MU-MIMO系统中基于聚类的用户配对方法与流程

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于聚类的用户配对方法，可用于多用户-多输入多输出-单载波-频分多址mu-mimo-sc-fdma系统。

背景技术：

在如今的4g移动通信系统和即将到来的5g移动通信系统中，多用户-多输入多输出mu-mimo技术占有很重要的地位。mu-mimo技术通过合理的用户配对准则，在发射端将多个只有1根天线的用户组合成一个用户配对，将该用户配对虚拟的看作一个配有多根天线的实体终端，将该实体终端与接收端基站侧装配的多个天线共同形成mu-mimo阵列，从而显著提高系统频谱效率。在mu-mimo系统中，最关键的研究问题就是选择合适的用户配对方法，衡量一个用户配对方法的优劣主要是看系统的频谱利用率这一指标。

目前经典的用户配对算法有：随机配对准则、正交用户配对算法、行列式配对准则、正交缺陷度配对准则。这些基本的用户配对算法，尽管可以在一定程度上保证各用户之间干扰尽可能小，但是没有很明显的提升系统的频谱利用率。

xiaofenglu等人在其发表的论文“dynamicusergroupingandjointresourceallocationwithmulti-cellcooperationforuplinkvirtualmimosystems”(ieeetransactionsonwirelesscommunications,vol.16,no.6,pp.3854-3869,jun2017.)中，针对mu-mimo系统中的用户配对问题，提出了一种迭代匈牙利方法。该方法的具体步骤是：先将用户分组，生成完备的用户分组集合；再将资源块分组，生成完备的资源块分组集合；最后使用迭代匈牙利算法，得到最优的用户分组和资源块分组之间的组合情况和系统吞吐量。该方法存在的不足之处是，复杂度较高，且实现的频谱效率也较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种mu-mimo系统中基于聚类的用户配对方法，以降低复杂度，且提升系统的频谱利用率。

为实现上述目的，本技术方案包括如下：

(1)生成资源块分拆完备集：

利用分拆法对系统中所有的资源块进行拆分，生成资源块分拆完备集，该资源块分拆完备集包含多个资源块分拆集，每种资源块分拆集中包含多个资源块组；

(2)生成聚类个数并初始化每个类中的资源块组和用户：

将每个资源块分拆集中资源块组的个数定义为类的个数k，将k个类中资源块组依次定义为t1,…,tm,…,tk,将每个资源块分拆集中资源块组依次放入t1,…,tm,…,tk中，将k个类中用户组依次定义为ω1,…,ωm,…,ωk，定义用户总个数为l，从l个用户中依次选取k个用户放入ω1,…,ωm,…,ωk中；

(3)根据最小均方误差-基于排序的连续干扰消除mmse-osic检测方法和误比特率约束的自适应调制方法，计算每个类的中心z1,…,zm,…,zk；

(4)执行用户移出操作：

(4a)设定每次从一个类中移出的用户个数为η；

(4b)从未被选取的类中选取一个类，判断该类中用户的个数是否大于η，若是，则执行(4c)，否则，执行(4e)；

(4c)将第m个类中用户组ωm中用户u占用资源块组tm的传输效率定义为计算该类中每个用户到该聚类中心的距离为然后将到中心距离最小的用户移出该类，并根据(3)更新每个类的中心z1,…,zm,…,zk；

(4d)重复(4c)，直到η个用户被移出该类；

(4e)重复(4b)-(4d)，直到k个类都被选取；

(5)执行用户添加操作：

(5a)设定每次向类中添加的用户个数为λ；

(5b)从待添加的用户中选取一个用户，计算该用户到所有聚类中心的距离为并将该用户加到与其距离最小的聚类中心对应的类中；

(5c)重复(5b)，直到λ个用户都被添加到类中；

(5d)根据(3)更新每个类的中心z1,…,zm,…,zk；

(6)重复(4)和(5)，直到所有l个用户都被分配到类中，完成用户配对过程。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用在给定系统误比特率门限的情况下，根据信道状态动态地进行多小区用户配对和资源分配的方法，克服了现有技术在资源分配过程中不能保证系统通信质量的问题，使得本发明能在最大化系统的频率利用率的同时，保证系统的误比特率在门限值之下，进而提高了系统通信质量；

第二，由于本发明采用一种基于最小均方误差-排序串行干扰消除mmse-osic技术的用户聚类算法，将联合用户配对和资源分配的大问题分解成若干个规模很小的子问题来并行求解，极大地减小了求解该问题的搜索空间，克服了现有技术不能充分利用频谱和求解复杂度高的问题，使得本发明在降低复杂度的同时，提高了频谱效率。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明方法与现有方法复杂度仿真结果；

图3是本发明方法与现有方法频谱效率仿真结果。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，生成资源块分拆完备集。

设定多用户-多输入多输出-单载波-频分多址mu-mimo-sc-fdma系统中资源块的个数为n，利用分拆法对资源块进行拆分，生成资源块分拆完备集，具体步骤如下：

(1a)将mu-mimo-sc-fdma系统中所有连续的资源块表示成{b1,b2,…,bi,bi+1,…,bn}序列，其中，bi表示第i个资源块，i是从1到n，n表示资源块的总数；

