CN111836383B - 基于波束域信道的scma码本调度方法 - Google Patents

基于波束域信道的scma码本调度方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于波束域信道的稀疏码多址接入码本调度方法。该方法中，基站根据为每个用户分配的资源块数，预生成一组适应不同接入用户数的SCMA码本，并考虑利用不同用户间波束域信道的相关性对用户进行分组，将波束域信道相关性强的用户分到同一组内，利用波束域信道的稀疏特性来为用户调度码本以减少组间用户的干扰。本发明解决了系统接入用户数远大于系统码字数时的码本调度问题，在较低的实现复杂度的前提下提升了系统性能。

Description

基于波束域信道的SCMA码本调度方法
技术领域
本发明属于通信领域，具体涉及一种在大规模MIMO系统下的基于波束域信道的稀疏码多址接入码本调度方法。
背景技术
近年来，随着移动互联网和物联网应用需求的持续发展，无线通信的速率需求和终端连接数需求呈现出井喷式增长。为满足未来无线通信系统的更高数据传输速率、更大系统容量以及更高频谱效率等发展需求，实现未来无线网络不同应用场景的需求，学术界和工业界对高效可实现的新兴技术展开了长期研究和探索，其中包括大规模多入多出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)技术和非正交多址(Non-orthogonal MultipleAccess,NOMA)等关键技术。
稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)是为不同用户分配不同的码字以在相同的时频资源上叠加传输信息，可以大幅提高无线通信系统容量的同时减少用户间的干扰。由于SCMA码本中码字数量由扩展矩阵的维度以及扩展矩阵的列重共同决定，所以一个系统中的码字数量有限。而随着系统接入用户数的增加，现有的SCMA码本无法支撑大规模的用户接入。因接入用户数过大造成的码字复用会带来严重的用户间干扰。因此，在大规模MIMO系统中，设计相应的码本调度算法以减少用户间干扰显得尤为重要。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于波束域信道的SCMA码本调度方法，利用不同用户间的波束域信道相关性来进行用户分组以减少组间干扰，实现更好的系统性能。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
基于波束域信道的SCMA码本调度方法，包括以下步骤：
(1)基站根据为每个用户分配的资源块数，预生成一组适应不同接入用户数的SCMA码本；
(2)通信过程中基站通过接入用户数，根据不同用户间的波束域信道相关性对用户进行分组；其中，用户分组按照用户间的波束域信道相关性最大准则，将相关性大的用户分为一组，同一组内用户分配码本中的不同码字；
(3)在接入用户移动过程中，基站与各用户的统计信道信息发生改变，基站间歇性获取统计信道信息，动态更新码本调度结果。
所述步骤(1)中码本的扩展矩阵生成部分可表示为以下优化问题：
Figure BDA0002497746420000021
Figure BDA0002497746420000022
其中，Mlj为映射矩阵M的第l行、第j列元素，且M＝(m1,m2,...,mJ)，
Figure BDA0002497746420000023
Vj为用户j的扩展矩阵，维度为L×J，λ为惩罚系数，d为表示最小差异的参数，L表示单个用户占用的资源块数，J为接入用户数，且
Figure BDA0002497746420000024
N为扩展矩阵中的非零元素数，
Figure BDA0002497746420000025
表示从L个不同元素中取N个元素的组合运算。
所述步骤(2)中用户分组问题可以表示为以下优化问题：
Figure BDA0002497746420000026
Figure BDA0002497746420000027
其中，
Figure BDA0002497746420000028
表示未分配码字的用户索引集合，
Figure BDA0002497746420000029
表示码字索引集合，
Figure BDA00024977464200000210
表示未被分配的码字索引集合，
Figure BDA00024977464200000211
表示用户l和用户mg之间的波束域信道相关性，Rl表示用户l对应的波束域信道自相关矩阵，
Figure BDA00024977464200000212
表示用户mg对应的波束域信道自相关矩阵，mg表示使用码字g的用户。
进一步地，所述步骤(2)中不同用户间的波束域信道相关性表示如下：
