CN104702325A - 基于mse的虚拟mimo用户配对方法 - Google Patents

Abstract

一种无线通信领域中基于MSE的虚拟MIMO用户配对方法。本发明针对现有技术中无法预知配对用户对均方误差值、不适合处理更多不同用户配对的问题，提出三种计算各用户对均方误差值的公式。采用使用本发明的计算公式计算各用户对均方误差值，选取满足均方误差值不大于***设定均方误差门限值条件的用户对，作为可选配对用户对，再从可选配对用户对集合中选取配对用户数最多的配对用户对作为***最佳配对用户对的方法，克服了现有技术中无法保证***均方误差性能的问题，使得本发明具有保证***均方误差性能和***通信质量，同时实现动态多用户配对的优点。

Description

基于MSE的虚拟MIMO用户配对方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的基于均方误差(Mean Square Error)MSE的虚拟多输入多输出(Multiple Input Multiple Output)MIMO用户配对方法。本发明可以实现虚拟多输入多输出MIMO***中，在动态地调整配对用户数的同时，保证***均方误差MSE保持在一个特定的门限下。

背景技术

多输入多输出MIMO技术在各种无线通信***中已被广泛地用于提高频谱效率(Spectral efficiency)SE。然而，由于用户设备的成本和尺寸，多输入多输出MIMO的上行链路的应用由于在用户方面实际操作上的困难而受到局限。为了解决这个问题，多用户多输入多输出MIMO传输，也被称为虚拟多输入多输出MIMO传输，提出了上行链路分配两个或多个用户，在相同的频带和时隙每个用户部署单个发射天线。与常规的多输入多输出MIMO***相比，虚拟多输入多输出MIMO通过设计良好的用户分组策略以得到额外的多用户分集增益。如何选择分组用户形成虚拟多输入多输出MIMO是直接影响其性能的一个关键问题。

普天信息技术研究院有限公司的专利申请文件“多输入输出***MU-MIMO用户配对实现方法”(公开号CN 102957468A，申请号CN201110247744.X，申请日2011.8.24)中公开了一种实现多输入多输出***MIMO用户配对方法。该发明采用通过最大反馈信道质量信息(Channel Quality Information)CQI来选取配对用户集，对配对用户集和待选用户集的信道矩阵做奇异值分解，得到相应零矩阵，然后根据配对用户集和待选用户集中各用户信道矩阵和零矩阵来选择新用户进入配对用户集的方法来实现MIMO用户配对。该发明存在的不足是，无法预知配对用户对均方误差MSE值、不适合处理更多不同用户分配。

湘潭大学的专利申请文件“一种考虑用户QoS的虚拟MIMO配对方法”(公开号CN102291842A，申请号CN201110274457.8，申请日2011.9.16)中公开了一种实现多输入多输出***MIMO用户配对方法。该发明采用根据用户业务信息，信道状态信息，来计算不同天线组内用户配对后的用户数据速率的方法来实现多输入多输出MIMO用户配对。该发明存在的不足是，只进行了两根天线多输入多输出MIMO用户配对，无法动态地选择配对用户数进行用户配对，当天线数增加时只能保证***吞吐量，无法保证***的均方误差MSE性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于MSE的虚拟MIMO用户配对方法，在保证***均方误差MSE性能的同时确保***吞吐量最大。

本发明实现上述目的的具体思路是，首先依据基站选取的用户对的信道矩阵计算其均方误差MSE值，然后在均方误差MSE值小于门限值的用户对中，选取配对用户数最多的用户对作为最优配对用户对。考虑一个时隙内信道矩阵是不变的，在信号接收器中采用迫零检测算法进行信号检测。

