CN104702326B - 基于mse的虚拟mimo用户配对和资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线通信领域中基于MSE的虚拟MIMO用户配对和资源分配方法。本发明针对现有技术中无法动态调整系统的用户配对和资源分配情况、无法同时满足吞吐量和均方误差MSE性能要求的问题，提出一种用户配对和资源分配方法。采用本发明中提及的通过构建用户配对和资源分配模型并求解，得到最优用户配对和资源分配结果的方法，克服了现有技术中无法保证系统均方误差性能的问题，使得本发明具有实现动态用户配对和资源分配，同时保证系统均方误差性能和吞吐量的优点。

Description

基于MSE的虚拟MIMO用户配对和资源分配方法

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一种基于均方误差(Mean Square of Error MSE)的虚拟多输入多输出(Multiple Input Multiple OutputMIMO)用户配对和资源分配方法。本发明能够实现在虚拟多输入多输出系统中，动态的调整配对用户数和资源分配情况，同时保证系统的均方误差MSE性能保持在一个特定门限下，而且保证系统有最大的吞吐量。

背景技术

多输入多输出MIMO技术在各种无线通信系统已被广泛地用于提高频谱效率。然而，由于用户设备的成本和尺寸等实际操作方面的困难，使得多输入多输出MIMO技术在上行链路的应用受到局限。为了解决这个问题，提出了虚拟多输入多输出MIMO的概念，即上行链路对两个或多个用户进行配对，在相同的频带和时隙内对每个配对用户部署单个发射天线。与常规的多输入多输出MIMO系统相比，虚拟多输入多输出MIMO能通过设计良好的用户配对和资源调度策略来得到最大的系统吞吐量和最小的均方误差MSE。因此，用户配对和资源调度是直接影响多输入多输出系统性能的两个关键问题。

中国科学技术大学申请的专利文件“虚拟MIMO系统中的多用户资源分配的方法及装置”(公开号CN102340877A，申请号CN201110314752.1，申请日2011-10-17)中公开了一种根据用户分类和资源块(Resource Block)RB进行用户配对和资源分配的方法。该方法将用户按优先级分为二类。首先，将所有资源块RB依次最优地分配给第一类用户；接着，将同样的资源块RB依次最优地分配给第二类用户；最后，根据系统吞吐量最大的配对准则实现对同一资源块RB上第一类和第二类用户的配对。该方法存在的不足是，不能动态的调整系统内的用户配对和资源分配情况，也无法同时满足系统吞吐量要求和系统均方误差MSE性能要求。

普天信息技术研究院有限公司申请的专利文件“一种用于MU-MIMO用户配对的资源分配方法”(公开号CN103369688A，申请号CN201210084341.2，申请日2012-03-27)中公开了一种根据用户优先级由高到低的顺序进行用户配对和资源分配的方法。该方法先根据用户优先级进行用户配对，再为已配对用户组中优先级最大的用户进行资源分配，再将该资源依次分段分配给该已配对用户组中的其他用户。该方法存在的不足是，总是将资源分配给优先级高的用户，无法保证系统的均方误差MSE性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于MSE的虚拟MIMO用户配对和资源分配方法，可以动态的调整系统内的用户配对和资源分配情况，并且在保证系统MSE性能的同时确保系统吞吐量最大。

本发明实现上述目的的具体思路是，基站在获得用户配对约束矩阵、资源分配约束矩阵、均方误差MSE约束矩阵以及系统吞吐量后，构建基于系统均方误差MSE的用户配对和资源分配模型，通过分值定界法求解该模型，分别得到最优的用户配对结果和资源分配结果。考虑在信号接收器中采用的是最小均方误差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)基站获得当前时隙待配对用户：

