CN108924079A - 一种功分多址系统发送端优化方法 - Google Patents

一种功分多址系统发送端优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种功分多址系统发送端优化方法，能够提升信道容量。所述方法包括：基于联合多用户分组和多层调制结果，针对每组组内用户，确定发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式；在给定信噪比条件下，依次使其中一个用户的星座旋转角度发生变化，按照确定的发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式，计算当前的互信息，取互信息最大时对应的星座旋转角度为组内用户在给定信噪比条件下的星座旋转角度。本发明涉及数字信息传输技术领域。

Description

一种功分多址系统发送端优化方法
技术领域
本发明涉及数字信息传输技术领域，特别是指一种功分多址系统发送端优化方法。
背景技术
多址技术在现代无线通信系统中具有重要作用。在第四代移动通信系统中，正交频分多址技术和单载波频分复用多址技术凭借其在可接受的复杂度下良好的系统性能成为两种主要关键技术。但是面对第五代移动通信系统中呈爆炸式增长的用户接入数目，正交多址接入技术已不能满足需求，非正交多址接入技术目前正受到广泛关注。
功分多址是非正交多址接入技术中的一种。通过对不同用户分配不同的功率，从而使得所有用户可以共用同一时频资源，极大地提高了系统的频谱利用率。在接收端，功分多址技术采用串行干扰消除进行多用户检测。通过研究表明：采用串行干扰消除的功分多址系统能够达到信道容量并且改善小区边缘用户的性能。但是，在上述系统中，为了保证每一次串行干扰消除的正确性，不同用户的功率需要呈指数衰减。随着用户数量的增多，功率小的用户很有可能淹没在噪声中，不能被正确检测。所以单一的功分多址方案在接入用户数方面受到极大的限制。
多层调制是一种新型调制方式。在多层调制技术中，每层用户在时域和频域完全叠加。但是，由于叠加后的信号可能出现相同的数值，用户数据与合并信号的星座点不再是一一映射，将无法进行正确的多用户检测，于是在多层调制基础上引入星座旋转，即每层用户数据不再直接叠加，而是使用一个该层专有的幅度缩放因子和相位旋转因子(即：星座旋转角度因子)作为识别标识。星座旋转多层调制能够有效复用用户，从而提高系统用户容量。
功分多址系统是在功率域复用用户的基础上，引入星座旋转多层调制。即：将具有相同信道状态的用户合并成一个组。在每一个组内，通过改变每一个用户的相位旋转因子将所有用户的信号叠加在一起。同一个组内的用户具有相同的功率，对不同组之间采取一定的功率分配方案，之后将不同组的信号直接叠加发送。以具有相同功率的4个用户采用二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)调制为例，参见图1，不同用户通过不同的旋转，叠加后产生独立的16个星座点，则系统最大可达速率为4符号/叠加符号。
现有技术中，一般为用户随机选择星座旋转角度，导致系统容量低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种功分多址系统发送端优化方法，以解决现有技术所存在的用户随机选择星座旋转角度，导致系统容量低的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种功分多址系统发送端优化方法，包括：
基于联合多用户分组和多层调制结果，针对每组组内用户，确定发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式；
在给定信噪比条件下，依次使其中一个用户的星座旋转角度发生变化，按照确定的发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式，计算当前的互信息，取互信息最大时对应的星座旋转角度为组内用户在给定信噪比条件下的星座旋转角度。
进一步地，所述针对每组组内用户，确定发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式包括：
基于发送端和接收端之间的互信息最大原则，确定发送端发送输入信号概率密度；
确定用户的发送信号与接收端接收信号之间的条件概率密度；
确定接收端接收信号的概率密度；
根据确定的发送端发送输入信号概率密度、用户的发送信号与接收端接收信号之间的条件概率密度及接收端接收信号的概率密度，确定发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息。
进一步地，确定的发送端发送输入信号概率密度p(b1,b2,…,bN)表示为：
其中，b1,b2,…,bN分别表示第1个、第2个、…、第N个用户的发送信号，N表示组内用户的数目，发送端发送输入信号 有2N种取值， 表示中的一种取值，θ1，θ2，…，θN分别表示组内第1个、第2个、…、第N个用户的星座旋转角度。
进一步地，确定的用户的发送信号与接收端接收信号之间的条件概率密度表示为：
其中，表示接收端的接收信号，N0表示加性高斯白噪声的方差。
进一步地，确定的接收端接收信号的概率密度表示为：
进一步地，确定的发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息I表示为：
