基于邊緣用戶干擾度量值的Massive MIMO系統(tǒng)導(dǎo)頻分配方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于邊緣用戶干擾度量值的Massive MIMO系統(tǒng)導(dǎo)頻分配方法，以連線與權(quán)值標(biāo)明相鄰小區(qū)兩邊緣用戶間的干擾關(guān)系與干擾的大小，根據(jù)連線與權(quán)值組成導(dǎo)頻分配圖，再以對圖中所有相連用戶分配不同導(dǎo)頻資源為原則逐個小區(qū)進行導(dǎo)頻分配。本發(fā)明通過對相鄰小區(qū)邊緣用戶干擾關(guān)系的標(biāo)記，使得存在干擾的用戶被分配使用不同的導(dǎo)頻序列，因而有限的導(dǎo)頻資源在相鄰小區(qū)內(nèi)得到更合理的復(fù)用，從而達到緩解導(dǎo)頻污染，在耗費相同資源的前提下提高用戶接收信干噪比及傳輸速率的目的。而且，本發(fā)明所提供的導(dǎo)頻分配方法是逐個小區(qū)執(zhí)行的，只需要相鄰小區(qū)間進行信息交互，而不需要為所有小區(qū)尋找集中處理節(jié)點，因此算法執(zhí)行更方便。
【專利說明】
基于邊緣用戶干擾度量值的Mass i ve ΜI MO系統(tǒng)導(dǎo)頻分配方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于邊緣用戶干擾度量值的Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)導(dǎo)頻分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展和智能手機的迅速普及，人們對數(shù)據(jù)傳輸速率提出 了更高的要求。為了滿足日益增長的用戶需求，通過增加基站天線數(shù)構(gòu)建大規(guī)模多輸入多 輸出（Massive ΜΙΜΟ)系統(tǒng)，是一種高效而相對便捷的方式。Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)能深度發(fā)掘 空間維的自由度，使得基站能夠利用同一時頻資源服務(wù)于多個用戶，被看作是5G最主要的 物理層關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003] 盡管Massive ΜΙΜΟ技術(shù)有諸多優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用時也存在一些挑戰(zhàn)，導(dǎo)頻污染 就是其中最典型的。由于在給定的帶寬和時間內(nèi)導(dǎo)頻的數(shù)量是有限的，因而分布在相鄰小 區(qū)的用戶要不可避免地重復(fù)利用相同的（或非正交的）導(dǎo)頻序列，從而導(dǎo)致基站所獲得的信 道估計會受到相鄰小區(qū)中使用相同（或非正交）導(dǎo)頻序列的用戶的削弱，運就是導(dǎo)頻污染。 為了說明導(dǎo)頻污染帶來的影響，運里考慮包含L個六邊形小區(qū)的Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)，假定每 個小區(qū)的基站安裝Μ根天線，同時為KW<<M)個單天線用戶提供服務(wù)。用戶<j，k> (第j個小 區(qū)的第k個用戶巧Ij第i個小區(qū)基站的信道向量\^>,,.￡^^><1可表示為：
[0004]
[000引其中私,k>,康示大尺度衰落系數(shù)，g<y>, €劇/腳)表示小尺度衰落系數(shù)。
[0006] 導(dǎo)頻序列參二格卷…"，長度為T，相互正交，即Φ φΗ=?κ。且導(dǎo)頻資 源在相鄰的小區(qū)內(nèi)重復(fù)利用。經(jīng)典的導(dǎo)頻分配方案就是將導(dǎo)頻資源在同一小區(qū)內(nèi)隨機分 配，不失一般性，可給用戶<j，k>分配導(dǎo)頻qy,k〉，并且保證同一小區(qū)內(nèi)任意兩個用戶使用的 導(dǎo)頻不相同，即^少從^ 。用戶< j，k>的上行傳輸接收信干噪比（SINR)可表 示為：
[0007]
[000引其中p<j,k>為用戶<j，k>的發(fā)送功率;表示與干擾不相關(guān)的噪聲，通過增大基 站天線數(shù)其值的影響會越來越小
