一种用于MU-MIMO系统的空时频三维资源分配方法

本发明属于移动通信，具体涉及一种用于mu-mimo系统的空时频三维资源分配方法。

背景技术：

1、在最新的5g和未来6g移动通信系统中，随着终端用户数量的急剧增长，要求高密度的设备环境仍需要实现可靠、高速的通信。资源可以看作是三维结构的一个元素，分别对应于频率、时间和空间域。为了获得资源问题的最优解，需要对每个可能的波束在每个时频资源上的分配进行比较，以提高每个维度的资源利用率。事实上，如前所述，一般的和率最大化问题已被论证为非确定性难题，自由度多、用户数量大而带来的高复杂度也不利于硬件实现。如何在有限的资源上实现大量用户的高传输速率是当前5g nr系统通信中一个值得研究的问题，三维联合高效资源分配能够大大提高系统的信道容量和频谱效率。

2、目前在现网中，一些经典的算法被应用，如轮询调度、比例公平调度、先到先得调度等等。这类方法仅以简单的准则来适应硬件紧张的计算资源，并未与终端用户在调度前产生交互式反馈，常常导致用户堵塞或多次重传。而现有的理论研究工作中，大部分以最大吞吐量为目标来调度资源，假设调度前已掌握终端用户的多方面信道信息，经过大量迭代搜索得到最优调度方法，或根据先验信息开发一种低复杂度的启发式调度方法。结合实际通信系统的计算能力，低复杂度方法更适用。但这类工作中，常常忽略了用户个性化的流量需求、通信中质量服务要求等约束。

3、现网的资源调度中，例如在论文“面向5g新空口的码本设计标准化研究”中，作者提出了一种r15阶段，5g新空口码本设计基本延用r13、r14的码本设计思路，但基站与终端用户在调度前未产生交互式反馈，在多个用户选择相同波束传输数据的情况下，会导致用户堵塞或多次重传；理论研究工作常常采用迭代搜索求解最优解，计算复杂度在硬件能承受的计算复杂度内；忽略了用户个性化的流量需求、通信中质量服务要求等约束，没有从多方面约束条件下来设计无线资源的分配问题模型。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于mu-mimo系统的空时频三维资源分配方法，联合用户个性化需求和空域干扰受限等约束，建立一个空时频多维资源分配优化问题；基于贪婪算法得出一种分步解决问题的启发式资源分配方法；综合用户的需求和信道特性，提出了流量感知的改进资源分配方法和新的波束选择准则。实现更高的频谱效率和更高的系统和速率，且适用于硬件系统复杂度。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种用于mu-mimo系统的空时频三维资源分配方法，包括以下步骤；

4、步骤一：针对mu-mimo系统，在用户速率需求和空域qos(quality of service)需求联合约束下，以最大化系统和速率为目标，建立综合多维资源优化问题；

5、步骤二：分析所述综合多维资源优化问题，在平衡复杂度和系统性能下，采用启发式资源分配方法进行资源分配，用于提高频谱效率；

6、步骤三：为解决步骤二中资源分配方法的时频资源浪费，根据用户的个性化流量需求，将所述启发式资源分配方法改进为流量感知的启发式资源分配方法；

7、步骤四：为提高步骤三中资源分配方法的空间复用能力，通过权衡波束的匹配性能与被用户选择的重复率，提出波束选择准则；

8、步骤五：根据步骤四所述的波束选择准则，采用流量感知的启发式资源分配方法，为mu-mimo系统传输数据。

9、所述mu-mimo系统为mu-mimo下行通信系统，包括一个配有均匀平面阵列的基站，基站同时为u个单天线用户终端提供服务，其中基站进行nb种波束赋形，产生nb种不同的波束形状，将波束形状进行波束分组，波束分组用于降低空域干扰；所述波束分组为：将nb种波束划分为k个波束组，即同一时频单元上，用户仅受同一波束组内其他波束的干扰，不同波束组之间的波束依靠占用不同的时频资源来消除较强的空间干扰，设波束b所在的波束组是gk，第u个用户选择第b个波束时的信干噪比为：

10、

11、wb表示波束b的码本，gk表示波束b所在的波束组，第u个用户在多个波束上调度相同的数据用于提高可靠性，因此第u个用户最终的信干噪比可表示为：

12、

13、其中，fu,k∈{0,1}是一个二元变量，当fu,k为1时，表示第u个用户选择波束组gk为它提供服务，当fu,k为0时，表示第u个用户不选择波束组gk为它提供服务；iu,b∈{0,1}是一个二元变量，当iu,b为1时，表示第u个用户选择b光束来提供服务，当iu,b为0时，表示第u个用户不选择b光束来提供服务；k表示第k个波束组。

14、为了形式化描述联合波束选择和资源分配问题，另外定义2个决策二元变量：ju,f,t是第u个用户对第t个ofdm符号中的第f个频率资源的决策二元变量，当ju,f,t为1时，第u个用户选择使用第t个ofdm符号中的第f个频率资源，当ju,f,t为0时，第u个用户不选择第t个ofdm符号中的第f个频率资源；et,k是波束组gk对第t个ofdm符号的决策二元变量，当et,k为1时，波束组gk占用第t个ofdm符号，当et,k为0时，波束组gk不占用第t个ofdm符号。则第u个用户的实际传输速率ru表示为：

