布局的影響，用戶間的信道差異也越來越大，此時(shí)ΕΡΑ的性能就會(huì)被DIPA和 JAPA超過。另外，在基站天線數(shù)較大時(shí)，JAPA表現(xiàn)最好，但是性能提升相對(duì)不明顯，運(yùn)是因?yàn)?資源充足降低了分配難度的緣故。
[0172] 不同基站天線數(shù)目下系統(tǒng)總SE隨用戶對(duì)數(shù)目變化的曲線圖如圖7所示，仿真場景 設(shè)置為包括一個(gè)蜂窩基站。此場景的仿真中，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的中繼通信用戶數(shù)目不斷變化，并且 基站天線數(shù)目也分為了 128和256兩種情況。另外和上一仿真場景相同，此處也對(duì)不同資源 分配算法的系統(tǒng)總SE性能進(jìn)行了對(duì)比。從仿真結(jié)果可W看出，JAPA的仿真結(jié)果優(yōu)于ΕΡΑ和 DIPA。另外值得注意的是系統(tǒng)的最大SE并非在用戶對(duì)數(shù)目與基站天線數(shù)目相等時(shí)獲得，而 是在用戶對(duì)數(shù)目略小于基站天線數(shù)時(shí)獲得。運(yùn)是因?yàn)楫?dāng)用戶對(duì)數(shù)目接近于基站天線數(shù)時(shí)， 用戶間的干擾也會(huì)急劇增加，同時(shí)由于天線資源僅能滿足一根天線對(duì)應(yīng)一對(duì)用戶的情況， 大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)的空間分集優(yōu)勢(shì)無法體現(xiàn)。
[0173] 當(dāng)算法中天線的分組數(shù)目變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)總SE的影響如圖8所示，該仿真場景設(shè)置 為包括一個(gè)蜂窩基站、128對(duì)用戶W及256根天線。從仿真結(jié)果可W看出，隨著基站天線分組 數(shù)目的增加，ΕΡΑ和DIPA得到的系統(tǒng)總SE緩慢地上升，而JAPA的性能呈現(xiàn)出拋物線狀。運(yùn)是 EPA和DIPA對(duì)天線分組的依賴度不高，而JAPA因?yàn)殡S著天線分組數(shù)目的增加，其等效系統(tǒng)系 統(tǒng)模型經(jīng)歷了兩個(gè)變化過程:第一個(gè)是系統(tǒng)由大規(guī)模ΜΙΜΟ系統(tǒng)變?yōu)榈刃У钠胀é│到y(tǒng)的 過程，第二個(gè)是系統(tǒng)由等效普通ΜΙΜΟ系統(tǒng)變?yōu)榈刃У膯翁炀€通信系統(tǒng)的過程。對(duì)于第一個(gè) 過程，由于資源分配的效率的提升，系統(tǒng)總SE自然得到相應(yīng)提升;對(duì)于第二個(gè)過程，由于受 單天線系統(tǒng)固有的性能劣勢(shì)，系統(tǒng)總SE會(huì)略有下降。
[0174] 本發(fā)明利用分組匹配算法W及LASSO算子進(jìn)行資源分配，對(duì)大規(guī)模ΜΙΜΟ中繼系統(tǒng) 內(nèi)用戶之間的通信進(jìn)行功率分配，將天線和功率進(jìn)行聯(lián)合分配，使系統(tǒng)W較低的復(fù)雜度獲 得較高的頻譜效率。