CN108540410B - 免调度传输系统联合活跃用户检测和信道估计方法 - Google Patents

免调度传输系统联合活跃用户检测和信道估计方法 Download PDF

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CN108540410B CN201810182622.9A CN201810182622A CN108540410B CN 108540410 B CN108540410 B CN 108540410B CN 201810182622 A CN201810182622 A CN 201810182622A CN 108540410 B CN108540410 B CN 108540410B
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Abstract

本发明公开了一种免调度传输系统联合活跃用户检测和信道估计方法，上行传输不需要通过物理层控制信道请求时频传输资源，而是在预先分配的冲突域中按照同步时隙直接发送信号。考虑用户初始活跃概率已知和未知的场景，联合活跃用户检测和信道估计方法采用三个模块，即信道估计模块、活跃用户检测模块和初始活跃概率估计模块，基站侧根据接收信号Y和导频矩阵S，通过三个模块的迭代计算，得到活跃用户集合以及该集合中所有用户的信道响应矢量估计值。本发明和传统块稀疏信号重建算法相比，显著降低算法复杂度，提高活跃用户漏检性能和信道估计性能。

Description

免调度传输系统联合活跃用户检测和信道估计方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术，特别是涉及一种免调度传输系统联合活跃用户检测和信道估计方法。
背景技术
为满足下一代移动通信技术(5G)低时延、高可靠和海量用户连接的通信场景，提出了基于共享冲突域的随机接入技术。该技术不需要用户与基站有任何握手过程，即向基站请求传输资源，接受基站的分配和调度，而是在任意时隙在预先分配的时域、频域、码域等资源中随机发送数据，从而移除控制信令、减少开销、降低时延。此类随机接入技术又被称为免调度上行传输技术。
从物理层角度出发，基站侧并不知道哪些用户是否活跃，甚至无从得知活跃用户的数目。因此免调度上行传输中，基站侧需要在共享冲突域中检测活跃用户的集合，估计该活跃用户的信道响应矢量及恢复发送数据。本章主要考虑免调度上行传输模式下的活跃用户检测和信道估计。在某一时隙内，活跃用户会向基站发送导频，而非活跃用户则不发送任何数据，即相当于发送零信号，则可以理解为用户发送的导频信号是稀疏的。某非活跃用户发送零导频和该用户在此时隙内的信道响应矢量为零是等价的，因此活跃用户检测和信道估计可以转换为估计带有稀疏性的信道响应矢量。
以往研究多将此类问题归为压缩感知中的稀疏信号重建问题。由于非活跃用户的信道响应矢量的每个元素均为零，信道响应矢量的稀疏性呈现块稀疏特性，即待估信道矩阵的任意一行都有共同的支集(信道所有行矢量的非零点元素位置相同)，因此该问题可以被进一步建模为压缩感知稀疏信号重建下的多矢量测量问题。
压缩感知领域中针对MMV问题的算法主要是匹配追踪、BCS和FOCUSS算法，其中匹配追踪和BCS均为贪婪算法，利用序贯式的方式，每次迭代都在候选集合中找到最有可能活跃的用户并对其信道进行估计，估计的活跃用户数即为算法的迭代次数；而FOCUSS算法则是一种迭代的线性检测算法，通过对观测量和检测矩阵进行迭代更新来解决MMV问题，满足算法预设的误差容限则迭代停止。FOCUSS算法每次迭代都需要进行高维矩阵的相乘操作，复杂度很高，不适用于大规模MIMO随机接入场景。因此，对于随机接入系统，研究一种复杂度低活跃用户检测性能好的算法是非常有必须要的。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够降低复杂度的免调度传输系统联合活跃用户检测和信道估计方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的免调度传输系统联合活跃用户检测和信道估计方法，包括以下步骤：
S1：输入接收信号Y和导频矩阵S，用户活跃概率已知时输入αn；
S2：对下列参数进行初始化：
信道矩阵元素的后验均值
Figure BDA0001589314530000021
初始化为
Figure BDA0001589314530000022
其中，m＝1,…,M，M为基站端天线数目，n＝1,…,N，N为在线用户数目，h m[n]为第n个用户对m根天线的信道响应，
Figure BDA0001589314530000023
为该信道响应对应的置信度因子，也即后验概率估计值；
信道矩阵元素的后验方差
Figure BDA0001589314530000024
初始化为
Figure BDA0001589314530000025
噪声方差辅助参数βh,m(l)初始化为βh,m(l)＝1；其中l＝1,…,L，L为导频长度；
信道矩阵元素的活跃度初始化为
Figure BDA0001589314530000026
用户初始活跃概率似然比估计值
Figure BDA0001589314530000027
初始化为
