基于图聚类的多小区大规模MIMO用户成组方法及系统
本发明涉及一种基于图聚类的多小区大规模mimo系统资源分配技术，具体涉及用户调度和时频资源分配，属于无线通信。
背景技术：
1、大规模多输入多输出(multiple-input multiple-output,mimo)技术是满足超高传输速率需求的关键技术之一。大规模mimo系统通过在基站配备大量天线阵列，能够在同一时频资源块(resource blocks,rbs)上服务更多用户。在多小区环境中，共用相同rb的用户之间会产生同频干扰(co-channel interference,cci)，极大地限制了大规模mimo系统的性能。一个有效的解决方法是进行多小区用户成组，同时实现用户和基站的配对以及rb分配，以减少cci，提高系统和速率。常见的用户分组方法包括贪婪或启发式搜索方法、强化学习方法以及无监督学习方法。贪婪或启发式搜索方法通常能够找到局部最优解，但可能无法达到全局最优。强化学习方法在密集用户场景中由于动作空间的显著增大，会导致较高的计算复杂度。无监督学习方法通过挖掘数据的隐式特征进行用户分组，有低复杂度优势，尤其适用于多小区用户成组问题。图聚类作为无监督学习方法的一种，在处理大规模数据时展现出显著的计算优势。图聚类通过将数据建模为图结构，利用图的拓扑特征进行聚类，能够有效识别数据中的群体结构，在减少计算复杂度的同时提高用户分组的质量和效率。
2、此外，大多数用户分组方法依赖于瞬时信道状态信息，而这类信息随时间快速变化，可能导致用户分组结果更新频繁，或在某段时间内分组效果不理想。统计信道状态信息变化较为缓慢且能够准确获取，研究已证实其在用户调度方面具有显著效用。针对多小区通信特征，本发明基于统计信道信息，将图聚类技术应用于多小区用户成组问题，实现低计算复杂度和高系统和速率的双重目标。
技术实现思路
1、发明目的：在大规模mimo的多小区传输场景中，针对密集用户场景下多小区强干扰、资源分配高复杂度的问题，本发明公开了一种基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组方法及系统，同时实现用户和基站的配对以及时频资源分配，相比现有类似技术手段，该方法能够降低计算复杂度并提高系统和速率。
2、技术方案：为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组方法，所述以最大化系统和速率为目标，根据统计信道协方差矩阵进行用户分组，同一组用户使用相同时频资源块与同一基站进行通信，具体步骤如下：步骤1，建立图，基于用户与各基站间信道增益选取部分用户作为节点建立多小区用户关系图，并根据统计信道协方差矩阵确定用户节点之间的边和权重；步骤2，构造树，根据局部密度最大化原则将上述多小区用户关系图转换为密度连接树；步骤3，切割树，根据平均边权重切割树，优先移除连接的两节点组的平均边权重的最小值最大的边，得到与待分配的时频资源块数相同的节点组数，并结合用户所配对的基站，获得初始用户分组结果；步骤4，补充分组，根据优先考虑用户间无干扰，其次考虑系统和速率损失最小的用户成组准则确定剩余用户所属用户组。
3、进一步地，根据用户与各基站的波束域信道统计协方差矩阵进行用户分组，所述波束域信道为采样矩阵对空间信道进行角度采样后的信道，其统计协方差矩阵为对角矩阵，各对角元表示对应方向的信道能量；超过阈值的对角元对应的方向为该用户和基站间主要信道方向，主要信道方向中最大对角元对应的方向为该用户和基站间最大信道增益方向。
4、进一步地，所述步骤1中，挑选部分用户作为节点，各节点与信道增益最大的基站配对，所挑选节点满足它和配对基站的信道增益与它和所有基站间信道增益总和的比值超过阈值；各节点被分配的方向是其与配对基站间最大信道增益方向，若两节点在各自分配的方向上互不干扰，则他们之间存在边，且边的权重等于两节点最大信道增益的最小值乘以他们共有的主要信道方向数与主要信道方向总数的比值。
5、假设用户k1,k2是图中节点，分别和基站n1,n2配对，被分配的方向分别为l1,l2；两用户在各自分配方向上互不干扰指用户k1和基站n2的主要信道方向不包含l2，且用户k2和基站n1的主要信道方向不包含l1。
6、进一步地，所述步骤2中，根据局部密度最大化原则将构建好的多小区用户关系图转换为密度连接树，确保所有节点之间两两相连且没有形成闭环，所述两节点的局部密度等于他们之间边权重乘以公共相邻节点数与总相邻节点数的比值。构造密度连接树的具体步骤如下：步骤2.1，随机选择一个节点作为密度连接树的起始点；步骤2.2，选择与树中节点局部密度最大的相邻节点连接至密度连接树；步骤2.3，重复步骤2.2直到所有节点都加入密度连接树。
7、进一步地，所述步骤3中，通过切割树获得初始用户分组结果，具体步骤如下：步骤3.1，计算每条边的d值，即边连接的两节点组的平均边权重的最小值；步骤3.2，移除最大d值的边；步骤3.3，重复步骤3.2直到生成了l个节点组，其中，l表示待分配的时频资源块数；步骤3.4，根据节点对应的基站，将上述分组进一步分成n×l个节点组，其中，n表示小区个数。
8、进一步地，所述步骤4中，先确定待分组用户进入各用户组将被分配的方向，即待分组用户在各用户组对应的时频资源块上和对应基站通信时受到干扰最小的方向，再根据用户成组准则确定用户所属分组。
9、进一步地，所述用户成组准则为：优先考虑待分组用户与将要加入的分组中用户间无干扰：若待分组用户和某一用户组内所有用户在各自分配的方向上互不干扰，用户加入该分组；若存在多个互不干扰的分组，优先选择组内所有用户的主要信道方向与待分组用户主要信道方向重合度最高的分组；其次考虑系统和速率损失，为待分组用户选择聚类代价最小的用户组，其中，用户加入某用户组的聚类代价为原系统和速率与用户加入某组后的系统和速率之差。
10、本发明还提供一种基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组系统，包括中央调度器，用于以最大化系统和速率为目标，根据统计信道协方差矩阵进行用户分组，同一组用户使用相同时频资源块与同一基站进行通信，所述中央调度器，包括：
