CN113541752A - 基于信号虚拟分解空域和功率域联合多址接入方法及系统 - Google Patents

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CN113541752A CN202110536611.8A CN202110536611A CN113541752A CN 113541752 A CN113541752 A CN 113541752A CN 202110536611 A CN202110536611 A CN 202110536611A CN 113541752 A CN113541752 A CN 113541752A
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Abstract

本发明公开了一种基于信号虚拟分解的空域和功率域联合多址接入方法及系统，系统包含多个期望发射机、一个调和发射机和一个公共接收机，公共接收机和所有发射机共享信道状态信息，调和发射机通过遍历得到一个正交基使调和功率最小，并将该正交基共享给期望发射机和公共接收机，并将该正交基包含的基向量所表征的空间特征作为多路期望信号的方向，求解调和信号，期望发射机根据正交基确定接收端的匹配滤波向量，计算期望数据增益，并发送给接收端，调和信号与实际发送信号在接收端相互作用，公共接收机对混合信号进行滤波，然后将滤波输出除以期望数据增益，得到期望数据。从而实现公共接收机从接收混合信号中无干扰恢复出多路期望数据。

Description

基于信号虚拟分解空域和功率域联合多址接入方法及系统
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步主要涉及多址接入方法，具体是一种基于信号虚拟分解的空域和功率域联合多址接入方法。
背景技术
多址技术应用于无线通信系统，使多个用户共享有限的系统资源。从第一代到第四代移动通信系统，多址技术经历了频分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)、时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)、码分多址(Code DivisionMultiple Access,CDMA)和正交频分多址(Orthogonal Frequency Division MultipleAccess,OFDMA)。不断发展的多址技术被用来提高系统的频谱效率和资源的利用效率。移动通信技术进入第五代(5G)后，各种新技术的发展和智能终端的快速增长对多址技术提出了新的要求，未来通信场景要求密集通信、低延迟以及高频谱效率。M.Chen and S.Li,"PowerAllocation for NOMA Based Layered Multicast Transmission,"2018IEEE 4thInternational Conference on Computer and Communications(ICCC),Chengdu,China,pp.678-682,2018.设计了一种非正交多址接入技术(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)，在发射端采用功率复用，对不同的用户分配不同的发射功率，在接收端通过串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)实现用户数据的区分与恢复，以增加接收机的复杂度为代价来提高频谱效率。此外，B.Ling,C.Dong,J.Dai and J.Lin,"Multiple Decision Aided Successive Interference Cancellation Receiver forNOMA Systems,"in IEEE Wireless Communications Letters,vol.6,no.4,pp.498-501,Aug.2017.表明，因为SIC接收机需要对多个用户信号逐一进行处理，会造成处理延时，并且SIC存在误差传播的问题，即前面用户信号的检测出错会对后续用户信号的恢复产生影响，这些弊端会对采用SIC的NOMA的应用产生一定的制约。专利"一种基于信号虚拟分解的多址接入方法及其系统:中国,202010682294.6,2020.07.15"提出一种基于信号虚拟分解的多址接入方法(Virtual Signal Division based Multiple Access,VSDMA)，多个期望发射机在同一时间使用相同频率发送信号，该方法引入一个萃取发射机，该萃取发射机设计并发送萃取信号，萃取信号可以等效为多个萃取信号分量的同相叠加，这些萃取信号分量与多个期望发射机发送的信号相互作用，使得公共接收机可以从接收混合信号中恢复出各个期望发射机发送的期望数据，但是该方法未考虑萃取发射机的功率开销，会导致过高的功率代价。
在无线通信系统中，干扰一直是影响通信的主要因素，为如何消除或抑制干扰是十分重要的技术问题。常用的干扰管理方法包括利用信道状态信息的(Channel StateInformation,CSI)的迫零接收(Zero-Forcing,ZF)、干扰对齐(Interference Alignment,IA)等，以及利用CSI和干扰携带的数据信息的干扰中和(Interference Neutralization,IN)和干扰导向(Interference Steering,IS)等。文献K.Gomadam,V.R.Cadambe andS.A.Jafar,"Approaching the capacity of wireless networks through distributedinterference alignment",Proc.IEEE Globecom,pp.4260-4265,2008.设计的IA通过在干扰源对干扰进行预处理，可以在受干扰接收机处将多个干扰映射到有限的子空间中，从而使期望信号而不受干扰的影响。但是，IA的可行性受限于系统的参数设置，如发射机和接收机的数量以及发射机或接收机的天线数等。文献W.Noh et al.,"Adaptive TransmissionControl in Multiple Interference Neutralization Groups,"IEEE CommunicationsLetters,vol.20,no.3,pp.526-529,March 2016.设计的IN利用信号间的相互作用，通过产生一个中和信号，可以在受干扰接收机处抵消掉干扰。但是IN产生中和信号需要消耗发射功率，会导致期望通信的性能损失。并且当干扰很强时，受干扰接收机对应的发射机可能缺少足够的功率来产生中和信号，从而导致IN不可用。文献Z.Li,Y.Liu,K.G.Shin,J.Liu andZ.Yan,"Interference Steering to Manage Interference in IoT,"in IEEE Internetof Things Journal,vol.6,no.6,pp.10458-10471,Dec.2019.设计的IS通过生成一个导向信号改变干扰的空间特征，从而将干扰调整至与期望通信正交的子空间。与IN相比，IS功率开销降低，但是需要消耗空间自由度(Degree of Freedom,DoF)放置导向后的干扰，这一开销与IA类似。
