CN103220024B - 一种多用户配对虚拟mimo系统的波束赋形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多输入多输出无线移动通信系统，尤其涉及一种多用户配对虚拟MIMO系统的波束赋形算法。本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种多用户配对虚拟MIMO系统的波束赋形算法。本方法基于最大化信号与干扰加噪声比准则，逐一确定配对用户的波束赋形向量，逼近最优情况，解决当单用户终端配备多天线时，虚拟多输入输出系统未能利用终端多天线资源从而造成传输效率不高的问题，在用户终端配备多根天线，上行虚拟多输入输出系统传输场景下提高基站接收信干噪比，从而提高传输质量。本方法应用于虚拟多输入输出系统上行传输数据领域。
Description
技术领域
本发明涉及多输入多输出无线移动通信系统，尤其涉及一种多用户配对虚拟MIMO系统的波束赋形算法。
背景技术
在各种应用电磁波技术的领域，尤其是在无线通信中，多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Out-put，以下简称：MIMO）技术已被广泛使用。虚拟MIMO(Virtual MIMO,以下简称：VMIMO)系统，即每个终端均发送一个数据流，但是两个或者更多的数据流占用相同的时频资源，这样从接收机看，这些来自不同终端的数据流可以被看成来自同一终端上不同天线的数据流，从而构成一个VMIMO系统。VMIMO系统不要求提升终端硬件规格，却能极大提升系统上行的吞吐量，因此VMIMO技术被采用为LTE（Long Term Evolution）上行多用户MIMO技术。
在3GPP R10协议中，定义了VMIMO与单用户MIMO方案，两种技术的应用存在以下问题：VMIMO技术可通过配对算法利用小区多用户分集，从而达到较高的复用增益，然而现有VMIMO配对算法，主要考虑单用户终端单天线的场景，当单用户终端配备多天线时，未利用单用户终端多天线资源传输数据时高效率的特点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术中存在虚拟多输入输出系统上行传输数据时存在的问题，提供一种多用户配对虚拟MIMO系统的波束赋形算法。本方法基于最大化信号与干扰加噪声比准则，逐一确定配对用户的波束赋形向量，逼近最优情况，解决当单用户终端配备多天线时，虚拟多输入输出系统未能利用终端多天线资源从而造成传输效率不高的问题，在用户终端配备多根天线，上行虚拟多输入输出系统传输场景下提高基站接收信干噪比，从而提高传输质量。
本发明采用的技术方案如下：
一种多用户配对虚拟MIMO系统的波束赋形算法包括：
步骤1：根据基站接收用户终端发射天线发送的上行参考信号，计算用户终端与基站间的信道矩阵，运用调度算法，在可用带宽上调度M个用户；运用配对算法为每个调度用户m分别寻找Nm层配对用户，所述Nm≥1，m代表调度用户的编号，Nm代表调度用户m的最大配对个数，m取值为1、2、…、M；
步骤2：确定虚拟多输入输出系统调度用户m的第n-1层配对用户的波束赋形矩阵，对于调度用户m波束赋形把能量集中于该调度用户m与其基站通讯信道的最强特征方向；对于调度用户m的第n-1层配对用户波束赋形把能量集中于该调度用户与其基站通讯信道的最强特征方向以及干扰的最弱特征方向，得到调度用户m的第n-1个配对用户的预编码码本编号k(m,n)，所述 n=2,3,…,Nm+1，所述Nm大于等于1的正整数；
步骤3：基站将上述计算得到的调度用户m预编码码本编号k(m,1)，以及调度用户m的第1、2、……、Nm个配对用户的预编码码本编号分别反馈给对应的调度用户m、调度用户m的第1、2、……、Nm个配对用户，调度用户m以及调度用户m的第1、2、……、Nm个配对用户根据对应的预编码码本编号，找出预编码码本集合中对应的预编码码本al，调度用户采用预编码码本al对应的预编码方法进行上行数据传输。
所述步骤2具体包括：
步骤21：计算已调度用户m的上行波束赋形向量w(m,1)，w(m,1)是矩阵的最大特征值对应的特征向量，且||w(m,1)||2＝1，其中H(m,1)为在虚拟多输入输出系统上行传输数据时已调度用户m的发射天线与基站接收天线间的信道矩阵，计算调度用户的波束赋形矩阵时，没有考虑到其他用户对本用户的干扰；
步骤22：基站计算调度用户m的第n-1个配对用户的波束赋形向量w(m,n)， w(m,n)是矩阵的最大特征值对应的特征向量，所述且||w(m，i)||2=1，其中i=1,2,…n-1，H(m,n)为在虚拟多输入输出系统上行传输数据时已调度用户m的第n-1个配对用户的发射天线与基站接收天线间的信道矩阵，δ2是高斯白噪声的功率，n＝1,2,…,Nm+1；
步骤23：若n≤Nm令n=n+1，重复步骤22，直到n＝Nm。
步骤24：对于每个调度用户m，分别进行步骤21至步骤23，直到计算出所有已调度用户和所有配对用户的波束赋形向量w(m,n)，其中m代表调度用户的编号；n=1时w(m,n)代表调度用户m本身的波束赋形向量，n≥2时w(m,n)代表调度用户的第n-1个配对用户的波束赋形向量；
步骤25：基站计算w(m,n)与有限反馈码本矩阵中码本al的相关性，则相关性最大的码本al对应的当前码本编号l为调度用户m的第n-1个配对用户的预编码码本编号k(m,n)，所述m＝1,2,…,M;n＝1,2,…,Nm+1；
其中，al为有限反馈码本矩阵的码本集合；当调度用户有2根发射天线时，L=5，当调度用户有4根发射天线时，L=23。
步骤26：基站将上述计算得到的调度用户m预编码码本编号k(m,1)，以及调度用户m的第1、2、…、Nm个配对用户的预编码码本编号分别反馈给对应的调度用户m、调度用户m的第1、2、…、Nm个配对用户，调度用户m以及调度用户m的第1、2、……、Nm个配对用户根据对应的预编码码本编号，找出预编码码本集合中对应的预编码码本al，调度用户采用预编码码本al对应的预编码方法进行上行数据传输。
所述步骤26中调度用户采用预编码码本al对应的预编码方法进行上行数据传输具体过程是：设s代表用户在虚拟MIMO上行传输中预编码前的发射符号，z代表用户在虚拟MIMO上行传输中预编码后的发射符号，w代表选取的预编码码本w∈{a1,a2,…,aL}，具体的预编码方法为z＝w·s，本发明中s为标量， w是NT×1的向量，其中NT代表用户发射天线数目。
所述步骤25中规定的预编码码本al集合指的是LTE中协议3GPP36.211 中规定的预编码码本al。
所述步骤22中w(m,n)是矩阵的最大特征值对应的特征向量具体过程：
步骤31：考虑N个用户组成的虚拟MIMO系统，频域接收信号Y通过公式（24）计算可得：
