大规模MIMO非正交多址系统多天线用户对调度方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种大规模mimo非正交多址系统多天线用户对调度方法。

背景技术：

非正交多址noma(nonorthogonalmultipleaccess)作为大规模mimo(multi-inputmulti-output)系统的关键技术之一，通过将单一频带分配给多个用户来进行数据传输，大幅提升系统频谱效率。基站根据和速度最大化或中断概率最小法则来将用户进行配对，决定哪些用户可以共享一个频段，同时需要保证用户对内用户的信道易于区分，便于不同用户在接收端接收译码，降低用户对内用户间的信号干扰。为了消除用户对间的强烈干扰，发送的原始信号需要在基站端进行预编码再进行传输，然后各个用户在接收到该信号后通过合并向量译码得到自己的数据。一种大规模mimo非正交多址系统中的用户对调度方法，首先进行天线选择，将选择出的天线与用户对进行联合调度以选择出最终用户对来进行数据传输。本发明的不足之处是只针对单天线用户，无法适用于多天线用户，因此在多天线用户的系统场景中，存在较大局限性。一种中继协作网络中的次级用户对调度方法来提升系统中次级用户和首要用户数据传输可靠性，通过从多个待选用户在选出一个用户来与已知首要用户进行用户配对，同时提出在多种不同的信道状态信息模型下的用户对调度方案。本发明存在的不足之处是只适用于单用户配对以及单用户对调度模型中，对于更为复杂的多用户对调度问题，本发明不再适用。

综上所述，现有技术存在的问题是：现有的大规模mimo非正交多址系统中的用户对调度方法存在只针对单天线用户，无法适用于多天线用户，有较大局限性；只适用于单用户配对以及单用户对调度模型中，对于更为复杂的多用户对调度问题，不适用。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种大规模mimo非正交多址系统多天线用户对调度方法。

本发明是这样实现的，一种大规模mimo非正交多址系统多天线用户对调度方法，所述多天线用户对调度方法基站获得用户信道状态状态矩阵，用户按信道状态矩阵范数大小进行大小排序，并分为两个用户组g和w；基站根据信道状态加权调度因子从用户组g中为每个用户组选出其第一个用户，根据用户的有效信道状态矩阵范数从用户组w中每个用户组选出其第二个用户；基站向选出的用户发送数据，进行数据传输。

进一步，所述大规模mimo非正交多址系统多天线用户对调度方法包括以下步骤：

步骤一，基站向用户发送用户已知的训练序列，用户根据接收到的训练序列估计信道状态信息矩阵，用户将信道状态信息反馈给基站；

步骤二，对用户进行排序；

步骤三，选择第一用户组中所有用户对的第一个用户；

步骤四，构造预编码向量；

步骤五，从第二用户组中选择所有用户对的第二个用户；

步骤六，构造接受合并向量；

步骤七，进行数据传输。

进一步，所述步骤二具体包括：

(1)基站对每一个用户信道状态矩阵取f范数hf操作；

(2)基站将所有用户的信道状态矩阵范数进行降序排列，将排序后的前一半用户作为第一用户组，后一半用户作为第二用户组。

进一步，所述步骤三具体包括：

(1)采用选择最大信道状态矩阵范数用户的方法，选择第一个用户对的第一个用户；

(2)采用选择最大信道状态加权调度因子用户的方法，选择第一用户组中除第一个用户对之外的其他所有用户对的第一个用户。

进一步，所述(1)中所述的选择最大信道状态矩阵范数用户的方法，选择第一个用户对的第一个用户的步骤如下：

第一步，计算第一用户组中每个用户的信道状态矩阵f范数

第二步，将信道状态矩阵范数最大的用户作为第一个用户对的第一个用户；

所述(2)中选择最大信道状态加权调度因子用户的方法，选择除第一个用户对之外的所有用户对的第一个用户的步骤如下：

第一步，设定加权因子λ和ν，其中λ＞0，ν＞0，λ+ν＝1；

第二步，按照下式，计算第一用户组中每个用户与被选用户间的弦距离：

其中，ca表示第一用户组中第a个用户与所有被选用户间的弦距离，表示取算术平方根操作，m表示用户天线总数，m≥2，tr表示取矩阵迹操作，表示第一用户组中第a个用户信道正交化后的信道状态矩阵，表示之前所有被选用户的信道正交化后的信道状态矩阵，h表示取共轭转置操作；