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于分組匹配的天線與功率聯(lián)合分配算法，其特征在于，具體步驟如下： 步驟一、搭建大規(guī)模ΜΙΜΟ中繼網(wǎng)絡(luò)的仿真場景； 仿真場景包括一個(gè)部署了 Ν根天線的ΜΙΜΟ基站，基站周圍隨機(jī)分布通信的Κ對(duì)發(fā)送用戶 和接收用戶； 步驟二、每個(gè)發(fā)送用戶將信道狀態(tài)信息發(fā)送給基站，從而形成信道狀態(tài)矩陣ΗΝ; 每個(gè)發(fā)送用戶分別發(fā)送信道狀態(tài)信息到Ν根基站天線，信道狀態(tài)信息包括信干噪比和 校驗(yàn)參數(shù);Κ個(gè)發(fā)送用戶到Ν根基站天線形成的信道狀態(tài)矩陣Ην如下：表示第η根基站天線到發(fā)送用戶Sk的信道狀態(tài)信息； 步驟三、基站根據(jù)每個(gè)發(fā)送用戶返回的信道狀態(tài)信息，設(shè)定門限并對(duì)發(fā)送用戶進(jìn)行分 組； 步驟四、基站以組為單位，對(duì)每組中所有發(fā)送天線的功率進(jìn)行調(diào)整分配； 步驟五、基站將調(diào)整分配好后的發(fā)送功率廣播給發(fā)送用戶； 步驟六、基站以接收用戶的分組為單位，對(duì)每組中所有基站天線的功率進(jìn)行調(diào)整分配； 步驟七、基站天線的功率進(jìn)行調(diào)整分配后，由基站內(nèi)部天線按調(diào)整后的功率值，將發(fā)送 用戶的數(shù)據(jù)發(fā)射給接收用戶，通訊過程結(jié)束。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于分組匹配的天線與功率聯(lián)合分配算法，其特征在于:所 述的步驟一具體為： 仿真場景中心布置一個(gè)MM0基站，基站上部署N根天線{1，2, . . .，n，. . .，N};基站周圍 隨機(jī)分布通信的K對(duì)發(fā)送用戶和接收用戶；發(fā)送用戶和接收用戶通過MM0基站互相傳輸信 息;發(fā)送用戶集合SziShS% . . .，Sk，. . .，SK};接收用戶集合DziDiD% . . .，Dk，. . .，DK};每 個(gè)用戶設(shè)有兩根天線，一個(gè)接收天線和一個(gè)發(fā)送天線。3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于分組匹配的天線與功率聯(lián)合分配算法，其特征在于:所 述的步驟三具體為： 步驟301、基站根據(jù)自身的通信狀況需求設(shè)定初始的發(fā)送用戶分組值M; 步驟302、計(jì)算每個(gè)發(fā)送用戶到每個(gè)基站天線的信干噪比； 針對(duì)第k個(gè)發(fā)送用戶Sk，計(jì)算該發(fā)送用戶Sk到第η根基站天線的信干噪比SINRnA.;歧表示第η根基站天線到對(duì)發(fā)送用戶Sk的權(quán)重因子，其取值為[0，1];4表示加性高斯 白噪聲的方差； 步驟303、計(jì)算每個(gè)發(fā)送用戶到所有基站天線的信干噪比平均值； 針對(duì)第k個(gè)發(fā)送用戶sk，計(jì)算該用戶sk的信干噪比平均值gsiy步驟304、選取所有發(fā)送用戶信干噪比平均值的最大值，結(jié)合初始分組值Μ計(jì)算門限間 隔Αζ;涵瓦_(dá)為Κ個(gè)發(fā)送用戶的信干噪比平均值^中的最大值； 步驟305、根據(jù)門限間隔Δ ζ設(shè)定發(fā)送用戶的各分組門限:ζ⑴，ζ⑵，...，ζ⑴，...ζ(Μ) 其中，ζ⑴〉ζ⑵> ...>ζ(1)> . . . >ζ(Μ)，每相鄰兩個(gè)門限值之間的差值為Α ζ; 步驟306、根據(jù)每個(gè)發(fā)送用戶到每個(gè)基站天線的信干噪比，將屬于兩個(gè)相鄰門限之間的 發(fā)送用戶劃分為一組； 步驟307、根據(jù)分組后的發(fā)送用戶，將信道狀態(tài)矩陣Ην生成基站天線分組矩陣Η;第η行第m列元素 Hn,m表示:若第η根基站天線被分入第m個(gè)天線組則Hn,m= 1，否則Hn,m< 1; 