基站开机后，根据到达用户流，获取当前时隙的待配对用户和可配对用户数；

(2)基站确定可选用户对集合和可选资源块分配集合：

基站根据待配对用户和可配对用户数进行排列组合，形成可选用户对集合；基站由虚拟多输入多输出系统中内置的资源块个数，对资源块进行排列组合，形成可选资源块分配集合；

(3)基站获得用户配对约束矩阵：

(3a)由可选用户对集合，生成用户配对矩阵；

(3b)将用户配对矩阵纵向复制A次，生成用户配对约束矩阵，其中A表示可选资源块分配集合中的元素个数；

(4)基站获得资源分配约束矩阵：

(4a)由可选资源块分配集合，生成资源分配矩阵；

(4b)将资源分配矩阵横向复制G次，生成资源分配约束矩阵，其中G表示可选的用户对集合中元素的个数；

(5)按照下式，计算每个用户对在每个资源块上的均方误差MSE值：

其中，M_h,k表示用户对U_h在第k个资源块上的均方误差MSE值，U_h表示可选用户对集合中的第h个用户对，h在[1,G]内取值，k在[1,N]内取值，G表示可选用户对集合中元素的个数，N表示系统内置的资源块个数，Q_h表示用户对U_h中的用户总数，H_h,k表示用户对U_h在第k个资源块上的信道矩阵，(·)^H表示厄米转置操作，表示求F范数后取2次方操作，表示求次方操作，|·|表示取绝对值操作，det(·)表示求行列式值操作，σ²表示当前时隙的信道噪声功率，E表示用户对的发射信号功率；

(6)获得均方误差MSE约束矩阵：

(6a)由每个用户对在每个资源块上的均方误差MSE值，生成均方误差MSE配对因子矩阵；

(6b)由均方误差MSE配对因子矩阵和资源分配矩阵，生成平均均方误差MSE向量；

(6c)将平均均方误差MSE向量与维度是G*A的单位矩阵相乘，得到均方误差MSE约束矩阵，其中G表示可选的用户对集合中元素的个数，A表示可选资源块分配集合中的元素个数；

(7)获得系统吞吐量：

(7a)生成用户配对和资源分配的指示向量；

(7b)将平均均方误差MSE向量与用户配对和资源分配的指示向量相乘，得到系统吞吐量；

(8)基站构建的用户配对和资源分配模型如下：

目标函数

约束条件C₁x≤1_N

C₂x≤1_U

C₃x≤F×1_G*_A

其中，max{·}表示求最大值操作，x表示用户配对和资源分配指示向量，η^T表示用户对在特定资源分配情况下的平均均方误差MSE向量，η^Tx表示虚拟多输入多输出系统的吞吐量，(·)^T表示转置操作；C₁表示资源分配约束矩阵，1_N表示长度是N且元素全部等于1的列向量，N表示虚拟多输入多输出系统内置的资源块个数；C₂是用户配对约束矩阵，1_U表示长度是U且元素全部等于1的列向量，U表示待配对用户总数；C₃表示均方误差MSE约束矩阵，F表示当均方误差MSE值门限是M₀时的均方误差MSE配对因子，配对因子F由均方误差MSE门限值除以信道噪声功率得到，1_G*A表示长度是G*A且元素全部等于1的列向量，G表示可选的用户对集合中元素的个数，A表示可选资源块分配集合中的元素个数；

(9)求解用户配对和资源分配模型：

基站通过分支定界法，求解用户配对和资源分配模型，得到最优的用户配对和资源分配的指示向量；

(10)基站获得最优的用户配对结果和资源分配结果：

利用最优的用户配对和资源分配指示向量中大小等于1的元素的位置信息，对用户配对矩阵和资源分配矩阵进行索引，分别得到最优的用户配对结果和资源分配结果；

(11)基站发送数据信号：

基站将最优的配对用户对所携带的数据信号在最优的资源块中发送给信号接收器；

(12)判断是否有新用户流到达，如果是，则执行步骤(13)；否则，执行步骤(14)；

(13)基站从新到达的用户流中获取下一时隙的待配对用户，执行步骤(2)；

(14)基站完成用户配对和资源分配。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明采用通过均方误差MSE值计算公式，计算各个用户对的均方误差MSE值的方法，克服了现有技术中不能动态的调整系统内的用户配对和资源分配情况的问题，使得本发明具有根据信道状态动态地调整用户配对和资源分配情况和高实时性的优点。

第二，由于本发明采用构造基于系统均方误差MSE的用户配对和资源分配模型的办法，克服了现有技术中无法保证系统均方误差MSE性能的问题，使得本发明具有保证系统均方误差MSE性能和高通信质量的优点。

第三，由于本发明采用构造基于系统均方误差MSE的用户配对和资源分配模型的方法，克服了现有技术中不能同时满足系统吞吐量要求和系统均方误差MSE性能要求的问题，使得本发明具有在保证系统的均方误差MSE性能的同时保证系统吞吐量最大的优点。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是使用本发明完成用户配对、资源分配后系统平均均方误差MSE性能的仿真图；