本发明实现上述目的的具体步骤如下：

(1)获取当前时隙待配对用户：

从基站开机后的到达用户流中，获取当前时隙待配对用户；

(2)确定可选用户对集合：

基站对当前时隙待配对用户总数和可配对用户数，进行排列组合，形成可选用户对集合；

(3)采用均方误差MSE值计算公式，计算各用户对的均方误差MSE值；

(4)形成新的用户对集合：

从可选用户对集合中，选取满足M≤M₀条件的用户对，形成新的用户对集合，其中，M表示各用户对的均方误差MSE的值，M₀表示均方误差MSE的门限值；

(5)选取配对用户数最多的用户对：

从新的用户对集合中，选取配对用户数最多的配对用户对，作为当前时隙内的最佳配对用户对；

(6)发送数据信号：

基站将最佳配对用户对所携带的数据信号发送给信号接收器；

(7)判断是否有新用户流到达，如果是，执行步骤(8)，否则，执行步骤(9)；

(8)基站从新到达的用户流中获取下一时隙待配对用户，执行步骤(2)；

(9)完成配对。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用计算各用户对的均方误差MSE值的方法，克服了现有技术中无法预知配对用户对均方误差MSE值、不适合处理更多不同用户配对的问题，使得本发明具有可预知用户对均方误差MSE值的优点。

第二，由于本发明采用选取满足均方误差MSE值不大于***设定的均方误差MSE门限值条件的用户对，作为可选配对用户对的方法，克服了现有技术中无法保证***均方误差MSE性能的问题，使得本发明具有保证***均方误差MSE性能和***通信质量的优点。

第三，由于本发明采用从新的用户对集合中，选取配对用户数最多的配对用户对作为***最佳配对用户对的方法，克服了现有技术中无法动态地选择配对用户数进行用户配对的问题，使得本发明具有实现动态地多用户配对的优点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为使用本发明完成用户配对和数据信号发送后，采用迫零检测的***平均均方误差MSE性能的仿真图；

图3为使用本发明完成用户配对和数据信号发送后，采用迫零检测的***吞吐量的仿真图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

本发明的实施例是在单个时隙内信道矩阵是不变的通信环境下进行的。

参照附图1，本发明的具体步骤如下：

步骤1，基站获取当前时隙待配对用户。

从基站开机后的到达用户流中，获取当前时隙待配对用户。

步骤2，基站确定可选用户对集合。

基站对当前时隙待配对用户总数和可配对用户数，进行排列组合，形成可选用户对集合。可配对用户数在[1,N_r]内选择，其中，N_r表示接收天线的总数。当可配对用户数为1时，从待配对用户中选取一个用户形成配对用户对；当可配对用户数为2时，从待配对用户中选取两个用户形成配对用户对；依次推类，当可配对用户数为N_r时，从待配对用户中选取N_r个用户形成配对用户对，其中，N_r表示接收天线的总数。

步骤3，采用均方误差MSE值计算公式，计算各用户对的均方误差MSE值。

从下述的计算公式1、计算公式2、计算公式3的三种均方误差MSE值计算公式中任意选取一种，都可以在实际***中实现本发明的目的。

计算公式1，基站按照下式，计算各用户对的均方误差MSE值

$M=\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{Q_i}\underset{k=1}{\overset{Q_i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_k}$

其中，M表示用户对U_i的均方误差MSE的值，U_i表示可选用户对集合中的第i个用户对，σ²表示当前时隙的信道噪声功率，Q_i表示用户对U_i中的用户总数，Σ表示求和操作，λ_k表示用户对U_i对应的信道矩阵的第k特征值。

计算公式2，基站按照下式，计算各用户对的均方误差MSE值

$M=\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{\mathrm{\λ}}$

其中，M表示用户对U_i的均方误差MSE的值，U_i表示表示可选用户对集合中的第i个用户对，σ²表示当前时隙的信道噪声功率，λ表示用户对U_i对应的信道矩阵的最小特征值。

计算公式3，基站按照下式，计算各用户对的均方误差MSE值

$M=\frac{{\left|\right|{H_i}^H{H}_i\left|\right|}_F^{Q_i-1}\×{\mathrm{\σ}}^2}{\left|\det \left({H_i}^H{H}_i\right)\right|\×{(Q_i-1)}^{\frac{Q_i-1}{2}}}$

