CN106027128A - 一种基于非正交多址接入的上行多用户干扰的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于非正交多址接入的上行多用户干扰的抑制方法，属于无线通信网络技术领域。本方法通过在发送端和接收端分别设计预编码矩阵和干扰抑制矩阵来抑制用户之间的干扰，提高用户的接收信干噪比，从而进一步提升系统容量。本发明提出的方案继承了干扰对齐技术的优点，将其灵活的运用于新型非正交多址接入这个新场景中。在发送端通过预编码矩阵，将用户的信号空间对齐到干扰抑制空间中，使用户的信号空间更加靠近。在接收端，基站可以通过一个简单的干扰抑制矩阵降低用户间的干扰，再通过顺序串行干扰消除进一步的降低用户间的干扰。

Description

一种基于非正交多址接入的上行多用户干扰的抑制方法

技术领域

本发明涉及一种基于非正交多址接入的上行多用户干扰的抑制方法，属于无线通信网络技术领域。

背景技术

无线通信自20世纪80年代诞生至今，已经过三十多年的爆炸式发展，移动用户数目也急剧增加。用户对更高服务质量和更大数据量的需求也在不断增长，相应的对带宽的要求也随之增加。目前现有的正交多址接入技术要求用户在时域、频域、码域等上进行正交传输，在一定程度上限制了用户的接入数目以及系统频谱利用率的进一步提升。5G不仅需要大幅度提升系统的频谱利用率，还要具备支持海量连接的能力。因此，多种非正交多址接入技术应运而生。

新型多址接入技术是非正交多址接入的统称，其主要思想是：在发射端通过将多个用户信号根据不同的方案叠加在相同的物理资源上，在接收端采用先进的解调算法实现用户的信息分离，从而实现提高系统的频谱利用率和增加接入用户数的目的。目前主要的新型多址接入技术有基于特征图样的图样分割多址接入(Pattern Division Multiple Access，简称PDMA)技术，基于功率叠加的非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，简称NOMA)技术，基于稀疏编码的稀疏码分多址接入(Sparse Code Multiple Access，简称SCMA)技术等。新型多址接入技术打破了传统正交多址接入的概念，使用户之间不再完全的正交化，因而出现了引入了更多的用户间干扰问题，严重阻碍用户的正常传输，限制系统容量的提升。因此，需要提出一种有效的解决用户间的干扰的干扰抑制方案。

干扰对齐一经提出就受到人们的广泛关注，其基本思想是在发射端多个用户协调合作，通过对用户信号进行预编码处理，将干扰信号尽可能的实现对齐，增加干扰信号的重叠度，然后在接收端通过干扰抑制矩阵对接收信号进行滤波，使用户的期望信号投影到没有干扰信号的空间中，从而消除用户间的干扰。每个用户的信号的预编码矩阵根据其干扰信号的信道矩阵和干扰信号的波束方向确定。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于非正交多址接入的上行多用户干扰的抑制方法，通过引入干扰对齐的思想来实现多用户之间的干扰抑制，降低多用户间的干扰，从而提高用户的速率，从而提升系统的和速率。

本发明提出的基于非正交多址接入的上行多用户干扰的抑制方法，包括以下步骤：

(1)在无线通信网络的上行链路中，为基站配置N根天线，小区基站利用同一时频资源为M个用户提供服务，其中M大于基站天线数N，将M个用户分为N组，M＝KN，其中K为每个用户组中的用户数；

(2)记一个用户组中的每个用户到基站的信道系数矩阵为H_ch，H_ch＝[h₁,…,h_k,…h_K]，其中h_k表示第k个用户到基站的信道系数，k∈[1，K]，信道系数其中β_k指大尺度衰落，η_k指小尺度衰落；

(3)基站根据步骤(2)得到的信道系数矩阵H_ch，计算一个用户组中的每个用户到基站的信道系数的模平方|h|²，根据|h|²的大小，依次对相应用户进行从大到小排序和编号，将|h|²值最大的用户记为用户1，|h|²最小的用户记为用户K；

