CN110365379B - 一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法 - Google Patents

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CN110365379B CN201910665017.1A CN201910665017A CN110365379B CN 110365379 B CN110365379 B CN 110365379B CN 201910665017 A CN201910665017 A CN 201910665017A CN 110365379 B CN110365379 B CN 110365379B
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Abstract

本发明公开了一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，包括以下步骤：S1：基站通过上行链路专用物理控制信道获取各用户特征方向上的特征模式能量耦合矩阵；S2：基站利用特征模式能量耦合矩阵，通过层次聚类的方法进行用户分组；S3：基站利用特征模式能量耦合矩阵，进行各种用户、码道和波束组合下的和速率计算；S4：采用贪婪算法实现最大化和速率准则下的用户调度，获取各个码道的通信用户集合、每个码道内的用户波束配对组合。本发明极大地降低大规模天线系统下用户调度的复杂度，利用大规模MIMO技术的优势，设计联合码分和波束分多址系统，具有较好的适用性和鲁棒性。

Description

一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法
技术领域
本发明涉及一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法。
背景技术
大规模多输入多输出(MIMO)是一种在基站侧部署大规模天线阵列的新兴技术。作为提高无线通信系统容量与可靠性的手段，这种技术得到了广泛的研究与关注，已被纳入许多无线通信标准中，并被视为未来无线通信的潜在演进方向之一。
然而，上述优势是以基站侧信道状态信息(CSI)获取的开销为代价来实现的。在频分双工(FDD)系统中，传统方案需要通过下行链路导频训练与发送端状态信息反馈两步来实现，其开销随着基站侧天线的数量线性地增加，因此不再适合大规模MIMO系统。在时分双工(TDD)系统中，由于可以利用信道互易性，基站侧可以通过上行导频训练获得下行链路的信道信息，导频开销与用户天线的总数成正比。此外，随着用户移动性的增加，发送导频所花费的时间可能超过信道的相干时间，导致没有足够时间传输数据。相比于瞬时信道状态信息，统计信道状态信息在更长的时间尺度上变化，所以利用统计信道状态信息的方法成为解决瞬时信道参数获取困难的合理选择。
此外，目前大规模MIMO带来的优势很少用于为码分多址系统提供增益。作为第三代移动通信系统的关键技术标准，码分多址系统在当今无线通信标准和市场中占有主导地位。但是，现有技术中的码分多址系统的码分多址方法往往具有较高的用户调度复杂度。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，能够解决现有技术中存在的“用户调度复杂度高”的技术问题。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，包括以下步骤：
S1：基站通过上行链路专用物理控制信道获取各用户特征方向上的特征模式能量耦合矩阵；
S2：基站利用特征模式能量耦合矩阵，通过层次聚类的方法进行用户分组；
S3：基站利用特征模式能量耦合矩阵，进行各种用户、码道和波束组合下的和速率计算；
S4：采用贪婪算法实现最大化和速率准则下的用户调度，获取各个码道的通信用户集合、每个码道内的用户波束配对组合。
进一步，所述步骤S1中的特征模式能量耦合矩阵通过式(1)得到：
Figure GDA0003165785640000021
式(1)中，
Figure GDA0003165785640000022
为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，
Figure GDA0003165785640000023
和
Figure GDA0003165785640000024
均表示
Figure GDA0003165785640000025
的第m个元素，M为基站天线数，Nslot＝15为一个帧内的时隙数目，
Figure GDA0003165785640000026
为第j个时隙、第m个符号、第k个用户在第p条路径上波束域信道系数的估计值，τk,m,p为第k个用户、第m个符号在第p条路径上的时延，Tchip为码片周期，L为信道冲激响应长度，(·)*表示共轭。
进一步，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S2.1：
Figure GDA0003165785640000027
K为用户数，计算所有用户对之间特征模式能量耦合矩阵的重合度θ(Ωk,Ωl)：
Figure GDA0003165785640000028
式(2)中，Ωk为第k个用户的特征模式能量耦合矩阵，
Figure GDA0003165785640000029
为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，M为基站天线数，Ωl为第l个用户的特征模式能量耦合矩阵，