其中H1,H2,…,HN分别代表用户1、用户2....用户N发射天线与基站接收天线的信道矩阵，w1,w2,…,wN分别代表用户1、用户2、…用户N的波束赋形矩阵， s1,s2,…,sN分别代表用户1、用户2…用户N的发射符号，V代表在虚拟多输入输出系统上行传输数据过程中高斯白噪声。
步骤32：当仅考虑用户j(j＝1,2,…,N)，上式可以改写为：
其中zj包含来自其他用户(用户i，1≤i≤N i≠j)的干扰和噪声，Hj代表用j发射天线与基站接收天线的信道矩阵，wj代表用户j的波束赋形矩阵，sj代表调度用户j的发射符号，zj代表其他用户对用户j的干扰和高斯白噪声之和，其协方差矩阵为：
其中，代表用户i对用户j的干扰的协方差矩阵，Hi代表用i发射天线与基站接收天线的信道矩阵，wi代表调度用户i的波束赋形矩阵，si代表用户i发射天线的发射符号，δ2·I表示高斯白噪声的协方差矩阵；
用户j向基站的发射信号sj的估计值为：
其中具有零均值，指的是基站接收天线接收用户j发射天线发送的发射符号，经过白化滤波和最大比合并后的色噪声，其协方差为：
式(27)中的信号与干扰噪声比计算方法为公式(29)：
其中γj指的是基站接收天线接收用户j发射天线发送的发射符号，经过白化滤波和最大比合并后的信号与干扰噪声比，为赫米特矩阵；由Rayleigh-Ritz定理可知，在约束条件下得到γj的最大值满足公式(30)：
当wj与的最大特征值对应的特征向量成正比时，等号成立，此时γj为矩阵最大的特征值。因此基于信号与干扰加噪声比最大值的解wj是的最大特征值对应的特征向量，并且归一化后有||wj||2＝1；
所述调度算法是比例公平调度算法、轮询调度或最大载干比调度算法。
所述配对算法具体过程是：步骤1：设k1(x)代表用户x本身，k2(x)代表用户x的第1个配对用户，k3(x)代表用户x的第2个配对用户，……，kn+1(x)代表用户x的第n个配对用户，i∈Ω，Ω代表VMIMO系统上行传输数据时未分配资源块的用户集合，Λ1是VMIMO系统上行传输数据时已分配资源块的用户集合，Ω与Λ1的集合是整个用户集合；
步骤2：按照用户x在VMIMO系统上行传输数据时信道容量值由大到小的顺序依次对每一个已调度用户x选择第n个配对用户，其中x∈Λn，Λn代表已找到n-1个配对的用户集合，所述已分配资源块的用户集合指的是VMIMO系统上行传输数据时通过调度算法在可用带宽上的已调度用户，所述可用宽带指的是进行上行传输数据的频带，所述n表示的是配对用户数量，所述n大于等于2的整数。
所述步骤2具体步骤是：步骤21：根据公式(31)计算用户x在VMIMO系统上行传输数据时信道容量值D1(x)
其中，Mx代表用户x所占的资源块数目，代表用户x在第m个资源块上的信道矩阵；Px代表基站接收第x个用户发射天线发射信号时的接收功率；N0代表噪声功率。
步骤22：按照步骤21中用户x在VMIMO系统上行传输数据时信道容量值D1(x)由大到小的顺序依次对每一个已调度用户选择第1个配对用户，根据公式(32)、(33)、(34)、(35)分别计算 k2(x)、D2(x)，如果D2(x)＞D1(x)，选择k2(x)为用户x的第1个配对用户，将k2(x)从未分配资源块集合Ω中除去，否则，用户x不进行配对，用户x通过其发射天线以SIMO的方式发送数据给基站；依次为每个用户x选择第1个配对用户，若用户x遍历了集合Λ1，则转至步骤23，否则，针对下一个已调度用户x，继续进行步骤22，其中x∈Λ1，Λ1是调度后已分配资源块的用户集合。
其中参数α与参数β用来调节配对过程中系统容量与系统公平性间的比例，代表用户x在VMIMO系统上行传输数据时第m个资源块上的信道矩阵；代表基站接收第k1(x)个用户发射天线发射信号时的接收功率，代表用户i在VMIMO系统上行传输数据时第m个资源块上的信道矩阵，其中i∈Ω，Ω代表VMIMO系统上行传输数据时未分配资源块的用户集合；Pi代表基站接收用户i发射天线发射信号时的接收功率，为用户i在VMIMO系统上行传输数据时的平均吞吐量，是根据公式(36)计算所得，
所述Tc为用户i进行信号滤波的时间窗参数，代表上一个传输时间间隔(TTI)用户i在VMIMO系统上行传输数据时的平均吞吐量，ri'(t-1)代表上一个传输时间间隔(TTI)用户i在VMIMO系统上行传输数据时的实际传输速率，单位为Mbps，ri'(t-1)=VMIMO上行传输数据时的频谱效率×VMIMO系统上行传输数据时的用户i所在信道带宽，ri'(0)＝0；代表用户x与用户 i配对后在第m个资源块上与基站接收天线所组成的信道矩阵，代表用户x 和用户i配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值，代表用户x和用户k2(x)配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值；
步骤23：按照步骤22中用户x在VMIMO系统上行传输数据时信道容量值D2(x)由大到小的顺序依次对每一个已调度用户x选择第2个配对用户， x∈Λ2，Λ2代表已找到第1个配对的用户集合，根据公式(37)、(38)、 (39)、(40)分别计算 k3(x)、D3(x)，如果D3(x)＞D2(x)，选择k3(x)为用户x的第2个配对用户，将k3(x)从未分配资源块集合Ω中除去；否则，用户x不进行配对，用户x通过2个用户配对以VMIMO的方式发送数据给基站；依次为每个用户x选择第2个配对用户，若用户x遍历了集合Λ2，则转至步骤 24；否则，针对下一个已调度用户x，继续进行步骤23；
其中代表用户k2(x)在第m个资源块上的信道矩阵；代表基站接收用户k2(x)发射天线发射信号时的接收功率，所述根据公式(36)计算所得，代表k2(x)与用户i配对后在第m个资源块上与基站接收天线所组成的信道矩阵，代表k2(x)和用户i配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值，代表k2(x)和用户k3(x)配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值；
步骤24：按照步骤23中用户x在VMIMO系统上行传输数据时信道容量值Dn(x)由大到小的顺序依次对每一个已调度用户选择第n个配对用户，x∈Λn，Λn代表已找到第个配对的用户集合，根据公式(41)、(42)、 (43)、(44)分别计算 kn+1(x)、Dn+1(x)，如果Dn+1(x)＞Dn(x)，选择kn+1(x) 为用户x的第n个配对用户，将kn+1(x)从未分配资源块集合Ω中除去；否则，用户x不再进行配对，用户x通过n个配对用户以VMIMO的方式发送数据给基站；依次为每个用户x选择第n个配对用户时，若用户x遍历了集合Λn，则结束；否则，针对下一个已调度用户x，继续进行步骤24；