现有技术存在的问题是：以频率、时间、码子和空间等区分用户通信的多址方式的资源利用率低，无法适应日益增长的通信需求。虽然NOMA和VSDMA能够显著提高系统的频谱资源利用率，但由于在NOMA中接收机采用SIC，使其复杂度和处理时延增加，并且SIC存在误差传播的问题，而VSDMA存在萃取发射机功耗过大的问题。
解决上述技术问题的难度和意义：当系统中存在多个具有通信需求的用户时，多个用户的并发传输之间存在相互干扰，将影响接收机的接收效果(如误码率增加)，如何以较低的资源开销管理多个用户通信之间的干扰，实现多址，是值得研究的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于信号虚拟分解的空域和功率域联合多址接入(Space and Power Domain Virtual Signal Division based MultipleAccess,SPD-VSDMA)方法。
本发明是这样实现的，在存在多个期望发射机和一个公共接收机的上行通信系统中，引入一个调和发射机，使多个期望发射机可以在同一时间使用相同的频率向公共接收机发送信号，调和发射机通过对虚拟调和信号分量的功率开销进行遍历，使调和信号的功率开销最小，据此选定一个合适的正交基，将该正交基包含的基向量所表征的空间特征作为在公共接收机处恢复的多路期望信号的方向，进而求解能够与期望发射机的实际发送信号相互作用、以在公共接收机处恢复出多路相互正交的期望信号的调和信号，确定调和信号的预编码向量以及调和信号携带的数据符号，调和发射机根据调和信号的预编码向量及其携带的数据符号构造调和信号并发送给公共接收机，该调和信号可虚拟分解成多个相互正交的调和信号分量，调和信号分量与期望发射机实际发送的信号在公共接收机处相互作用，使公共接收机可以从接收到的混合信号中恢复出多路相互正交的信号，并从这些信号中恢复出多个用户的期望数据。
与VSDMA相比，本发明具有以下特点：
(1)本发明中的调和信号是由空间域中多个相互正交的虚拟调和信号分量相互作用而成，而VSDMA中的萃取信号是由多个同相萃取信号分量叠加而成；
(2)本发明中的调和发射机通过对虚拟调和信号分量的功率开销进行遍历，使调和信号的功率开销最小，据此选定一个合适的正交基，将该正交基包含的基向量所表征的空间特征作为在公共接收机处恢复的多路期望信号的方向，而VSDMA中是通过对虚拟分解因子进行遍历，从而直接对期望信号进行恢复；
(3)本发明能够使调和信号的功率开销最小化，是一种功率域的调整，并且该功率域的调整同时影响了调和信号的预编码向量设计，以及公共接收机恢复得到的多路期望信号的空间特征，本质上是空域和功率域的联合设计，而在VSDMA中并未涉及功率域的调整。
进一步，所述一种基于信号虚拟分解的空域和功率域联合多址接入方法包括以下步骤：
(1)所述无线上行通信系统由N个期望发射机Txk(k＝1,2,…,N)、1个公共接收机和1个调和发射机Txc组成，公共接收机和期望发射机共享信道状态信息，公共接收机将各个期望发射机的信道状态信息共享给调和发射机，同时期望发射机Txk将实际发送数据信息共享给调和发射机；
(2)每个期望发射机Txk根据自己与公共接收机之间的信道矩阵，设计期望发射机预编码向量pk(k＝1,2,…,N)，期望发射机Txk根据所述期望发射机预编码向量pk向公共接收机发送携带数据xk′的信号s′k，其中，xk′表示期望发射机向公共接收机实际发送的数据；
(3)调和发射机通过遍历以选定一正交基，并将该正交基包含的基向量所表征的空间特征作为公共接收机恢复出的多路期望信号的方向，并求解能够与期望发射机的实际发送信号相互作用，以得到恢复出的期望信号的调和信号，并进一步计算得到调和发送数据xc及其调和发射机预编码向量pc，调和信号sc可虚拟地分解成多个相互正交的虚拟调和信号分量，调和发射机将调和信号的信息以及选定的正交基共享给所有期望发射机，并同时将所得的正交基共享给公共接收机，调和发射机向公共接收机发送一路携带调和数据的调和信号；
(4)期望发射机Txk根据调和发射机选定的正交基，确定公共接收机处的匹配滤波向量，并计算滤波后的期望数据增益αk，期望发射机将计算所得的滤波后的期望数据增益αk发送给公共接收机，公共接收机采用调和发射机共享的正交基，确定滤波向量并对接收到的混合信号进行匹配滤波，并用滤波输出除以期望数据增益αk，以恢复出期望数据xk。
进一步，所述步骤一具体包括：
公共接收机Rx0广播导频信号，各个期望发射机根据所述导频信号估计其与Rx0之间的信道状态信息并反馈给Rx0，Rx0将各个期望发射机的信道状态信息共享给调和发射机，同时期望发射机将实际发送的数据信息共享给调和发射机，其中，公共接收机Rx0与Txk之间的信道状态信息记为Hk(k＝1,2,…,N)，Rx0和Txc间的信道状态信息记为Hc。
进一步，所述步骤二具体包括：
(2a)期望发射机Txk处预编码向量pk选取自对信道矩阵Hk进行奇异值分解得到的右奇异矩阵的第一列向量，其中，携带数据xk′为从与期望发射机Txk的原期望数据xk所属的相同调制符号集合中随机选取的，xk表示期望发射机希望发送给公共接收机的原期望数据；
(2b)调和发射机Txc向公共接收机Rx0发送数据xc的调和信号，公共接收机对接收到的调和信号进行虚拟正交分解，得到N个虚拟调和信号分量
Figure BDA0003069870350000051
其中，调和信号
Figure BDA0003069870350000052
Pc表示调和发射机发送调和信号的发射功率，sck(k＝1,2,…,N)表示第k个虚拟调和信号分量，<scj,scl>表示虚拟调和信号分量scj和scl的内积，|·|表示计算模值，j,l∈{1,2,…,N}且j≠l；
(2c)公共接收机Rx0接收到的来自第k个期望发射机Txk的实际发送信号记为
Figure BDA0003069870350000053
该分量与虚拟调和信号分量sck相互作用，得到sck+s′k，sck+s′k是公共接收机恢复出的第k路期望信号sk，其中，
Figure BDA0003069870350000054
表示Txk的发射功率。
进一步，所述步骤三具体包括：
(3a)调和发射机根据恢复出的期望信号sk(k＝1,2,…,N)的单位方向向量