15、

16、ju,f,t是第u个用户对第t个ofdm符号中的第f个频率资源的决策二元变量，当ju,f,t为1时，第u个用户选择使用第t个ofdm符号中的第f个频率资源，当ju,f,t为0时，第u个用户不选择第t个ofdm符号中的第f个频率资源；et,k是波束组gk对第t个ofdm符号的决策二元变量，当et,k为1时，波束组gk占用第t个ofdm符号，当et,k为0时，波束组gk不占用第t个ofdm符号。表示单个可调度频域单元的带宽，sinru表示第u个用户调度多个波束后最终的信干噪比；

17、最终的结果是第u个用户的实际传输速率，用于表征以下优化问题中的变量：ru。

18、所述步骤一中，多维资源优化问题，设r表示多用户mimo和速率，du表示第u个用户的最小流量需求,t表示ofdm符号数，即使用户流量需求不变，t会随着资源分配策略的变化而变化，t足够大来满足所有用户的最小流量要求，为了使所有终端用户的和速率最大化，将步骤一中资源分配问题表述为：

19、

20、其中c1约束表示时域中的每个符号仅且仅能被一个波束组所占据；c2约束表示每个用户的总信干噪比(sinr)应大于sinr阈值sinrthreshold，以保证用户的空域qos需求；c3约束表示每个时频单元只能有一个用户占用或没有用户占用；c2约束和c4约束存在本质上的区别，前者是为了保证传输数据的可靠性，选择多个波束提高空域分集作用，后者是为满足用户的最小流量需求在时频资源数量上的限制条件。

21、所述步骤二中启发式资源分配方法的具体流程如下：

22、步骤1.1：先验信息是所有波束组对应的波束序号和所有用户的最低流量需求，用户依次基于贪婪算法的思想选取最佳波束：

23、b*＝argmaxsinru,b

24、假设为了满足c2约束，选取波束组中sinr最大的几个波束同时向用户传输信号，确定变量fu,k和iu,b，再确定用户再单个rb上传输速率lu：

25、

26、步骤1.2：为用户顺序分配rbs，假设ub表示选择波束b传输数据的用户集合，将波束b上空闲的个rbs分配依次分配给ub中未被分配时频单元的用户u，是向上取整数的函数，同时也为用户u在该波束组中选择的其他波束分配相同数量且相同位置的个rbs。每个波束都完成相同操作。

27、步骤1.3：依次统计波束b所需要的rbs数量mb，假设单个ofdm符号所包含的rb数目为f，确定波束组gk需要的ofdm符号数：

28、

29、最终，确定满足所有用户约束条件下需要的ofdm符号数：

30、

31、t个ofdm符号顺序分配给k个波束组，再结合fu,k和iu,b，顺序确定在哪些ofdm符号上哪些用户用何波束形状进行下行链路的数据传输，确定变量

32、所述步骤三中流量感知的启发式资源分配方法就是依据用户的流量需求为用户分配过剩的时频资源，在确定波束组gk占用的ofdm符号数量tk后，波束组gk可调度的rbs数量为tkf，假设用户集ub选择了波束组gk中波束b，分配给ub里用户u的rbs数量为：

33、

34、其中db表示为了满足ub中所有用户的最低流量需求，波束b需要待分配的最小rbs的数目：

35、

36、gk的第一个和第三个波束上的空闲rbs按照需求比例扩展给对应的用户。

37、所述步骤四中，通过步骤二的基于贪婪算法的思想用户选择了最佳波束，虽然每个用户都选择了最佳波束，得到了最佳空域特性，然而这并不一定达到当前小区的最佳空域利用率，因为同一波束组内，可能多个波束在用户的nlos路径上的sinr十分接近，但该用户未必选择空闲波束传输数据，因此系统的空域复用能力下降；

38、通过波束选择准则，权衡波束的匹配性能与被用户选择的重复率，提高空域复用能力，所述波束选择准则为：

39、

40、其中

41、

42、其物理意义是用户u匹配到波束b时，sinru,b与当前波束b上已经匹配的用户数量的比值，与仅以sinru,b最大化准则相比，作为选择波束的准则更加客观，因为还考虑了波束b被用户选择的重复率，给了sinr性能接近却空闲的波束被选择的机会，同时，越少的用户选择相同的波束b，需要更少的时频资源来正交化选择b的用户，这能够降低b*所在波束组需要tk，因此，进一步节约了时域资源。

43、本发明的有益效果：

44、本发明联合用户个性化需求和空域干扰受限等约束，建立一个空时频多维资源分配优化问题；基于贪婪算法的思想，推导出一种分步解决问题的启发式资源分配方法；综合用户的需求和信道特性，提出了流量感知的改进资源分配方法和新的波束选择准则。在保证通信的有效性和可靠性的同时，使系统服务于更多的活跃用户，有利于实现更高的频谱效率和更高的系统和速率，且适用于硬件系统复杂度。

45、本发明以最大化系统和速率为目标，考虑用户个性化流量需求，提出了一种用于mu-mimo系统的空时频三维资源分配方法，提升了通信过程中系统的信干噪比、频谱效率以及空域复用能力，进一步提高系统和速率。凡依本发明所述的算法流程的等效变化，均应包括于本发明专利申请范围内。