其中代表用户kn(x)在VMIMO系统上行传输数据时第m个资源块上的信道矩阵，所述m大于等于0；代表基站接收第kn(x)个用户发射天线发射信号时的接收功率，所述根据公式(16)计算所得，代表用户kn(x)与用户i配对后在第m个资源块上与基站接收天线所组成的信道矩阵，代表用户kn(x)和用户i配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值，代表用户kn(x)和用户kn+1(x)配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值，所述参数α∈[0,1]，参数β∈[0,1]。
所述参数α∈[0,1]，参数β=1。
所述参数α∈[0,1]，参数β=0.8
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明提高传输质量：当UE配备多副接收天线时，可以采用单用户 MIMO(Single-User MIMO,SU-MIMO)或利用波束赋形与多用户 MIMO(MU-MIMO)相结合的方式进行传输。然而SU-MIMO以复用的方式传输时，终端的两副发射天线需要有良好的非相关性，终端的尺寸限制使其难以实现。并且，当用户配备的天线数量少于基站接收天线数量时，SU-MIMO不能充分利用空间复用增益。现有虚拟MIMO系统主要考虑UE 单天线的场景，当用户终端配备多天线时，未利用UE(User Equipment)潜在的多天线资源进一步提升系统性能。而本发明基于最大化信号与干扰加噪声比准则，逐一确定配对用户的波束赋形向量，逼近最优情况，解决当单用户终端配备多天线时，虚拟多输入输出系统未能利用终端多天线资源从而造成传输效率不高的问题，在用户终端配备多根天线，上行虚拟多输入输出系统传输场景下提高基站接收信干噪比，从而提高传输质量。
(2)本发明复杂度低。现有技术中计算波束赋形向量时，最优情况是对于每个用户均考虑其他用户对本用的干扰，这样复杂度高，为此本发明逐一确定虚拟MIMIO系统中每个用户的波束赋形向量：对于第一层调度用户，计算波束赋形向量时不考虑其他用户干扰，对于配对用户逐一考虑其他波束赋形后的用户对本用的干扰，逼近最优情况。
(3)本发明能够提高小区平均吞吐量。由具体实施例一表明：在基站4接收天线和基站8接收天线下，UE多天线VMIMO系统下波束赋形较SU-MIMO 小区平均吞吐量提升11%。在基站4接收天线时，UE多天线VMIMO系统下波束赋形较UE单天线VMIMO小区平均吞吐量提升20.89%，在基站8 接收天线时，UE多天线VMIMO系统下波束赋形较UE单天线VMIMO小区平均吞吐量提升15.02%
(4)本发明能够改善边缘用户吞吐量。由具体实施例一表明：在基站4接收天线和基站8接收天线下，UE多天线VMIMO系统下波束赋形较SU-MIMO， 5%边缘用户吞吐量分别提升9.35%和1.48%。在基站4接收天线时，UE多天线VMIMO系统下波束赋形较UE单天线VMIMO，5%边缘用户吞吐量提升22.36%；在基站8接收天线时，UE多天线VMIMO系统下波束赋形较UE单天线VMIMO，5%边缘用户吞吐量提升12.73%。
(5)通过本发明中涉及的配对算法通过设定参数α与参数β，调节配对准则中的信道容量和用户公平性间的比例关系，使得容量与公平性折衷，α的值越大，多用户配对时越考虑系统容量的提升，即更倾向于选择使得系统容量最大的用户进行配对；β的值越大，多用户配对时越考虑公平性因素，即更倾向于选择平均吞吐量低的用户进行配对。
(6)此算法逐个选择配对用户，在降低搜索复杂度的同时，最大限度地提升系统吞吐量。假定第一层比例公平调度用户数目为5，待选择的活跃用户数目为K，配对深度n＝4，则最多需要遍历的组合数目为K+(K-1)+(K-2)+(K-3)种；以K＝20为例，相对于最大容量配对算法需比较的种用户组合，次优多用户配对算法需比较的组合数目减少至 74种。
(7)本发明中的每一步只需要计算2阶行列式，有效地降低了算法复杂度。在计算第n层配对用户时，配对后信道容量需要计算n阶行列式，而n(n大于等于2)阶行列式的计算复杂度较高，增加了系统复杂度。所以本发明对其做了简化，本发明中的每一步只需要计算2阶行列式，有效地降低了算法复杂度。
附图说明
图1是本发明VMIMO系统的波束赋形算法的流程图；
图2是本发明VMIMO系统的多用户配对算法流程图；
图3是本发明多用户配对算法的5%边缘用户吞吐量随不同α和β参数设置的变化曲线图；
图4是本发明的多用户配对算法小区平均吞吐量随不同α和β参数设置的变化曲线图
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明相关说明
1、本发明基本思想是：基于最大化信号与干扰加噪声比准则（信号功率/(干扰功率+噪声功率）)，逐一确定虚拟多输入输出配对用户的波束赋形矩阵，对于第一层调度用户波束赋形把能量集中于信道的最强特征方向；对于第二层配对用户波束赋形把能量集中于信道的最强特征方向以及干扰的最弱特征方向，直到第n层配对用户波束赋形把能量集中与信道的最强特征方向以及干扰的最弱特征方向。
2、所述最大化信号与干扰加噪声比准则指的是虚拟多输入输出系统上行传输数据时信号功率/(虚拟多输入输出系统上行传输数据时干扰功率+虚拟多输入输出系统上行传输数据时噪声功率）的比值，在设计过程中这个比值取最大值，即尽量虚拟多输入输出系统上行传输数据时信号功率值最大，而虚拟多输入输出系统上行传输数据时干扰功率+虚拟多输入输出系统上行传输数据时噪声功率最小。减少系统的虚拟多输入输出系统上行传输数据时干扰功率和虚拟多输入输出系统上行传输数据时噪声功率。
3、l＝0,1,…,L表示k(m,n)取最大时的l值。
4、基站计算w(m,n)与有限反馈码本矩阵中码本al的相关，其中相关（Correlation，或称相关系数或关联系数），显示两个随机变量之间线性关系的强度和方向。在统计学中，相关的意义是用来衡量两个变量相对于其相互独立的距离。在这个广义的定义下，有许多根据数据特点而定义的用来衡量数据相关的系数。
5、所述配对算法还可以是任意的多用户配对算法，例如正交投影配对(Orthogonal Projection Pairing Scheduling,OPPS)、正交配对 (OrthogonalityDefect Pairing Scheduling,ODPS)、后验信噪比配对 (Posteriori-SNR PairingScheduling,pSNRPS)、行列式配对 (Determinant Pairing Scheduling,DPS)等，所述的任意的多用户配对算法不限于上述列举的几种。