其中，M表示用户对U_i的均方误差MSE的值，U_i表示表示可选用户对集合中的第i个用户对，H_i表示用户对U_i在当前时隙的信道矩阵，H_i ^H表示H_i的厄米转置矩阵，表示求F范数操作后求Q_i-1次方操作，σ²表示当前时隙的信道噪声功率，|·|表示取绝对值操作，det(·)表示求行列式操作，Q_i表示用户对U_i中的用户总数，表示求次方操作。

步骤4，形成新的用户对集合。

从可选用户对集合中，选取满足M≤M₀条件的用户对，形成新的用户对集合，其中，M表示各用户对的均方误差MSE的值，M₀表示均方误差MSE的门限值，均方误差MSE的门限值M₀的设定是由***所需的均方误差MSE性能决定的。例如，若***要求检测后的均方误差MSE值不大于0.06，则我们设置M₀为0.06。

步骤5，选取配对用户数最多的用户对。

从新的用户对集合中，选取配对用户数最多的配对用户对，作为当前时隙内的最佳配对用户对。

步骤6，基站将最佳配对用户对所携带的数据信号发送给信号接收器。

步骤7，判断是否有新用户流到达，如果有新用户流到达，执行步骤(8)，否则，执行步骤(9)。

步骤8，基站从新到达的用户流中获取下一时隙待配对用户，执行步骤(2)。

步骤9，完成配对。

下面结合附图2和附图3对本发明的效果做进一步的描述。

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，基站每次获取的待配对用户数设置为8，接收天线的总数N_r设置为4，调制方式为16-QAM，检测方式为迫零检测，本发明仿真实验分别采用均方误差MSE值三种计算公式中的计算公式1、计算公式2、计算公式3进行均方误差MSE值的计算，设定***均方误差MSE的门限值M₀为0.06。

2.仿真结果分析：

本发明的仿真结果如图2，图3所示。图2为使用本发明完成用户配对和数据信号发送后，采用迫零检测的***平均均方误差MSE性能的仿真图。图3为使用本发明完成用户配对和数据信号发送后，采用迫零检测的***吞吐量的仿真图。图2中以棱形标识的曲线表示采用计算公式1计算均方误差MSE值，进行最优用户配对选取，数据信号发送、检测后的***平均均方误差性能。图2中以圆形标识的曲线表示采用计算公式2计算均方误差MSE值，进行最优用户配对选取，数据信号发送、检测后的***平均均方误差性能。图2中以方形标识的曲线表示采用计算公式3计算均方误差MSE值，进行最优用户配对选取，数据信号发送、检测后的***平均均方误差性能。图3中以棱形标识的曲线表示采用计算公式1计算均方误差MSE值，进行最优用户配对选取，数据信号发送、检测后的***吞吐量。图3中以圆形标识的曲线表示采用计算公式2计算均方误差MSE值，进行最优用户配对选取，数据信号发送、检测后的***吞吐量。图3中以方形标识的曲线表示采用计算公式3计算均方误差MSE值，进行最优用户配对选取，数据信号发送、检测后的***平均均方误差吞吐量。我们可以从图2中看出，采用本发明提及的三种均方误差MSE的计算公式，计算各用户对均方误差MSE值，进而选取最佳配对用户对，将其携带数据信号发送给信号接收器的方法，都成功的将***信噪比在[4,30]dB之间的***的平均均方误差MSE值限定在了***均方误差MSE的门限值之下。我们结合图2，可以从图3中看出，采用本发明提及的三种均方误差MSE的计算公式，计算各用户对均方误差MSE值，进而选取最佳配对用户对的方法，在不同***信噪比环境下，都具有不同的***吞吐量，从而可以说明本发明具有实现动态用户配对的功能。

Claims (7)