Figure GDA00031657856400000210
为第l个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，L为信道冲激响应长度，
Figure GDA00031657856400000211
为
Figure GDA00031657856400000212
与
Figure GDA00031657856400000213
的内积，
Figure GDA00031657856400000214
为
Figure GDA00031657856400000215
的l2范数，
Figure GDA00031657856400000216
为
Figure GDA00031657856400000217
的l2范数；
S2.2：初始化：设置循环步骤ic＝0，将各用户划入不同的用户集合
Figure GDA00031657856400000218
初始集合数N＝K，K为用户数，
Figure GDA00031657856400000219
表示第ic＝0次循环得到的第k1个用户集合，1≤k1≤K；
S2.3：
Figure GDA00031657856400000220
使用平均连接的准则计算各用户集合之间的距离
Figure GDA00031657856400000221
Figure GDA00031657856400000222
式(3)中，
Figure GDA00031657856400000223
为第ic次循环得到的第a个用户集合，
Figure GDA00031657856400000224
为
Figure GDA00031657856400000225
的势，
Figure GDA00031657856400000226
为第ic次循环得到的第b个用户集合，
Figure GDA0003165785640000031
为
Figure GDA0003165785640000032
的势；
S2.4：通过式(4)寻找距离最近的两个用户集合：
Figure GDA0003165785640000033
式(4)中，a*为距离最近的两个用户集合中的一个用户集合所对应的编号，b*为距离最近的两个用户集合中的另一个用户集合所对应的编号，
Figure GDA0003165785640000034
为
Figure GDA0003165785640000035
与
Figure GDA0003165785640000036
之间的距离；
然后通过
Figure GDA0003165785640000037
将
Figure GDA0003165785640000038
和
Figure GDA0003165785640000039
归为一个集合，
Figure GDA00031657856400000310
为第ic+1次循环得到的第a个用户集合；
Figure GDA00031657856400000311
为第ic次循环得到的第a*个用户集合，也即为距离最近的两个用户集合中的一个用户集合；
Figure GDA00031657856400000312
为第ic次循环得到的第b*个用户集合，也即为距离最近的两个用户集合中的另一个用户集合；
S2.5：设置集合数N＝N-1，若
Figure GDA00031657856400000313
Nc为码道个数，则令ic＝ic+1，返回步骤S2.3；否则转至步骤S2.6；
S2.6：终止聚类，返回用户集合
Figure GDA00031657856400000314
其中，
Figure GDA00031657856400000315
为第ic次循环得到的第k2个用户集合，1≤k2≤N。
进一步，所述步骤S3中的和速率通过式(5)计算得到：
Figure GDA00031657856400000316
式(5)中，
Figure GDA00031657856400000317
为和速率，
Figure GDA00031657856400000318
为共用第nc个码道的用户集合；b1,...,bK为各用户的通信波束，其中
Figure GDA00031657856400000319
为第k3个用户的通信波束，1≤k3≤K，K为用户数；
Figure GDA00031657856400000320
为第nc个码道上用户的功率，P为基站侧总功率，Nc为码道个数，G为扩频系数，
Figure GDA00031657856400000321
为
Figure GDA00031657856400000322
的第bk个元素，
Figure GDA00031657856400000323
为
Figure GDA00031657856400000324
的第bl个元素，l为除第k个用户外共用第nc个码道的其他用户，Ωk为第k个用户的特征模式能量耦合矩阵，
Figure GDA0003165785640000041
为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，M为基站天线数，
Figure GDA0003165785640000042
为第k个用户在第j个时延上的特征模式能量耦合矩阵，
Figure GDA0003165785640000043
Figure GDA0003165785640000044
Figure GDA0003165785640000045
Figure GDA0003165785640000046
Figure GDA0003165785640000047
为
Figure GDA0003165785640000048
的共轭，