6、贪婪算法是指，在对问题求解时，总是做出在当前看来是最好的选择。也就是说，不从整体最优上加以考虑，他所做出的仅是某种意义上的局部最优解。贪婪算法不是对所有问题都能得到整体最优解，但对范围相当广泛的许多问题他能产生整体最优解或者整体最优解的近似解。
7、次优理论的基本思想：在原有意义上的帕累托最优因为受到某些条件的破坏而未能实现，因为实现的某些条件被破坏后的最优结果通常冠以“次优。相应地，上述结论也被西方经济学界称为“次优定理”或“次优理论”。
8、在贪婪算法中采用逐步构造最优解的方法。在每个阶段，都作出一个看上去最优的决策(在一定的标准下)。决策一旦作出，就不可在更改。作出贪婪决策的依据成为贪婪准则。
9、用户x所在信道容量值是一个与信道容量成正相关的关系，原因是信道容量计算公式是：log2det(HHH+σ2I)，我们只计算了 det(HHH+σ2I)，由于求对数运算(底数为2的对数运算)是单调递增的，用户x所在信道容量值是一个与信道容量成正相关的关系。
10、用户x的每个用户不在同一个信道。
11、代表用户kn(x)(即用户x的第n-1个配对用户)与用户i配对后在第m个资源块上与基站接收天线所组成的信道矩阵，是一个NR行2 列的矩阵，其中NR代表基站接收天线数目，代表用户kn(x)(即用户x的第n-1个配对用户)和用户i配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值，代表用户kn(x)(即用户x的第n-1个配对用户) 和用户kn+1(x)配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值。
12、所述RB代表3GPP LTE协议中规定的名称，一个资源块(RB)占12 个子载波。一个资源块(RB)在时域对应一个时隙。
13、i∈Ω在每一次配对过程中不一样，Ω代表所有未被分配资源块(RB) 的用户集合，每次配对成功后，将从Ω中找到的配对用户kn(x)从Ω集合中去除。
14、N0代表高斯白噪声功率，指的是基站接收端的噪声功率。
15、SIMO方式指的是单输入多输出方式发送数据，VMIMO指的是虚拟的多输入多输出方式发送数据。
16、VMIMO上行传输数据时用户的频谱效率由用户的信道质量信息 (ChannelQuality Information,CQI)确定。
17、所述步骤23中2个用户配对指的是用户x与其配对的第一个配对用户组成的2个用户配对。所述步骤24中n个用户配对指的是用户x 与其配对的第一个配对用户、第二个配对用户、……、第n-1个配对用户组成的n个配对用户。
18、Tc为用户i进行信号滤波的时间窗参数，用来调节过去时刻吞吐量与当前时刻吞吐量在计算用户平均吞吐量过程中所占的比例。
19、计算第n个配对用户时，依据公式(12)计算2阶行列式公式(13) 中需要的分别由在第1个配对用户、第2个配对用户、……、第n-1个配对用户的计算过程中已经得到。
现以LTE上行链路为例，具体阐述本发明多用户配对算法具体实施方式。仿真条件如表1-1所示。al为LTE协议中定义的有限反馈预编码码本集合中的预编码码本如表1-2、表1-3所示。表1-2表示的是调度用户m有2根发射天线时，码本编号L=5，表1-3指的是调度用户m有4根发射天线时，码本编号 L=23。
表1-4和表1-5分别为在具体实施例一中，基站4接收天线和基站8接收天线条件下，本发明虚拟多输入输出下波束赋形算法与单天线虚拟多输入输出对比。
表1-6和表1-7分别为在具体实施例一中，基站4接收天线和基站8接收天线条件下，本发明虚拟多输入输出下波束赋形算法与单用户多输入输出对比。
表1-1仿真参数列表
| 小区数目 | 19 |
| 每个小区的扇区数目 | 3 |
| 基站间距离(ISD) | 500m |
| 每个扇区中用户数目 | 20 |
| 基站天线配置 | 4、8 |
| 最大HARQ重传次数 | 3 |
| 中心频率 | 2GHz |
| 带宽 | 10M |
| 传输功率 | 250mW(24dBm) |
| 阴影衰落 | 8dB |
| 噪声系数 | 5dB |
| 发射天线增益 | 0dBi |
| 接收天线增益 | 14dBi |
| 路径损耗 | 128.1+37.6log10(R),R in km |
| 信道模型 | SCM-E |
| 信道估计 | 理想信道估计 |
| 上行探测 | Sounding+DMRS |
| 调度方式 | 比例公平调度 |
| 用户业务类型 | Full Buffer |
| 用户移动速度 | 3km/h |
| 接收机均衡方案 | MMSE |
| 场景 | 城市微小区 |
| 基站接收天线配置 | 2对、4对±45交叉极化天线 |
| 基站每对交叉极化天线间距离 | 10个波长 |
| 用户发射天线 | 1对±45°交叉极化天线 |
| 仿真时间 | 100TTI |
表1-2波束赋形虚拟多输入输出码本集合
表1-3波束赋形虚拟多输入输出码本集合
表1-4本发明虚拟多输入输出下波束赋形算法与单天线虚拟多输入输出对比1
具体实施例一：如图1所示，采用调度算法在整个可用户频带上调度10 个用户，再运用配对算法对10个调度用户进行配对，组成2用户虚拟多输入输出系统（调度用户为10个，10个调度用户分别都有一个配对用户，所以组成2用户虚拟多输入输出系统），此时M=10，Nm＝1。
步骤1：确定虚拟多输入输出系统10个调度用户的上行波束赋形向量w(1,1)、w(2,1)……，w(10,1),所述w(1,1)、w(2,1)……，w(10,1)分别是矩阵 的最大特征值对应的特征向量，且||w(1,1)||2＝1、 ||w(2,1)||2＝1、……、||w(10,1)||2＝1，其中分别为在虚拟多输入输出系统上行传输数据时已调度用户1、2、……、10的发射天线与基站接收天线间的信道矩阵，分别计算10个调度用户的波束赋形矩阵时，没有考虑到其他用户对本用户的干扰；
步骤2：基站计算调度用户1、2、……、10的第1个配对用户的波束赋形向量w(1,2)、w(2,2)……、w(10,2)，w(1,2)、w(2,2)……、w(10,2)分别对应是矩阵 的最大特征值对应的特征向量，δ2是高斯白噪声的功率；
步骤3：基站计算w(1,1)、w(2,1)……，w(10,1)、w(1,2)、w(2,2)……、w(10,2)与有限反馈码本矩阵中码本al的相关性，则相关性最大的码本al对应的当前码本编号l 为调度用户1、调度用户2、…、调度用户10、调度用户1的配对用户、调度用户2的配对用户、…、调度用户10的配对用户的预编码码本编号k(1,1)、k(2,1)…， k(10,1)、k(1,2)、k(2,2)…、k(10,2)，
其中，al为有限反馈码本矩阵的码本集合；其中L的取值与天线端口的数量有关，此时由于调度用户有2根发射天线时，因此L=5。