Figure BDA0001589314530000028
迭代次数初始化为t＝1；
S3：信道估计模块根据从活跃用户检测模块反馈的信道矩阵元素的活跃度ρm[n]，将等效输入流的噪声方差
Figure BDA0001589314530000029
和观测量rm[n]传给活跃用户检测模块，并将
Figure BDA00015893145300000210
输出；
S4：活跃用户检测模块根据信道估计模块传入的参数和初始活跃概率模块反馈的初始活跃概率似然比估计值
Figure BDA00015893145300000211
计算信道矩阵元素的活跃度ρm[n]反馈给信道估计模块，计算用户活跃似然比LLRn并传递给初始活跃概率估计模块，另外将LLRn输出；
S5：初始活跃概率估计模块根据活跃用户检测模块传入的参数，计算初始活跃概率似然比估计值
Figure BDA00015893145300000212
并反馈给活跃用户检测模块；
S6：令t＝t+1，并判断：如果t未达到预设次数T，则返回步骤S3；否则，则转入下一步骤；
S7：得到活跃用户集合：
Figure BDA0001589314530000031
并将
Figure BDA0001589314530000032
作为活跃用户n信道响应矢量第m个元素的估计值。
进一步，所述步骤S3包括以下步骤：
S3.1：等价并行输出流参数计算，具体包括步骤S3.1.1和S3.1.2：
S3.1.1：更新输出流的先验方差
Figure BDA0001589314530000033
和先验均值
Figure BDA0001589314530000034
Figure BDA0001589314530000035
Figure BDA0001589314530000036
其中sn[l]为导频矩阵S第l行第n列的元素，
Figure BDA0001589314530000037
为等效输入流的后验均值，
Figure BDA0001589314530000038
为等效输入流的后验方差，βh,m(l)为观测量辅助参数；
S3.1.2：更新输出流的后验方差
Figure BDA0001589314530000039
和后验均值
Figure BDA00015893145300000310
Figure BDA00015893145300000311
Figure BDA00015893145300000312
其中，xm[l]为并行输出流的等效发送信号，
Figure BDA00015893145300000313
为该发送信号的置信度因子，
Figure BDA00015893145300000314
为噪声方差，y m[l]为接收信号Y第m行l列的元素；
S3.2：等价并行输入流参数计算，具体包括步骤S3.2.1和S3.2.2：
S3.2.1：更新输入流的噪声方差辅助参数∈m(l)和观测量辅助参数βh,m(l)：
Figure BDA00015893145300000315
Figure BDA00015893145300000316
S3.2.2：更新输入流的噪声方差
Figure BDA00015893145300000317
和观测量rm[n]：
Figure BDA0001589314530000041
其中，L为导频长度；
Figure BDA0001589314530000042
其中，
Figure BDA0001589314530000043
为sn[l]的共轭转置；
S3.2.3：更新输入流的后验方差和后验均值：
Figure BDA0001589314530000044
Figure BDA0001589314530000045
其中，
Figure BDA0001589314530000046
其中，ρm[n]是从活跃用户检测模块计算得到的h m[n]的活跃度。
进一步，所述步骤S4包括以下步骤：
S4.1：更新用户n信道响应矢量hn第m个元素h m[n]的活跃似然比LLRm←n：
Figure BDA0001589314530000047
其中，
Figure BDA00015893145300000410
为输入流的噪声方差，ri[n]为输入流的观测量；
S3.2：更新用户n的活跃似然比LLRn：
Figure BDA0001589314530000048
S3.3：更新用户n信道响应矢量hn第m个元素h m[n]的活跃度ρm[n]：
Figure BDA0001589314530000049
进一步，所述步骤S5中的初始活跃概率估计模块采用下式计算初始活跃概率似然比估计值
Figure BDA0001589314530000051
Figure BDA0001589314530000052
有益效果：本发明公开了一种免调度传输系统联合活跃用户检测和信道估计方法，与现有技术相比，具有如下的有益效果：
1)该方法计算复杂度低，不需要矩阵求逆操作；
2)活跃用户的错检和漏检性能远好于传统的压缩感知多矢量测量方法；
3)信道估计性能可以接近最优的线性最小均方误差检测方法。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中混合消息传递流程图；
