一种上行SCMA系统用户匹配分组方法与流程

本发明属于无线移动通信领域，具体涉及一种上行scma系统用户匹配分组方法。

背景技术：

mmtc(massivemachine-typecommunications)即海量机器类通信场景，是5g三大主要应用场景之一。mtc是指机器类设备之间进行的自主通信。在未来几年中，由于mtc设备数量将以指数趋势增长，在mmtc应用场景中将有海量的mtc设备接入网络，因此mmtc场景中主要面临的挑战是如何解决海量mtc用户有效地接入。若一个小区中的mtc设备都需要独立接入小区基站，则在给基站带来很大负担。

非正交多址接入技术已成为5g物理层的重要候选技术，不仅能提供更高的频谱效率，而且与现有系统相比，可支持一个更大的用户连接数。稀疏编码多址(sparsecodemultipleaccess，scma)是一种将低密度扩频技术和调制技术相结合的非正交多址接入技术。通过设计出具有最优性能的scma码本集合，再将码本分配给不同用户，系统发送端将携带不同用户信息的多维码字非正交叠加来进行发送，接收端执行低复杂度的消息传递算法进行接收检测。

因此，在mmtc场景中，如何利用scma技术使mtc用户大量接入到无线网络以提高整个系统的用户连接数，同时保证系统和速率的最大化，就成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种上行scma系统用户匹配分组方法，实现大量mtc用户的上行接入的同时，保证了系统和速率的最大化，提高了整个系统的容量。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种上行scma系统用户匹配分组方法，包括如下步骤：

步骤s1：将所有可用子载波按顺序进行分组，分为多个子载波组；

步骤s2：确定每个用户的子载波组优先级，再依据用户的子载波组优先级列表对用户进行分组；

步骤s3：依据每个用户组在各子载波组上的优先级，完成用户组和子载波组之间的相互选择，并进行多次迭代选择，形成子载波组-用户组匹配对。

进一步地，步骤s2中，通过用户在各子载波上的信道增益来构建子载波组的优先级列表，所述信道增益的构建方法包括如下步骤：

步骤s21：用户s将第q个子载波组中的子载波信道增益进行降序排列，从中选出前n个子载波信道增益，并进行求和，得到作为用户s在第q个子载波组的信道增益；

步骤s22：经步骤s21得到的关于用户s的子载波组信道增益集合为：并对该集合中的所有元素进行降序排列，作为用户s的子载波组的优先级列表。

进一步地，步骤s3中，所述用户组与子载波组的匹配方法包括如下步骤：

步骤s31：初始化已分配到子载波组的用户集合c为空集，集合为空集，对应的二进制矩阵v和f为全零矩阵；利用所提出的子载波组优先级构造列表为每个用户组构建关于子载波组的优先级列表l；将资源块以k个子载波为一组按顺序划分为q个子载波组；输入用户集合为s，子载波组集合为q，信道矩阵为h，用户功率为p，用户组中用户数量为j，子载波组中子载波数量k；sq表示第q个子载波组所分配的用户集合，即所匹配的用户组；集合c由二进制矩阵v表示，其中v＝{v1,v2,…,vs},v1＝{v1,1,v2,1,…,vq,1}；当vq,s＝1时，表示第s个用户匹配到第q个子载波组，反之vq,s＝0时，表示第s个用户不占用第q个子载波组；同理，用矩阵f来表示用户集合s的子载波分配方案，由集合得到矩阵f，由集合c得到矩阵v；

步骤s32：对优先级列表l的每个元素l进行遍历，即每个元素l对应一个优先级列表，然后对子载波组集合q和用户集合s进行循环遍历，构成三级嵌套循环遍历；

步骤s33：在步骤s32所构成的三级嵌套循环遍历中，初始化策略集合m为空集，有效策略集合cm为空集，系统和速率r为空集；若用户s未匹配到子载波组，则从用户s的子载波组优先级列表中选择优先级最高的子载波组q，并且判断在子载波组q上分配的用户数量是否等于j；