11、图建立模块，用于基于用户与各基站间信道增益选取部分用户作为节点建立多小区用户关系图，并根据统计信道协方差矩阵确定用户节点之间的边和权重；
12、树构造模块，用于根据局部密度最大化原则将上述多小区用户关系图转换为密度连接树；
13、树切割模块，用于根据平均边权重切割树，优先移除连接的两节点组的平均边权重的最小值最大的边，得到与待分配的时频资源块数相同的节点组数，并结合用户所配对的基站，获得初始用户分组结果；
14、补充分组模块，用于根据优先考虑用户间无干扰，其次考虑系统和速率损失最小的用户成组准则确定剩余用户所属用户组。
15、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现所述的一种基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组方法步骤。
16、有益效果：本发明提出的基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组方法，同时实现用户和基站的配对以及时频资源块分配，有效减少同频干扰，提高系统和速率。相较于基线算法，显著提高了系统和速率，提升幅度超过20％。此外，该方法还效降低了计算复杂度，在密集用户场景下，其运行时间仅为层次聚类方法的一半。
技术特征：
1.一种基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组方法，其特征在于，所述方法以最大化系统和速率为目标，根据统计信道协方差矩阵进行用户分组，同一组用户使用相同时频资源块与同一基站进行通信，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组方法，其特征在于，根据用户与各基站的波束域信道统计协方差矩阵进行用户分组，所述波束域信道为采样矩阵对空间信道进行角度采样后的信道，其统计协方差矩阵为对角矩阵，各对角元表示对应方向的信道能量；超过阈值的对角元对应的方向为该用户和基站间主要信道方向，主要信道方向中最大对角元对应的方向为该用户和基站间最大信道增益方向。
3.根据权利要求1所述的一种基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组方法，其特征在于，所述步骤1中，挑选部分用户作为节点，各节点与信道增益最大的基站配对，所挑选节点满足其和配对基站的信道增益与该用户和所有基站间信道增益总和的比值超过阈值；各节点被分配的方向是其与配对基站间最大信道增益方向，若两节点在各自分配的方向上互不干扰，则他们之间存在边，且边的权重等于两节点最大信道增益的最小值乘以他们共有的主要信道方向数与主要信道方向总数的比值；用户和基站间主要信道方向为统计信道协方差矩阵中信道能量超过设置阈值的对角元对应的方向。
4.根据权利要求3所述的一种基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组方法，其特征在于，假设用户k1,k2是图中节点，分别和基站n1,n2配对，被分配的方向分别为l1,l2，两用户在各自分配方向上互不干扰是指用户k1和基站n2的主要信道方向不包含l2，且用户k2和基站n1的主要信道方向不包含l1。
5.根据权利要求1所述的一种基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组方法，其特征在于，所述步骤2中，两节点的局部密度等于他们之间边权重乘以公共相邻节点数与总相邻节点数的比值；构造密度连接树的步骤包括：
6.根据权利要求1所述的一种基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组方法，其特征在于，所述步骤3中，通过切割树获得初始用户分组结果的步骤包括：
7.根据权利要求1所述的一种基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组方法，其特征在于，所述步骤4中，先确定待分组用户进入各用户组将被分配的方向，即待分组用户在各用户组对应的时频资源块上和对应基站通信时受到干扰最小的主要信道方向，再根据用户成组准则确定用户所属分组。
8.根据权利要求7所述的一种基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组方法，其特征在于，用户成组准则为：
9.一种基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组系统，其特征在于，包括中央调度器，用于以最大化系统和速率为目标，根据统计信道协方差矩阵进行用户分组，同一组用户使用相同时频资源块与同一基站进行通信，所述中央调度器，包括：
10.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现根据权利要求1-8任一项所述的一种基于图聚类的多小区大规模mimo用户成组方法步骤。
技术总结
本发明公开了基于图聚类的多小区大规模MIMO用户成组方法及系统，实现用户和基站配对，以及时频资源块分配。本发明以最大化系统和速率为目标进行用户分组，同一组用户使用相同时频资源块与同一基站进行通信。首先选取部分用户作为节点，并根据统计信道协方差矩阵确定边和权重，构造多小区用户关系图；再利用局部密度将上述图转换为密度连接树；接着根据平均边权重切割树，获得初始用户分组结果；最后根据用户成组准则确定剩余用户所属分组。本发明能够以低复杂度实现高系统和速率，有效地解决多小区大规模MIMO系统用户调度和时频资源分配问题。
技术研发人员：孙晨,游霏,高西奇
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5