一種基于人工魚群算法的導頻分配方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及大規(guī)模天線系統(tǒng)中一種基于人工魚群算法的導頻分配方法，屬于無線 通信領域。
【背景技術】
[0002] 大規(guī)模天線無線通信系統(tǒng)，即在基站端使用大量天線，利用同一時頻資源同時服 務于多個終端用戶。理論研究表明，這種架構可以大大提高系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率，且 當天線數(shù)目足夠多時，可以消除小區(qū)內部干擾，并降低噪聲對系統(tǒng)性能的影響。在獲得上述 優(yōu)勢的同時，大規(guī)模天線系統(tǒng)還存在一定的問題，如導頻污染問題，即當多個用戶終端之間 采用導頻復用方案時，會產生導頻污染，而其系統(tǒng)性能將在很大程度上受限于導頻污染。
[0003] 在大規(guī)模天線系統(tǒng)中，當多小區(qū)所服務的終端用戶數(shù)目較多，將會導致所需導頻 數(shù)超過可用導頻數(shù)的情況，此時如果小區(qū)間采用導頻復用方案，則其復用策略的不同會對 用戶平均速率產生重要影響。在小區(qū)多用戶情況下，對所有導頻分配策略進行窮舉的復雜 度過高，而低復雜度的導頻分配策略往往適用于小區(qū)和用戶數(shù)目都較小的情況，這在實際 應用中又具有明顯的局限性。因此在小區(qū)用戶和天線數(shù)目均較多的情況下，設計低復雜度 的導頻分配策略顯得尤為重要。文獻"Pilot scheduling schemes for multi-cell massive multiple-input multiple-output transmission"[S.Jin,M.Li，Y.Huang，Y.Du, X.Gao,《IET Communications》，vol · 9, issue 5 ,pp · 689-700,2015 ·]以提高小區(qū)中用戶和 速率為目標，研究了具有較低復雜度的導頻分配策略，主要包括貪婪算法、禁忌搜索算法以 及兩者的聯(lián)合算法，但是上述算法的搜索特性往往受限于局部最優(yōu)解。
[0004] 人工魚群算法是一種基于動物行為的自治體尋優(yōu)模式，它是基于魚類的活動特點 構建起來的新型智能仿生算法。人工魚群算法采用自上而下的尋優(yōu)模式從構造個體的底層 行為開始，通過對魚群中各個體的局部尋優(yōu)，來尋找全局最優(yōu)值。這種仿生優(yōu)化算法通常被 用來生成有效的解決方案來優(yōu)化和搜索問題。本發(fā)明采用人工魚群算法，利用算法的本身 特性，突破局部最優(yōu)解的限制，同時以較低的算法復雜度來實現(xiàn)使各小區(qū)用戶和速率最大 的導頻分配策略，減少大規(guī)模天線系統(tǒng)的導頻污染影響。

【發(fā)明內容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有大規(guī)模天線系統(tǒng)中導頻分配方案存在的缺陷和不足，本發(fā)明提供了 一種基于人工魚群算法的導頻分配方法，通過采用人工智能領域中的人工魚群算法，突破 局部最優(yōu)解的限制，實現(xiàn)系統(tǒng)中各小區(qū)用戶的和速率最大，其可顯著減少無線通信領域中 大規(guī)模天線系統(tǒng)的導頻污染影響，并降低導頻分配策略的復雜度。
[0006] 本發(fā)明的技術方案如下：
[0007] -種基于人工魚群算法的導頻分配方法，用于設置有L個小區(qū)的大規(guī)模天線系統(tǒng) 導頻分配，其中每個小區(qū)中包含一個基站以及K個用戶，每個用戶配備單個天線，基站配備 趨近于無窮多個天線，系統(tǒng)通信采用時分雙工機制，同時考慮信道互易性，假設有K個導頻 在L個小區(qū)中復用，以提高系統(tǒng)和速率為目標，通過采用人工魚群算法得到最優(yōu)的導頻分配 方案，首先隨機分配每個小區(qū)中的導頻序列，把每個小區(qū)的導頻分配方案視為一條人工魚， 整個大規(guī)模天線系統(tǒng)的導頻分配作為人工魚群;其次對初始人工魚進行覓食、聚群、追尾行 為操作，并根據(jù)相應行為操作所確定的導頻分配方案得到小區(qū)系統(tǒng)和速率的優(yōu)劣，來確定 魚群移動方向，從而進一步調節(jié)導頻分配方案;最后經過多輪選擇比較得到使系統(tǒng)中用戶 和速率最大的導頻分配方案，該方法具體步驟如下：
[0008] 1、對各小區(qū)隨機分配一組初始化導頻；T = ，.,.，以,，,,#}，其中 尸Γ=?/^，成…，以]，料為第1個小區(qū)的初始化導頻分配方案，其序列 <,#>丨 3°)，...,<由整數(shù)1到1^的一種有序排列構成，（〇)表示第〇次迭代，/^>表示第1個小 區(qū)中分配了第k個導頻的用戶編號，因而可以唯一地確定第1個小區(qū)的初始化導頻分配 方案；
[0009] 2、初始化人工魚群，設置魚群中人工魚的最大數(shù)目為FishNum，最多迭代次數(shù)n，當 前迭代值num=l，感知距離為visual，擁擠度因子為delta以及步長為Step;
[0010] 3、隨機生成1條人工魚Xi，leFishNum，每條人工魚對應一個小區(qū)的導頻分配情 況，即產生1組正交導頻；