图3是使用本发明完成用户配对、资源分配后系统平均吞吐量的仿真图。

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，基站获得当前时隙待配对用户。

基站开机后，根据到达用户流，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和可选资源块分配集合。

基站根据待配对用户的总数、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表示基站接收天线的总数。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；依次类推，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。

基站根据系统内置的资源块数目，按照如下方法得到可选资源块分配集合：当资源块个数为N时，在所有资源块中选取1个资源块，形成可选资源分配元素；在所有资源块中选取选择连续的2个资源块，形成可选资源分配情况；依次类推，直到选择连续的N个资源块，形成可选资源分配情况；将所有的可选资源分配元素依照可选资源分配情况被选取的顺序放入一个集合中，形成可选资源块分配集合，对集合中的可选资源分配情况进行编号，其中，N表示资源块个数。

步骤3，基站获得用户配对约束矩阵。

首先，按照下述方法生成用户配对矩阵：根据可选用户对集合中每一个可选用户对包含的用户情况，给矩阵中的每一个元素赋值，若第j个可选用户对中包含第i个用户，则令矩阵的第i行、第j列的元素值等于1，否则等于0；i在[1,U]中取值，j在[1,G]中取值，U表示待配对用户总数，G表示可选用户对集合中元素的个数。

接着，将用户配对矩阵纵向复制J次，产生用户配对约束矩阵，其中J表示一个用户对所有的资源块分配情况的总数。

步骤4，基站获得资源分配约束矩阵。

首先，按照下述方法生成资源分配矩阵：根据可选资源分配集合中每一个可选资源分配元素中包含的资源块情况，给矩阵中的每一个元素赋值，若第q个资源分配元素中包括第p个资源块，则将矩阵的第p行、第q列的元素置为1，否则置为0，其中，p在[1,N]中取值，q在[1,A]中取值，N表示虚拟多输入多输出系统中内置的资源块个数，A表示可选资源块分配集合中的元素个数。

接着，将资源分配矩阵横向复制G次，产生资源分配约束矩阵，其中G表示可选的用户对集合中元素的个数。

其中，资源分配矩阵是为了保证每个用户能且只能被选入到一个用户对中或者不进行配对。

步骤5,按照下式，计算每个用户对在每个资源块上的均方误差MSE值。

其中，M_h,k表示用户对U_h在第k个资源块上的均方误差MSE值，U_h表示可选用户对集合中的第h个用户对，h在[1,G]内取值，k在[1,N]内取值，G表示可选用户对集合中元素的个数，N表示系统内置的资源块个数，Q_h表示用户对U_h中的用户总数，H_h,k表示用户对U_h在第k个资源块上的信道矩阵，(·)^H表示厄米转置操作，表示求F范数后取2次方操作，表示求次方操作，|·|表示取绝对值操作，det|·|表示求行列式值操作，σ²表示当前时隙的信道噪声功率，E表示用户对的发射信号功率；

步骤6，获得均方误差MSE约束矩阵。

首先，按照如下方法生成均方误差MSE配对因子矩阵：将第w个可选用户对在第z个资源块上的均方误差MSE值，按照z、w依次增大的顺序，存入待生成矩阵的第e行、第r列，使得e、r等于z、w各自的最大值，得到均方误差MSE配对因子矩阵，其中，z表示资源块的编号，e表示待生成矩阵的行编号，且z＝e，z和e都在[1,N]中取值，w表示可选用户对的编号，r表示待生成矩阵的列编号，且w＝r，w和r都在[1,G]中取值，N表示系统内置的资源块个数，G表示可选用户对集合中元素的个数。

接着，按照如下步骤生成平均均方误差MSE向量：

第一步，选取均方误差MSE配对因子矩阵的第1列；

第二步，令l＝1，l表示资源分配矩阵的列编号，在[1,G]中取值，G表示可选的用户对集合中元素的个数；

第三步，将选取的均方误差MSE配对因子矩阵的列与资源分配矩阵的第l列对应位置的元素相乘后相加，再除以当前资源分配矩阵的l列中1元素的个数，得到均方误差权值，其中，l表示资源分配矩阵的列编号，l在[1,G]中取值，G表示可选用户对集合中元素的个数；

第四步，将得到的均方误差权值，按l增大的顺序，存入待生成的平均均方误差MSE向量中，其中，l表示资源分配矩阵的列编号，l在[1,G]中取值，G表示可选用户对集合中元素的个数；