Figure GDA0003165785640000049
为数学期望，
Figure GDA00031657856400000410
为
Figure GDA00031657856400000411
的共轭，
Figure GDA00031657856400000412
为信道化码序列
Figure GDA00031657856400000413
的第j位，0≤j≤G-1，
Figure GDA00031657856400000414
为信道化码序列
Figure GDA00031657856400000415
的第j′位，0≤j′≤G-1，
Figure GDA00031657856400000416
为第k个用户在第nc个码道上的波束域权值矢量
Figure GDA00031657856400000417
的共轭转置，
Figure GDA00031657856400000418
为第k个用户在第i-j′-1个时延上的波束域信道冲激响应，
Figure GDA00031657856400000419
为第k个用户在第i-j-1个时延上的波束域信道冲激响应，
Figure GDA00031657856400000420
为第l个用户在第nc个码道上的波束域权值矢量，
Figure GDA00031657856400000421
Figure GDA00031657856400000422
为信道化码序列
Figure GDA00031657856400000423
的第j′位，n′c为第n′c个码道，
Figure GDA00031657856400000424
为
Figure GDA00031657856400000425
的共轭，
Figure GDA00031657856400000426
为
Figure GDA00031657856400000427
的共轭转置，
Figure GDA00031657856400000428
为
Figure GDA00031657856400000429
的共轭转置，Rk,n为噪声的协方差矩阵，
Figure GDA00031657856400000430
为第k个用户的卷积信道矩阵；
Figure GDA00031657856400000431
Figure GDA00031657856400000432
为信道化码序列
Figure GDA00031657856400000433
的扩展，
Figure GDA00031657856400000434
表示从集合
Figure GDA00031657856400000435
中去除元素k，L为信道冲激响应长度。
进一步，所述步骤S4具体包括以下步骤：
S4.1：初始化用户和波束集合，初始每个码道的通信用户集合为
Figure GDA0003165785640000051
各码道剩余波束集合为
Figure GDA0003165785640000052
Figure GDA0003165785640000053
为第nc1个码道的通信用户集合，
Figure GDA0003165785640000054
Figure GDA0003165785640000055
为第nc2个码道的剩余波束集合，1≤nc2≤Nc，Nc为码道个数，M为基站天线数；
S4.2：初始化当前调度码道序号nc＝1；
S4.3：设置第nc个码道上的和速率
Figure GDA0003165785640000056
第nc个码道的可选用户组
Figure GDA0003165785640000057
为用户集合数，初始化搜索次数ig＝1；
S4.4：遍历所有的
Figure GDA0003165785640000058
对于第ng个用户组，通过式(7)逐一为每个用户
Figure GDA0003165785640000059
选择最优波束bk；
Figure GDA00031657856400000510
为第ng个可选用户集合；
Figure GDA00031657856400000511
式(7)中，
Figure GDA00031657856400000512
为第nc个码道的剩余波束集合，m为第nc个码道的剩余波束波束序号；
并计算加入用户u后的速率
Figure GDA00031657856400000513
Figure GDA00031657856400000514
挑选使得第nc个码道和速率最大的用户
Figure GDA00031657856400000515
Figure GDA00031657856400000516
S4.5：选择使得第nc个码道和速率
Figure GDA00031657856400000517
最大的用户组n′g：
Figure GDA00031657856400000518
S4.6：若第n′g个用户组中第
Figure GDA00031657856400000519
个用户加入后和速率增加，即
Figure GDA0003165785640000061
则选择该用户，更新可选用户组
Figure GDA0003165785640000062
第nc个码道的通信用户集合
Figure GDA0003165785640000068
第n′g个用户组的可选用户集合
Figure GDA0003165785640000063
第nc个码道的空闲波束集合
Figure GDA0003165785640000064
以及第nc个码道的和速率
Figure GDA0003165785640000065
返回步骤S4.4进行循环；否则设置nc＝nc+1，转至步骤S4.2；
S4.7：终止调度，返回每个码道选择的用户集合
Figure GDA0003165785640000066