Figure BDA00024977464200000213
其中，tr{·}为求矩阵的迹运算，||·||F为求F范数运算。用户i对应的波束域信道自相关矩阵Ri可以表示为：
Figure BDA0002497746420000031
其中，
Figure BDA0002497746420000032
为期望运算，NCarr和NSample分别表示载波数和采样数，
Figure BDA0002497746420000033
表示用户i的第n个载波所对应的波束域信道矩阵，
Figure BDA0002497746420000034
表示用户i的第n个载波、第s个采样的波束域信道矢量，M表示基站侧的均匀天线阵列数量。
进一步地，所述步骤(2)中波束域信道矩阵可以通过空间频率域信道做逆傅里叶变换得到：
Figure BDA0002497746420000035
其中，
Figure BDA0002497746420000036
表示用户k的第s个采样的波束域信道响应矩阵，相应的
Figure BDA0002497746420000037
表示用户k的第s个采样的空间频率信道矩阵，F表示维度为M×M的DFT矩阵。
进一步地，所述步骤(2)中采用的码本调度算法步骤包括：
(2.1)根据输入的用户索引集合
Figure BDA0002497746420000038
初始化未分配码字的用户索引集合
Figure BDA0002497746420000039
并生成空的码字与用户的映射集合
Figure BDA00024977464200000310
(2.2)令未被使用的码字索引集合为
Figure BDA00024977464200000311
且令第一个组内用户的索引为
Figure BDA00024977464200000312
随后将用户m1移出未分配码字的用户索引集合
Figure BDA00024977464200000313
将用户m1加入使用了码本中第1个码字的码字与用户的映射集合
Figure BDA00024977464200000314
并将第1个码字移出未被使用的码字索引集合
Figure BDA00024977464200000315
(2.3)将码字t分配给用户mt，mt通过遍历下列目标得到
Figure BDA00024977464200000316
将用户mt移出未分配码字的用户索引集合
Figure BDA00024977464200000317
将用户mt加入使用了码字t的码字与用户的映射集合
Figure BDA00024977464200000318
并将码字t移出未被使用的码字索引集合
Figure BDA00024977464200000319
(2.4)若
Figure BDA0002497746420000041
则返回步骤(2.3)，直到
Figure BDA0002497746420000042
若
Figure BDA0002497746420000043
且
Figure BDA0002497746420000044
则令
Figure BDA0002497746420000045
并返回步骤(2.2)，直到
Figure BDA0002497746420000046
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.基站侧可根据接入用户数来动态生成SCMA码本，在接入用户数过大时以终端接收机的计算复杂度增加为代价，提高系统容量，增强系统性能。
2.基站侧利用信道估计得到的波束域统计信道信息来进行码本调度，可行性强，且复杂度较低。
3.系统在发送端利用信道的空间特性减少了用户间干扰，简化了接收端的多用户信号检测设计。
4.基站侧利用基于波束域信道的SCMA码本调度方法，在减少了用户间干扰的同时还提升了系统容量，且逼近无码本复用时的系统性能，即在保证系统传输无误的同时提升了系统容量。
附图说明
图1为基于波束域信道的SCMA码本调度方法流程图。
图2为基于波束域信道的SCMA码本调度结果示意图。
图3为基于波束域信道的SCMA码本调度算法流程图。
图4为基于波束域信道的SCMA码本调度方法和基于频率域信道的SCMA码本调度方法的性能对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图和具体实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1所示，本发明实施例公开的基于波束域信道的SCMA码本调度方法，主要包括以下步骤：
(1)基站根据为每个用户分配的资源块数，预生成一组适应不同接入用户数的SCMA码本；当SCMA码本确定时，不同组用户使用的SCMA码本也随之确定。当基站侧配置大规模均匀线阵，天线单元间距为半个波长的量级时，将频域信道转化为波束域信道的酉变换矩阵为离散傅里叶变换矩阵，并且不随着用户位置及信道状态而改变。基站利用该离散傅里叶变换矩阵与信道估计的结果得到波束域统计信道信息。