(4)设用户向基站发送的信号为x，则第k个用户发送的信号为x_k，设基站接收的信号为y，y为多个用户信号的叠加，y的表达式为：

$y=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{h}_k{x}_k+n$

其中，n为基站接收到的高斯白噪声，n服从均值为0、方差为σ²的高斯分布；

(5)根据上述步骤(2)的信道系数矩阵，构建一个多维信号空间Ψ，Ψ＝H_ch，将多维信号空间Ψ划分为期望信号空间Ω和干扰信号空间W_k，其中的期望信号空间Ω为由一个用户的信道系数构成的一个信号子空间，用户k的期望信号空间为Ω_k，且Ω_k是信号空间Ψ的第k列，即h_k，其中的干扰信号空间W_k为用户k以外的其它所有用户对用户k产生干扰的信号构成的一个干扰信号空间；

(6)一个用户组中的每个用户的旋转角构成一个旋转因子集θ，θ＝{θ₁,…,θ_K}，第k 个用户的旋转因子θ_k的计算方法为：将步骤(5)的用户K的期望信号空间Ω_K作为基础子空间，根据旋转因子集θ，将期望信号空间Ω_K旋转K-1次，得到一个维度与信号空间Ψ相同的线性空间，将该线性空间记为干扰抑制空间Γ，干扰抑制空间Γ＝[h′₁,…,h′_k,…h′_K]，其中h＇_k为第k个用户的干扰抑制向量，h＇_k通过期望信号空间Ω_K旋转θ_k得到；

(7)利用干扰对齐方法，为一个用户组中的每个用户设置一个预编码矩阵v，使上述步骤(5)的多维信号空间Ψ与上述步骤(6)的干扰抑制空间Γ相对齐，即使得span(h_kv_k)＝span(h_k')，其中span(A)表示生成以A为基的向量空间，则第k个用户的预编码矩阵v_k＝h_k ^H(h_kh_k ^H)-¹h'_k，其中(·)^H表示矩阵的转置，(·)^-1表示矩阵的逆；

(8)根据步骤(6)中第K个用户的期望信号空间Ω_K，建立一个干扰抑制矩阵u，使上述期望信号空间h＇_K变为0，即u＝(h＇_K)^H(h＇_K(h＇_K)^H)^-1，使uh＇K＝0，其中，h＇_K为第K个用户的干扰抑制向量；

(9)利用顺序串行干扰消除的方法，解调出抑制用户K干扰后的用户1信号，然后减去用户1的信号，解调出抑制用户1和用户K干扰后的用户2的信号，重复本步骤，解调出前K-1个用户的信号；

(10)根据已解调出的K-1个用户信息，在步骤(4)得到的迭加信号y中减去步骤(9)中的已解调出的前K-1个信号，再解调出将其他用户干扰进行抑制后的用户K的信号。

本发明提出的基于非正交多址接入的上行多用户干扰的抑制方法，通过在发送端和接收端分别设计预编码矩阵和干扰抑制矩阵来抑制用户之间的干扰，提高了用户的接收信干噪比，从而提升系统和速率。本发明方法继承了MIMO系统中干扰对齐技术的优点，将其灵活的运用于非正交多址接入。在发送端通过预编码矩阵，将用户的信号空间对齐到干扰抑制空间中，使用户的信号空间更加靠近。在接收端，基站可以通过一个简单的干扰抑制矩阵降低用户间的干扰，再通过顺序串行干扰消除进一步的降低用户间的干扰。