各用户的通信波束b1,...,bK。
有益效果：本发明公开了一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，通过上行探测信号获取统计信道信息，采用和速率最大化准则进行用户调度。在基站仅有统计信道信息的情况下，通过用户分组，极大地降低大规模天线系统下用户调度的复杂度，利用大规模MIMO技术的优势，设计联合码分和波束分多址系统，具有较好的适用性和鲁棒性。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式中发送信号处理的架构图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：基站通过上行链路专用物理控制信道获取各用户特征方向上的特征模式能量耦合矩阵；
S2：基站利用特征模式能量耦合矩阵，通过层次聚类的方法进行用户分组；
S3：基站利用特征模式能量耦合矩阵，进行各种用户、码道和波束组合下的和速率计算；
S4：采用贪婪算法实现最大化和速率准则下的用户调度，获取各个码道的通信用户集合、每个码道内的用户波束配对组合。
步骤S1中的特征模式能量耦合矩阵通过式(1)得到：
Figure GDA0003165785640000067
式(1)中，
Figure GDA0003165785640000071
为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，
Figure GDA0003165785640000072
和
Figure GDA0003165785640000073
均表示
Figure GDA0003165785640000074
的第m个元素，M为基站天线数，Nslot＝15为一个帧内的时隙数目，
Figure GDA0003165785640000075
为第j个时隙、第m个符号、第k个用户在第p条路径上波束域信道系数的估计值，τk,m,p为第k个用户、第m个符号在第p条路径上的时延，Tchip为码片周期，L为信道冲激响应长度，(·)*表示共轭。
步骤S2具体包括以下步骤：
S2.1：
Figure GDA0003165785640000076
K为用户数，计算所有用户对之间特征模式能量耦合矩阵的重合度θ(Ωk,Ωl)：
Figure GDA0003165785640000077
式(2)中，Ωk为第k个用户的特征模式能量耦合矩阵，
Figure GDA0003165785640000078
为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，M为基站天线数，Ωl为第l个用户的特征模式能量耦合矩阵，
Figure GDA0003165785640000079
为第l个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，L为信道冲激响应长度，
Figure GDA00031657856400000710
为
Figure GDA00031657856400000711
与
Figure GDA00031657856400000712
的内积，
Figure GDA00031657856400000713
为
Figure GDA00031657856400000714
的l2范数，
Figure GDA00031657856400000715
为
Figure GDA00031657856400000716
的l2范数；
S2.2：初始化：设置循环步骤ic＝0，将各用户划入不同的用户集合
Figure GDA00031657856400000717
初始集合数N＝K，K为用户数，
Figure GDA00031657856400000718
表示第k1个用户集合的第ic＝0次循环，1≤k1≤K；
S2.3：
Figure GDA00031657856400000719
使用平均连接的准则计算各用户集合之间的距离
Figure GDA00031657856400000720
Figure GDA00031657856400000721
式(3)中，
Figure GDA00031657856400000722
为第ic次循环得到的第a个用户集合，
Figure GDA00031657856400000723
为
Figure GDA00031657856400000724
的势，
Figure GDA00031657856400000725
为第ic次循环得到的第b个用户集合，
Figure GDA00031657856400000726
为
Figure GDA00031657856400000727
的势；
S2.4：通过式(4)寻找距离最近的两个用户集合：
Figure GDA00031657856400000728
式(4)中，a*为距离最近的两个用户集合中的一个用户集合所对应的编号，b*为距离最近的两个用户集合中的另一个用户集合所对应的编号，
Figure GDA0003165785640000081
为
Figure GDA0003165785640000082
与
Figure GDA0003165785640000083
之间的距离；
然后通过
Figure GDA0003165785640000084
将
Figure GDA0003165785640000085
和
Figure GDA0003165785640000086
归为一个集合，
Figure GDA00031657856400000823
为第a个用户集合的第ic+1次循环；