步骤6：基站将上述计算得到的调度用户1、调度用户2、…、调度用户 10、调度用户1的配对用户、调度用户2的配对用户、…、调度用户10的配对用户的预编码码本编号k(1,1)、k(2,1)…，k(10,1)、k(1,2)、k(2,2)…、k(10,2)反馈给对应的调度用户1、调度用户2、…、调度用户10、调度用户1的配对用户、调度用户2的配对用户、…、调度用户10的配对用户，调度用户1、调度用户2、…、调度用户10、调度用户1的配对用户、调度用户2的配对用户、…、调度用户 10的配对用户根据对应的预编码码本编号k(1,1)、k(2,1)…，k(10,1)、k(1,2)、k(2,2)…、k(10,2)，找出预编码码本集合中对应的预编码码本al，调度用户采用预编码码本al对应的预编码方法进行上行数据传输。其中调度用户采用预编码码本al对应的预编码方法进行上行数据传输具体过程是：设s代表用户在虚拟多输入输出上行传输中预编码前的发射符号，z代表用户在虚拟多输入输出上行传输中预编码后的发射符号，w代表选取的预编码码本w∈{a1,a2,…,aL}，具体的预编码方法为 z＝w·s，本发明中s为标量，w是NT×1的向量，其中NT代表用户发射天线数目。
具体实施例二：采用调度算法在整个可用户频带上调度5个用户，再运用行列式配对算法对5个调度用户进行配对，组成3用户虚拟多输入输出系统，此时M=5，Nm＝2(m＝1,2,…,5)。
步骤1：确定虚拟多输入输出系统5个调度用户的上行波束赋形向量w(1,1)、w(2,1)……，w(5,1),所述w(1,1)、w(2,1)……，w(5,1)分别是矩阵 的最大特征值对应的特征向量，且||w(1,1)||2＝1、||w(2,1)||2＝1、……、 ||w(5,1)||2＝1，其中分别为在虚拟多输入输出系统上行传输数据时已调度用户1、2、……、5的发射天线与基站接收天线间的信道矩阵，分别计算5个调度用户的波束赋形矩阵时，没有考虑到其他用户对本用户的干扰。
步骤2：基站计算调度用户1、2、……、5的第1个配对用户的波束赋形向量w(1,2)、w(2,2)……、w(5,2)，w(1,2)、w(2,2)……、w(5,2)分别是矩阵
的最大特征值对应的特征向量，δ2是高斯白噪声的功率。
步骤3：基站计算调度用户1、2、……、5的第2个配对用户的波束赋形向量w(1,3)、w(2,3)……、w(5,3)，w(1,3)、w(2,3)……、w(5,3)是矩阵
的最大特征值对应的特征向量，δ2是高斯白噪声的功率；
步骤4：基站计算w(1,1)、w(2,1)……、w(5,1)，w(1,2)、w(2,2)……、w(5,2)，w(1,3)、w(2,3)……、w(5,3)与有限反馈码本矩阵中码本al的相关性，则相关性最大的码本al对应的当前码本编号l为调度用户1、调度用户2、……、调度用户5、调度用户1的第1个配对用户、调度用户2的第1个配对用户、……、调度用户5的第1个配对用户、调度用户1的第2个配对用户、调度用户2的第2个配对用户、……、调度用户5的第2个配对用户的预编码码本编号k(1,1)、k(2,1)……、k(5,1)， k(1,2)、k(2,2)……、k(5,2)，k(1,3)、k(2,3)……、k(5,3)。
其中，al为有限反馈码本矩阵的码本集合；其中L的取值与天线端口的数量有关，此时由于调度用户有2根发射天线时，因此L=5。
步骤6：基站将上述计算得到的调度用户1、调度用户2、……、调度用户5、调度用户1的第1个配对用户、调度用户2的第1个配对用户、……、调度用户5的第1个配对用户、调度用户1的第2个配对用户、调度用户2的第 2个配对用户、……、调度用户5的第2个配对用户的预编码码本编号k(1,1)、 k(2,1)……、k(5,1)，k(1,2)、k(2,2)……、k(5,2)，k(1,3)、k(2,3)……、k(5,3)反馈给对应的调度用户1、调度用户2、……、调度用户5、调度用户1的第1个配对用户、调度用户2的第1个配对用户、……、调度用户5的第1个配对用户、调度用户1 的第2个配对用户、调度用户2的第2个配对用户、……、调度用户5的第2 个配对用户，调度用户1、调度用户2、……、调度用户5、调度用户1的第1 个配对用户、调度用户2的第1个配对用户、……、调度用户5的第1个配对用户、调度用户1的第2个配对用户、调度用户2的第2个配对用户、……、调度用户5的第2个配对用户根据对应的预编码码本编号k(1,1)、k(2,1)……、k(5,1)， k(1,2)、k(2,2)……、k(5,2)，k(1,3)、k(2,3)……、k(5,3)，找出预编码码本集合中对应的预编码码本al，调度用户采用预编码码本al对应的预编码方法进行上行数据传输。其中调度用户采用预编码码本al对应的预编码方法进行上行数据传输具体过程是：设s代表用户在虚拟多输入输出上行传输中预编码前的发射符号，z代表用户在虚拟多输入输出上行传输中预编码后的发射符号，w代表选取的预编码码本w∈{a1,a2,…,aL}，具体的预编码方法为z＝w·s，本发明中s为标量，w 是NT×1的向量，其中NT代表用户发射天线数目。
具体实施例三：
如图2所示，配对用户数量n=3时配对过程是如下：
步骤0：设k1(x)代表用户x本身，k2(x)代表用户x的第1个配对用户，k3(x) 代表用户x的第2个配对用户，……，kn+1(x)代表用户x的第n个配对用户，i∈Ω，Ω代表VMIMO系统上行传输数据时未分配资源块的用户集合，Λ1是VMIMO 系统上行传输数据时已分配资源块的用户集合，Ω与Λ1的集合是整个用户集合。
步骤1：根据公式(45)计算用户x所在信道容量值D1(x)
其中，Mx代表用户x所占的资源块数目，代表用户x在第m个资源块上的信道矩阵；Px代表基站接收第x个用户发射天线发射信号时的接收功率；N0代表噪声功率。
步骤:2：按照步骤1中用户x在VMIMO系统上行传输数据时信道容量值 D1(x)由大到小的顺序依次对每一个已调度用户选择第1个配对用户，根据公式(46)、(47)、(48)、(49)分别计算如果D2(x)＞D1(x)，选择k2(x)为用户x的第1个配对用户，将k2(x)从未分配资源块集合Ω中除去；否则，用户x不进行配对，用户x通过其发射天线以SIMO的方式发送数据给基站；依次为每个用户x选择第1个配对用户，若用户遍历了集合Λ1，则转至步骤3，否则，针对下一个已调度用户x，继续进行步骤2，其中x∈Λ1，Λ1是调度后已分配资源块的用户集合；
其中参数α与参数β用来调节配对过程中系统容量与系统公平性间的比例，代表用户x在VMIMO系统上行传输数据时第m个资源块上的信道矩阵；代表基站接收第k1(x)个用户发射天线发射信号时的接收功率，代表用户i在VMIMO系统上行传输数据时第m个资源块上的信道矩阵，其中i∈Ω，Ω代表VMIMO系统上行传输数据时未分配资源块的用户集合；Pi代表基站接收用户i发射天线发射信号时的接收功率，为用户i在VMIMO系统上行传输数据时的平均吞吐量，是根据公式(50)计算所得，