步驟308、根據(jù)信道狀態(tài)信息的校驗(yàn)參數(shù)計(jì)算分組校驗(yàn)向量Z(m)，并應(yīng)用LASSO算子判 斷發(fā)送用戶的天線分組是否適當(dāng)，如果是，則進(jìn)入功率分配;否則，進(jìn)入步驟309; 第m個(gè)天線組的分組校驗(yàn)向量Z(m): y(m) = Γ Hv+w i中r 實(shí)高斯矩陣，p是由系統(tǒng)設(shè)定的維度變量;V中的元素為〇或1，是MX1 維向量;W表示高斯白噪聲向量，K X 1維，每個(gè)元素均是實(shí)高斯變量； 步驟309、基站按LASSO算子對(duì)各門限值適當(dāng)調(diào)整，并返回步驟306; 調(diào)整公式如下：忍(〇表示發(fā)送用戶Sk的信道狀況累積分布函數(shù);ζ表示基站對(duì)信道狀況分級(jí)使用的門 限值;八表示發(fā)送用戶Sk的下行信噪比。4.如權(quán)利要求1所述的一種基于分組匹配的天線與功率聯(lián)合分配算法，其特征在于:所 述的步驟四具體為： 步驟401、分別查找每組中發(fā)送用戶對(duì)基站天線的最小信干噪比； 步驟402、對(duì)每組發(fā)送用戶，基站按該組中的最小信干噪比值計(jì)算該組的發(fā)送功率，并 設(shè)置該組內(nèi)所有發(fā)送天線的功率相同； 步驟403、計(jì)算每組內(nèi)所有發(fā)送天線的信干噪比平均值，并與最小信干噪比比較，如果 組內(nèi)信干噪比平均值與最小信干噪比的差值大于門限，進(jìn)入步驟404;否則，進(jìn)入步驟405; 該門限由基站確定，基站認(rèn)為各用戶的通信狀況已經(jīng)足夠接近，停止計(jì)算； 步驟404、將整組發(fā)送天線的功率上調(diào)一個(gè)單位，進(jìn)入步驟403; 步驟405、檢查可行性約束條件中發(fā)送功率的最大值限制是否被滿足，如果是，分配結(jié) 束;否則，進(jìn)入步驟406; 可行性約束條件如下： 〇 -k -1,2,...,Κ 其中，表示發(fā)送用戶Sk的實(shí)際發(fā)送功率；PSi，max表示發(fā)送用戶S k允許的最大發(fā)送功 率； 步驟406、將每個(gè)發(fā)送天線的功率減小一個(gè)單位，進(jìn)入步驟405。5.如權(quán)利要求1所述的一種基于分組匹配的天線與功率聯(lián)合分配算法，其特征在于:所 述的步驟六具體為： 步驟601、分別查找每組中基站天線對(duì)接收用戶的最小信干噪比； 步驟602、基站按最小信干噪比值計(jì)算該組的基站天線功率，并設(shè)置該組內(nèi)所有基站天 線的功率相同； 步驟603、計(jì)算每組內(nèi)所有基站天線的信干噪比平均值，并與最小信干噪比比較，如果 組內(nèi)信干噪比平均值與最小信干噪比的差值大于門限，進(jìn)入步驟604;否則，進(jìn)入步驟605; 該門限由基站確定，基站認(rèn)為各用戶的通信狀況已經(jīng)足夠接近，停止計(jì)算； 步驟604、將整組基站天線的功率上調(diào)一個(gè)單位，進(jìn)入步驟603; 步驟605、檢查可行性約束條件中基站功率的最大值限制是否被滿足，若不滿足，進(jìn)入 步驟606;否則，分配結(jié)束； 可行性約束條件如下：&*是基站天線對(duì)接收用戶Dk的功率，PR,max是基站的最大總發(fā)送功率;步驟606、將每個(gè) 基站天線的功率減小一個(gè)單位，進(jìn)入步驟605。
【文檔編號(hào)】H04W52/24GK106060917SQ201610375925
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月31日
【發(fā)明人】張鶴立, 劉博文, 紀(jì)紅, 李曦, 王珂
【申請(qǐng)人】北京郵電大學(xué)