Figure BDA0003069870350000055
以及实际发送信号s′k在
Figure BDA0003069870350000056
上的正交投影为
Figure BDA0003069870350000057
得到虚拟调和信号分量：
Figure BDA0003069870350000058
其中，由
Figure BDA0003069870350000059
所构成的正交向量构成一组正交基；
调和发射机根据期望发射机的实际发送信号s′k，通过遍历得到使调和信号功率开销最小的正交基，该正交基包含的向量为表示公共接收机Rx0恢复出的多路期望信号的方向，公共接收机Rx0恢复出的多路期望信号的方向分别位于该正交基包含的基向量所表征的空间方向上。
(3b)ηk＝||sck||2(k＝1,2,…,N)为第k个期望发射机的发射信号所需的虚拟调和信号分量的功率开销，在区间(0,||s′k||2)内对ηk进行遍历取值，对于遍历过程中的每个ηk值都是根据式(2)得到一个单位向量
Figure BDA0003069870350000061
并判断
Figure BDA0003069870350000062
是否满足条件：
Figure BDA0003069870350000063
对满足式(3)的第一个子式的
Figure BDA0003069870350000064
及其对应的ηk进行保存，若一个ηk出现多个符合式(3)的第一个子式的
Figure BDA0003069870350000065
则将这些符合条件的
Figure BDA0003069870350000066
记作
Figure BDA0003069870350000067
将对应的ηk记为
Figure BDA0003069870350000068
并进行保存；
对具有不同下标k的
Figure BDA0003069870350000069
进行组合，每一个k仅从jk＝1,2,…中选取一个jk作为上述
Figure BDA00030698703500000610
组合中的一个元素，可以得到多个组合
Figure BDA00030698703500000611
将每组
Figure BDA00030698703500000612
中的任意两个元素代入式(3)的第二个子式进行检验，对任意两个元素均满足式(3)的第二个子式的
Figure BDA00030698703500000613
进行保存，并计算保存的每一组
Figure BDA00030698703500000614
所对应的调和功率开销，第t组对应的调和功率开销
Figure BDA00030698703500000615
选取最小的
Figure BDA00030698703500000616
记为
Figure BDA00030698703500000617
并得到与之对应的
Figure BDA00030698703500000618
记为
Figure BDA00030698703500000619
即为遍历得到的正交基，将期望发射机实际发送的信号恢复到该正交基包含的基向量所表征的空间方向上，调和发射机的功率开销最小，为
Figure BDA00030698703500000620
调和信号可以表示为：
Figure BDA00030698703500000621
(3c)计算调和信号的发送的预编码向量pc以及调和信号发送数据xc。根据
Figure BDA00030698703500000622
以及计算得到的最小功率开销Pcmin可得
Figure BDA00030698703500000623
根据由式(4)得到的调和信号，令
Figure BDA00030698703500000624
参数ak和
Figure BDA00030698703500000625
为已知量，其中
Figure BDA00030698703500000626
是调和发射机的天线个数，调和发射机的调和发送数据表示为xc＝ac+bci(定义
Figure BDA0003069870350000071
可得bc＝ac tanθc)，其中θc由调和发射机在相位区间[0,2π)选取；调和信号的预编码向量
Figure BDA0003069870350000072
其中ack和
Figure BDA0003069870350000073
为未知量，且||pc||＝1，则有
Figure BDA0003069870350000074
由此可得
Figure BDA0003069870350000075
根据复数的实部和虚部对应相等的原则，可以得到方程组：
Figure BDA0003069870350000076
对式(5)所包含的所有子式(对应
Figure BDA0003069870350000077
)的等号两边取平方并相加，得
Figure BDA0003069870350000078
得到调和信号携带的调和发送数据为：
xc＝ac+ac tanθci (6)
其中，
Figure BDA0003069870350000079
由||pc||＝1，对
Figure BDA00030698703500000710
等号两边同时除以
Figure BDA00030698703500000711
得
Figure BDA00030698703500000712
得到调和信号的预编码向量为：
Figure BDA00030698703500000713
调和发射机将调和信号的信息以及遍历所得的正交基共享给所有期望发射机，并同时将所得的正交基共享给公共接收机，调和发射机向公共接收机发送一路携带调和数据的调和信号。
进一步，所述步骤四具体包括：
期望发射机Txk(k＝1,2,…,N)用波束成形的方式，以发射功率
Figure BDA0003069870350000081
和预编码pk向公共接收机发送数据xk′的信号s′k，调和发射机以发射功率Pcmin和预编码pc向公共接收机调和发送数据xc的调和信号sc，在公共接收机处Rx0，对恢复出的各个相互正交的期望信号分量进行匹配滤波，期望发射机根据来自调和发射机选定的正交基信息确定公共接收机处的匹配滤波向量，该滤波向量记为
Figure BDA0003069870350000082
则期望发射机可以根据调和发射机共享的调和信号信息和正交基计算出滤波后得到的期望数据xk的增益αk(k＝1,2,…,N)为：
Figure BDA0003069870350000083
期望发射机将滤波后的期望数据增益αk发送给公共接收机，公共接收机采用调和发射机共享的正交基确定滤波向量fk，对接收到的混合信号进行匹配滤波，并用滤波输出除以期望数据增益αk，从而恢复出期望数据xk：
Figure BDA0003069870350000084