所述Tc为用户i进行信号滤波的时间窗参数，代表上一个传输时间间隔(TTI)用户i在VMIMO系统上行传输数据时的平均吞吐量，ri'(t-1)代表上一个传输时间间隔(TTI)用户i在VMIMO系统上行传输数据时的实际传输速率，单位为Mbps，ri'(t-1)=VMIMO上行传输数据时的频谱效率×VMIMO系统上行传输数据时的用户i所在信道带宽， 代表用户x与用户 i配对后在第m个资源块上与基站接收天线所组成的信道矩阵，代表用户x 和用户i配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值，代表用户x和用户k2(x)配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值；
步骤3：按照步骤2中用户x在VMIMO系统上行传输数据时信道容量值 D2(x)由大到小的顺序依次对每一个已调度用户选择第2个配对用户，x∈Λ2，Λ2代表Λ1已找到第1个配对的用户集合，根据公式(51)、(52)、(53)、(54)分别计算 k3(x)、D3(x)，如果D3(x)＞D2(x)，选择k3(x)为用户x的第2 个配对用户，将k3(x)从未分配资源块集合Ω中除去；否则，用户x不进行配对，用户x通过2个用户配对以VMIMO的方式发送数据给基站；依次为每个用户 x选择第2个配对用户，若用户x遍历了集合Λ2，则转至步骤4；否则，针对下一个已调度用户x，继续进行步骤3；
其中代表在VMIMO系统上行传输数据时用户k2(x)在第m个资源块上的信道矩阵；代表基站接收用户k2(x)发射天线发射信号时的接收功率，所述根据公式(6)计算所得，代表在VMIMO系统上行传输数据时用户k2(x) 与用户i配对后在第m个资源块上与基站接收天线所组成的信道矩阵，代表在VMIMO系统上行传输数据时用户k2(x)和用户i配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值，代表在VMIMO系统上行传输数据时用户k2(x) 和用户配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值；
步骤4：按照步骤3中用户x在VMIMO系统上行传输数据时信道容量值 D3(x)由大到小的顺序依次对每一个已调度用户选择第3个配对用户，x∈Λ3，Λ3代表已找到第3个配对的用户集合，根据公式(55)、(56)、(57)、(58) 分别计算 k4(x)、D4(x)，如果D4(x)＞D3(x)，选择k4(x)为用户x的第3个配对用户，将k4(x)从未分配资源块集合Ω中除去；否则，用户x不再进行配对，用户x通过3个配对用户以VMIMO的方式发送数据给基站；依次为每个用户x选择第3个配对用户时，若用户x遍历了集合Λ3，则结束；否则，针对下一个已调度用户x，继续进行步骤4；
其中代表在VMIMO系统上行传输数据时用户k3(x)在第m个资源块上的信道矩阵；代表基站接收用户k3(x)发射天线发射信号时的接收功率所述根据公式(37)计算所得，代表用户k3(x)与用户i配对后在第m个资源块上与基站接收天线所组成的信道矩阵，代表用户k3(x)和用户i配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值，代表用户k3(x)和用户k4(x)配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值。
经过仿真，LTE上行链路，假设比例公平调度第一层用户数目为5，α＝β＝1。基站接收天线数目Nr＝8，配对深度n＝4时，本发明的多用户配对算法以及最大容量配对算法的VMIMO与比例公平调度的SIMO的用户吞吐量对比如表1-9所示。
本发明的多用户配对算法在不同α和β参数设置下小区平均吞吐量和5% 边缘用户吞吐量如表1-8所示。α的值较大时，配对算法主要考虑系统容量，倾向于选择使得系统容量更大的用户进行配对。β的值较大时，配对算法主要考虑用户公平性，倾向于选择平均吞吐量低的用户进行配对。为寻找最优的α和β值，本算法用于LTE上行链路，基站接收天线数目时，5%边缘用户吞吐量随不同α和β参数设置的变化曲线如图3所示。小区平均吞吐量随不同α和β参数设置的变化曲线如图4所示。从不同α和β值的设置得到的仿真结果中可以看到，曲线基本上满足α和β值的设置初衷，即α的值越大，配对算法越倾向于选择使得系统容量更大的用户进行配对；β的值越大，配对算法越倾向于选择平均吞吐量低的用户进行配对。从仿真结果中可以看出，α＝0.8β＝1或者α＝1β＝1时，配对算法可以在系统吞吐量和用户公平性之间取得较好的折衷，这两组参数可以作为α和β的最优值。
表1-8不同α和β参数设置下小区平均吞吐量和5%边缘用户吞吐量
表1-9本发明的多用户配对算法以及最大容量配对算法的VMIMO与比例公平调度的SIMO的用户吞吐量对比
从表1-9可以看出，相对于SIMO，本文提出的多用户配对算法的5%边缘用户吞吐量和小区平均吞吐量都有明显的提升。相对于SIMO系统，本发明的多用户配对算法的5%边缘用户吞吐量提升了14.7051%，小区平均吞吐量提升了83.5660%。小区平均吞吐量的提升是因为建议算法选择多用户配对传输，带来了更多的小区吞吐量。5%边缘用户吞吐量的提升是因为在SIMO系统中，边缘用户仅能够通过比例公平调度获得传输机会；而建议算法中引入了比例公平因子，平均吞吐量低的边缘用户，不仅可以通过比例公平调度获得传输机会，还可以通过与其它用户配对获得传输机会。
具体实施例四：
配对用户数量n=4时配对过程是如下：
在实施例三基础上，所述步骤4变为：按照步骤3中用户x在VMIMO系统上行传输数据时信道容量值D3(x)由大到小的顺序依次对每一个已调度用户选择第3个配对用户，x∈Λ3，Λ3代表已找到第3个配对的用户集合，根据公式(42)、(43)、(44)、(45)分别计算 k4(x)、D4(x)，如果 D4(x)＞D3(x)，选择k4(x)为用户x的第3个配对用户，将k4(x)从未分配资源块集合Ω中除去；否则，用户x不再进行配对，用户x通过3个配对用户以VMIMO 的方式发送数据给基站；依次为每个用户x选择第3个配对用户时，若用户x 遍历了集合Λ3，则转至步骤5；否则，针对下一个已调度用户x，继续进行步骤4；