进一步地，所述在给定信噪比条件下，依次使其中一个用户的星座旋转角度发生变化，按照确定的发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式，计算当前的互信息，取互信息最大时对应的星座旋转角度为组内用户在给定信噪比条件下的星座旋转角度包括：
令则：
令利用数值积分算法化简上述等式，得到：
其中，f(t1,t2)表示的标量形式，t1、t2表示的标量形式，表示对应t1、t2的中间变量；
在给定信噪比条件下，依次使其中一个星座旋转角度θi发生变化，i＝1,2,…,N，按照公式计算对应的互信息，取互信息最大时对应的星座旋转角度为组内用户在给定信噪比条件下的星座旋转角度。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，基于联合多用户分组和多层调制结果，针对每组组内用户，确定发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式；在给定信噪比条件下，依次使其中一个用户的星座旋转角度发生变化，按照确定的发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式，计算当前的互信息，取互信息最大时对应的星座旋转角度为组内用户在给定信噪比条件下的星座旋转角度。这样，基于联合多用户分组和多层调制结果，利用最大互信息原则对各用户星座旋转多层调制中的旋转角度因子进行优化，通过旋转角度因子的优化，每组用户发送端和接收端的互信息实现最大化，从而提升信道容量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的星座旋转叠加原理示意图；
图2为本发明实施例提供的功分多址系统发送端优化方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的功分多址系统发送端工作原理示意图；
图4为本发明实施例提供的2个用户星座旋转叠加的信道容量示意图；
图5为本发明实施例提供的3个用户星座旋转叠加的信道容量示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的用户随机选择星座旋转角度，导致系统容量低的问题，提供一种功分多址系统发送端优化方法。
如图2所示，本发明实施例提供的功分多址系统发送端优化方法，包括：
S101,基于联合多用户分组和多层调制结果，针对每组组内用户，确定发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式；
S102,在给定信噪比条件下，依次使其中一个用户的星座旋转角度发生变化，按照确定的发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式，计算当前的互信息，取互信息最大时对应的星座旋转角度为组内用户在给定信噪比条件下的星座旋转角度。
本发明实施例所述的功分多址系统发送端优化方法，基于联合多用户分组和多层调制结果，针对每组组内用户，确定发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式；在给定信噪比条件下，依次使其中一个用户的星座旋转角度发生变化，按照确定的发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式，计算当前的互信息，取互信息最大时对应的星座旋转角度为组内用户在给定信噪比条件下的星座旋转角度。这样，基于联合多用户分组和多层调制结果，利用最大互信息原则对各用户星座旋转多层调制中的旋转角度因子进行优化，通过旋转角度因子的优化，每组用户发送端和接收端的互信息实现最大化，从而提升信道容量。
本实施例中，按照功分多址的定义，在发送端，其发送结构如图3所示，假设每组内有N个用户。
(1)将用户分组，为组间用户分配不同功率，为组内用户分配相同功率。每个用户经过相同的基本调制方式；
(2)对每个组内的用户进行星座旋转叠加：组内每一个用户的星座旋转角度分别为θ1，θ2，…，θN，假设第n个用户的发送信号为bn，那么该组内所有用户的叠加信号(输入信号)应为图3中X总是所有的加和。
采用图3所示的功分多址系统发送端结构和发送条件。另假设在加性高斯白噪声(Additive White Gauss Noise,AWGN)信道下传输用户的发送信号，信道噪声是均值为0的二维加性高斯白噪声，各维方差为N0/2，其中，N0表示加性高斯白噪声的方差。每组内有N个用户，每个用户均采用BPSK调制，归一化组内用户功率。接收端的接收信号可表示为：
其中，表示加性高斯白噪声，有2N种取值，根据b1，b2，…，bN的取值，有：
…
为了获得输入信号与输出信号之间的互信息，基于联合多用户分组和多层调制结果，执行以下步骤：
A1，基于发送端和接收端之间的互信息最大原则，确定发送端发送输入信
号概率密度p(b1,b2,…,bN)。
根据信息理论可知，对于离散输入连续输出信道，当输入等概时，发送端和接收端之间的互信息最大。即：
其中，b1,b2,…,bN分别表示第1个、第2个、…、第N个用户的发送信号，N表示组内用户的数目，发送端发送输入信号 有2N种取值， 表示中的一种取值，θ1，θ2，…，θN分别表示组内第1个、第2个、…、第N个用户的星座旋转角度。
A2，计算发送信号b1,b2,…,bN与接收信号之间的条件概率密度
A3，计算接收信号的概率密度
A4，根据以上公式，计算信号与输出信号之间的互信息I(B1，B2，...，BN；Y)：