步骤s34：如果子载波组q上分配的用户数量小于j，则继续判断用户s在子载波组q上的子载波占用方案与集合sq中的原有用户s’的子载波占用方案是否完全相同；如果完全相同，则构建替换策略m：即将用户s替换集合sq中的原有用户s’；若不相同，则构建添加策略m：即将用户s添加到集合sq中。若子载波组q上分配的用户数量等于j，则构建替换策略m：即将用户s替换集合sq中的原有用户s’，将策略m添加到策略集合m中。

步骤s35：对策略集合m中的每个集合进行遍历，假设用户的功率在所占用的子载波上进行均分，求出应用该策略后的系统和速率rnew，系统和速率计算如下：

若rnew大于应用该策略m之前的系统和速率r，则确定该策略为有效策略m，并将该策略m添加到集合cm中；

步骤s36：在集合cm中选择令系统和速率最大的策略sbest，若sbest是替换策略，即有更新集合c和集合sq，同时更新矩阵v和f，进一步更新用户s和s’的子载波组优先级列表；若sbest是添加策略，即有更新集合c和集合sq，同时更新矩阵v和f，进一步更新用户s的子载波组优先级列表；

步骤s37：若sbest不为空，则结束本次循环；对优先级列表l的每次遍历进行如下判断：若集合中的用户数量均为j，并且集合c中的用户数量为|s|，则跳出整个循环，结束整个算法，输出集合sq，集合c，矩阵v和f。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的上行scma系统用户匹配分组方法，完成了用户组和子载波组之间的相互选择并形成匹配对，实现了mtc用户大量接入无线网络，提高了整个系统的用户连接数和容量，保证了系统和速率的最大化，进一步优化了上行scma的系统性能。

附图说明

图1为本发明实施例中的单个小区mmtc网络分层结构图；

图2为本发明实施例中的单个scma系统资源分配示意图；

图3为本发明实施例中的单个mtc用户群中的用户匹配分组示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。

针对所提出的mmtc系统的网络分层架构，由图1可知，首先在第一层网络模型中，主要包括基站和lte用户的通信以及基站和mtcg用户之间的通信；在第二层网络模型中，主要包括一个mtc用户群内mtc用户和mtcg用户之间的通信。因此，单个mtc用户群中的用户分组匹配主要是将资源块细分为子载波组，同时将每一个子载波组匹配到的mtc用户构成一个用户组，即完成子载波组和用户组的相互匹配。由于在每个mtc用户组内，mtc用户使用scma技术接入到mtcg用户，单个mtc用户组构成了单个scma系统，此时每个用户组中的资源分配根据mtc用户群中的用户分组匹配得到的子载波组，将每个子载波依据scma技术中映射矩阵的设计规则合理地分配给用户。

假设上行scma系统中的子载波个数为k，系统可接入的用户数为j，即j个用户复用k个子载波资源块(j＞k)为了不失一般性，这里假设每个用户占用一个层，每个用户码本的维度为k，码本大小为m，即每个码本有m个码字，过载因子μ＝j/k。scma编码器可以被描述为一个映射过程，即从比特映射到c，其中是大小为m的k维复数码本。码本中存在不同的码字，并且这些码字是稀疏列向量包含n<k非零元素。k个维度对应于k个不同的正交子载波。该用户不能通过k-n个零元素所代表的子载波传输数据。在上行信道中，接收信号在第k个子载波可写成:

其中，hk，j是第j个用户在第k个子载波上的信道矩阵，xk，j是第j个用户所选择的码字在第k个子载波的元素，该元素可以为0，这是由用户j的码本所决定的。是第k个子载波上的加性高斯噪声，令占用子载波k的用户集合为sk，因此子载波k上的接收信号可以由式(1)改写为：