[0011] 4、計算人工魚的食物密度函數(shù)Y(Y又稱為系統(tǒng)和速率），F(xiàn) -丨/(._}, /G{1,2, 其中及廣為第1個小區(qū)的和速率，對1條人工魚根據(jù)食物密度函數(shù)Y即1個小區(qū)的和速率 的大小進行排序，算法中設定了公告板用于存放每次操作后產生 的全局最優(yōu)值，其中的獲得依賴于導頻分配方案，且由下式給出：
[0013]上式中的R1>k表示第1個小區(qū)中第k個用戶的速率，R1>k表示為：
[0015] 其中，β111{表示第1個小區(qū)中第k個用戶到第1個基站的大尺度衰落，&lk(j矣1)表示 由導頻分配方案..,/4,所確定的第j個小區(qū)和第1個小區(qū)中第k個使用相同 導頻的用戶到第1個基站的大尺度衰落；
[0016] 5、對每一條人工魚，也即每一個小區(qū)所對應的導頻序列依次進行追尾行為、聚群 行為、覓食行為操作，并進行行為選擇，選擇出好的行為方式，即食物密度函數(shù)（系統(tǒng)和速 率)高的行為方向作為人工魚的前進方向；
[0017] (1)覓食行為:對于任意兩條人工魚，即兩個導頻序列Xl，Xj，i，j e {1，2，…，L}分別 計算它們對應的食物密度函數(shù)（即系統(tǒng)和速率)Yi，Yj，若Yi〈Yj，則Xi按照步長Step朝Xj的方 向移動一步，即XNext = Xi+(XNext_Xi) · Step，XNext表示移動后的導頻分配情況，并計算出移動 后的系統(tǒng)的和速率Υνμ ;否則，隨機移動；
[0018] (2)追尾行為:定義感知距離visual為范數(shù)I |Xi-Xj| I，計算人工魚Xi感知距離范圍 內即di,j〈visual內的人工魚數(shù)目，即導頻序列的個數(shù)nf，并選擇該魚群中食物密度函數(shù)Yj最 大的人工魚Xj，
且Yi〈Yj成立，則表明Xj具有較高的食物密度，即系統(tǒng)和速 率，并且周圍不太擁擠，此時Xi按照步長Step朝Xj的方向移動一步，即XNexfXi+UNext-Xi) · Step，并計算移動后的食物密度函數(shù)YN(3Xt;否則，執(zhí)行覓食行為；
[0019] ⑶聚群行為:對于任意兩條人工魚Xi，Xj，計算人工魚Xi的感知距離范圍內即di,j〈 visual內的人工魚的數(shù)目nf以及聚集的魚群中心值Y。即：
[0021 ]其中，ave表示L個人工魚Xi，X2，…，所對應的導頻序列中相應導頻的平均值，Xi, j 表示第i個導頻序列的第j個導頻的值
且￥1〈1成立，則表明魚群中心有 較多的食物并且不太擁擠，則&按照步長一丨叩朝心的方向移動一步，即移動之后的導頻分配 情況XNext = Xi+(XNext-Xi) · Step，并計算移動后的系統(tǒng)的和速率YNext;否則，執(zhí)行覓食行為； [0022] (4)行為選擇：比較追尾行為以及覓食行為中Y Next的大小，選擇YNext大的行為作為 人工魚的前進方向；否則，執(zhí)行覓食行為；
[0023] 6、移動結束，計算此時每條人工魚對應的食物濃度，即系統(tǒng)和速率 r={/?r 1,/6-1,2，…，￡.}，選擇較大值與算法預設公告板中的值進行比較，將二者中的較 大值暫存入公告板；
[0024] 7、更新迭代次數(shù)使num = num+l;若迭代次數(shù)num〈n，則轉向步驟5;若迭代次數(shù)num =n，則結束迭代;公告板中的值即為全局路徑優(yōu)化后的最優(yōu)值，其對應的路徑則是全局最 優(yōu)路徑；
[0025] 8、最終導頻分配方案由{^_>廣脈'…丨給出。
[0026] 本發(fā)明的特點及優(yōu)勢:針對現(xiàn)有導頻分配方案的不足，本發(fā)明采用人工魚群算法， 突破局部最優(yōu)解的限制，使得系統(tǒng)中用戶的和速率最大，其可顯著減少大規(guī)模天線系統(tǒng)的 導頻污染影響，并降低導頻分配策略的復雜度。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明實例中基于人工魚群算法的導頻分配方法實施步驟的框圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不限于此。
[0029] 實施例：
[0030] 本發(fā)明實施例如圖1所示，一種基于人工魚群算法的導頻分配方法，用于設置有L 個小區(qū)的大規(guī)模天線系統(tǒng)導頻分配，其中每個小區(qū)中包含一個基站以及Κ個用戶，每個用戶 配備單個天線，基站配備趨近于無窮多個天線，系統(tǒng)通信采用時分雙工機制，同時考慮信道 互易性，假設有Κ個導頻在L個小區(qū)中復用，以提高系統(tǒng)和速率為目標，通過采用人工魚群算 法得到最優(yōu)的導頻分配方案，首先隨機分配每個小區(qū)中的導頻序列，把每個小區(qū)的導頻分 配方案視為一條人工魚，整個大規(guī)模天線系統(tǒng)的導頻分配作為人工魚群;其次對初始人工 魚進行覓食、聚群、追尾行為操作，并根據(jù)相應行為操作所確定的導頻分配方案得到小區(qū)系 統(tǒng)和速率的優(yōu)劣，來確定魚群移動方向，從而進一步調節(jié)導頻分配方案;最后經過多輪選擇 比較得到使系統(tǒng)中用戶和速率最大的導頻分配方案，該方法具體步驟如下：
[0031] 1、對各小區(qū)隨機分配一組初始化導頻Ζ = ..，/^，...，/^丨，其中 #)=^1'^)43'._.,< )]，/印，2,...，￡}為第1個