1.基于MSE的虚拟MIMO用户配对方法，其步骤包括如下：

(1)获取当前时隙待配对用户：

从基站开机后的到达用户流中，获取当前时隙待配对用户；

(2)确定可选用户对集合：

基站对当前时隙待配对用户总数和可配对用户数，进行排列组合，形成可选用户对集合；

(3)采用均方误差MSE值计算公式，计算各用户对的均方误差MSE值；

(4)形成新的用户对集合：

从可选用户对集合中，选取满足M≤M₀条件的用户对，形成新的用户对集合，其中，M表示各用户对的均方误差MSE的值，M₀表示均方误差MSE的门限值；

(5)选取配对用户数最多的用户对：

从新的用户对集合中，选取配对用户数最多的配对用户对，作为当前时隙内的最佳配对用户对；

(6)发送数据信号：

基站将最佳配对用户对所携带的数据信号发送给信号接收器；

(7)判断是否有新用户流到达，如果是，执行步骤(8)，否则，执行步骤(9)；

(8)基站从新到达的用户流中获取下一时隙待配对用户，执行步骤(2)；

(9)完成配对。

2.根据权利要求1所述的基于MSE的虚拟MIMO用户配对方法，其特征在于，步骤(2)所述的可配对用户数在[1,N_r]内选择，其中，N_r表示基站接收天线的总数。

3.根据权利要求1所述的基于MSE的虚拟MIMO用户配对方法，其特征在于，步骤(2)所述排列组合的方式为，当可配对用户数为1时，从待配对用户中选取一个用户形成配对用户对；当可配对用户数为2时，从待配对用户中选取两个用户形成配对用户对；依次推类，当可配对用户数为N_r时，从待配对用户中选取N_r个用户形成配对用户对，其中，N_r表示基站接收天线的总数。

4.根据权利要求1所述的基于MSE的虚拟MIMO用户配对方法，其特征在于，步骤(3)所述的均方误差MSE值计算公式如下：

$M=\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{Q_i}\underset{k=1}{\overset{Q_i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_k}$

其中，M表示用户对U_i的均方误差MSE的值，U_i表示可选用户对集合中的第i个用户对，σ²表示当前时隙的信道噪声功率，Q_i表示用户对U_i中的用户总数，Σ表示求和操作，λ_k表示用户对U_i对应的信道矩阵的第k个特征值。

5.根据权利要求1所述的基于MSE的虚拟MIMO用户配对方法，其特征在于，步骤(3)所述的均方误差MSE值计算公式如下：

$M=\frac{{\mathrm{\σ}}^2}{\mathrm{\λ}}$

其中，M表示用户对U_i的均方误差MSE的值，U_i表示表示可选用户对集合中的第i个用户对，σ²表示当前时隙的信道噪声功率，λ表示用户对U_i对应的信道矩阵的最小特征值。

6.根据权利要求1所述的基于MSE的虚拟MIMO用户配对方法，其特征在于，步骤(3)所述的均方误差MSE值计算公式如下：

$M=\frac{{\left|\right|{H_i}^H{H}_i\left|\right|}_F^{Q_i-1}\×{\mathrm{\σ}}^2}{\left|\det \left({H_i}^H{H}_i\right)\right|{(Q_i-1)}^{\frac{Q_i-1}{2}}}$

其中，M表示用户对U_i的均方误差MSE的值，U_i表示可选用户对集合中的第i个用户对，H_i表示用户对U_i在当前时隙的信道矩阵，H_i ^H表示H_i的厄米转置矩阵，表示求F范数操作后求Q_i-1次方操作，σ²表示当前时隙的信道噪声功率，|·|表示取绝对值操作，det(·)表示求行列式值的操作，Q_i表示用户对U_i中的用户总数，表示求次方操作。

7.根据权利要求1所述的基于MSE的虚拟MIMO用户配对方法，其特征在于，步骤(4)所述均方误差MSE的门限值M₀的设定是由***所需的均方误差MSE性能决定的。