第五步，判断l是否等于G，如果是，执行第五步，否则，令l＝l+1，并执行第三步，其中，l表示资源分配矩阵的列编号，l在[1,G]中取值，G表示可选用户对集合中元素的个数；

第六步，判断均方误差MSE配对因子矩阵的列是否被选取完，是，得到平均均方误差MSE向量；否则，执行第七步；

第七步，选取均方误差MSE配对因子矩阵的下一列，执行第二步。

最后，将平均均方误差MSE向量与维度是G*A的单位矩阵相乘，得到均方误差MSE约束矩阵，其中G表示可选的用户对集合中元素的个数，A表示可选资源块分配集合中的元素个数。

步骤7，获得系统吞吐量。

首先，基站按照如下方法生成用户配对和资源分配的指示向量：基站判断各个用户对所处的资源分配模式，若第s个用户对处于第t种资源分配模式，则令矩阵中的第σ行、第φ列的元素等于1，否则等于0，直到达到s、t各自的最大值，得到用户配对和资源分配指示矩阵，将矩阵按行展开，得到用户配对和资源分配指示向量，其中，s表示可选用户对的编号，σ表示矩阵的行编号，s＝σ，且s和σ都在[1,G]中取值，t表示资源分配情况的编号，φ表示矩阵的列标号，t＝φ，且t和φ都在在[1,A]中取值,G表示可选用户对集合中元素的个数，A表示可选资源块分配集合中的元素个数。

接着，将平均均方误差MSE向量与用户配对和资源分配指示向量相乘，得到系统吞吐量。

步骤8，基站构建的基于系统均方误差MSE的用户配对和资源分配模型如下：

目标函数

约束条件C₁x≤1_N

C₂x≤1_U

C₃x≤F×1_G*J

其中，模型中的目标函数保证系统吞吐量最大化。其中，m_xax{η^Tx}表示求使得系统吞吐量η^Tx最大的用户配对和资源分配的指示向量x，x表示用户配对和资源分配的指示向量，η^T表示用户对在特定资源分配情况下的平均均方误差MSE向量，(·)^T表示转置操作。

模型中的第一个约束条件C₁x≤1_N保证每个资源块能且只能分配给一个用户对。其中，C₁表示资源分配约束矩阵，x表示用户配对和资源分配的指示向量，1_N表示长度是N且元素全部等于1的列向量，N表示虚拟多输入多输出系统内置的资源块个数。

模型中的第二个约束条件C₂x≤1_U是保证每个用户能且只能被选入到一个用户对中或者不进行配对，其中，C₂是用户配对约束矩阵，x表示用户配对和资源分配的指示向量，1_U表示长度是U且元素全部等于1的列向量，U表示待配对用户总数。

模型中的第三个约束条件C₃x≤M×1_G*J保证每个资源块上分配到的用户对均方误差MSE值小于所设均方误差MSE门限M₀。其中，C₃表示均方误差MSE约束矩阵，F表示当均方误差MSE值门限是M₀时的均方误差MSE配对因子，它由均方误差MSE门限值除以当前时隙的信道噪声功率得到，均方误差MSE的门限值M₀的设定是由系统所需的均方误差MSE性能决定的，1_G*J表示长度是G*J且元素全部等于1的列向量，G表示可选的用户对集合中元素的个数，J表示一个用户对所有的连续资源块分配情况的总数。

步骤9，求解用户配对和资源分配模型。

基站通过分值定界法，求解用户配对和资源分配模型，得到最优的用户配对和资源分配的指示向量。

步骤10，基站获得最优的用户配对结果和资源分配结果。

利用最优的用户配对和资源分配指示向量中大小等于1的元素的位置信息，对用户配对矩阵和资源分配矩阵进行索引，分别得到最优的用户配对结果和资源分配结果。其中的具体索引步骤如下：

第一步，确定元素1在指示向量中的位置值；

第二步，用位置值除以可选用户对集合中元素的个数，得到商和余数c；

第三步，根据余数c，找到用户配对矩阵的第c列，由用户配对矩阵的第c列中1元素的位置信息，得到最优的用户配对结果，其中，c在[1,G]中取值，G表示可选用户对集合中元素的个数；

第四步，对商做向上取整操作，得到v，找到资源分配矩阵的第v列，由资源分配矩阵的第v列中元素1的位置信息，得到最优的资源分配结果，其中，v在[1,A]中取值，A表示可选资源块分配集合中的元素个数。