(2)通信过程中基站通过接入用户数，根据不同用户间的波束域信道相关性对用户进行分组；其中，用户分组按照用户间的波束域信道相关性最大准则，将波束域信道相关性大的用户分到同一组内，利用波束域信道的稀疏特性来为用户调度码本以减少组间用户的干扰。对于同一组内的用户，为其分配码本中的不同码字，利用码字的稀疏特性来减少组内用户的干扰。
(3)在接入用户移动过程中，基站与各用户的统计信道信息发生改变，基站间歇性获取统计信道信息，动态更新码本调度结果。
下面以图2所示场景为例来详细介绍码本调度过程。考虑单小区大规模MIMO上行传输模型，小区中基站配置M根发射天线的大规模均匀线阵，天线间隔为半波长。小区中有J个单天线用户，且每个用户的消息在L个子载波上传输，其中非零元素占N个子载波，则系统中最多有
Figure BDA0002497746420000051
个互不相同的码字，
Figure BDA0002497746420000052
表示从L个不同元素中取N个元素的组合运算。相应的，基站第m根接收天线接收到的信号可以表示为：
Figure BDA0002497746420000053
其中，
Figure BDA0002497746420000054
是天线m的接收信号矢量，
Figure BDA0002497746420000055
是用户j和天线m之间的信道系数矢量，xj是用户j的发送信号矢量，Vj是用户j的扩展矩阵，sj是用户j的映射后的N维复数星座点，wm是加性高斯噪声矢量。
由于SCMA码字具有稀疏特性，不同用户的发送信号只会在部分资源块上重叠，用户j在资源块上承载消息的位置由扩展矩阵Vj决定，定义位置标识向量
Figure BDA0002497746420000056
来表示不同用户在资源块上承载消息的位置。所有用户的SCMA结构可以用映射矩阵M表示为M＝[m1,m2,...,mJ]。
进一步地，在SCMA码本预生成环节码本的扩展矩阵设计可表示为以下优化问题：
Figure BDA0002497746420000061
Figure BDA0002497746420000062
其中，上述优化问题的优化目标由惩罚系数λ进行调整的两部分组成；第一部分为矩阵行的最大和，由
Figure BDA0002497746420000063
表示；第二部分为任意两个扩展矩阵之间的最小差异d。约束条件分别为每个用户的映射矢量中非零元素数为N和任意两个映射矢量之间的差异都大于最小差异d。为求解上述优化问题，可以利用贪婪算法求解。
进一步地，将设计的扩展矩阵与传统的星座图部分结合即可得到系统需要的SCMA码本。
进一步地，对信道估计得到地空间频率域信道矩阵做逆傅里叶变换得到波束域信道响应矩阵，波束域信道响应矩阵可以表示为：
Figure BDA0002497746420000064
其中，
Figure BDA0002497746420000065
表示用户i的第s个采样的波束域信道响应矩阵，相应的
Figure BDA0002497746420000066
表示用户i的第s个采样的空间频率信道矩阵，F表示维度为M×M的DFT矩阵，M表示基站侧的均匀天线阵列数量，NCarr表示载波数。
进一步地，利用得到的波束域信道响应矩阵来对系统进行码本调度。首先利用两个任意Hermitian半正定矩阵之间的角度θ(0≤θ≤π/2)来定义它们之间的正交性：
Figure BDA0002497746420000067
其中，tr{·}为求矩阵的迹运算，||·||F为求F范数运算。显然，若θ(A,B)＝π/2，则表示A和B相互正交。相应的，假设用户i所对应的波束域信道自相关矩阵可以表示为：
Figure BDA0002497746420000068
其中，
Figure BDA0002497746420000071
为期望运算，NCarr和NSample分别表示载波数和采样数，
Figure BDA0002497746420000072
表示用户i的第n个载波所对应的波束域信道矩阵，
Figure BDA0002497746420000073
表示用户i的第n个载波、第s个采样的波束域信道矢量。所以可以用下式来表示用户i和用户j之间的波束域信道相关性：
Figure BDA0002497746420000074
根据上式，可以看出cosθ(Ri,Rj)的值越小，用户i和用户j之间的波束域信道互相关性越小。下面将利用用户间波束域信道的相关性对接入用户进行分组，尽可能得减小组间用户得干扰。
为了确保码本调度算法得良好性能，用户间得分组应尽可能满足以下条件：
(1)使用相同码字的用户间具有较小的波束域信道相关性，每组中的用户数不能超过系统码本中的码字数，以避免组内用户进行码字复用；