第三步，按照下式，计算第一用户组中每个用户的信道状态加权调度因子：

其中，da表示第一用户组中第a个用户的信道状态加权调度因子，λ和ν分别表示加权因子，ca表示第一用户组中第a个用户与被选用户间的弦距离；

第四步，将第一用户组中信道状态加权调度因子最大的用户，作为当前用户对的第一个用户；

第五步，判断当前用户对是否等于基站天线总数，若是，则得到所有用户对的第一个用户，否则，将当前用户对加1后执行第四步。

进一步，所述步骤四具体包括：

(1)按照下式，每个用户对的第一个用户对接收信号进行合并：

其中，w1,i表示第i个用户对中第一个用户的接受合并向量，表示取平方根操作，m表示用户天线总数，t表示转置操作；

(2)按照下式，计算每个用户对中第一个用户的预编码向量：

其中，g1,i表示第i个用户对中第一个用户的有效信道向量，h表示转置操作，×表示取乘操作，pi表示第i个用户对中第一个用户的预编码向量。

进一步，所述步骤五具体包括：

(1)按照下式，计算第二用户组中每个用户的接收合并向量：

其中，w2,i表示第二用户组中第s个用户的奇异向量，g2,s表示第二用户组中第s个用户的有效信道矩阵，v2,s表示第二用户组中第s个用户的接收合并向量；

(2)采用选择最大有效矩阵范数用户的方法，从第二用户组中，选择所有用户组的第二个用户。

进一步，所述(2)中选择最大有效信道范数的方法，选择所有用户组的第二个用户的步骤如下：

第一步，i＝1；

第二步，按照下式，计算第二用户组中每个用户的有效信道范数：

cf,s＝|v2,sh2,spi|²；

其中，cf,i表示第二用户组中第s个用户的有效信道范数，h2,s表示第二用户组中第s个用户的信道状态向量，pi表示第i个用户组第一个用户的预编码向量，||表示取绝对值操作；

第二步，将第二用户组中有效信道范数最大的用户，作为第i个用户对的第二个用户；

第三步，判断i是否等于基站天线总数，若是，则得到所有用户对的第一个用户，否则，将i加1后执行第二步。

进一步，所述步骤三中的从用户组g中根据信道状态加权调度dw因子选择n个用户，按如下步骤进行：

第一步，从用户组中选择范数最大的一个用户作为第一个被选的用户f1：

同时，g＝gf1，表示从集合g中剔除用户f1，同时i＝1；

第二步，将用户组g中所有用户的信道状态矩阵hu,u∈g进行高斯正交化变为根据因子从用户组g选择信道状态加权调度dw最大的用户作为下一个被选用户fi+1：

第三步，重复第二步，直至从集合g中选出n个用户；

所述步骤五中每个用户对选择第二个用户s＝[s1,s2,…,sn]，按如下步骤进行：

第一步，初始化，j＝0；

第二步，从用户组w中筛选出与已选第一个用户满足相应信道状态要求的用户：

j＝j+1；

第三步，为用户集中的每个用户设计合并向量用户组中有效信道向量表示为故向量vk必须满足下面关系式：

对上式右边的组合矩阵进行奇异值分解即可得到向量wk，同时即可得到用户集中的每个用户的合并向量

第四步，根据如下公式选择每个用户组中的第二个用户：

得到第j组中的用户对[fj,sj]，同时根据得到第j组中的第二个用户的接收合并向量

第五步，回到第二步，直到选出n个用户；

第六步，得到所有的用户对u＝{[f1,s1],[f2,s2],...,[fn,sn]}。同时也得到所有用户对的第二个用户的接受合并向量。

本发明的另一目的在于提供一种利用所述大规模mimo非正交多址系统多天线用户对调度方法的多输入多输出非正交多址系统。

本发明适用于多天线用户系统，同时本发明适用于多用户配对及多用户对调度的模型，并通过空间资源和频谱资源分配，能保证系统获得较优的和速度性能，降低系统中用户数据传输的中断概率。