Figure GDA0003165785640000087
为第ic次循环得到的第a*个用户集合，也即为距离最近的两个用户集合中的一个用户集合；
Figure GDA0003165785640000088
为第ic次循环得到的第b*个用户集合，也即为距离最近的两个用户集合中的另一个用户集合；
S2.5：设置集合数N＝N-1，若
Figure GDA0003165785640000089
Nc为码道个数，则令ic＝ic+1，返回步骤S2.3；否则转至步骤S2.6；
S2.6：终止聚类，返回用户集合
Figure GDA00031657856400000810
其中，
Figure GDA00031657856400000811
为第ic次循环得到的第k2个用户集合，1≤k2≤N。
将发送信号按照如图2所示的过程传输，则步骤S3中的和速率通过式(5)计算得到：
Figure GDA00031657856400000812
式(5)中，
Figure GDA00031657856400000813
为和速率，
Figure GDA00031657856400000814
为共用第nc个码道的用户集合；b1,...,bK为各用户的通信波束，其中bk3为第k3个用户的通信波束，1≤k3≤K，K为用户数；
Figure GDA00031657856400000815
为第nc个码道上用户的功率，P为基站侧总功率，Nc为码道个数，G为扩频系数，
Figure GDA00031657856400000816
为
Figure GDA00031657856400000817
的第bk个元素，
Figure GDA00031657856400000818
为
Figure GDA00031657856400000819
的第bl个元素，l为除第k个用户外共用第nc个码道的其他用户，Ωk为第k个用户的特征模式能量耦合矩阵，
Figure GDA00031657856400000820
为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，M为基站天线数，
Figure GDA00031657856400000821
为第k个用户在第j个时延上的特征模式能量耦合矩阵，
Figure GDA00031657856400000822
Figure GDA0003165785640000091
Figure GDA0003165785640000092
Figure GDA0003165785640000093
Figure GDA0003165785640000094
为
Figure GDA0003165785640000095
的共轭，
Figure GDA0003165785640000096
为数学期望，
Figure GDA0003165785640000097
Figure GDA0003165785640000098
为
Figure GDA0003165785640000099
的共轭，
Figure GDA00031657856400000910
为信道化码序列
Figure GDA00031657856400000911
的第j位，0≤j≤G-1，
Figure GDA00031657856400000912
为信道化码序列
Figure GDA00031657856400000913
的第j′位，0≤j′≤G-1，
Figure GDA00031657856400000914
为第k个用户在第nc个码道上的波束域权值矢量
Figure GDA00031657856400000915
的共轭转置，
Figure GDA00031657856400000916
为第k个用户在第i-j′-1个时延上的波束域信道冲激响应，
Figure GDA00031657856400000917
为第k个用户在第i-j-1个时延上的波束域信道冲激响应，
Figure GDA00031657856400000918
为第l个用户在第nc个码道上的波束域权值矢量，
Figure GDA00031657856400000919
Figure GDA00031657856400000920
为信道化码序列
Figure GDA00031657856400000921
的第j′位，n′c为第n′c个码道，
Figure GDA00031657856400000922
为
Figure GDA00031657856400000923
的共轭，
Figure GDA00031657856400000924
为
Figure GDA00031657856400000925
的共轭转置，
Figure GDA00031657856400000926
为
Figure GDA00031657856400000927
的共轭转置，Rk,n为噪声的协方差矩阵，
Figure GDA00031657856400000928
为第k个用户的卷积信道矩阵；
Figure GDA00031657856400000929
Figure GDA00031657856400000930
为信道化码序列
Figure GDA00031657856400000931
的扩展，
Figure GDA00031657856400000932
表示从集合
Figure GDA00031657856400000933
中去除元素k，L为信道冲激响应长度。
步骤S4具体包括以下步骤：
S4.1：初始化用户和波束集合，初始每个码道的通信用户集合为
Figure GDA00031657856400000934
各码道剩余波束集合为
Figure GDA00031657856400000935