图2为本发明具体实施方式中信道估计模块流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
在本具体实施方式中，考虑免调度传输系统，上行传输不需要通过物理层控制信道请求时频传输资源，而是在预先分配的冲突域中按照同步时隙直接发送信号。假设同一用户在相邻帧内发送信号相互独立，同时不同用户是否发送信号相互独立。假设基站端天线数目为M，在线用户数目为N，每个用户是否发送信号服从独立同分布的伯努利分布。基站并不知道当前时刻有哪些用户向其发送数据，即不知道活跃用户集合，也不知道各用户与基站间的信道响应矢量。基于上述随机接入的特性，每一帧内的活跃用户检测和信道估计有必要同时进行，使得基站侧方便检测出哪些用户分别发送了什么数据。因此，对于随机接入上行传输模式，联合活跃用户检测和信道估计是比较合理的解决方案。
基站端接收的信号可以表示为：
Figure BDA0001589314530000053
其中，
Figure BDA0001589314530000054
为基站端接收到的信号，
Figure BDA0001589314530000055
为用户n的信道响应矢量，
Figure BDA0001589314530000056
为用户n的导频，
Figure BDA0001589314530000057
为独立同分布的复高斯白噪声，均值为零，方差为
Figure BDA0001589314530000058
选择Zadoff-Chu(ZC)序列生成确定性导频，对于根为r的某个序列
Figure BDA0001589314530000059
第l个元素sr(l)的表达式为：
Figure BDA0001589314530000061
其中，(L)2表示模2操作。用
Figure BDA0001589314530000062
表示对序列sr进行循环右移τ位的操作，则可得到一组相互正交的L长且根为r的ZC序列。在本发明的随机接入场景中，对所有在线用户的导频分配为：
Figure BDA0001589314530000063
其中导频所用根的个数为
Figure BDA0001589314530000064
并且所有导频都进行归一化，使得||sn||＝1。
另外对于块衰落上行传输，假设每个用户的信道响应相互独立且基站侧不同天线相互独立，因此用户n的信道响应矢量hn不同元素之间独立同分布，每个元素服从均值为0，方差为1的复高斯分布。若用户n此时处于非活跃状态，则该用户不向基站发送导频数据，相应的公式中导频矩阵的第n列为零向量，即sn＝0。用户n非活跃导致的对应导频数据为发送等价于该用户对应的信道响应矢量hn＝0，而对应的导频仍为基站为其分配的原导频序列。此时，接收信号可以表示为
Y＝SH+Z (4)
其中，Y＝YT，S＝[s1,s2,…,sN]，
Figure BDA0001589314530000065
Z＝ZT。此时矩阵H第n行第m列元素h m[n]为伯努利高斯分布，即
Figure BDA0001589314530000068
其中βm,n表示h m[n]是否为零，它的值可由下式得到：
Figure BDA0001589314530000066
其中，指示变量ξn,n＝1,…,N表示当前帧用户n的活跃状态，ξn＝1表示用户n活跃，ξn＝0表示不活跃，即不向基站发送任何数据。指示变量ξn服从相互独立的伯努利分布：
Figure BDA0001589314530000067
其中αn为用户初始活跃概率。
免调度传输系统联合活跃用户检测和信道估计方法如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1：输入接收信号Y和导频矩阵S，用户活跃概率已知时输入αn；
S2：对下列参数进行初始化：
信道矩阵元素的后验均值
Figure BDA0001589314530000071
初始化为
Figure BDA0001589314530000072
其中，m＝1,…,M，M为基站端天线数目，n＝1,…,N，N为在线用户数目，h m[n]为第n个用户对m根天线的信道响应，
Figure BDA0001589314530000073
为该信道响应对应的置信度因子，也即后验概率估计值；
信道矩阵元素的后验方差
Figure BDA0001589314530000074
初始化为
Figure BDA0001589314530000075
噪声方差辅助参数βh,m(l)初始化为βh,m(l)＝1；其中l＝1,…,L，L为导频长度；
信道矩阵元素的活跃度初始化为
Figure BDA0001589314530000076
用户初始活跃概率似然比估计值
Figure BDA0001589314530000077
初始化为
Figure BDA0001589314530000078
迭代次数初始化为t＝1；
S3：信道估计模块根据从活跃用户检测模块反馈的信道矩阵元素的活跃度ρm[n]，将等效输入流的噪声方差
Figure BDA0001589314530000079
和观测量rm[n]传给活跃用户检测模块，并将
Figure BDA00015893145300000710
输出；
S4：活跃用户检测模块根据信道估计模块传入的参数和初始活跃概率模块反馈的初始活跃概率似然比估计值
Figure BDA00015893145300000711