表示由于導(dǎo)頻重復(fù)利用所帶來 的導(dǎo)頻污染;Iy,k>表示那些使用相同導(dǎo)頻的用戶^，4〉集合。因此，用戶<j，k>的平均上行可 達速率為：
[0009]
[0010] 運里μ〇表示由于上行導(dǎo)頻傳輸帶來的頻譜效率損失，其值為導(dǎo)頻序列長度與信道 相干時間長度之比μ〇=VI。
[0011] 結(jié)合上述理論分析與性能仿真發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)頻污染的后果是使基站獲得的接收信干噪 比及用戶傳輸速率出現(xiàn)飽和平臺，也就是說其影響不能通過增加基站天線 數(shù)或發(fā)送功率來彌補。雖然增加導(dǎo)頻序列長度會獲得更多的導(dǎo)頻數(shù)，但運又會壓縮數(shù)據(jù)傳 輸?shù)臅r間長度，也會帶來用戶傳輸速率的下降。因此可W說導(dǎo)頻污染是Massive ΜΙΜΟ技術(shù) 最大的性能瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于邊緣用戶干擾度量值的Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)導(dǎo)頻 分配方法，旨在減輕小區(qū)間導(dǎo)頻污染的影響，提升Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)接收信干噪比和傳輸 速率。
[0013] 本發(fā)明是運樣實現(xiàn)的，一種基于邊緣用戶干擾度量值的Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)導(dǎo)頻分 配方法，所述基于邊緣用戶干擾度量值的Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)導(dǎo)頻分配方法W連線與權(quán)值標(biāo) 明相鄰小區(qū)兩邊緣用戶間的干擾關(guān)系與干擾的大小，根據(jù)連線與權(quán)值組成導(dǎo)頻分配圖，W 對圖中所有相連用戶分配不同的導(dǎo)頻資源為原則逐個小區(qū)進行導(dǎo)頻分配，使得有限的導(dǎo)頻 資源在相鄰的小區(qū)內(nèi)得到合理的復(fù)用，從而達到降低導(dǎo)頻污染，在耗費相同資源的前提下 提高用戶傳輸速率的目的。
[0014] 進一步，所述基于邊緣用戶干擾度量值的Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)導(dǎo)頻分配方法具體包 括W下步驟：
[0015] 步驟一，所有基站廣播小區(qū)特異的導(dǎo)頻信息；
[0016] 步驟二，所有用戶判斷自己是否為邊緣用戶，不失一般性，W小區(qū)j的用戶k即用戶 < j，k>為例;若是邊緣用戶，則執(zhí)行步驟Ξ，否則執(zhí)行步驟屯；
[0017] 步驟Ξ，接收小區(qū)特異的廣播信息，繼而估計自己與本小區(qū)基站j及所有相鄰小區(qū) 基站j'之間的大尺度衰落系數(shù)的,k〉j及的,k〉j'，j'聲j;
[001引步驟四，與相鄰小區(qū)所有的邊緣用戶，不失一般性W用戶<j/，k/>表示，交互大尺 度衰落信息，并判斷自己與用戶<j/，k/>之間的距離;若距離小于2倍的小區(qū)半徑，執(zhí)行步驟 五，否則執(zhí)行步驟屯；
[0019] 步驟五，計算
為用戶< 占'，4〉與<_]'/，k/>之間的干擾度量值；
[0020] 步驟六，用戶<j，k>將與自己相干擾的用戶信息及相應(yīng)的干擾度量值發(fā)送給本小 區(qū)的基站j;
[0021] 步驟屯，導(dǎo)頻資源分配開始，基站j計算本小區(qū)各個邊緣用戶的干擾度量值之和； 參考相鄰小區(qū)基站發(fā)送來的邊緣用戶導(dǎo)頻分配方案，依據(jù)干擾值之和由大到小的順序進行 導(dǎo)頻分配；
[0022] 步驟八，設(shè)定當(dāng)前將被分配導(dǎo)頻的邊緣用戶^，4〉的可用導(dǎo)頻，先除去本小區(qū)已分 配的導(dǎo)頻資源，然后按照干擾值由大到小的順序依次除去與用戶。'，4〉相干擾用戶所用的 導(dǎo)頻資源，直到可用資源只剩一個或者所有干擾用戶所用資源都已除去；所分配導(dǎo)頻為在 剩余可用的導(dǎo)頻資源中隨機選擇一個；