Figure GDA00031657856400000936
为第
Figure GDA00031657856400000937
个码道的通信用户集合，
Figure GDA00031657856400000939
Figure GDA00031657856400000938
为第
Figure GDA00031657856400000940
个码道的剩余波束集合，
Figure GDA00031657856400001018
Nc为码道个数，M为基站天线数；
S4.2：初始化当前调度码道序号nc＝1；
S4.3：设置第nc个码道上的和速率
Figure GDA0003165785640000101
第nc个码道的可选用户组
Figure GDA0003165785640000102
为用户集合数，初始化搜索次数ig＝1；
S4.4：遍历所有的
Figure GDA0003165785640000103
对于第ng个用户组，通过式(7)逐一为每个用户
Figure GDA0003165785640000104
选择最优波束bk；
Figure GDA0003165785640000105
为第ng个可选用户集合；
Figure GDA0003165785640000106
式(7)中，
Figure GDA0003165785640000107
为第nc个码道的剩余波束集合，m为第nc个码道的剩余波束波束序号；
并计算加入用户u后的速率
Figure GDA0003165785640000108
Figure GDA0003165785640000109
挑选使得第nc个码道和速率最大的用户
Figure GDA00031657856400001010
Figure GDA00031657856400001011
S4.5：选择使得第nc个码道和速率
Figure GDA00031657856400001012
最大的用户组n′g：
Figure GDA00031657856400001013
S4.6：若第n′g个用户组中第
Figure GDA00031657856400001014
个用户加入后和速率增加，即
Figure GDA00031657856400001015
则选择该用户，更新可选用户组
Figure GDA00031657856400001016
第nc个码道的通信用户集合
Figure GDA00031657856400001017
第n′g个用户组的可选用户集合
Figure GDA0003165785640000111
第nc个码道的空闲波束集合
Figure GDA0003165785640000112
以及第nc个码道的和速率
Figure GDA0003165785640000113
返回步骤S4.4进行循环；否则设置nc＝nc+1，转至步骤S4.2；
S4.7：终止调度，返回每个码道选择的用户集合
Figure GDA0003165785640000114
各用户的通信波束b1,...,bK。

Claims (3)

1.一种大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：基站通过上行链路专用物理控制信道获取各用户特征方向上的特征模式能量耦合矩阵；所述特征模式能量耦合矩阵通过式(1)得到：
Figure FDA0003165785630000011
式(1)中，
Figure FDA0003165785630000012
为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，
Figure FDA0003165785630000013
和
Figure FDA0003165785630000014
均表示
Figure FDA0003165785630000015
的第m个元素，M为基站天线数，Nslot＝15为一个帧内的时隙数目，
Figure FDA0003165785630000016
为第j个时隙、第m个符号、第k个用户在第p条路径上波束域信道系数的估计值，τk,m,p为第k个用户、第m个符号在第p条路径上的时延，Tchip为码片周期，L为信道冲激响应长度，(·)*表示共轭；
S2：基站利用特征模式能量耦合矩阵，通过层次聚类的方法进行用户分组；
S3：基站利用特征模式能量耦合矩阵，进行各种用户、码道和波束组合下的和速率计算；所述和速率通过式(5)计算得到：
Figure FDA0003165785630000017
式(5)中，
Figure FDA0003165785630000018
为和速率，
Figure FDA0003165785630000019
为共用第nc个码道的用户集合；b1,…,bK为各用户的通信波束，其中
Figure FDA00031657856300000110
为第k3个用户的通信波束，1≤k3≤K，K为用户数；
Figure FDA00031657856300000111
为第nc个码道上用户的功率，P为基站侧总功率，Nc为码道个数，G为扩频系数，
Figure FDA00031657856300000112
为
Figure FDA00031657856300000113
的第bk个元素，
Figure FDA00031657856300000114
为
Figure FDA00031657856300000115
的第bl个元素，l为除第k个用户外共用第nc个码道的其他用户，Ωk为第k个用户的特征模式能量耦合矩阵，
Figure FDA00031657856300000116