附图说明

图 1是本发明方法中上行多用户接入场景描述图。

图 2是本发明提出的多用户干扰抑制过程示意图。

具体实施方式

本发明提出的基于非正交多址接入的上行多用户干扰的抑制方法，包括以下步骤：

(1)在无线通信网络的上行链路中，通过新型多址接入方法，使多个用户信号能够在同一空间层上的相同时频资源上进行传输，为基站配置N根天线，小区基站利用同一时频资源为M个用户提供服务，其中M大于基站天线数N，将M个用户分为N组，M＝KN，其中K为每个用户组中的用户数；用户组上的全部用户在同一空间层上占用相同的时频资源。如图 1所示，就可以使其简化为传统的多进多出(MIMO)系统，这样就可以通过现有的干扰管理方法消除用户组之间的干扰。为了方便表述，基站每根天线的接收可以视为相互独立。因此，在下述的内容中，本发明主要就单根天线上的一个用户组中的用户之间的干扰问题进行描述，其多用户干扰抑制过程示意图如图 2所示。

(2)记一个用户组中的每个用户到基站的信道系数矩阵为H_ch，H_ch＝[h₁,…,h_k,…h_K]，其中h_k表示第k个用户到基站的信道系数，k∈[1，K]，信道系数其中β_k指大尺度衰落，η_k指小尺度衰落；

(3)基站根据步骤(2)得到的信道系数矩阵H_ch，计算一个用户组中的每个用户到基站的信道系数的模平方|h|²，根据|h|²的大小，依次对相应用户进行从大到小排序和编号，将|h|²值最大的用户记为用户1，|h|²最小的用户记为用户K；

(4)设用户向基站发送的信号为x，则第k个用户发送的信号为x_k，设基站接收的信号为y，y为多个用户信号的叠加，y的表达式为：

$y=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{h}_k{x}_k+n$

其中，n为基站接收到的高斯白噪声，n服从均值为0、方差为σ²的高斯分布；

(5)根据上述步骤(2)的信道系数矩阵，构建一个多维信号空间Ψ，Ψ＝H_ch，将多维信号空间Ψ划分为期望信号空间Ω和干扰信号空间W_k，其中的期望信号空间Ω为由一个用户的信道系数构成的一个信号子空间，用户k的期望信号空间为Ω_k，且Ω_k是信号空间Ψ的第k列，即h_k，其中的干扰信号空间W_k为用户k以外的其它所有用户对用户k 产生干扰的信号构成的一个干扰信号空间；

(6)一个用户组中的每个用户的旋转角构成一个旋转因子集θ，θ＝{θ₁,…,θ_K}，第k个用户的旋转因子θ_k的计算方法为：将步骤(5)的用户K的期望信号空间Ω_K作为基础子空间，根据旋转因子集θ，将期望信号空间Ω_K旋转K-1次，得到一个维度与信号空间Ψ相同的线性空间，将该线性空间记为干扰抑制空间Γ，干扰抑制空间Γ＝[h′₁,…,h′_k,…h′_K]，其中h′_k为第k个用户的干扰抑制向量，h′_k通过期望信号空间Ω_K旋转θ_k得到；

(7)利用干扰对齐方法，为一个用户组中的每个用户设置一个预编码矩阵v，使上述步骤(5)的多维信号空间Ψ与上述步骤(6)的干扰抑制空间Γ相对齐，即使得span(h_kv_k)＝span(h_k')，其中span(A)表示生成以A为基的向量空间，则第k个用户的预编码矩阵v_k＝h_k ^H(h_kh_k ^H)^-1h'_k，其中(·)^H表示矩阵的转置，(·)^-1表示矩阵的逆；

(8)根据步骤(6)中第K个用户的期望信号空间Ω_K，建立一个干扰抑制矩阵u，使上述期望信号空间h′_K变为0，即u＝(h′_K)^H(h′_K(h′_K)^H)^-1 _，使uh′_K＝0，其中，h′_K为第K个用户的干扰抑制向量；

(9)利用顺序串行干扰消除的方法，解调出抑制用户K干扰后的用户1信号，然后减去用户1的信号，解调出抑制用户1和用户K干扰后的用户2的信号，重复本步骤，解调出前K-1个用户的信号；