(2)每组用户组中的第一个用户必须是和其它组内的所有用户的平均信道相关性最小。
将用户索引集合表示为
Figure BDA0002497746420000075
其中
Figure BDA0002497746420000076
是用户的索引。同时假设两两不同的码字索引集合为
Figure BDA0002497746420000077
其中
Figure BDA0002497746420000078
是码字的索引。令
Figure BDA0002497746420000079
表示使用了码本中第π个码字的用户索引集合，πj表示用户j所使用的码字索引。
进一步地，可以得到码本调度的优化问题如下：
Figure BDA00024977464200000710
Figure BDA00024977464200000711
其中，mg表示使用码字g的用户。为了求解该优化问题，本发明实例利用贪婪算法来遍历求解。算法具体实施过程如下：
步骤1：根据输入的用户索引集合
Figure BDA00024977464200000712
初始化未分配码字的用户索引集合
Figure BDA00024977464200000713
并生成空的码字与用户的映射集合
Figure BDA00024977464200000714
步骤2：令未被使用的码字索引集合为
Figure BDA00024977464200000715
且令第一个组内用户的索引为
Figure BDA0002497746420000081
随后将用户m1移出未分配码字的用户索引集合
Figure BDA0002497746420000082
将用户m1加入使用了码本中第1个码字的码字与用户的映射集合
Figure BDA0002497746420000083
并将第1个码字移出未被使用的码字索引集合
Figure BDA0002497746420000084
步骤3：将码字t分配给用户mt，mt通过遍历下列目标得到
Figure BDA0002497746420000085
进一步地，将用户mt移出未分配码字的用户索引集合
Figure BDA0002497746420000086
将用户mt加入使用了码字t的码字与用户的映射集合
Figure BDA0002497746420000087
并将码字t移出未被使用的码字索引集合
Figure BDA0002497746420000088
步骤4：若
Figure BDA0002497746420000089
则返回步骤3，直到
Figure BDA00024977464200000810
若
Figure BDA00024977464200000811
且
Figure BDA00024977464200000812
则令
Figure BDA00024977464200000813
并返回步骤2，直到
Figure BDA00024977464200000814
具体算法流程如图3所示，伪代码如下。
Figure BDA00024977464200000815
经过上述码本调度算法的调度，各组用户都将呈现出图2所示的区域分布，即经过调度后可将相近区域的用户分到同一组上，使得采用相同码字的用户尽可能地处于不同区域内，良好的利用了空间特性。且图4给出了基于波束域信道的码本调度方法与基于频域信道的码本调度方法的性能对比，仿真结果显示，基于波束域信道的码本调度方法较基于频域信道的码本调度方法在解码误块率上有极大的提升。
在各用户移动过程中，随着基站与各用户的波束域统计信道信息的变化，基站侧根据更新后的统计信道状态信息重复前述步骤，进行SCMA码本调度。波束域统计信道信息的变化与具体应用场景有关，其典型统计时间窗是短时传输时间窗的数倍或数十倍，相关的统计信道信息的获取也在较大的时间宽度上进行。
应当指出，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种基于波束域信道的SCMA码本调度方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)基站根据为每个用户分配的资源块数，预生成一组适应不同接入用户数的SCMA码本；
(2)通信过程中基站通过接入用户数，根据不同用户间的波束域信道相关性对用户进行分组；其中，用户分组按照用户间的波束域信道相关性最大准则，将相关性大的用户分为一组，同一组内用户分配码本中的不同码字；
(3)在接入用户移动过程中，基站与各用户的统计信道信息发生改变，基站间歇性获取统计信道信息，动态更新码本调度结果；
所述步骤(1)中码本的扩展矩阵生成部分表示为以下优化问题：
Figure FDA0003837730450000011
Figure FDA0003837730450000012