步骤11，基站发送数据信号。

基站将最优的配对用户对所携带的数据信号在最优的资源块中发送给信号接收器。

步骤12，判断是否有新用户流到达，如果是，则执行步骤13；否则，执行步骤14。

步骤13，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14，基站完成用户配对和资源分配。

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20，接收天线总数为4，资源块个数为6，调制方式为16QAM，检测方式为最小均方误差检测，本发明仿真实验设定系统均方误差MSE的门限值M₀分别是0.03、0.06和0.09。

2.仿真结果分析：

本发明的仿真结果如图2、图3所示。图2是使用本发明完成用户配对、资源分配和数据信号发送后，采用最小均方误差MMSE检测的系统平均均方误差MSE性能的仿真图；图3为使用本发明完成用户配对、资源分配和数据信号发送后，采用最小均方误差检测的系统平均吞吐量的仿真图。图2中以三角形标识的曲线表示当系统均方误差MSE的门限值M₀是0.03时，进行用户配对、资源分配，数据信号发送、最小均方误差检测后的系统平均均方误差性能。图2中以圆形标识的曲线表示当系统均方误差MSE的门限值M₀为0.06时，进行用户配对和资源分配、数据信号发送、最小均方误差检测后的系统平均均方误差性能。图2中以正方形标识的曲线表示当系统均方误差MSE的门限值M₀是0.09时，进行用户配对和资源分配、数据信号发送、最小均方误差检测后的系统平均均方误差性能。图3中以三角形标识的曲线当系统均方误差MSE的门限值M₀是0.03时，进行用户配对和资源分配、数据信号发送、最小均方误差检测后的系统吞吐量。图3中以圆形标识的曲线当系统均方误差MSE的门限值M₀是0.06时，进行用户配对和资源分配、数据信号发送、最小均方误差检测后的系统吞吐量。图3中以正方形标识的曲线当系统均方误差MSE的门限值M₀是0.09时，进行用户配对和资源分配、数据信号发送、最小均方误差检测后的系统吞吐量。我们可以从图2中看出，采用本发明提及的通过获得用户配对矩阵、资源分配矩阵、均方误差MSE约束矩阵以及系统吞吐量来构建用户配对和资源分配模型并求解，得到最优用户配对和资源分配结果，将其所携带的数据信号在相应最优的资源块中发送给信号接收器的方法，成功的将系统信噪比在[4,30]dB之间的系统的平均均方误差MSE值限定在了各个预设的系统均方误差MSE门限值之下，从而可以说明本发明具有保证系统均方误差MSE的功能。我们可以从图3中看出，采用本发明提及通过获得用户配对矩阵、资源分配矩阵、均方误差MSE约束矩阵以及系统吞吐量来构建用户配对和资源分配模型并求解，得到最优用户配对和资源分配结果，将其所携带的数据信号在相应最优的资源块中发送给信号接收器的方法，在不同系统信噪比环境下，都具有不同的系统吞吐量，从而可以说明本发明具有实现动态用户配对和资源分配的功能。

Claims (4)

1.一种基于MSE的虚拟MIMO用户配对和资源分配方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)基站获得当前时隙待配对用户：

基站开机后，根据到达用户流，获取当前时隙的待配对用户和可配对用户数；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；

(2)基站确定可选用户对集合和可选资源块分配集合：

基站根据待配对用户和可配对用户数进行排列组合，形成可选用户对集合；基站由虚拟多输入多输出系统中内置的资源块个数，对资源块进行排列组合，形成可选资源块分配集合；

(3)基站获得用户配对约束矩阵：

(3a)由可选用户对集合，生成用户配对矩阵；

所述的生成用户配对矩阵的具体方法如下：

根据可选用户对集合中每一个可选用户对包含的用户情况，给矩阵中的每一个元素赋值，若第j个可选用户对中包含第i个用户，则令矩阵的第i行、第j列的元素值等于1，否则等于0；i在[1,U]中取值，j在[1,G]中取值，U表示待配对用户总数，G表示可选用户对集合中元素的个数；

