一种大规模天线系统中基于遗传算法的导频分配方法

摘要

一种大规模天线系统中基于遗传算法的导频分配方法，以提高系统中用户的和速率为目标，采用遗传算法，得到最优的导频分配方案。首先，引入基因编码的概念，通过交换编码产生不同的导频分配方案，进而计算不同导频分配方案下的系统中用户的和速率，同时采用优胜劣汰的准则，保留对应的基因编码；其次，对保留的基因编码进行复制、交叉和变异操作，产生新的基因编码；最后，重复以上步骤，经过多轮的优胜劣汰和基因的交叉变异，得到使得系统中用户和速率最大的导频分配方案。本发明采用遗传算法，突破局部最优解的限制，从而缓解大规模天线系统的导频污染影响，并降低导频分配策略的复杂度。

主权项

一种大规模天线系统中基于遗传算法的导频分配方法，用于在L个小区中所设置的大规模天线系统，其中每个小区含有一个基站和K个单天线终端用户，基站天线数目为理想情况，即其趋近于无穷大，通信过程采用时分双工机制，并考虑信道间的互易性，同时，考虑有K个正交导频在L个小区中复用，以提高系统中各小区用户和速率为目标，通过采用遗传算法得到最优的导频分配方案，首先，通过引入基因编码的概念，利用交换编码产生不同的导频分配方案，进而计算不同导频分配方案下的系统中的用户和速率，同时采用优胜劣汰的准则，保留对应的基因编码；其次，对保留的基因编码进行复制、交叉和变异操作，产生新的基因编码；最后，重复以上步骤，经过多轮的优胜劣汰和基因的交叉变异，得到使系统中用户和速率最大的导频分配方案，该方法具体步骤如下：1)随机初始化一组导频分配方案为且将其用于初始化第l个小区导频分配方案；复制导频分配方案为任意一组导频分配方案，记为M组，即第l个小区的导频分配方案为其序列由整数1到K的一种有序排列构成，且表示第l个小区中分配第k个导频的用户编号，因而可以唯一确定第l个小区的导频分配方案；2)随机初始化C组基因编码为这里每组基因编码有L条染色体组成，其中第c组基因编码中的第l条染色体为其中表示染色体的第n个基因，N表示该染色体上的基因个数，并且满足以下约束条件，这里设置C＝M，基因编码与导频分配方案一一对应，具体地，第c组基因编码用于第c组导频分配方案的遗传；3)初始化遗传代数t＝0，并设置最大遗传代数为t_max；4)分别根据C组基因编码对C组导频分配方案进行交换编码，其中第c组基因编码中的染色体用做第l个小区用户的导频分配方案的交换编码，可得到C组新的导频分配方案$\{P_{c1}^{\left(t\right)},P_{c2}^{\left(t\right)},\mathrm{...},P_{cL}^{\left(t\right)}\},c\in \{1,2,\mathrm{...},C\},$对于$\forall c\in \{1,2,\mathrm{...},c\},$l∈{1，2，...，L}，交换编码即是指根据$T_{cl}^{\left(t\right)}=[t_{cl1}^{\left(t\right)},t_{cl2}^{\left(t\right)},\mathrm{...},t_{clN}^{\left(t\right)}]$对$p_{cl}^{\left(t\right)}=[p_{cl1}^{\left(t\right)},p_{cl2}^{\left(t\right)},\mathrm{...},p_{clK}^{\left(t\right)}]$进行交换编码，其具体操作如下：(1)把保存到临时变量p_tmp中；(2)对于$\forall n\in \{1,2,\mathrm{...},N-1\},$依次赋值给(3)把p_tmp赋值给这里对于$\forall n\in \{1,2,\mathrm{...},N\},$表示的第个元素值；5)计算C个适应值，即分别采用C组导频分配方案时，来得到系统中用户的和速率用户的和速率的获得，依赖于导频分配方案且由下式给出：$R_c^{sum}=\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{R}_{l,k}.$其中，R_l，k表示第l个小区中第k个用户的速率，并由下式给出，$R_{l,k}={\log }_2(1+\frac{{\beta }_{\mathrm{llk}}^2}{{\Sigma }_{j\ne 1}{\beta }_{\mathrm{jlk}}^2}).$其中，β_llk表示第l个小区中第k个用户到第l个基站的大尺度衰落，β_jlk(j≠l)表示由导频分配方案确定的第j个小区和第l个小区中第k个使用相同导频的用户到第l个基站的大尺度衰落；6)选择操作，对适应值进行排序，采用蒙特卡洛选择方法，保留组基因编码所述蒙特卡洛选择方法具体步骤如下：(1)首先归一化适应值得到对应的归一化值{p_c}，c∈{1，2，...，C}其中p_c∈[0，1]作为第c组基因编码能保留到下一代的概率，即适应度；(2)第t代C组基因编码分别按照适应度{p_c}，c∈{1，2，...，C}保留到下一代，表示为这里集合包含了被保留下的基因编码组；7)对保留下来的组基因编码依次进行复制、交叉和变异操作，生成新的C组基因编码(1)复制操作：第t+1代的基因编码复制第t代保留下来的组基因编码并扩充至C组基因编码$\{T_{c1}^{(t+1)},T_{c2}^{(t+1)},\mathrm{...},T_{cL}^{(t+1)}\},c\in \{1,2,\mathrm{...},C\};$(2)交叉操作：第t+1代的C组基因编码之间进行交叉，即随机交换不同组基因编码中相同位置的某个基因，例如，将和进行交换，这里c≠c′；(3)变异操作：第t+1代的某一组基因编码中某一条染色体上的某一个基因随机选择变异；8)判断t是否达到最大遗传代数t_max，如果t＝t_max，执行步骤9；否则，遗传代数增加1，即t＝t+1，转入步骤4)；9)最终导频分配方案由给出。