其中，B1,B2,…,BN、Y分别表示b1,b2,…,bN、的集合。
令则：
令可以利用高斯-厄米特(Gaussian-Hermite)数值积分算法化简上述等式得
其中，f(t1,t2)表示的标量形式，t1、t2表示的标量形式，表示对应t1、t2的中间变量，t1，t2的取值依据信息论取得。
星座图旋转角度θ1，θ2，…，θN是公式 中的参数。在给定信噪比(Signal to noiserate，SNR)条件下，依次使其中一个旋转角度θi(i＝1,2,…,N)发生变化，按照公式计算对应的互信息，取互信息最大时对应的星座旋转角度为组内用户在给定信噪比条件下的星座旋转角度。
为了验证本发明所述的功分多址系统发送端优化方法对信道容量的影响，对其进行仿真测试：
基于下述假设，分别对组内存在2个和3个用户的情况进行仿真。归一化组内用户功率，考虑AWGN信道。信道噪声为均值为0的二维高斯白噪声，各维方差为N0/2。组内用户采用BPSK调制。每组用户中，第1个用户(User0)不进行角度旋转。
对2个用户情况，通过仿真对比优化和随机选择旋转角度的两组用户性能。第一组用户为优化选择旋转角度，即根据信道状态，基于互信息最大化准则为第2个用户(User1)分配旋转角度，SNR和旋转角度关系如表1所示，仿真曲线为(opt)。第二组用户随机选择旋转角度，令第二个用户(User1)分别旋转角度0°,20°,40°,…,100°，并分别给出其在不同旋转角度下的仿真曲线。两组互信息的对比参见图4。
表1 2个用户星座旋转角度与信噪比之间的关系
SNR(dB) -30 -20 -10 0 10 20
用户1 0 0 0 0 0 0
用户2 90 90 90 90 90 40-142
类似的，对组内有3个用户的情况重复上述仿真，得到互信息对比图如图5所示，SNR和用户旋转角度关系如表2所示。
表2 3个用户星座旋转角度与信噪比之间的关系
SNR(dB) -30 -20 -10 0 10 20
用户1 0 0 0 0 0 0
用户2 120 120 120 60 134 143
用户3 60 60 60 126 88 37
通过理论证明和仿真结果可知，通过对组内用户旋转角度进行优化，每组用户发送端和接收端的互信息得以最大化。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种功分多址系统发送端优化方法，其特征在于，包括：
基于联合多用户分组和多层调制结果，针对每组组内用户，确定发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式；
在给定信噪比条件下，依次使其中一个用户的星座旋转角度发生变化，按照确定的发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式，计算当前的互信息，取互信息最大时对应的星座旋转角度为组内用户在给定信噪比条件下的星座旋转角度。
2.根据权利要求1所述的功分多址系统发送端优化方法，其特征在于，所述针对每组组内用户，确定发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式包括：
基于发送端和接收端之间的互信息最大原则，确定发送端发送输入信号概率密度；
确定用户的发送信号与接收端接收信号之间的条件概率密度；
确定接收端接收信号的概率密度；
根据确定的发送端发送输入信号概率密度、用户的发送信号与接收端接收信号之间的条件概率密度及接收端接收信号的概率密度，确定发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息。
3.根据权利要求2所述的功分多址系统发送端优化方法，其特征在于，确定的发送端发送输入信号概率密度p(b1,b2,…,bN)表示为：
其中，b1,b2,…,bN分别表示第1个、第2个、…、第N个用户的发送信号，N表示组内用户的数目，发送端发送输入信号 有2N种取值， 表示中的一种取值，θ1，θ2，…，θN分别表示组内第1个、第2个、…、第N个用户的星座旋转角度。
4.根据权利要求3所述的功分多址系统发送端优化方法，其特征在于，确定的用户的发送信号与接收端接收信号之间的条件概率密度表示为：
其中，表示接收端的接收信号，N0表示加性高斯白噪声的方差。
5.根据权利要求4所述的功分多址系统发送端优化方法，其特征在于，确定的接收端接收信号的概率密度表示为：
6.根据权利要求5所述的功分多址系统发送端优化方法，其特征在于，确定的发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息I表示为：
7.根据权利要求6所述的功分多址系统发送端优化方法，其特征在于，所述在给定信噪比条件下，依次使其中一个用户的星座旋转角度发生变化，按照确定的发送端发送输入信号与接收端输出信号之间的互信息表达式，计算当前的互信息，取互信息最大时对应的星座旋转角度为组内用户在给定信噪比条件下的星座旋转角度包括：
令则：
令利用数值积分算法化简上述等式，得到：
其中，f(t1,t2)表示的标量形式，t1、t2表示的标量形式，表示对应t1、t2的中间变量；
在给定信噪比条件下，依次使其中一个星座旋转角度θi发生变化，i＝1,2,…,N，按照公式计算对应的互信息，取互信息最大时对应的星座旋转角度为组内用户在给定信噪比条件下的星座旋转角度。
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