本发明的目的在于提供一种基于信号虚拟分解的空域和功率域联合多址接入方法，适应于包含多个发射机和一个公共接收机的上行无线通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明在上行通信系统中，调和发射机通过对虚拟调和信号分量的功率开销进行遍历，使调和信号的功率开销最小，据此选定一个合适的正交基，将该正交基包含的基向量所表征的空间特征作为在公共接收机处恢复的多路期望信号的方向，进而求解能够与期望发射机的实际发送信号相互作用、以得到多路相互正交的期望信号的调和信号，确定调和信号的预编码向量以及调和信号携带的数据符号，调和发射机根据调和信号的预编码向量及其携带的数据符号构造调和信号并发送给公共接收机，该调和信号可虚拟分解成多个相互正交的调和信号分量，调和信号分量与期望发射机实际发送的信号在公共接收机处相互作用，使公共接收机可以从接收到的混合信号中恢复出多路相互正交的信号，并从这些信号中恢复出多个用户的期望数据，实现多址接入。该方法能够用于解决多用户通信系统中的干扰问题，提高通信系统的频谱效率。SPD-VSDMA对调和信号的功率开销进行最小化，是一种功率域的调整，并且该功率域的调整同时影响了调和信号的预编码向量设计，以及公共接收机恢复得到的多路期望信号的空间特征，是一种空域和功率域的联合设计。
附图说明
图1是本发明一种基于信号虚拟分解的空域和功率域联合多址接入方法(SPD-VSDMA)的流程示意图；
图2是本发明的系统模型示意图；
图3是本发明在用户数N＝2时，SPD-VSDMA原理示意图；
图4是本发明的控制信息交互示意图；
图5是本发明SPD-VSDMA与迫零接收(Zero-Forcing,ZF)、匹配滤波(MatchedFiltering,MF)、干扰导向(Interference Steering,IS)、干扰中和(InterferenceNeutralization,IN)以及基于信号虚拟分解的多址方法(Virtual Signal Divisionbased Multiple Access,VSDMA)的系统平均频谱效率比较的示意图。
图6是本发明SPD-VSDMA与VSDMA的调和信号功率的开销对比示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明针对存在共道干扰的多用户上行通信场景，提出一种基于信号虚拟分解的空域和功率域联合多址接入方法，适用于包含多个期望发射机和一个公共接收机的无线通信系统，解决多路并发通信间的无线干扰问题。通过引入一个调和发射机，调和发射机通过对虚拟调和信号分量的功率开销进行遍历，使调和信号的功率开销最小，据此选定一个合适的正交基，将该正交基包含的基向量所表征的空间特征作为在公共接收机处恢复的多路期望信号的方向，进而求解能够与期望发射机的实际发送信号相互作用、以在公共接收机处恢复出期望信号的调和信号，确定调和信号的预编码向量以及调和信号携带的数据符号，调和发射机根据调和信号的预编码向量及其携带的调和数据构造调和信号并发送给公共接收机，该调和信号可虚拟分解成多个相互正交的调和信号分量，调和信号分量与期望发射机实际发送的信号在公共接收机处相互作用，使公共接收机可以从接收到的混合信号中恢复出多路相互正交的信号，并从这些信号中恢复出多个用户的期望数据。
所提SPD-VSDMA对调和信号的功率开销进行最小化，是一种功率域的调整，并且该功率域的调整同时影响了调和信号的预编码向量设计，以及公共接收机恢复得到的多路期望信号的空间特征，是一种空域和功率域的联合设计。所提方法可以使公共接收机无干扰地恢复出多路期望数据，实现多址，提高系统的频谱效率。
如图1所示，本发明实施例提供的应用于多用户上行通信系统的一种基于信号虚拟分解的空域和功率域联合多址接入方法包括以下步骤：
步骤101，系统由N个期望发射机、1个公共接收机和1个调和发射机组成，公共接收机和期望发射机共享信道状态信息，公共接收机将各个期望发射机的信道状态信息共享给调和发射机，同时期望发射机将实际发送的数据信息共享给调和发射机；
步骤102，每个期望发射机根据对自己与公共接收机之间的信道矩阵进行奇异值分解得到预编码向量pk(k＝1,2,…,N)。期望发射机Txk向公共接收机发送携带数据xk′的信号s′k；
具体的，期望发射机Txi向公共接收机发送携带数据xk′的信号s′k，xk′可以从与Txk的原期望数据xk所属的相同调制符号集合中随机选取。
步骤103，调和发射机通过遍历以选定一个合适的正交基，并将该正交基包含的基向量所表征的空间特征作为在公共接收机处恢复的多路期望信号的方向，进而求解能够与期望发射机的实际发送信号相互作用，以在公共接收机处恢复出期望信号的调和信号，并进一步得到调和发送数据xc及其调和预编码向量pc，调和发射机将调和信号的信息以及选定的正交基共享给所有期望发射机，并将该正交基同时共享给公共接收机，调和发射机将调和信号发送给公共接收机；
具体的，调和信号可虚拟地分解成多个相互正交的虚拟调和信号分量。
步骤104，期望发射机计算滤波后的期望数据增益αk(k＝1,2,…,N)，并将滤波后的期望数据增益发送给所述公共接收机，公共接收机用匹配滤波向量对恢复出的混合信号进行滤波，恢复出期望数据xk。
具体的，期望发射机Txk(k＝1,2,…,N)根据来自调和发射机的选定的正交基信息确定公共接收机处的匹配滤波向量，计算滤波后的期望数据增益αk(k＝1,2,…,N)，并将滤波后的期望数据增益αk发送给公共接收机，公共接收机采用调和发射机共享的正交基确定滤波向量对接收到的混合信号进行滤波，并用滤波输出除以期望数据增益αi，恢复出期望数据xi。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图2所示，本发明研究无线通信上行传输系统。系统中存在N个期望发射机，所有期望发射机向一个公共接收机Rx0发送信号。Txk表示第k个期望发射机，配备了
Figure BDA0003069870350000111
根天线，发射功率为
Figure BDA0003069870350000112
其中k＝1,2,…,N。N个期望发射机均采用波束成形(Beamforming,BF)方式向公共接收机发送单路数据流。期望发射机不再发送期望数据xk，而是发送数据xk′，所有的期望发射机采用相同的调制方式，xk′可以从与Txi的原期望数据xi所属的相同调制符号集合中随机选取。为了在公共接收机处正确区分来自N个期望发射机的信号，引入调和发射机Txc，其配备
Figure BDA0003069870350000113
根天线，发射功率为Pc。Txc发送一路调和信号，携带调和发送数据xc。另外，公共接收机Rx0配备
Figure BDA0003069870350000114
根接收天线。
Figure BDA0003069870350000115
和
Figure BDA0003069870350000116