(3b)将用户配对矩阵纵向复制A次，生成用户配对约束矩阵，其中A表示可选资源块分配集合中的元素个数；

(4)基站获得资源分配约束矩阵：

(4a)由可选资源块分配集合，生成资源分配矩阵；

所述的生成资源分配矩阵的方法如下：

根据可选资源分配集合中每一个可选资源分配元素中包含的资源块情况，给矩阵中的每一个元素赋值，若第q个资源分配元素中包括第p个资源块，则将矩阵的第p行、第q列的元素置为1，否则置为0，其中，p在[1,N]中取值，q在[1,A]中取值，N表示虚拟多输入多输出系统中内置的资源块个数，A表示可选资源块分配集合中的元素个数；

(4b)将资源分配矩阵横向复制G次，生成资源分配约束矩阵，其中G表示可选的用户对集合中元素的个数；

(5)按照下式，计算每个用户对在每个资源块上的均方误差MSE值：

<mrow> <msub> <mi>M</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mrow> <mo>|</mo> <mo>|</mo> <msup> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mi>H</mi> </msup> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <msubsup> <mo>|</mo> <mi>F</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>|</mo> <mi>det</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mi>H</mi> </msup> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <mo>+</mo> <mfrac> <msup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>E</mi> </mfrac> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，M_h,k表示用户对U_h在第k个资源块上的均方误差MSE值，U_h表示可选用户对集合中的第h个用户对，h在[1,G]内取值，k在[1,N]内取值，G表示可选用户对集合中元素的个数，N表示系统内置的资源块个数，Q_h表示用户对U_h中的用户总数，H_h,k表示用户对U_h在第k个资源块上的信道矩阵，(·)^H表示厄米转置操作，表示求F范数后取2次方操作，表示求次方操作，|·|表示取绝对值操作，det(·)表示求行列式值操作，σ²表示当前时隙的信道噪声功率，E表示用户对的发射信号功率；

(6)获得均方误差MSE约束矩阵：

(6a)由每个用户对在每个资源块上的均方误差MSE值，生成均方误差MSE配对因子矩阵；

所述的生成均方误差MSE配对因子矩阵的方法如下：

将第w个可选用户对在第z个资源块上的均方误差MSE值，按照z、w依次增大的顺序，存入待生成矩阵的第e行、第r列，直到z、w取得各自的最大值，得到均方误差MSE配对因子矩阵，其中，z表示资源块的编号，e表示待生成矩阵的行编号，且z＝e，z和e都在[1,N]中取值，w表示可选用户对的编号，r表示待生成矩阵的列编号，且w＝r，w和r都在[1,G]中取值，N表示系统内置的资源块个数，G表示可选用户对集合中元素的个数；

(6b)由均方误差MSE配对因子矩阵和资源分配矩阵，生成平均均方误差MSE向量；

所述的生成平均均方误差MSE向量的步骤如下：

第一步，选取均方误差MSE配对因子矩阵的第1列；

第二步，令l＝1，l表示资源分配矩阵的列编号，在[1,G]中取值，G表示可选的用户对集合中元素的个数；

第三步，将选取的均方误差MSE配对因子矩阵的列与资源分配矩阵的第l列对应位置的元素相乘后相加，再除以当前资源分配矩阵的l列中1元素的个数，得到均方误差权值，其中，l表示资源分配矩阵的列编号，l在[1,G]中取值，G表示可选用户对集合中元素的个数；

第四步，将得到的均方误差权值，按l增大的顺序，存入待生成的平均均方误差MSE向量中，其中，l表示资源分配矩阵的列编号，l在[1,G]中取值，G表示可选用户对集合中元素的个数；

第五步，判断l是否等于G，如果是，执行第五步，否则，令l＝l+1，并执行第三步，其中，l表示资源分配矩阵的列编号，l在[1,G]中取值，G表示可选用户对集合中元素的个数；

第六步，判断均方误差MSE配对因子矩阵的列是否被选取完，是，得到平均均方误差MSE向量；否则，执行第七步；

第七步，选取均方误差MSE配对因子矩阵的下一列，执行第二步；

(6c)将平均均方误差MSE向量与维度是G*A的单位矩阵相乘，得到均方误差MSE约束矩阵，其中G表示可选的用户对集合中元素的个数，A表示可选资源块分配集合中的元素个数；