由于本发明采用分步的用户配对和用户对调度算法，分别选择每个用户对中的第一个用户和第二个用户进行选择可以更进一步地增大系统和速度；采用新的干扰消除方案，可以运用在用户多天线的大规模mimo非正交多址系统中，打破了传统noma系统中干扰消除技术不能运用于多天线用户的瓶颈，并有效地降低接收端的接受干扰，降低用户的中断概率，提升系统的稳定性；速度性能和中断性能较低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的大规模mimo非正交多址系统多天线用户对调度方法流程图。

图2是本发明实施例提供的大规模mimo非正交多址系统多天线用户对调度方法实现流程图。

图3是本发明实施例提供的对调度后系统和速度性能的仿真图。

图4是本发明实施例提供的对调度后系统中用户数据传输中断概率的仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明能够实现在大规模mimo-noma系统中，根据用户的信道状态信息csi(channelstateinformation)动态地分配系统中用户组对，同时从所有用户对中调度出最优用户对来进行数据传输，利用接收合并向量有效地消除用户对间以及用户对内的信号干扰，有效地提高系统和速度和中断概率性能。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的大规模mimo非正交多址系统多天线用户对调度方法包括以下步骤：

s101：基站获得用户信道状态状态矩阵，用户按信道状态矩阵范数大小进行大小排序，并分为两个用户组g和w；

s102：基站根据信道状态加权调度因子从用户组g中为每个用户组选出其第一个用户，根据用户的有效信道状态矩阵范数从用户组w中每个用户组选出其第二个用户；

s103：基站向选出的用户发送数据，进行数据传输。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的大规模mimo非正交多址系统多天线用户对调度方法包括以下步骤：

步骤一，用户向基站反馈其信道状态信息：

基站向用户发送用户已知的训练序列，用户根据接收到的训练序列估计信道状态信息矩阵，用户将信道状态信息反馈给基站；

步骤二，对用户进行排序：

第一步，基站对每一个用户信道状态矩阵取f范数hf操作；

第二步，基站将所有用户的信道状态矩阵范数进行降序排列，将排序后的前一半用户作为第一用户组g，后一半用户作为第二用户组w；

步骤三，从g中选择所有用户对的第一个用户f＝[f1,f2,...,fm]；

第一步，计算第一用户组g中每个用户的信道状态矩阵f范数

第二步，将信道状态矩阵范数最大的用户作为第一个用户对的第一个用户f1；

第三步，设i＝0；

第四步，令i＝i+1；

设定加权因子λ和ν，其中λ＞0，ν＞0，λ+ν＝1，按照下式，计算第一用户组中每个用户与被选用户间[f1,f2,...,fi]的弦距离：

其中，ca表示第一用户组g中第a个用户与所有被选用户间的弦距离，表示取算术平方根操作，m表示用户天线总数，m≥2，tr表示取矩阵迹操作，表示第一用户组中第a个用户信道正交化后的信道状态矩阵，表示之前所有被选用户的信道正交化后的信道状态矩阵，h表示取共轭转置操作；