[0023] 步驟九，對于不設(shè)及干擾值的內(nèi)部用戶按照任意的順序分配導(dǎo)頻，所分配導(dǎo)頻為 隨機在本小區(qū)未用的導(dǎo)頻資源中選一個；
[0024] 步驟十，基站j將本小區(qū)的邊緣用戶信息及所分配到的導(dǎo)頻資源信息廣播給相鄰 小區(qū)。
[0025] 本發(fā)明提供的基于邊緣用戶干擾度量值的Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)導(dǎo)頻分配方法，通過 對相鄰小區(qū)邊緣用戶干擾關(guān)系的標(biāo)記，使得存在干擾的用戶被分配使用不同的導(dǎo)頻序列， 因而有限的導(dǎo)頻資源在相鄰小區(qū)內(nèi)得到更合理的復(fù)用，從而起到緩解導(dǎo)頻污染，在耗費相 同資源的前提下提高用戶接收信干噪比及傳輸速率的作用。而且，本發(fā)明所提供的導(dǎo)頻分 配方案是逐個小區(qū)執(zhí)行的，只需要相鄰小區(qū)間進行信息交互，而不需要為所有小區(qū)尋找集 中處理節(jié)點，因此算法執(zhí)行更方便。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明實施例提供的基于邊緣用戶干擾度量值的Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)導(dǎo)頻分 配方法流程圖。
[0027] 圖2是本發(fā)明實施例提供的導(dǎo)頻分配方案與隨機導(dǎo)頻分配方案性能比較示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合實施例，對本發(fā)明 進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。
[0030] 如圖1所示，本發(fā)明實施例的基于邊緣用戶干擾度量值的Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)導(dǎo)頻 分配方法包括W下步驟：
[0031 ]步驟一，所有基站廣播小區(qū)特異的導(dǎo)頻信息；
[0032] 步驟二，所有用戶判斷自己是否為邊緣用戶，不失一般性，W小區(qū)j的用戶k即用戶 < j，k>為例;若是邊緣用戶，則執(zhí)行步驟Ξ，否則執(zhí)行步驟屯；
[0033] 步驟Ξ，接收小區(qū)特異的廣播信息，繼而估計自己與本小區(qū)基站j及所有相鄰小區(qū) 基站j'之間的大尺度衰落系數(shù)的,k〉,j及的,k〉,j'，j'聲j;
[0034] 步驟四，與相鄰小區(qū)所有的邊緣用戶，不失一般性W用戶<j/，k/>表示，交互大尺 度衰落信息，并判斷自己與用戶<j/，k/>之間的距離;若距離小于2倍的小區(qū)半徑，執(zhí)行步驟 五，否則執(zhí)行步驟屯；
[0035] 步驟五，計算
為用戶< 占'，4〉與<_]'/，k/>之間的干擾度量值；
[0036] 步驟六，用戶<j，k>將與自己相干擾的用戶信息及相應(yīng)的干擾度量值發(fā)送給本小 區(qū)的基站j;
[0037] 步驟屯，導(dǎo)頻資源分配開始，基站j計算本小區(qū)各個邊緣用戶的干擾度量值之和； 參考相鄰小區(qū)基站發(fā)送來的邊緣用戶導(dǎo)頻分配方案，依據(jù)干擾值之和由大到小的順序進行 導(dǎo)頻分配；
[0038] 步驟八，設(shè)定當(dāng)前將被分配導(dǎo)頻的邊緣用戶^，4〉的可用導(dǎo)頻，先除去本小區(qū)已分 配的導(dǎo)頻資源，然后按照干擾值由大到小的順序依次除去與用戶。'，4〉相干擾用戶所用的 導(dǎo)頻資源，直到可用資源只剩一個或者所有干擾用戶所用資源都已除去；所分配導(dǎo)頻為在 剩余可用的導(dǎo)頻資源中隨機選擇一個；
[0039] 步驟九，對于不設(shè)及干擾值的內(nèi)部用戶按照任意的順序分配導(dǎo)頻，所分配導(dǎo)頻為 隨機在本小區(qū)未用的導(dǎo)頻資源中選一個；
[0040] 步驟十，基站j將本小區(qū)的邊緣用戶信息及所分配到的導(dǎo)頻資源信息廣播給相鄰 小區(qū)。
[0041] 本發(fā)明根據(jù)接收SINR表達式，對于用戶<j，k>來說小區(qū)間干擾的大小為
為了不失一般性，運里忽略發(fā)送功率帶來的影響，因此可W定 義干擾度量值：