为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，M为基站天线数，
Figure FDA00031657856300000117
为第k个用户在第j个时延上的特征模式能量耦合矩阵，
Figure FDA0003165785630000021
Figure FDA0003165785630000022
Figure FDA0003165785630000023
Figure FDA0003165785630000024
为
Figure FDA0003165785630000025
的共轭，
Figure FDA0003165785630000026
为数学期望，
Figure FDA0003165785630000027
Figure FDA00031657856300000233
为
Figure FDA0003165785630000028
的共轭，
Figure FDA0003165785630000029
为信道化码序列
Figure FDA00031657856300000210
的第j位，0≤j≤G-1，
Figure FDA00031657856300000211
为信道化码序列
Figure FDA00031657856300000212
的第j′位，0≤j′≤G-1，
Figure FDA00031657856300000213
为第k个用户在第nc个码道上的波束域权值矢量
Figure FDA00031657856300000214
的共轭转置，
Figure FDA00031657856300000215
为第k个用户在第i-j′-1个时延上的波束域信道冲激响应，
Figure FDA00031657856300000216
为第k个用户在第i-j-1个时延上的波束域信道冲激响应，
Figure FDA00031657856300000217
为第l个用户在第nc 个码道上的波束域权值矢量，
Figure FDA00031657856300000218
Figure FDA00031657856300000219
为信道化码序列
Figure FDA00031657856300000220
的第j′位，n′c为第n′c个码道，
Figure FDA00031657856300000221
为
Figure FDA00031657856300000222
的共轭，
Figure FDA00031657856300000223
为
Figure FDA00031657856300000224
的共轭转置，
Figure FDA00031657856300000225
为
Figure FDA00031657856300000226
的共轭转置，Rk,n为噪声的协方差矩阵，
Figure FDA00031657856300000227
为第k个用户的卷积信道矩阵；
Figure FDA00031657856300000228
Figure FDA00031657856300000229
为信道化码序列
Figure FDA00031657856300000230
的扩展，
Figure FDA00031657856300000231
表示从集合
Figure FDA00031657856300000232
中去除元素k，L为信道冲激响应长度；
S4：采用贪婪算法实现最大化和速率准则下的用户调度，获取各个码道的通信用户集合、每个码道内的用户波束配对组合。
2.根据权利要求1所述的大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：
S2.1：
Figure FDA0003165785630000031
K为用户数，计算所有用户对之间特征模式能量耦合矩阵的重合度θ(Ωk,Ωl)：
Figure FDA0003165785630000032
式(2)中，Ωk为第k个用户的特征模式能量耦合矩阵，
Figure FDA0003165785630000033
为第k个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，M为基站天线数，Ωl为第l个用户的特征模式能量耦合矩阵，
Figure FDA0003165785630000034
为第l个用户在第i个时延上的特征模式能量耦合矩阵，L为信道冲激响应长度，
Figure FDA0003165785630000035
为
Figure FDA0003165785630000036
与
Figure FDA0003165785630000037
的内积，
Figure FDA0003165785630000038
为
Figure FDA0003165785630000039
的
Figure FDA00031657856300000333
范数，
Figure FDA00031657856300000310
为
Figure FDA00031657856300000311
的
Figure FDA00031657856300000334
范数；
S2.2：初始化：设置循环步骤ic＝0，将各用户划入不同的用户集合
Figure FDA00031657856300000312
初始集合数N＝K，K为用户数，
Figure FDA00031657856300000313
表示第ic＝0次循环得到的第k1个用户集合，1≤k1≤K；
S2.3：
Figure FDA00031657856300000314
使用平均连接的准则计算各用户集合之间的距离
Figure FDA00031657856300000315
Figure FDA00031657856300000316