假设单个mtc用户群中mtcg连接有s个用户，基站分配给mtcg有l个资源块，将资源块细分为子载波，将连续子载波进行连续分组，即k个子载波分为一组，即有q＝12*l/k个子载波组。同时以j个用户一组对s个用户进行分组，共有w＝s/j个用户组，一个用户组只能匹配一个子载波组，即一个用户组和一个子载波组构成一个scma系统。

由香农公式可知速率公式可表示为：r＝c/b＝log(1+sinr)。定义索引vqs＝1时，表示将第q个子载波组分配给第s个用户，反之vqs＝0时，表示第s个用户不占用第q个子载波组。依据对于单个scma系统和速率的分析，用户j在所占用子载波k上的速率为：

其中，ik,j是指单个用户组中占用子载波k的用户集合sk中其他用户信号对第j个用户产生的干扰，其定义如下：

即针对于单个子载波组而言有，用户j的速率为：

综上，对于q个子载波组，s个用户的系统而言，系统总和速率为：

其中fk,s＝1时表示第s个用户占用第k个子载波，反之，不占用；vqs＝1时，表示将第q个子载波组分配给第s个用户，反之vqs＝0时，表示第s个用户不占用第q个子载波组，其中ik,s与ik,i的定义一致。即整个系统的优化问题可以表示为：

上述过程中，公式(7a)表示使得整个系统的总和速率最大化；公式(7b)表示第j个用户的功率分配满足第j个用户的功率限制，且假设每个用户的功率均为p；公式(7c)表示每个用户的分配到所占有的子载波功率大于等于0；公式(7d)表示单个scma系统中每个子载波最多被df个用户所占用；公式(7f)和公式(7e)表示每个用户占用所有的子载波数目为n；公式(7g)表示每个用户只能占用一个子载波组，以减轻干扰。上述优化问题(7)将mtc用户群中的用户分组匹配和组内上行scma系统资源分配组合在一起，由于在完成子载波组合和用户组的相互匹配之后，每个用户所受到的干扰仅来自于同组中的其他用户，因此对于优化问题(7)可以将分组匹配和组内scma系统资源分配分开，单独进行优化。

本发明提出一种分组匹配方案在用户等功率分配的情况下确定vs和fk,s，使得系统和速率最大化。在得到相应的分组匹配方案后，单个scma系统利用scma中星座点的映射关系优化该子载波组中的子载波分配过程。在用户组中的用户确定所占用的子载波之后，需要依据用户需求构建功率分配模型，优化单个用户在所占用的子载波上的功率分配，如图2所示。

假设单个子载波组有k个子载波，根据scma系统的扩频因子μ(总是大于1)，可以发现单个子载波组可以接入j(j＝k*μ>k)个用户传输信息。如图3所示，在单个mtc用户群的用户分组匹配基本步骤为：

步骤s1：将所有可用的子载波按顺序进行分组，分为多个子载波组。

关于子载波组与用户组的相互匹配问题本质是一个多对多的匹配问题，可以构造一个多对多的匹配模型来完成双方的选择。

通过对系统和速率的分析，可知对用户而言，其固定的参数为信道增益，而直接影响用户速率的因子为sinr，而sinr中包含了一个变量，即用户在所占用的子载波上分配的功率pk,s。如下所示：