分别表示Txk与Rx0、Txc与Rx0之间的信道状态信息(Channel StateInformation,CSI)，Txk需要将自己的数据信息及其与Rx0之间的CSI共享给调和发射机。上述信道矩阵服从零均值、单位方差的复高斯分布。假设信道状态在一个由若干个连续时隙构成的块(Block)内保持不变，用于CSI和控制信令传递的链路是稳定、无差错的，并且传输延迟与信道变化的时间尺度相比可以忽略不计。Rx0可以通过来自期望发射机机的反馈准确获得所有信道的CSI。多个期望发射机到Rx0的信号传输之间存在相互干扰，引入调和发射机向Rx0发送一路调和信号，与期望发射机发送的信号在Rx0处相互作用，可以使Rx0从接收混合信号中恢复出多路相互正交的期望信号，进而从这些期望信号中解调出用户数据信息。SPD-VSDMA对调和信号的功率开销进行最小化，是一种功率域的调整，并且该功率域的调整同时影响了调和信号的预编码向量设计，以及公共接收机恢复得到的多路期望信号的空间特征，是一种空域和功率域的联合设计。
图3给出SPD-VSDMA的设计原理。调和信号sc可以虚拟分解为sc1和sc2，它们与期望发射机的实际发送信号s1′和s2′分别作用，可以在Rx0处恢复出相互正交的期望信号s1与s2，s1与s2的空间特征可以由一组标准正交基
Figure BDA0003069870350000121
确定，该正交基所包含的基向量的空间特征分别对应信号矢量s1和s2的方向。
本发明的实现步骤如下：本实施例的适用场景是假设发射机与接收机已经建立了时间同步，接下来可以按照本发明的操作进行多用户通信。本实施例中的数据信息包括期望发射机发送的数据信息、期望发射机的实际发送数据信息，以及调和发射机发送的调和数据信息。
步骤1，系统由2个期望发射机、1个公共接收机和1个调和发射机组成，公共接收机和期望发射机共享信道状态信息，公共接收机将各个期望发射机的信道状态共享给调和发射机，同时期望发射机将实际发送的符号信息共享给调和发射机；
具体而言，系统包含的2个期望发射机为Tx1和Tx2，1个调和发射机为Txc，其中
Figure BDA0003069870350000122
公共接收机Rx0广播导频信号，各个期望发射机估计信道信息并反馈给Rx0，然后公共接收机Rx0将各个期望发射机的信道状态信息共享给调和发射机，同时期望发射机将实际发送的符号信息共享给调和发射机。公共接收机Rx0与Txk(k＝1,2)之间的信道状态信息记为Hk(k＝1,2)，Rx0和Txc间的信道状态信息记为Hc。
步骤2，期望发射机Tx1和Tx2根据自己与公共接收机之间的信道矩阵设计预编码向量pk(k＝1,2)。两个期望发射机向公共接收机发送携带符号xk′(k＝1,2)的信号s′k(k＝1,2)；
(2a)两个期望发射机的预编码向量p1和p2可以通过分别对信道矩阵H1和H2进行奇异值分解获得，其中期望发射机的预编码选取自对信道矩阵进行奇异值分解得到的右奇异矩阵的第一列向量。期望发射机Tx1和Tx2采用二进制相移键控(Binary Phase ShiftKeying,BPSK)调制，x1′和x2′可以分别从与期望发射机的原期望数据x1和x2所属的相同调制符号集合Ω＝{-1,1}中随机选取，其中，x′k(k＝1,2)表示期望发射机向公共接收机实际发送的数据符号，xk(k＝1,2)表示期望发射机希望发送给公共接收机的原期望数据。
(2b)调和发射机Txc向公共接收机Rx0发送携带数据xc的调和信号，公共接收机对接收到的调和信号进行虚拟地正交分解，得到2个虚拟调和信号分量，即：
Figure BDA0003069870350000131
其中，调和信号
Figure BDA0003069870350000132
PE表示调和发射机发送调和信号的发射功率，sc1和sc2表示虚拟调和信号分量，〈sc1,sc2>表示虚拟调和信号分量sc1和sc2的内积，|·|表示计算模值。
(2c)公共接收机Rx0接收到的来自期望发射机Tx1和Tx2的实际发送信号为
Figure BDA0003069870350000133
该分量与虚拟调和信号分量sck(k＝1,2)相互作用，得到sck+s′k，sck+s′k也是公共接收机恢复出的第k路期望信号sk，即sk＝sck+s′k，其中，
Figure BDA0003069870350000134
和
Figure BDA0003069870350000135
表示期望发射机的发射功率。
步骤3，调和发射机通过遍历以选定一个合适的正交基，并将该正交基包含的基向量所表征的空间特征作为在公共接收机处恢复的多路期望信号的方向，进而求解能够与期望发射机的实际发送信号相互作用，以在公共接收机处恢复出期望信号的调和信号，并进一步得到调和信号携带的调和发送数据xc及其调和预编码向量pc，其中调和信号可虚拟地分解成多个相互正交的虚拟调和信号分量，调和发射机将调和信号的信息以及所选定的正交基共享给所有期望发射机，并将所选定的正交基同时共享给公共接收机，调和发射机将调和信号发送到公共接收机；
(3a)调和发射机根据不同的正交基进行多址设计会产生不同的调和信号功率开销，为了使在给定的正交基下最小化调和信号的功率开销，将恢复出的期望信号s1和s2的单位方向向量记为
Figure BDA0003069870350000141
和
Figure BDA0003069870350000142
则实际发送信号在期望信号方向上的正交投影为
Figure BDA0003069870350000143
可以得到虚拟调和信号分量为式(2)，其中k＝1,2，由
Figure BDA0003069870350000144
和
Figure BDA0003069870350000145
所构成的正交向量构成一组正交基。调和发射机根据期望发射机的实际发送信号s′k，可以通过遍历得到使调和信号功率开销最小的正交基，该正交基包含的向量即表示公共接收机Rx0恢复出的两路期望信号的方向。
(3b)令η1＝||sc1||2，η2＝||sc2||2表示第k(k＝1,2)个期望发射机发送的信号所需的虚拟调和信号分量的功率开销，在区间(0,||s1′||2)内对η1进行遍历取值，对于遍历过程中的每一个η1值，都可以在k＝1时根据式(2)得到一个单位向量
Figure BDA0003069870350000146
并判断每一个在k＝1时符合式(3)的第一个子式的单位向量
Figure BDA0003069870350000147
对k＝1时满足式(3)的第一个子式的
Figure BDA0003069870350000148
及其对应的η1进行保存，对于一个η1，可能会出现多个在k＝1时符合式(3)的第一个子式的
Figure BDA0003069870350000149
对于每一个符合式(3)的第一个子式的
Figure BDA00030698703500001410
根据