[0042]
[0043] 表示當(dāng)被分配使用相同的導(dǎo)頻資源時，不同小區(qū)的用戶。'，4〉與<^，k/〉（j聲j/) 之間的小區(qū)間干擾。對％^1<〉,分,1<'〉直觀的解釋是用戶^，4〉與。'/，4/〉各自干擾信道與有效 信道增益大小的比值取最大值。更大的11<川〉,<^',1<'〉值即代表了用戶。'也與<^，4/〉之間更 大的小區(qū)間干擾會因被分配使用相同的導(dǎo)頻序列而引入。
[0044] 為了更方便地分配導(dǎo)頻資源，可W根據(jù)干擾度量值11處1<〉,</,1<'〉畫出導(dǎo)頻分配圖。 本發(fā)明的中屯、思想是W連線與權(quán)值標(biāo)明兩用戶間的干擾關(guān)系與干擾的大小。由于小區(qū)內(nèi)部 用戶對相鄰小區(qū)的干擾較小，因此運里僅考慮小區(qū)邊緣用戶對相鄰小區(qū)的干擾來設(shè)計導(dǎo)頻 分配方案，使得有限的導(dǎo)頻資源能夠在相鄰的小區(qū)內(nèi)得到合理的復(fù)用，從而達到降低導(dǎo)頻 污染，在耗費相同資源的前提下提高用戶傳輸速率的目的。具體方案如圖1所示。對于當(dāng)前 小區(qū)的所有用戶，首先按照現(xiàn)有方法判斷其是小區(qū)內(nèi)部用戶還是邊緣用戶，比如在不考慮 用戶發(fā)送功率差別時，可簡單地設(shè)定若用戶與基站之間的距離與小區(qū)半徑相比大于某闊值 即為邊緣用戶，否則為內(nèi)部用戶;若為小區(qū)內(nèi)部用戶，則將此用戶與本小區(qū)內(nèi)的所有用戶相 連;若為小區(qū)邊緣用戶，則需要獲取用戶到本小區(qū)及相鄰小區(qū)基站之間的大尺度衰落系數(shù) 并根據(jù)此系數(shù)為相鄰小區(qū)的兩個邊緣用戶設(shè)定表征用戶間干擾的度量標(biāo)準(zhǔn);依據(jù)度量標(biāo)準(zhǔn) 可W將相互干擾的用戶相連，為了避免把相距較遠(yuǎn)的邊緣用戶相連，可W為兩邊緣用戶的 相連設(shè)定闊值，比如可簡單的設(shè)定若兩邊緣用戶的距離在2倍的小區(qū)半徑RW內(nèi)才認(rèn)為兩用 戶間的干擾度量值有效，連接兩用戶并設(shè)定連線權(quán)值為干擾度量值;根據(jù)連線與權(quán)值，可組 成導(dǎo)頻分配圖；之后根據(jù)此導(dǎo)頻分配圖進行導(dǎo)頻分配，基本原則是:對于所有相連用戶分配 不同的導(dǎo)頻資源;為了降低導(dǎo)頻分配帶來的開銷，本發(fā)明考慮逐個小區(qū)進行導(dǎo)頻資源分配； 對于每個小區(qū)中的每個用戶<j，k〉，把其作為頂點的所有連線的權(quán)值相加，先給干擾值之和 最大的用戶分配，所分配導(dǎo)頻為隨機在本小區(qū)內(nèi)及干擾用戶未用的資源中選擇一個;但運 可能導(dǎo)致用戶<j，k>無可用導(dǎo)頻，因而實際分配時可先除去本小區(qū)已分配的導(dǎo)頻資源，然后 按照干擾值由大到小的順序依次除去與之干擾用戶所用的導(dǎo)頻資源，直到可用資源只剩一 個或者所有干擾用戶所用資源都已除去;而不設(shè)及干擾值的內(nèi)部用戶會在邊緣用戶都分配 到導(dǎo)頻后考慮，所分配導(dǎo)頻為隨機在本小區(qū)未用的導(dǎo)頻資源中選一個。
[0045] 下面結(jié)合仿真對本發(fā)明的應(yīng)用效果作詳細(xì)的描述。
[0046] 通過Monte Carlo仿真來驗證所述導(dǎo)頻分配方法的平均可達速率優(yōu)勢。將各用戶 的發(fā)送功率、小尺度衰落系數(shù)及噪聲功率歸一化，令L = 7，K = 8，μ〇 = 0.2，小區(qū)半徑R = 500m，大尺度衰落因子被建模為β<j,k〉,i = z<j,k〉,i/(:r<j,k〉,i/RΓ，運里z<j,k〉,康示陰影衰落且 服從對數(shù)正態(tài)分布，即
〇shad? = 8地，；r<j,k〉,i表不用戶< j，k>到小區(qū)i基站的距離；W0.6為闊值表示用戶基站間的距離與小區(qū)半徑之比來判斷是否 為邊緣用戶。