在之前关于ik,s的定义中，在子载波上，信道增益最大的用户不会受到来自其他用户的干扰，因此主要以信道增益来构建子载波组优先级列表。

步骤s2：确定每个用户的子载波组优先级，然后依据用户的子载波组优先级列表对用户进行分组。

通过用户在每个子载波上的信道增益来构建子载波组的优先级列表的具体步骤如下所示：

步骤s21：用户s将第q个子载波组中的子载波信道增益进行降序排列，从中选出前n个子载波信道增益，并进行求和，得到作为用户s在第q个子载波组的信道增益。

步骤s22：通过步骤s21所得到的关于用户s的子载波组信道增益集合为：并对该集合中的所有元素进行降序排列，作为用户s的子载波组的优先级列表；

步骤s3：依据每个用户组在每个子载波组上的优先级，完成用户组和子载波组之间的相互选择，并且可以进行多次迭代选择，形成一个匹配对(子载波组-用户组)。

步骤s31：初始化已分配到子载波组的用户集合c为空集，集合为空集，对应的二进制矩阵v和f为全零矩阵；利用所提出的子载波组优先级构造列表为每个用户组构建关于子载波组的优先级列表l；将资源块以k个子载波为一组按顺序划分为q个子载波组；输入用户集合为s，子载波组集合为q，信道矩阵为h，用户功率为p，用户组中用户数量为j，子载波组中子载波数量k；sq表示第q个子载波组所分配的用户集合，即所匹配的用户组；集合c由二进制矩阵v表示，其中v＝{v1,v2,…,vs},v1＝{v1,1,v2,1,…,vq,1}；当vq,s＝1时，表示第s个用户匹配到第q个子载波组，反之vq,s＝0时，表示第s个用户不占用第q个子载波组；同理，用矩阵f来表示用户集合s的子载波分配方案，由集合得到矩阵f，由集合c得到矩阵v；

步骤s32：对优先级列表l的每个元素l进行遍历，即每个元素l对应一个优先级列表，然后对子载波组集合q和用户集合s进行循环遍历，构成三级嵌套循环遍历。

步骤s33：在s32所构成的三级嵌套循环遍历中，初始化策略集合m为空集，有效策略集合cm为空集，系统和速率r为空集。如果用户s未匹配到子载波组，则从用户s的子载波组优先级列表中选择优先级最高的子载波组q，并且判断在子载波组q上分配的用户数量是否等于j。

步骤s34：如果子载波组q上分配的用户数量小于j，则继续判断用户s在第q个子载波组上的子载波占用方案与集合sq中的原有用户s’的子载波占用方案是否完全相同。如果完全相同，则构建替换策略m：即将用户s替换集合sq中的原有用户s’；若不相同，则构建添加策略m：即将用户s添加到集合sq中。如果子载波组q上分配的用户数量等于j，则构建替换策略m：即将用户s替换集合sq中的原有用户s’。将策略m添加到策略集合m中。

步骤s35：对策略集合m中的每个集合进行遍历：假设用户的功率在所占用的子载波上进行均分，求出应用该策略后的系统和速率rnew。如果rnew大于应用该策略m之前的系统和速率r，则确定该策略为有效策略m，并将该策略m添加到集合cm中。

步骤s36：在集合cm中选择令系统和速率最大的策略sbest。如果sbest是替换策略，即有更新集合c和集合sq，同时更新矩阵v和f，进一步更新用户s和s’的子载波组优先级列表。如果sbest是添加策略，即有更新集合c和集合sq，同时更新矩阵v和f，进一步更新用户s的子载波组优先级列表。

步骤s37：如果sbest不为空，则结束本次循环。对优先级列表l的每次遍历的最后进行如下判断；如果集合中的用户数量均为j，并且集合c中的用户数量为|s|，则跳出整个循环，结束整个算法。输出集合sq，集合c，矩阵v和f。

上述用户匹配方案中的r计算定义：

依据所构建的子载波组优先级和功率平均分配初始化确定vq,s和pk,s.，进一步通过每个用户在所占用的子载波组中的子载波优先级列表进行搜索初始化确定fk,s，其中的ik,s可以通过干扰项i的定义初始化确定，进一步可以求出r。

综上所述，本发明上行scma系统用户匹配分组方法，完成了用户组和子载波组之间的相互选择并形成匹配对，实现了mtc用户大量接入无线网络，提高了整个系统的用户连接数和容量，保证了系统和速率的最大化，进一步优化了上行scma的系统性能。

应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。