计算信道矩阵元素的活跃度ρm[n]反馈给信道估计模块，计算用户活跃似然比LLRn并传递给初始活跃概率估计模块，另外将LLRn输出；
S5：初始活跃概率估计模块根据活跃用户检测模块传入的参数，计算初始活跃概率似然比估计值
Figure BDA00015893145300000712
并反馈给活跃用户检测模块；
S6：令t＝t+1，并判断：如果t未达到预设次数T，则返回步骤S3；否则，则转入下一步骤；
S7：得到活跃用户集合：
Figure BDA00015893145300000713
并将
Figure BDA00015893145300000714
作为活跃用户n信道响应矢量第m个元素的估计值。
其中，步骤S3包括以下步骤：
S3.1：等价并行输出流参数计算，具体包括步骤S3.1.1和S3.1.2：
S3.1.1：更新输出流的先验方差
Figure BDA0001589314530000081
和先验均值
Figure BDA0001589314530000082
Figure BDA0001589314530000083
Figure BDA0001589314530000084
其中sn[l]为导频矩阵S第l行第n列的元素，
Figure BDA0001589314530000085
为等效输入流的后验均值，
Figure BDA0001589314530000086
为等效输入流的后验方差，βh,m(l)为观测量辅助参数；
S3.1.2：更新输出流的后验方差
Figure BDA0001589314530000087
和后验均值
Figure BDA0001589314530000088
Figure BDA0001589314530000089
Figure BDA00015893145300000810
其中，xm[l]为并行输出流的等效发送信号，
Figure BDA00015893145300000811
为该发送信号的置信度因子，
Figure BDA00015893145300000812
为噪声方差，y m[l]为接收信号Y第m行l列的元素；
S3.2：等价并行输入流参数计算，具体包括步骤S3.2.1和S3.2.2：
S3.2.1：更新输入流的噪声方差辅助参数∈m(l)和观测量辅助参数βh,m(l)：
Figure BDA00015893145300000813
Figure BDA00015893145300000814
S3.2.2：更新输入流的噪声方差
Figure BDA00015893145300000815
和观测量rm[n]：
Figure BDA00015893145300000816
其中，L为导频长度；
Figure BDA00015893145300000817
其中，
Figure BDA0001589314530000091
为sn[l]的共轭转置；
S3.2.3：更新输入流的后验方差和后验均值：
Figure BDA0001589314530000092
Figure BDA0001589314530000093
其中，
Figure BDA0001589314530000094
其中，ρm[n]是从活跃用户检测模块计算得到的h m[n]的活跃度。
步骤S4包括以下步骤：
S4.1：更新用户n信道响应矢量hn第m个元素h m[n]的活跃似然比LLRm←n：
Figure BDA0001589314530000095
其中，
Figure BDA0001589314530000096
为输入流的噪声方差，ri[n]为输入流的观测量；
S3.2：更新用户n的活跃似然比LLRn：
Figure BDA0001589314530000097
S3.3：更新用户n信道响应矢量hn第m个元素h m[n]的活跃度ρm[n]：
Figure BDA0001589314530000098
步骤S5中的初始活跃概率估计模块采用下式计算初始活跃概率似然比估计值
Figure BDA0001589314530000099
Figure BDA00015893145300000910

Claims (4)

1.免调度传输系统联合活跃用户检测和信道估计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：输入接收信号Y和导频矩阵S，用户活跃概率已知时输入αn；
S2：对下列参数进行初始化：
信道矩阵元素的后验均值
Figure FDA0002635877300000011
初始化为
Figure FDA0002635877300000012
其中，m＝1,…,M，M为基站端天线数目，n＝1,…,N，N为在线用户数目，h m[n]为第n个用户对m根天线的信道响应，
Figure FDA0002635877300000013
为该信道响应对应的置信度因子，也即后验概率估计值；
信道矩阵元素的后验方差
Figure FDA0002635877300000014
初始化为
Figure FDA0002635877300000015
噪声方差辅助参数βh,m(l)初始化为βh,m(l)＝1；其中l＝1,…,L，L为导频长度；
信道矩阵元素的活跃度初始化为
Figure FDA0002635877300000016
用户初始活跃概率似然比估计值