Figure BDA00030698703500001411
求解单位向量
Figure BDA00030698703500001412
且所得单位向量
Figure BDA00030698703500001413
需在k＝2时满足式(3)的第一个子式，根据η2＝||sc2||2求解η2，将这些符合式(3)的
Figure BDA00030698703500001414
和
Figure BDA00030698703500001415
分别记作
Figure BDA00030698703500001416
和
Figure BDA00030698703500001417
并保存每一组
Figure BDA00030698703500001418
对应的功率开销，第t组对应的功率开销记为
Figure BDA00030698703500001419
得到调和功率开销，选取最小的
Figure BDA00030698703500001420
记为
Figure BDA00030698703500001421
并得到对应的
Figure BDA00030698703500001422
和
Figure BDA00030698703500001423
分别记为
Figure BDA00030698703500001424
和
Figure BDA00030698703500001425
则
Figure BDA00030698703500001426
和
Figure BDA00030698703500001427
即为遍历得到的正交基，将期望发射机发送的信号恢复到该正交基包含的基向量所表征的空间方向上，调和发射机的功率开销最小，为
Figure BDA00030698703500001428
调和信号可以表示为：
Figure BDA00030698703500001429
(3c)计算调和信号的发射预编码向量以及调和信号携带的调和发送数据。根据
Figure BDA00030698703500001430
以及计算得到的最小功率开销Pcmin可得
Figure BDA00030698703500001431
以及按照式(11)得到的调和信号，令
Figure BDA00030698703500001432
参数a1，a2，b1和b2为已知量，调和发射机的发送数据符号可以表示为xc＝ac+bci(定义
Figure BDA0003069870350000151
可得bc＝ac tanθc)，其中θc由调和发射机在相位区间[0,2π)选取。调和信号的预编码向量
Figure BDA0003069870350000152
其中ac1，ac2，bc1和bc2为未知数，且||pc||＝1，则有
Figure BDA0003069870350000153
由此可以得到
Figure BDA0003069870350000154
则根据复数的实部和虚部对应相等的原则，可以得到方程组式(5)，其中k＝1,2。
对式(5)所包含的所有子式的等号两边取平方并相加，可得
Figure BDA0003069870350000155
故
Figure BDA0003069870350000156
可以得到调和信号携带的符号为：
xE＝ac+ac tanθci (12)
由||pc||＝1，对
Figure BDA0003069870350000157
等号两边同时除以
Figure BDA0003069870350000158
可得
Figure BDA0003069870350000159
可得到调和信号的预编码向量为：
Figure BDA00030698703500001510
调和发射机将调和信号的信息以及遍历所得的正交基共享给所有期望发射机，并同时将所得的正交基共享给公共接收机，调和发射机向公共接收机发送一路携带调和数据的调和信号。
步骤4，期望发射机Tx1和Tx2根据来自调和发射机的选定的正交基确定公共接收机处的匹配滤波向量，并计算滤波后的期望数据增益α1和α2，然后将计算所得的期望数据增益发送给公共接收机，公共接收机采用调和发射机共享的正交基确定滤波向量对接收到的混合信号进行滤波，并用滤波输出除以期望数据增益，恢复出期望数据x1和x2。
(4a)期望发射机Txk(k＝1,2)用波束成形的方式，以发射功率
Figure BDA0003069870350000161
和预编码pk(k＝1,2)分别向公共接收机发送数据x1′和x2′的信号，调和发射机以发射功率Pcmin和调和预编码pc向公共接收机发送携带调和发送数据xE的调和信号，在公共接收机处，对恢复出的期望信号分量进行匹配滤波，期望发射机根据来自调和发射机的选定的正交基确定公共接收机处的匹配滤波向量，该滤波向量记为
Figure BDA0003069870350000162
和
Figure BDA0003069870350000163
则期望发射机可以根据调和发射机共享的调和信号信息和正交基计算出滤波后得到的期望数据的增益为：
Figure BDA0003069870350000164
(4b)期望发射机将滤波后的期望数据增益发送给公共接收机，公共接收机采用调和发射机共享的正交基确定滤波向量对接收到的混合信号进行滤波，并用滤波输出除以期望数据增益，恢复出期望数据x1和x2：
Figure BDA0003069870350000165
可以得到系统的频谱效率为：
Figure BDA0003069870350000166
图4给出了本发明的控制信息交互示意图。如图所示，第一阶段对应于步骤(1)，期望发射机将其信道状态信息共享给公共接收机，并将实际发送的符号信息共享给调和发射机，然后公共接收机再将期望发射机的信道状态信息共享给调和发射机。第二阶段对应于步骤(3)和(4)，调和发射机根据遍历得到的正交基和调和信号，并将调和信号和选定的正交基共享给期望发射机，也将选定的正交基共享给公共接收机，期望发射机根据调和发射机共享的正交基和调和信号信息，进一步计算得到期望数据增益，然后将此增益共享给公共接收机。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
一、仿真条件：
为了对本发明性能进行评估，我们假设通信系统包括两个期望发射机Tx1和Tx2，一个调和发射机Txc以及一个公共接收机Rx0，假设所有发射机和接收机均配置两根天线。Tx1和Tx2采用BPSK调制，且分别向Rx0发送数据x1′和x2′的实际发送信号s1′和s2′。期望发射机向公共接收机传输的期望数据为x1和x2，其中x1′,x2′,x1,x2均取自调制符号集Ω＝{-1,1}。Tx1和Tx2的发射功率相同，为
Figure BDA0003069870350000171
噪声功率为
Figure BDA0003069870350000172
信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)为