式(3)中，
Figure FDA00031657856300000317
为第ic次循环得到的第a个用户集合，
Figure FDA00031657856300000318
为
Figure FDA00031657856300000319
的势，
Figure FDA00031657856300000320
为第ic次循环得到的第b个用户集合，
Figure FDA00031657856300000321
为
Figure FDA00031657856300000322
的势；
S2.4：通过式(4)寻找距离最近的两个用户集合：
Figure FDA00031657856300000323
式(4)中，a*为距离最近的两个用户集合中的一个用户集合所对应的编号，b*为距离最近的两个用户集合中的另一个用户集合所对应的编号，
Figure FDA00031657856300000324
为
Figure FDA00031657856300000325
与
Figure FDA00031657856300000326
之间的距离；
然后通过
Figure FDA00031657856300000327
将
Figure FDA00031657856300000328
和
Figure FDA00031657856300000329
归为一个集合，
Figure FDA00031657856300000330
为第ic+1次循环得到的第a个用户集合；
Figure FDA00031657856300000331
为第ic次循环得到的第a*个用户集合，也即为距离最近的两个用户集合中的一个用户集合；
Figure FDA00031657856300000332
为第ic次循环得到的第b*个用户集合，也即为距离最近的两个用户集合中的另一个用户集合；
S2.5：设置集合数N＝N-1，若
Figure FDA0003165785630000041
Nc为码道个数，则令ic＝ic+1，返回步骤S2.3；否则转至步骤S2.6；
S2.6：终止聚类，返回用户集合
Figure FDA0003165785630000042
其中，
Figure FDA0003165785630000043
为第ic次循环得到的第k2个用户集合，1≤k2≤N。
3.根据权利要求1所述的大规模天线系统联合码分和波束分多址方法，其特征在于：所述步骤S4具体包括以下步骤：
S4.1：初始化用户和波束集合，初始每个码道的通信用户集合为
Figure FDA0003165785630000044
各码道剩余波束集合为
Figure FDA0003165785630000045
为第
Figure FDA0003165785630000046
个码道的通信用户集合，
Figure FDA0003165785630000047
为第
Figure FDA0003165785630000048
个码道的剩余波束集合，
Figure FDA0003165785630000049
Nc为码道个数，M为基站天线数；
S4.2：初始化当前调度码道序号nc＝1；
S4.3：设置第nc个码道上的和速率
Figure FDA00031657856300000410
第nc个码道的可选用户组
Figure FDA00031657856300000411
为用户集合数，初始化搜索次数ig＝1；
S4.4：遍历所有的
Figure FDA00031657856300000412
对于第ng个用户组，通过式(7)逐一为每个用户
Figure FDA00031657856300000413
选择最优波束bk；
Figure FDA00031657856300000414
为第ng个可选用户集合；
Figure FDA00031657856300000415
式(7)中，
Figure FDA00031657856300000416
为第nc个码道的剩余波束集合，m为第nc个码道的剩余波束波束序号；
并计算加入用户u后的速率
Figure FDA00031657856300000417
Figure FDA0003165785630000051
挑选使得第nc个码道和速率最大的用户
Figure FDA0003165785630000052
Figure FDA0003165785630000053
S4.5：选择使得第nc个码道和速率
Figure FDA0003165785630000054
最大的用户组n′g：
Figure FDA0003165785630000055
S4.6：若第n′g个用户组中第
Figure FDA0003165785630000056
个用户加入后和速率增加，即
Figure FDA0003165785630000057
则选择该用户，更新可选用户组
Figure FDA0003165785630000058
第nc个码道的通信用户集合
Figure FDA0003165785630000059
第n′g个用户组的可选用户集合
Figure FDA00031657856300000510
第nc个码道的空闲波束集合
Figure FDA00031657856300000511
以及第nc个码道的和速率
Figure FDA00031657856300000512
返回步骤S4.4进行循环；否则设置nc＝nc+1，转至步骤S4.2；
S4.7：终止调度，返回每个码道选择的用户集合
Figure FDA00031657856300000513
各用户的通信波束b1,...,bK。
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