Figure FDA0002635877300000017
初始化为
Figure FDA0002635877300000018
迭代次数初始化为t＝1；
S3：信道估计模块根据从活跃用户检测模块反馈的信道矩阵元素的活跃度ρm[n]，将等效输入流的噪声方差
Figure FDA0002635877300000019
和观测量rm[n]传给活跃用户检测模块，并将
Figure FDA00026358773000000110
输出；
S4：活跃用户检测模块根据信道估计模块传入的参数和初始活跃概率估计模块反馈的初始活跃概率似然比估计值
Figure FDA00026358773000000111
计算信道矩阵元素的活跃度ρm[n]反馈给信道估计模块，计算用户活跃似然比LLRn并传递给初始活跃概率估计模块，另外将LLRn输出；
S5：初始活跃概率估计模块根据活跃用户检测模块传入的参数，计算初始活跃概率似然比估计值
Figure FDA00026358773000000112
并反馈给活跃用户检测模块；
S6：令t＝t+1，并判断：如果t未达到预设次数T，则返回步骤S3；否则，则转入下一步骤；
S7：得到活跃用户集合：
Figure FDA00026358773000000113
并将
Figure FDA00026358773000000114
作为活跃用户n信道响应矢量第m个元素的估计值。
2.根据权利要求1所述的免调度传输系统联合活跃用户检测和信道估计方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下步骤：
S3.1：等价并行输出流参数计算，具体包括步骤S3.1.1和S3.1.2：
S3.1.1：更新输出流的先验方差
Figure FDA0002635877300000021
和先验均值
Figure FDA0002635877300000022
Figure FDA0002635877300000023
Figure FDA0002635877300000024
其中sn[l]为导频矩阵S第l行第n列的元素，
Figure FDA0002635877300000025
为等效输入流的后验均值，
Figure FDA0002635877300000026
为等效输入流的后验方差，βh,m(l)为观测量辅助参数；
S3.1.2：更新输出流的后验方差
Figure FDA0002635877300000027
和后验均值
Figure FDA0002635877300000028
Figure FDA0002635877300000029
Figure FDA00026358773000000210
其中，xm[l]为并行输出流的等效发送信号，
Figure FDA00026358773000000211
为该发送信号的置信度因子，
Figure FDA00026358773000000212
为噪声方差，y m[l]为接收信号Y第m行l列的元素；
S3.2：等价并行输入流参数计算，具体包括步骤S3.2.1和S3.2.2：
S3.2.1：更新输入流的噪声方差辅助参数∈m(l)和观测量辅助参数βh,m(l)：
Figure FDA00026358773000000213
Figure FDA00026358773000000214
S3.2.2：更新输入流的噪声方差
Figure FDA00026358773000000215
和观测量rm[n]：
Figure FDA00026358773000000216
其中，L为导频长度；
Figure FDA0002635877300000031
其中，
Figure FDA0002635877300000032
为sn[l]的共轭转置；
S3.2.3：更新输入流的后验方差和后验均值：
Figure FDA0002635877300000033
Figure FDA0002635877300000034
其中，
Figure FDA0002635877300000035
其中，ρm[n]是从活跃用户检测模块计算得到的h m[n]的活跃度。
3.根据权利要求1所述的免调度传输系统联合活跃用户检测和信道估计方法，其特征在于：所述步骤S4包括以下步骤：
S4.1：更新用户n信道响应矢量hn第m个元素h m[n]的活跃似然比LLRm←n：
Figure FDA0002635877300000036
其中，
Figure FDA0002635877300000037
为输入流的噪声方差，ri[n]为输入流的观测量；
S3.2：更新用户n的活跃似然比LLRn：
Figure FDA0002635877300000038
S3.3：更新用户n信道响应矢量hn第m个元素h m[n]的活跃度ρm[n]：
Figure FDA0002635877300000039
4.根据权利要求1所述的免调度传输系统联合活跃用户检测和信道估计方法，其特征在于：所述步骤S5中的初始活跃概率估计模块采用下式计算初始活跃概率似然比估计值
Figure FDA00026358773000000310
Figure FDA0002635877300000041
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