(1b)用n-1个横线对资源块序列进行分隔，得到分隔后的资源块序列{b1,_,b2,_,…,bi,_,bi+1,…,_,bn}；

(1c)在n-1个横线上随机插入数字0或数字1，即将十进制数1至2^n-1均转换成长度为n-1的二进制序列，将2^n-1种二进制序列依次插入n-1个横线上，得到2^n-1种资源块分拆集；

(1d)在每种资源块分拆集中，判断bi和bi+1之间的横线上插入的数字是0，还是1：若是数字0，则用bi和bi+1组成一个资源块组；

若是数字1，则用bi和bi+1组成两个不同的资源块组；

(1e)将2^n-1种资源块分拆集组成一个集合，生成资源块分拆完备集。

步骤2，生成聚类个数并初始化每个类中的资源块组和用户组。

(2a)从资源块分拆完备集中选取一个资源块分拆集，将该资源块分拆集中资源块组的个数定义为类的个数k；

(2b)将k个类中资源块组依次定义为t1,…,tm,…,tk,m是从1到k，将资源块分拆集中资源块组依次放入t1,…,tm,…,tk中；

(2c)将k个类中用户组依次定义为ω1,…,ωm,…,ωk，定义用户总个数为l，从l个用户中依次选取k个用户放入ω1,…,ωm,…,ωk中。

步骤3，计算每个类的中心：

根据现有最小均方误差-基于排序的连续干扰消除mmse-osic检测方法和误比特率约束的自适应调制方法，计算每个类的中心z1,…,zm,…,zk，具体步骤如下：

(3a)计算第m个用户组ωm中用户u占用第e个子载波的信干噪比为：

其中，e是从1到|tm|，|tm|是资源块组tm中子载波的数目，u是从1到|ωm|，|ωm|是用户组ωm中用户的数目，是用户组ωm中用户u在第e个子载波上的检测矢量，是用户组ωm和第e个子载波之间信道矩阵的第u列对应的矢量，σ²是高斯噪声方差；

(3b)计算第m个用户组ωm中用户u占用第e个子载波的传输效率为：

其中，是向下取舍操作，ber^tar是信号传输的ber约束的上限；

(3c)计算第m个用户组ωm中用户u占用资源块组tm的传输效率为：

(3d)计算第m个用户组ωm占用资源块组tm的传输效率为：

(3e)计算第m个类的中心为：

zm＝rm。

步骤4，执行用户移出操作：

(4a)设定每次从一个类中移出的用户个数为η；

(4b)从未被选取的类中选取一个类，判断该类中用户的个数是否大于η，若是，则执行(4c)，否则，执行(4e)；

(4c)将第m个类中用户组ωm中用户u占用资源块组tm的传输效率定义为计算该类中每个用户到该聚类中心的距离为然后将到中心距离最小的用户移出该类，并根据(3)更新每个类的中心z1,…,zm,…,zk；

(4d)重复(4c)，直到η个用户被移出该类；

(4e)重复(4b)-(4d)，直到k个类都被选取。

步骤5，执行用户添加操作：

(5a)设定每次向类中添加的用户个数为λ；

(5b)从待添加的用户中选取一个用户，计算该用户到所有聚类中心的距离为具体步骤如下：

(5b1)从待添加的用户中选取一个用户，加入到第m个类后，得到用户组为

(5b2)计算第m个用户组中用户d占用第e个子载波的传输效率为：

其中，是向下取舍操作，d是从1到是用户组中用户的数目，sinr(d)e,m+是用户组中用户d占用第e个子载波的信干噪比，ber^tar是信号传输的ber约束的上限；

(5b3)计算第m个用户组中用户d占用资源块组tm的传输效率为：

其中，是用户组中用户d占用第e个子载波的传输效率；

(5b4)计算第m个用户组占用资源块组tm的传输效率为：

(5b5)计算选取的用户到第m个聚类中心的距离为：

其中，zm是第m个类的中心。

(5c)将用户加到与其距离最小的聚类中心对应的类中；

(5d)重复(5b)-(5c)，直到λ个用户都被添加到类中；

(5e)根据(3)更新每个类的中心z1,…,zm,…,zk。

步骤6，完成用户配对过程：

重复(4)和(5)，直到所有l个用户都被分配到类中，完成用户配对过程。

本发明的效果可通过仿真进一步的说明

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，资源块个数为6，系统误比特率的门限值为10^-5，且本发明仿真实验设定信号接收机的检测方式为最小均方误差-基于排序的连续干扰消除mmse-osic检测，并假设在单个时隙内信道矩阵是不变的。将现有的用户配对技术和本发明的方法在复杂度和系统频谱效率这两个方面的性能进行对比。

2.仿真内容与结果分析

仿真1，按照上述仿真条件，对本发明方法与现有方法的复杂度进行仿真，结果如图2。从图2可见，当用户数目是10，20，30，40时，本发明方法有较低的运算复杂度。

仿真2，按照上述的仿真条件，对本发明方法与现有方法的频谱效率进行仿真，结果如图3。

从图3中可以看到，随着信噪比的不断增长本发明方法和现有方法的频谱效率都在上升，但是本发明方法的频谱效率曲线的斜率明显大于现有方法曲线的斜率，并且无论是在信噪比的高低，本发明方法的性能曲线一直在现有方法之上。因此所提用户配对方法可以充分地利用系统内的频谱资源，提高频谱效率。