Figure BDA0003069870350000173
在仿真中，选取SNR∈[-10,20]dB。
将ZF、MF、IS、IN以及VSDMA与所提方案在上述通信场景中进行性能仿真与比较。
二、仿真内容：
说明书附图的图5给出了期望发射机个数N＝2时，采用SPD-VSDMA、ZF、MF、IS、IN以及VSDMA的系统平均频谱效率(Spectral Efficiency,SE)随信噪比变化的情况。如图4所示，SPD-VSDMA与VSDMA的SE性能几乎重叠，并且优于其它方法的SE，这是由于SPD-VSDMA与VSDMA均能够保证恢复得到的多路期望信号在公共接收机处互相正交，从而消除了多路期望信号间的相互干扰。采用ZF接收，虽然期望信号间也不存在干扰，但是期望信号的功率会有所损失，因此SPD-VSDMA的性能优于ZF。在低信噪比时，MF的SE优于ZF，与SPD-VSDMA接近。这是由于MF能够最大化期望信号功率的接收，其性能主要取决于干扰的强度，当信噪比低时，两路期望信号间的干扰较小，噪声是影响SE的主要因素，因此MF的性能与SPD-VSDMA相当；当信噪比升高时，并发信号之间的干扰增强，MF的接收信干噪比降低，导致其性能劣于SPD-VSDMA。应当注意的是，以上关于IS和IN的对比仿真中，期望发射机的总发射功率是相等的，即SPD-VSDMA的调和发射机的功率会被平均分配给IS和IN的两个期望发射机。采用IS时，期望发射机需要消耗一部分的功率用于导向信号的发送，以使公共接收机观测到的多路期望信号互相正交，但是导向信号的功率开销会使用于期望数据发送的功率降低，因此IS的SE劣于SPD-VSDMA。由于两个期望发射机的发射功率相同，IN需要较高的功率开销，导致用于发送期望数据的功率更小，而且IN为了恢复出期望信号，会中和掉一路干扰，使得在接收机处只能恢复出一路数据信息，所以IN的SE最低。
图6给出SPD-VSDMA和VSDMA的调和功率开销的仿真比较，我们将两种方法的调和功率开销对VSDMA的功率开销进行归一化。如图所示，SPD-VSDMA的调和功率开销始终低于VSDMA，约为VSDMA功率开销的93％。这是因为相比于VSDMA，SPD-VSDMA通过遍历得到使调和信号功率开销最小的一组正交基，能够最大程度地节约调和发射机的功率开销。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于信号虚拟分解的空域和功率域联合多址接入方法，适用在多个期望发射机和一个公共接收机的无线上行通信系统，其特征在于，包括以下步骤：
(1)所述无线上行通信系统由N个期望发射机Txk(k＝1,2,…,N)、1个公共接收机和1个调和发射机Txc组成，公共接收机和期望发射机共享信道状态信息，公共接收机将各个期望发射机的信道状态信息共享给调和发射机，同时期望发射机Txk将实际发送数据信息共享给调和发射机；
(2)每个期望发射机Txk根据自己与公共接收机之间的信道矩阵，设计期望发射机预编码向量pk(k＝1,2,…,N)，期望发射机Txk根据所述期望发射机预编码向量pk向公共接收机发送携带数据x′k的信号s′k，其中，x′k表示期望发射机向公共接收机实际发送的数据；
(3)调和发射机通过遍历以选定一正交基，并将该正交基包含的基向量所表征的空间特征作为公共接收机恢复出的多路期望信号的方向，并求解能够与期望发射机的实际发送信号相互作用，以得到恢复出的期望信号的调和信号，并进一步计算得到调和发送数据xc及其调和发射机预编码向量pc，调和信号sc可虚拟地分解成多个相互正交的虚拟调和信号分量，调和发射机将调和信号的信息以及选定的正交基共享给所有期望发射机，并同时将所得的正交基共享给公共接收机，调和发射机向公共接收机发送一路携带调和数据的调和信号；
(4)期望发射机Txk根据调和发射机选定的正交基，确定公共接收机处的匹配滤波向量，并计算滤波后的期望数据增益αk，期望发射机将计算所得的滤波后的期望数据增益αk发送给公共接收机，公共接收机采用调和发射机共享的正交基，确定滤波向量并对接收到的混合信号进行匹配滤波，并用滤波输出除以期望数据增益αk，以恢复出期望数据xk。
2.根据权利要求1所述的一种基于信号虚拟分解的空域和功率域联合多址接入方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：
公共接收机Rx0广播导频信号，各个期望发射机根据所述导频信号估计其与Rx0之间的信道状态信息并反馈给Rx0，Rx0将各个期望发射机的信道状态信息共享给调和发射机，同时期望发射机将实际发送的数据信息共享给调和发射机，其中，公共接收机Rx0与Txk之间的信道状态信息记为Hk(k＝1,2,…,N)，Rx0和Txc间的信道状态信息记为Hc。
3.根据权利要求1所述的一种基于信号虚拟分解的空域和功率域联合多址接入方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：
(2a)期望发射机Txk处预编码向量pk选取自对信道矩阵Hk进行奇异值分解得到的右奇异矩阵的第一列向量，其中，携带数据x′k为从与期望发射机Txk的原期望数据xk所属的相同调制符号集合中随机选取的，xk表示期望发射机希望发送给公共接收机的原期望数据；
(2b)调和发射机Txc向公共接收机Rx0发送数据xc的调和信号，公共接收机对接收到的调和信号进行虚拟正交分解，得到N个虚拟调和信号分量
Figure FDA0003069870340000021
其中，调和信号
Figure FDA0003069870340000022
Pc表示调和发射机发送调和信号的发射功率，sck(k＝1,2,…,N)表示第k个虚拟调和信号分量，<scj,scl>表示虚拟调和信号分量scj和scl的内积，|·|表示计算模值，j,l∈{1,2,…,N}且j≠l；
(2c)公共接收机Rx0接收到的来自第k个期望发射机Txk的实际发送信号记为
Figure FDA0003069870340000023
该分量与虚拟调和信号分量sck相互作用，得到sck+s′k，sck+s′k是公共接收机恢复出的第k路期望信号sk，其中，PTk表示Txk的发射功率。
4.根据权利要求1所述的一种基于信号虚拟分解的空域和功率域联合多址接入方法，其特征在于，步骤(3)中具体为：
(3a)调和发射机根据恢复出的期望信号sk(k＝1,2,…,N)的单位方向向量
Figure FDA0003069870340000031
以及实际发送信号s′k在
Figure FDA0003069870340000032
上的正交投影为
Figure FDA0003069870340000033
得到虚拟调和信号分量：
Figure FDA0003069870340000034
其中，由
Figure FDA0003069870340000035