(7)获得系统吞吐量：

(7a)生成用户配对和资源分配的指示向量；

生成用户配对和资源分配指示向量的方法如下：基站判断各个用户对所处的资源分配模式，若第s个用户对处于第t种资源分配模式，则令矩阵中的第σ行、第φ列的元素等于1，否则等于0，直到达到s、t各自的最大值，得到用户配对和资源分配指示矩阵，将矩阵按行展开，得到用户配对和资源分配指示向量，其中，s表示可选用户对的编号，σ表示矩阵的行编号，s＝σ，且s和σ都在[1,G]中取值，t表示资源分配情况的编号，φ表示矩阵的列标号，t＝φ，且t和φ都在在[1,A]中取值,G表示可选用户对集合中元素的个数，A表示可选资源块分配集合中的元素个数；

(7b)将平均均方误差MSE向量与用户配对和资源分配的指示向量相乘，得到系统吞吐量；

(8)基站构建的用户配对和资源分配模型如下：

目标函数

约束条件C₁x≤1_N

C₂x≤1_U

C₃x≤F×1_G*A

其中，max{·}表示求最大值操作，x表示用户配对和资源分配指示向量，η^T表示用户对在当前资源分配情况下的平均均方误差MSE向量，η^Tx表示虚拟多输入多输出系统的吞吐量，(·)^T表示转置操作；C₁表示资源分配约束矩阵，1_N表示长度是N且元素全部等于1的列向量，N表示虚拟多输入多输出系统内置的资源块个数；C₂是用户配对约束矩阵，1_U表示长度是U且元素全部等于1的列向量，U表示待配对用户总数；C₃表示均方误差MSE约束矩阵，F表示当均方误差MSE值门限是M₀时的均方误差MSE配对因子，配对因子F由均方误差MSE门限值除以信道噪声功率得到，1_G*A表示长度是G*A且元素全部等于1的列向量，G表示可选的用户对集合中元素的个数，A表示可选资源块分配集合中的元素个数；

(9)求解用户配对和资源分配模型：

基站通过分支定界法，求解用户配对和资源分配模型，得到最优的用户配对和资源分配的指示向量；

(10)基站获得最优的用户配对结果和资源分配结果：

利用最优的用户配对和资源分配指示向量中大小等于1的元素的位置信息，分别对用户配对矩阵和资源分配矩阵进行索引，得到最优的用户配对结果和资源分配结果；

(11)基站发送数据信号：

基站将最优的配对用户对所携带的数据信号在最优的资源块中发送给信号接收器；

(12)判断是否有新用户流到达，如果是，则执行步骤(13)；否则，执行步骤(14)；

(13)基站从新到达的用户流中获取下一时隙的待配对用户，执行步骤(2)；

(14)基站完成用户配对和资源分配。

2.根据权利要求1所述的基于MSE的虚拟MIMO用户配对和资源分配方法，其特征在于，步骤(2)所述的基站根据待配对用户和可配对用户数进行排列组合是指，当可配对用户数是1时，从待配对用户中选取一个用户形成可选用户对；当可配对用户数是2时，从待配对用户中选取两个用户形成可选用户对；依次类推，直到可配对用户数是N_r时，从待配对用户中选取N_r个用户形成可选用户对；将所有的可选用户对依照可选用户对的选取顺序放入一个集合中，形成可选用户对集合，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用户配对和资源分配方法，其特征在于，步骤(2)所述的基站由虚拟多输入多输出系统中内置的资源块个数，对资源块进行排列组合是指，当资源块个数为N时，在所有资源块中选取1个资源块，形成可选资源分配元素；在所有资源块中选取选择连续的2个资源块，形成可选资源分配情况；依次类推，直到选择连续的N个资源块，形成可选资源分配情况；将所有的可选资源分配元素依照可选资源分配情况被选取的顺序放入一个集合中，形成可选资源块分配集合，对集合中的可选资源分配情况进行编号，其中，N表示资源块个数。

4.根据权利要求1所述的基于MSE的虚拟MIMO用户配对和资源分配方法，其特征在于，步骤(10)所述的分别对用户配对矩阵和资源分配矩阵进行索引，是按如下步骤完成的：

第一步，确定元素1在指示向量中的位置值；

第二步，用位置值除以可选用户对集合中元素的个数，得到商和余数c；

第三步，根据余数c，找到用户配对矩阵的第c列，由用户配对矩阵的第c列中1元素的位置信息，得到最优的用户配对结果，其中，c在[1,G]中取值，G表示可选用户对集合中元素的个数；

第四步，对商做向上取整操作，得到v，找到资源分配矩阵的第v列，由资源分配矩阵的第v列中元素1的位置信息，得到最优的资源分配结果，其中，v在[1,A]中取值，A表示可选资源块分配集合中的元素个数。