[0047] 圖2顯示了本發(fā)明所述導(dǎo)頻分配方法與隨機導(dǎo)頻分配方案的每用戶平均上行可達 速率比較結(jié)果。橫坐標(biāo)為基站的天線數(shù)M。由圖2可見，隨機導(dǎo)頻分配方案的可達速率存在飽 和平臺，即隨著天線數(shù)的增加維持在固定水平。而本發(fā)明所述導(dǎo)頻分配方法的傳輸速率在 任意基站天線數(shù)下都高于隨機分配方案，且隨著基站天線數(shù)的增加幾乎呈線性增長趨勢。 [0〇4引 W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用W限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于邊緣用戶干擾度量值的Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)導(dǎo)頻分配方法，其特征在于，所 述基于邊緣用戶干擾度量值的Massive ΜΠΚ)系統(tǒng)導(dǎo)頻分配方法以連線與權(quán)值標(biāo)明相鄰小 區(qū)兩邊緣用戶間的干擾關(guān)系與干擾的大小，根據(jù)連線與權(quán)值組成導(dǎo)頻分配圖，以對圖中所 有相連用戶分配不同的導(dǎo)頻資源為原則逐個小區(qū)進行導(dǎo)頻分配，使得有限的導(dǎo)頻資源在相 鄰的小區(qū)內(nèi)得到合理的復(fù)用。2. 如權(quán)利要求1所述的基于邊緣用戶干擾度量值的Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)導(dǎo)頻分配方法， 其特征在于，所述基于邊緣用戶干擾度量值的Massive ΜΠΚ)系統(tǒng)導(dǎo)頻分配方法具體包括以 下步驟： 步驟一，所有基站廣播小區(qū)特異的導(dǎo)頻信息； 步驟二，所有用戶判斷自己是否為邊緣用戶，不失一般性，以小區(qū)j的用戶k即用戶<j，k >為例;若是邊緣用戶，則執(zhí)行步驟三，否則執(zhí)行步驟七； 步驟三，接收小區(qū)特異的廣播信息，繼而估計自己與本小區(qū)基站j及所有相鄰小區(qū)基站 之間的大尺度裝洛系數(shù)P<j,k>, j及0<j,k>,y，J"辛j ; 步驟四，與相鄰小區(qū)所有的邊緣用戶，不失一般性以用戶，v>表示，交互大尺度衰 落信息，并判斷自己與用戶，V>之間的距離;若距離小于2倍的小區(qū)半徑，執(zhí)行步驟五， 否則執(zhí)行步驟七；為用戶<j，k> 與〈jW〉之間的干擾度量值； 步驟六，用戶<j，k>將與自己相干擾的用戶信息及相應(yīng)的干擾度量值發(fā)送給本小區(qū)的 基站j; 步驟七，導(dǎo)頻資源分配開始，基站j計算本小區(qū)各個邊緣用戶的干擾度量值之和;參考 相鄰小區(qū)基站發(fā)送來的邊緣用戶導(dǎo)頻分配方案，依據(jù)干擾值之和由大到小的順序進行導(dǎo)頻 分配； 步驟八，設(shè)定當(dāng)前將被分配導(dǎo)頻的邊緣用戶<j，k>的可用導(dǎo)頻，先除去本小區(qū)已分配的 導(dǎo)頻資源，然后按照干擾值由大到小的順序依次除去與用戶<j，k>相干擾用戶所用的導(dǎo)頻 資源，直到可用資源只剩一個或者所有干擾用戶所用資源都已除去;所分配導(dǎo)頻為在剩余 可用的導(dǎo)頻資源中隨機選擇一個； 步驟九，對于不涉及干擾值的內(nèi)部用戶按照任意的順序分配導(dǎo)頻，所分配導(dǎo)頻為隨機 在本小區(qū)未用的導(dǎo)頻資源中選一個； 步驟十，基站j將本小區(qū)的邊緣用戶信息及所分配到的導(dǎo)頻資源信息廣播給相鄰小區(qū)。3. 如權(quán)利要求2所述的基于邊緣用戶干擾度量值的Massive ΜΙΜΟ系統(tǒng)導(dǎo)頻分配方法， 其特征在于，所述步驟五中相鄰小區(qū)兩邊緣用戶之間的干擾度量值：表示當(dāng)被分配使用相同的導(dǎo)頻資源時，不同小區(qū)的用戶<j，k>與〈j"辛j")之間 的小區(qū)間干擾。對％^>,<〇'>直觀的解釋是用戶〈」，1^>與〈」/氺/>各自干擾信道與有效信道 增益大小的比值取最大值;更大的n<j,k>,<y ,1^>值即代表了用戶<j，k>與〈j"，ν>之間更大的 小區(qū)間干擾會因被分配使用相同的導(dǎo)頻序列而引入。
【文檔編號】H04L5/00GK106059734SQ201610370874
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】龐立華, 張陽, 劉曉佩, 黃健, 閆紅梅, 朱代先
【申請人】西安科技大學(xué)