(10)根据已解调出的K-1个用户信息，在步骤(4)得到的迭加信号y中减去步骤(9)中的已解调出的前K-1个信号，再解调出将其他用户干扰进行抑制后的用户K的信号。

Claims (1)

1.一种基于非正交多址接入的上行多用户干扰的抑制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)在无线通信网络的上行链路中，为基站配置N根天线，小区基站利用同一时频资源为M个用户提供服务，其中M大于基站天线数N，将M个用户分为N组，M＝KN，其中K为每个用户组中的用户数；

(2)记一个用户组中的每个用户到基站的信道系数矩阵为H_ch，H_ch＝[h₁,…,h_k,…h_K]，其中h_k表示第k个用户到基站的信道系数，k∈[1，K]，信道系数其中β_k指大尺度衰落，η_k指小尺度衰落；

(3)基站根据步骤(2)得到的信道系数矩阵H_ch，计算一个用户组中的每个用户到基站的信道系数的模平方|h|²，根据|h|²的大小，依次对相应用户进行从大到小排序和编号，将|h|²值最大的用户记为用户1，|h|²最小的用户记为用户K；

(4)设用户向基站发送的信号为x，则第k个用户发送的信号为x_k，设基站接收的信号为y，y为多个用户信号的叠加，y的表达式为：

其中，n为基站接收到的高斯白噪声，n服从均值为0、方差为σ²的高斯分布；

(5)根据上述步骤(2)的信道系数矩阵，构建一个多维信号空间Ψ，Ψ＝H_ch，将多维信号空间Ψ划分为期望信号空间Ω和干扰信号空间W_k，其中的期望信号空间Ω为由一个用户的信道系数构成的一个信号子空间，用户k的期望信号空间为Ω_k，且Ω_k是信号空间Ψ的第k列，即h_k，其中的干扰信号空间W_k为用户k以外的其它所有用户对用户k产生干扰的信号构成的一个干扰信号空间；

(6)一个用户组中的每个用户的旋转角构成一个旋转因子集θ，θ＝{θ₁,…,θ_K}，第k个用户的旋转因子θ_k的计算方法为：将步骤(5)的用户K的期望信号空 间Ω_K作为基础子空间，根据旋转因子集θ，将期望信号空间Ω_K旋转K-1次，得到一个维度与信号空间Ψ相同的线性空间，将该线性空间记为干扰抑制空间Γ，干扰抑制空间Γ＝[h′₁,…,h'_k,…h'_K]，其中h'_k为第k个用户的干扰抑制向量，h'_k通过期望信号空间Ω_K旋转θ_k得到；

(7) 利用干扰对齐方法，为一个用户组中的每个用户设置一个预编码矩阵v，使上述步骤(5)的多维信号空间Ψ与上述步骤(6)的干扰抑制空间Γ相对齐，即使得span(h_kv_k)＝span(h_k')，其中span(A)表示生成以A为基的向量空间，则第k个用户的预编码矩阵v_k＝h_k ^H(h_kh_k ^H)^-1h'_k，其中(·)^H表示矩阵的转置，(·)^-1表示矩阵的逆；

(8)根据步骤(6)中第K个用户的期望信号空间Ω_K，建立一个干扰抑制矩阵u，使上述期望信号空间h'_K变为0，即u＝(h'_K)^H(h'_K(h'_K)^H)^-1，使uh'_K＝0，其中，h'_K为第K个用户的干扰抑制向量；

(9)利用顺序串行干扰消除的方法，解调出抑制用户K干扰后的用户1信号，然后减去用户1的信号，解调出抑制用户1和用户K干扰后的用户2的信号，重复本步骤，解调出前K-1个用户的信号；

(10)根据已解调出的K-1个用户信息，在步骤(4)得到的迭加信号y中减去步骤(9)中的已解调出的前K-1个信号，再解调出将其他用户干扰进行抑制后的用户K的信号。