其中，Mlj为映射矩阵M的第l行、第j列元素，且M＝(m1,m2,...,mJ)，
Figure FDA0003837730450000013
Vj为用户j的扩展矩阵，维度为L×J，λ为惩罚系数，d为表示最小差异的参数，L为单个用户占用的子载波数，J为接入用户数，且
Figure FDA0003837730450000014
N为扩展矩阵中的非零元素数，
Figure FDA0003837730450000015
表示从L个不同元素中取N个元素的组合运算；
所述步骤(2)中用户分组问题表示为以下优化问题：
Figure FDA0003837730450000016
Figure FDA0003837730450000017
其中，
Figure FDA0003837730450000018
表示未分配码字的用户索引集合，
Figure FDA0003837730450000019
表示码字索引集合，
Figure FDA00038377304500000110
表示未被分配的码字索引集合，
Figure FDA00038377304500000111
表示用户l和用户mg之间的波束域信道相关性，Rl表示用户l对应的波束域信道自相关矩阵，
Figure FDA00038377304500000112
表示用户mg对应的波束域信道自相关矩阵，mg表示使用码字g的用户。
2.根据权利要求1所述的一种基于波束域信道的SCMA码本调度方法，其特征在于：不同用户间的波束域信道相关性表示如下：
Figure FDA0003837730450000021
其中，tr{·}为求矩阵的迹运算，||·||F为求F范数运算，用户i对应的波束域信道自相关矩阵Ri可以表示为：
Figure FDA0003837730450000022
其中，NCarr和NSample分别表示载波数和采样数，
Figure FDA0003837730450000023
表示用户i的第n个载波、第s个采样的波束域信道矢量，M表示基站侧的均匀天线阵列数量。
3.根据权利要求2所述的一种基于波束域信道的SCMA码本调度方法，其特征在于：波束域信道响应矩阵通过空间频率信道矩阵做逆傅里叶变换得到：
Figure FDA0003837730450000024
其中，
Figure FDA0003837730450000025
表示用户i的第s个采样的波束域信道响应矩阵，相应的
Figure FDA0003837730450000026
表示用户i的第s个采样的空间频率信道矩阵，F表示维度为M×M的DFT矩阵。
4.根据权利要求2所述的一种基于波束域信道的SCMA码本调度方法，其特征在于：所述步骤(2)中采用的码本调度算法步骤包括：
(2.1)根据输入的用户索引集合
Figure FDA0003837730450000027
初始化未分配码字的用户索引集合
Figure FDA0003837730450000028
并生成空的码字与用户的映射集合
Figure FDA0003837730450000029
(2.2)令未被分配的码字索引集合为
Figure FDA00038377304500000210
且令第一个组内用户的索引为
Figure FDA00038377304500000211
随后将用户m1移出未分配码字的用户索引集合
Figure FDA00038377304500000212
将用户m1加入使用了码本中第1个码字的码字与用户的映射集合
Figure FDA00038377304500000213
并将第1个码字移出未被分配的码字索引集合
Figure FDA00038377304500000214
(2.3)将码字t分配给用户mt，mt通过遍历下列目标得到
Figure FDA0003837730450000031
将用户mt移出未分配码字的用户索引集合
Figure FDA0003837730450000032
将用户mt加入使用了码字t的码字与用户的映射集合
Figure FDA0003837730450000033
并将码字t移出未被分配的码字索引集合
Figure FDA0003837730450000034
(2.4)若
Figure FDA0003837730450000035
则返回步骤(2.3)，直到
Figure FDA0003837730450000036
若
Figure FDA0003837730450000037
且
Figure FDA0003837730450000038
则令
Figure FDA0003837730450000039
并返回步骤(2.2)，直到
Figure FDA00038377304500000310
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