所构成的正交向量构成一组正交基；
调和发射机根据期望发射机的实际发送信号s′k，通过遍历得到使调和信号功率开销最小的正交基，该正交基包含的向量为表示公共接收机Rx0恢复出的多路期望信号的方向，公共接收机Rx0恢复出的多路期望信号的方向分别位于该正交基包含的基向量所表征的空间方向上。
(3b)ηk＝||sck||2(k＝1,2,…,N)为第k个期望发射机的发射信号所需的虚拟调和信号分量的功率开销，在区间(0,||s′k||2)内对ηk进行遍历取值，对于遍历过程中的每个ηk值都是根据式(2)得到一个单位向量
Figure FDA0003069870340000036
并判断
Figure FDA0003069870340000037
是否满足条件：
Figure FDA0003069870340000038
对满足式(3)的第一个子式的
Figure FDA0003069870340000039
及其对应的ηk进行保存，若一个ηk出现多个符合式(3)的第一个子式的
Figure FDA00030698703400000310
则将这些符合条件的
Figure FDA00030698703400000311
记作
Figure FDA00030698703400000312
(k＝1,2,…,N,jk＝1,2,…)，将对应的ηk记为
Figure FDA00030698703400000319
并进行保存；
对具有不同下标k的
Figure FDA00030698703400000313
进行组合，每一个k仅从jk＝1,2,…中选取一个jk作为上述
Figure FDA00030698703400000314
组合中的一个元素，可以得到多个组合
Figure FDA00030698703400000315
将每组
Figure FDA00030698703400000316
中的任意两个元素代入式(3)的第二个子式进行检验，对任意两个元素均满足式(3)的第二个子式的
Figure FDA00030698703400000317
进行保存，并计算保存的每一组
Figure FDA00030698703400000318
所对应的调和功率开销，第t组对应的调和功率开销
Figure FDA0003069870340000041
选取最小的
Figure FDA0003069870340000042
记为
Figure FDA0003069870340000043
并得到与之对应的
Figure FDA0003069870340000044
记为
Figure FDA0003069870340000045
Figure FDA0003069870340000046
即为遍历得到的正交基，将期望发射机实际发送的信号恢复到该正交基包含的基向量所表征的空间方向上，调和发射机的功率开销最小，为
Figure FDA0003069870340000047
调和信号可以表示为：
Figure FDA0003069870340000048
(3c)计算调和信号的发送的预编码向量pc以及调和信号发送数据xc。根据
Figure FDA0003069870340000049
以及计算得到的最小功率开销Pcmin可得
Figure FDA00030698703400000410
根据由式(4)得到的调和信号，令
Figure FDA00030698703400000411
参数ak和
Figure FDA00030698703400000417
为已知量，其中
Figure FDA00030698703400000418
是调和发射机的天线个数，调和发射机的调和发送数据表示为xc＝ac+bci(定义
Figure FDA00030698703400000412
可得bc＝ac tanθc)，其中θc由调和发射机在相位区间[0,2π)选取；调和信号的预编码向量
Figure FDA00030698703400000413
其中ack和bck
Figure FDA00030698703400000419
为未知量，且||pc||＝1，则有
Figure FDA00030698703400000414
由此可得
Figure FDA00030698703400000415
根据复数的实部和虚部对应相等的原则，可以得到方程组：
Figure FDA00030698703400000416
对式(5)所包含的所有子式(对应
Figure FDA0003069870340000059
)的等号两边取平方并相加，得
Figure FDA0003069870340000051
得到调和信号携带的调和发送数据为：
xc＝ac+ac tanθci (6)
其中，
Figure FDA0003069870340000052
由||pc||＝1，对
Figure FDA0003069870340000053
等号两边同时除以
Figure FDA0003069870340000054
得
Figure FDA0003069870340000055
得到调和信号的预编码向量为：
Figure FDA0003069870340000056
调和发射机将调和信号的信息以及遍历所得的正交基共享给所有期望发射机，并同时将所得的正交基共享给公共接收机，调和发射机向公共接收机发送一路携带调和数据的调和信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于信号虚拟分解的空域和功率域联合多址接入方法，其特征在于，步骤(4)中具体为：
期望发射机Txk(k＝1,2,…,N)用波束成形的方式，以发射功率
Figure FDA0003069870340000058
和预编码pk向公共接收机发送数据x′k的信号s′k，调和发射机以发射功率Pcmin和预编码pc向公共接收机调和发送数据xc的调和信号sc，在公共接收机处Rx0，对恢复出的各个相互正交的期望信号分量进行匹配滤波，期望发射机根据来自调和发射机选定的正交基信息确定公共接收机处的匹配滤波向量，该滤波向量记为
Figure FDA0003069870340000057
则期望发射机可以根据调和发射机共享的调和信号信息和正交基计算出滤波后得到的期望数据xk的增益αk(k＝1,2,…,N)为：
Figure FDA0003069870340000061
期望发射机将滤波后的期望数据增益αk发送给公共接收机，公共接收机采用调和发射机共享的正交基确定滤波向量fk，对接收到的混合信号进行匹配滤波，并用滤波输出除以期望数据增益αk，从而恢复出期望数据xk：
Figure FDA0003069870340000062
6.一种应用权利要求1～5任意一项所述的一种基于信号虚拟分解的空域和功率域联合多址接入方法的无线通信系统。
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