步骤5：按照步骤4中用户x在VMIMO系统上行传输数据时信道容量值 D4(x)由大到小的顺序依次对每一个已调度用户选择第4个配对用户，x∈Λ4，Λ4代表已找到第4个配对的用户集合，根据公式(59)、(60)、(61)、(62) 分别计算 k5(x)、D5(x)，如果D5(x)＞D4(x)，选择k5(x)为用户x的第4个配对用户，将k5(x)从未分配资源块集合Ω中除去；否则，用户x不再进行配对，用户x通过4个配对用户以VMIMO的方式发送数据给基站；依次为用户x选择第4个配对用户时，若用户x遍历了集合Λ4，则结束；否则，针对下一个已调度用户x，继续进行该步骤5；
其中代表在VMIMO系统上行传输数据时用户k4(x)在第m个资源块上的信道矩阵；代表在VMIMO上行传输数据时基站接收第k4(x)个用户发射天线发射信号时的接收功率，所述根据公式(6)计算所得，代表在 VMIMO系统上行传输数据时用户k4(x)与用户i配对后在第m个资源块上与基站接收天线所组成的信道矩阵，代表在VMIMO系统上行传输数据时用户 k4(x)和用户i配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值，代表在 VMIMO系统上行传输数据时用户k4(x)和用户k5(x)配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (6)
1.一种多用户配对虚拟MIMO系统的波束赋形方法，其特征在于包括：
步骤1：根据基站接收的用户的发射天线发送的上行参考信号，计算用户与基站间的信道矩阵，运用调度算法，在可用带宽上调度M个用户；运用配对算法为每个调度用户m分别寻找Nm层配对用户，所述Nm为大于等于1的正整数，m代表调度用户的编号，Nm代表调度用户m的最大配对个数，m取值为1，2，…，M；
步骤2：确定虚拟多输入多输出VMIMO系统调度用户m的第n-1层配对用户的波束赋形矩阵，对于调度用户m的波束赋形：把能量集中于该调度用户m与其基站间的通讯信道的最强特征方向；对于调度用户m的第n-1层配对用户的波束赋形：把能量集中于该调度用户m与其基站间的通讯信道的最强特征方向以及干扰的最弱特征方向，得到调度用户m的第n-1个配对用户的预编码码本编号k(m,n)，所述n＝2,…,Nm+1；
步骤3：基站将上述计算得到的调度用户m的预编码码本编号k(m,1)，以及调度用户m的第1、2、…、Nm个配对用户的预编码码本编号相应地反馈给对应的调度用户m、调度用户m的第1、2、…、Nm个配对用户，调度用户m以及调度用户m的第1、2、……、Nm个配对用户根据对应的预编码码本编号，找出有限反馈预编码码本集合中对应的预编码码本al，调度用户m采用预编码码本al对应的预编码方法进行上行数据传输；其中l代表其对应的预编码码本编号k(m,n)；
所述步骤2具体包括：
步骤21：计算调度用户m的上行波束赋形向量w(m,1)，w(m,1)是矩阵的最大特征值对应的特征向量，且||w(m,1)||2＝1，其中H(m,l)为在虚拟多输入多输出系统上行传输数据时调度用户m的发射天线与基站的接收天线间的信道矩阵，计算调度用户的波束赋形矩阵时，没有考虑到其他用户对本用户的干扰；
步骤22：基站计算调度用户m的第n-1个配对用户的波束赋形向量w(m,n)，w(m,n)是矩阵的最大特征值对应的特征向量，所述且||w(m,i)||2＝1,其中i＝1,2,…n-1，H(m,n)为在虚拟多输入多输出系统上行传输数据时调度用户m的第n-1个配对用户的发射天线与基站的接收天线间的信道矩阵，δ2是高斯白噪声的功率，n＝2,…,Nm+1；w(m,n)、H(m,n)中n取值为n＝2,…,Nm+1或1；
步骤23：若n≤Nm，令n＝n+1，重复步骤22，直到n＝Nm；
步骤24：对于每个调度用户m，分别进行步骤21至步骤23，直到计算出所有调度用户和所有配对用户的波束赋形向量w(m,n)；n＝1时，w(m,n)代表调度用户m本身的波束赋形向量，n≥2时，w(m,n)代表调度用户m的第n-1个配对用户的波束赋形向量；
步骤25：基站计算w(m,n)与有限反馈预编码码本集合中的预编码码本al的相关性，则相关性最大的预编码码本al对应的当前码本编号l为调度用户m的第n-1个配对用户的预编码码本编号k(m,n)，所述k(m,n)中n取值为n＝2,…,Nm+1或1；
其中，al为LTE协议中定义的有限反馈预编码码本集合中的预编码码本；
所述调度算法是比例公平调度算法、轮询调度算法或最大载干比算法；
所述配对算法是正交投影配对算法、正交配对算法、后验信噪比配对算法、行列式配对算法或者按照以下具体过程的配对算法：
步骤11：设k1(x)代表调度用户x本身，k2(x)代表调度用户x的第1个配对用户，k3(x)代表调度用户x的第2个配对用户，……，kn+1(x)代表调度用户x的第n个配对用户，i∈Ω，Ω代表在VMIMO系统上行传输数据时未分配资源块的用户集合，Λ1是在VMIMO系统上行传输数据时已分配资源块的用户集合，Ω与Λ1的并集是整个用户集合；所述已分配资源块的用户集合指的是在VMIMO系统上行传输数据时通过调度算法在可用带宽上选择的调度用户集合，所述可用宽带指的是进行上行传输数据的频带；
步骤12：按照调度用户x在VMIMO系统上行传输数据时信道容量值由大到小的顺序依次对每一个调度用户x选择第n个配对用户，其中x∈Λn，Λn代表已找到第n-1个配对用户的调度用户集合。
2.根据权利要求1所述的一种多用户配对虚拟MIMO系统的波束赋形方法，其特征在于所述步骤3中调度用户m采用预编码码本al对应的预编码方法进行上行数据传输的具体过程是：设s代表用户在虚拟MIMO上行传输中预编码前的发射符号，z代表用户在虚拟MIMO上行传输中预编码后的发射符号，w代表选取的预编码码本，w∈{a1,a2,…,aL}，具体的预编码方法为z＝w·s，其中s为标量，w是NT×1的向量，其中NT代表用户的发射天线数目。
3.根据权利要求2所述的一种多用户配对虚拟MIMO系统的波束赋形方法，其特征在于所述步骤22中w(m,n)是矩阵的最大特征值对应的特征向量，具体过程：
步骤31：考虑N个用户组成的虚拟MIMO系统，频域接收信号Y通过公式(2)计算可得：
其中H1,H2,…,HN分别代表用户1、用户2….用户N的发射天线与基站的接收天线间的信道矩阵，w1,w2,…,wN分别代表用户1、用户2、…用户N的波束赋形矩阵，s1,s2,…,sN分别代表用户1、用户2…用户N的发射符号，V代表在虚拟多输入多输出系统上行传输数据过程中的高斯白噪声；
步骤32：当仅考虑用户j，j＝1,2,…,N，上式可以改写为：
其中zj包含来自其他用户i的干扰和噪声，1≤i≤N且i≠j；Hj代表用户j的发射天线与基站的接收天线间的信道矩阵，wj代表用户j的波束赋形矩阵，sj代表用户j的发射符号，zj代表其他用户对用户j的干扰和高斯白噪声之和，其协方差矩阵为：
其中，代表用户i对用户j的干扰的协方差矩阵，Hi代表用户i的发射天线与基站的接收天线间的信道矩阵，wi代表用户i的波束赋形矩阵，si代表用户i的发射天线发送的发射符号，δ2·I表示高斯白噪声的协方差矩阵；