第五步，按照下式，计算第一用户组中每个用户的信道状态加权调度因子：

其中，da表示第一用户组g中第a个用户的信道状态加权调度因子，λ和ν分别表示加权因子，ca表示第一用户组g中第a个用户与被选用户间的弦距离；

第六步，将第一用户组中信道状态加权调度因子最大的用户，作为当前用户对的第一个用户fi；

第七步，判断被选用户数是否等于基站天线总数，若是，则得到所有用户对的第一个用户，否则，执行第四步；

步骤四，构造预编码向量：

第一步，每个用户对的第一个用户fi,i＝1,2,...,n对接收信号进行合并：

其中，w1,i表示第i个用户对中第一个用户的接受合并向量，表示取平方根操作，m表示用户天线总数，t表示转置操作；

第二步，按照下式，计算每个用户对中第一个用户的预编码向量：

其中，g1,i表示第i个用户对中第一个用户的有效信道向量，h1,i为用户fi的信道状态矩阵，h表示转置操作，×表示取乘操作，pi表示第i个用户对中第一个用户的预编码向量；

第三步，根据奇异值分解得到上式中用户的预编码向量pi；

步骤五，从第二用户组w中选择所有用户对的第二个用户s＝[s1,s2,...,sm]；

第一步，初始化，j＝0；

第二步，从用户组w中筛选出与步骤三中已选第一个用户满足相应信道状态要求的用户：

j＝j+1；

第三步，按照下式，计算第二用户组中每个用户的接收合并向量：

其中，w2,i表示每个用户对第si个用户的奇异向量，g2,i表示每个用户对中第si个用户的有效信道矩阵，pi表示第i个用户对中第一个用户fi的预编码向量，每个用户对中的两个用户共用一个预编码向量；v2,i表示第二用户组中第si个用户的接收合并向量；

第四步，根据如下公式从中选择每个用户组中的第二个用户si,i＝1,2,...,m：

得到第j组中的用户对[fi,si]，同时根据第三步可以得到第j组中的第二个用户的接收合并向量

第五步，回到第二步，直到选出m个用户，并得到m个用户对值。

步骤六，进行数据传输；

基站将进行预编码后的数据传输给所有用户对，所有用户对的用户在接收后到这些数据后，根据构造的接收合并向量将信号进行合并。，接收信号表达式为：

其中，wn,l表示第l个用户对中第n个用户的合并向量，hn,l表示第l个用户对中第n个用户的信道状态向量，pl表示第l个用户对中第一个用户的预编码向量，α1,l和α2,l分别表示第l个用户对中第1和第2用户的功率分配因子，s1,l和s2,l分别表示基站发送给第l个用户对中第1和第2用户的符号。nn,l表示第l个用户对中第n个用户经历的噪声。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

1.仿真条件：

本发明的仿真在单个基站的无线通信场景中进行，大规模天线基站有32根天线，系统中有128个用户，且每个用户有2根天线。且根据大规模mimo超密集网络模型，系统中每个用户与基站之间的距离服从[1,10]的均匀分布。调度因子λ和ν分别等于0.8和0.2。路径损耗因子为3。

2.仿真结果分析：

本发明的仿真结果如图3、图4所示。图3是使用本发明完成用户配对和数据传输后的和速度仿真图，同时还画出其他相应算法来与之进行比较。图4为使用本发明完成用户配对和数据信号发送后，数据传输过程中的每个用户组中第一个用户和第二个用户的中断概率仿真图。根据图3可知，本发明提出的用户配对算法在两种不同的功率分配因子0.4和0.25下系统和速度均好于传统的随机组对和信道排序法。同时，根据非正交多址系统的优势，所以本发明方案也优于传统正交多址系统的系统和速度。

图4中以实线正方形标识的为本发明功率分配因子为0.4的第二个用户的中断概率。图4中以圆形正方形标识的为本发明功率分配因子为0.25的第二个用户的中断概率。图4中以虚线正方形标识的为本发明功率分配因子为0.4的第一个用户的中断概率。通过图4可知，在不同功率分配因子0.4和0.25下，本发明第二个用户的中断概率均小于传统随机分组法和用户排序法。但，因为正交多址系统中用户被分配更多功率，故正交多址系统中第二个用户的中断概率小于本发明中第二个用户的中断概率。同时，在功率分配因子为0.4时，本发明第一个用户的中断概率亦均小于传统随机分组和用户排序分组法中第一个用户中断概率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。