用户j向基站发送的发射符号sj的估计值为：
其中具有零均值，指的是基站的接收天线接收的用户j的发射天线发送的发射符号，经过白化滤波和最大比合并后的色噪声，其协方差矩阵为：
式(5)中发射符号的估计值的信号与干扰噪声比的计算方法为公式(7)：
其中γj指的是基站的接收天线接收的用户j的发射天线发送的发射符号，经过白化滤波和最大比合并后的信号与干扰噪声比，为赫米特矩阵；由Rayleigh-Ritz定理可知，在约束条件下得到γj的最大值满足公式(8)：
当wj与的最大特征值对应的特征向量成正比时，等号成立，此时γj为矩阵最大特征值，因此基于信号与干扰噪声比最大值的解wj是的最大特征值对应的特征向量，并且归一化后有||wj||2＝1；
步骤33：由以上推导证明可以得出波束赋形方法，计算调度用户m的第n-1个配对用户的波束赋形向量w(m,n)时，只考虑调度用户m、调度用户m的第1个配对用户、……、调度用户m的第n-2个配对用户对本用户的干扰。
4.根据权利要求1所述的一种多用户配对虚拟MIMO系统的波束赋形方法，其特征在于所述步骤12具体步骤是：步骤121：根据公式(9)计算调度用户x在VMIMO系统上行传输数据时的信道容量值D1(x)
其中，Mx代表调度用户x所占的资源块数目，代表调度用户x在第m个资源块上与基站的接收天线所组成的信道矩阵；Px代表基站接收到调度用户x发射信号时的接收功率；N0代表噪声功率；
步骤122：按照步骤121中调度用户x在VMIMO系统上行传输数据时信道容量值D1(x)由大到小的顺序依次对每一个调度用户选择第1个配对用户，根据公式(10)、(11)、(12)、(13)分别计算k2(x)、D2(x)，如果D2(x)＞D1(x)，选择k2(x)为调度用户x的第1个配对用户，将k2(x)从未分配资源块的用户集合Ω中除去，否则，调度用户x不进行配对，调度用户x通过其发射天线以SIMO的方式发送数据给基站；依次为每个调度用户x选择第1个配对用户，若调度用户x遍历了调度用户集合Λ1，则转至步骤123，否则，针对下一个调度用户x，继续进行步骤122，其中x∈Λ1，
其中参数α与参数β用来调节配对过程中系统容量与系统公平性间的比例，代表用户k1(x)在VMIMO系统上行传输数据时第m个资源块上与基站的接收天线所组成的信道矩阵；代表基站接收用户k1(x)发射信号时的接收功率，代表用户i在VMIMO系统上行传输数据时第m个资源块上与基站的接收天线所组成的信道矩阵，其中i∈Ω，Ω代表VMIMO系统上行传输数据时未分配资源块的用户集合；Pi代表基站接收到用户i发射信号时的接收功率，为第i个调度用户i在VMIMO系统上行传输数据时的平均吞吐量，是根据公式(14)计算所得，
所述Tc为用户i进行信号滤波的时间窗参数，代表在上一个传输时间间隔(TTI)中用户i的上行传输平均吞吐量，ri'(t-1)代表在上一个传输时间间隔(TTI)中用户i的实际上行传输速率，单位为Mbps，ri'(t-1)＝上行传输数据时的频谱效率×上行传输数据时的用户i所在信道的带宽，ri'(0)＝0；代表调度用户x与用户i配对后在第m个资源块上与基站的接收天线所组成的信道矩阵，代表调度用户x和用户i配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值，代表调度用户x和用户k2(x)配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值；
步骤123：按照步骤122中调度用户x在VMIMO系统上行传输数据时信道容量值D2(x)由大到小的顺序依次对每一个调度用户x选择第2个配对用户，x∈Λ2，Λ2代表已找到第1个配对用户的调度用户集合，根据公式(15)、(16)、(17)、(18)分别计算k3(x)、D3(x)，如果D3(x)＞D2(x)，选择k3(x)为调度用户x的第2个配对用户，将k3(x)从未分配资源块的用户集合Ω中除去；否则，调度用户x不进行配对，调度用户x通过2个用户配对以VMIMO的方式发送数据给基站；依次为每个调度用户x选择第2个配对用户，若调度用户x遍历了集合Λ2，则转至步骤124；否则，针对下一个调度用户x，继续进行步骤123；
其中代表用户k2(x)在第m个资源块上与基站的接收天线所组成的信道矩阵；代表基站接收到用户k2(x)发射信号时的接收功率，所述根据公式(14)计算所得，代表用户k2(x)与用户i配对后在第m个资源块上与基站的接收天线所组成的信道矩阵，代表用户k2(x)和用户i配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值，代表用户k2(x)和用户k3(x)配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值；代表调度用户x和用户k3(x)配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值；
步骤124：按照步骤123中调度用户x在VMIMO系统上行传输数据时信道容量值Dn(x)由大到小的顺序依次对每一个调度用户选择第n个配对用户，x∈Λn，Λn代表已找到第n-1个配对用户的调度用户集合，根据公式(19)、(20)、(21)、(22)分别计算kn+1(x)、Dn+1(x)，如果Dn+1(x)＞Dn(x)，选择kn+1(x)为调度用户x的第n个配对用户，将kn+1(x)从未分配资源块的用户集合Ω中除去；否则，调度用户x不再进行配对，调度用户x通过n个配对用户以VMIMO的方式发送数据给基站；依次为每个调度用户x选择第n个配对用户时，若调度用户x遍历了集合Λn，则结束；否则，针对下一个调度用户x，继续进行步骤124；
其中代表用户kn(x)在VMIMO系统上行传输数据时第m个资源块上与基站的接收天线所组成的信道矩阵，所述m大于等于0；代表基站接收用户kn(x)发射信号时的接收功率，所述根据公式(14)计算所得，代表用户kn(x)与用户i配对后在第m个资源块上与基站的接收天线所组成的信道矩阵，代表用户kj(x)和用户i配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值，代表用户kj(x)和用户kn+1(x)配对后在第m个资源块上的频谱效率的相对值，所述参数α∈[0,1]，参数β∈[0,1]。
5.根据权利要求4所述一种多用户配对虚拟MIMO系统的波束赋形方法，其特征在于所述参数α∈[0,1]，参数β＝1。
6.根据权利要求4所述一种多用户配对虚拟MIMO系统的波束赋形方法，其特征在于所述参数α∈[0,1]，参数β＝0.8。
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