CN114286291B - 基于多载波无线通信系统的空中计算方法、系统和介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多载波无线通信系统的空中计算方法、系统和介质。在基站侧，根据每个用户的上行信道状态信息和发射功率限制，计算每个用户在每个子载波上的最优上行发射功率分配方案，根据每个用户的最优上行功率分配方案和上行信道状态信息，构建每个用户的发射参数并广播至所有用户；在用户侧：接收广播信息并解调针对自己的发射参数，利用获取的发射参数对发射信号进行预补偿，并通过同一资源块发射信号至基站侧；最后，所有用户的信号在所述基站侧叠加，完成本轮空中计算过程。本发明适用于多载波无线通信系统中的无线空中计算功率控制方案，可以降低系统的均方误差，提升系统的频谱利用率。

Description

基于多载波无线通信系统的空中计算方法、系统和介质

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及一种基于多载波无线通信系统的空中计算方法、系统和介质。

背景技术

无线空中计算(AirComp)技术利用上行多址接入信道的叠加特性，可以同时完成“通信”与“计算”。与传统的正交通信技术相比，空中计算可显著降低通信开销。为了消除无线信道衰落给空中计算造成的影响，用户侧需要在发射端对信道作预补偿。传统的预补偿策略采用简单的信道取反操作来补偿信道衰落，然而在实际环境中，由于用户设备功率受限，在深衰落场景中，用户可能没有能力完全补偿信道衰落。所以需要从整个系统的角度设计合理的上行功率控制方案，以预补偿信道衰落，同时降低接收端噪声影响，实现高性能的空中计算技术。

然而，目前针对空中计算的功率控制技术仅仅局限于单载波传输条件，但是当前普遍使用的无线通信协议大多基于多载波传输，如4G/5G,Wi-Fi等，所以本领域亟需一种能够解决多载波通信系统中的空中计算实现问题的技术方案。目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种基于多载波无线通信系统的空中计算方法、系统和介质。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于多载波无线通信系统的空中计算方法，包括：

在基站侧：

根据每个用户的上行信道状态信息和发射功率限制，计算每个用户在每个子载波上的最优上行发射功率分配方案；

根据每个用户的所述最优上行功率分配方案和所述上行信道状态信息，构建每个用户的发射参数并广播至所有用户；

在用户侧：

接收广播信息并解调针对自己的发射参数；

利用获取的所述发射参数对发射信号进行预补偿，并使得所有用户在同一资源块进行信号传输；

根据无线信道特性，所有用户传输的信号在基站侧进行叠加，完成本轮空中计算过程。

优选地，所述根据每个用户的上行信道状态信息和发射功率限制，计算每个用户在每个子载波上的最优上行发射功率分配方案，包括：

根据所有用户的信道状态信息h_kn和发射功率限制

构建有序向量Q＝[q₀,q₁,…,q_K-1]，并使所述有序向量Q满足q₀≤q₁≤…≤q_K-1，其中：

式中，q_k为有序向量Q中的第k个元素(k＝0,…,K-1)，K为用户的数量；

为用户k的发射功率限制，h_kn为用户k在第n个子载波上的信道衰减系数，N为子载波总数；

根据所述有序向量Q中元素的位置给对应的用户重新分配索引参数；

令全功率发射用户数s取值从1到K，对于每一个s取值，重复迭代完成如下步骤：

-初始化选择最优的噪声因子

-分别计算最优的功率分配方案

和

其中，λ_k表示拉格朗日乘子，满足

表示用户k的发射功率限制；

-计算最优的噪声因子

-计算基站侧降噪信号的均方误差MSE_s：

其中，σ²为噪声功率；

重复迭代计算最优的功率分配方案

和

最优的噪声因子

以及基站侧降噪信号的均方误差MSE_s，直至基站侧降噪信号的均方误差MSE_s收敛；

在所有可能的用户数s∈[1,K]中，找到最优的功率分配结果：

s^*←arg min{MSE_s,s∈[1,K]}

其中，s^*为最优的全功率发射用户数，

为用户k在子载波n上的最优功率分配，η^*为最优的降噪因子。

优选地，所述根据每个用户的所述最优上行功率分配方案和所述上行信道状态信息，构建每个用户的发射参数，包括：

根据得到的所述最优上行功率分配方案，计算相应的功率发射参数b_kn：

其中，h_kn为用户k在第n个子载波上的信道衰减系数，p_kn为用户k在第n个子载波上的发射功率，

为h_kn的复共轭。

优选地，将构建得到的每个用户的所述发射参数广播至所有用户，包括：

以广播的方式将所述发射参数反馈至所有用户，其中，每个用户在相干带宽内只分配一个子载波用于反馈所述发射参数，分配给同一个用户的子载波以梳状形式排列在频带上，间隔为相干带宽。

优选地，所述以广播的方式将所述发射参数反馈至所有用户，包括：

设相干带宽分为M个子载波间隔，则每个符号被M个用户共用，因此连续的M个子载波被依次分配给M个不同用户，则：

用户k接收到的所述发射参数在符号

和符号

进行传输；在所述符号内，分配给用户k的子载波满足条件n＝k％M的所有子载波，其中％表示取模运算；其中：

在所述符号

的对应子载波上，传输的信号是所述发射参数与导频信号的乘积，即

其中，

为在符号

的对应子载波上传输的信号，b_kn为发射参数，s_n为导频信号；

在所述符号

的对应子载波上，传输的信号为导频信号，即

其中，

为符号

的对应子载波上传输的信号。

优选地，接收广播信息并解调针对自己的发射参数，包括：

用户k在传输符号

和传输符号

分别收到发射信息

和下行信道信息

其中子载波系数n满足条件n＝k％M，h_kn为用户k在第n个子载波上的信道衰减系数；

用户k通过对两个符号上接收到的发射信息和下行信道信息做点除操作计算发射参数b_kn：

对于不满足n＝k％M的子载波，通过线性内插方法得到其发射参数。

优选地，所述基站侧接收到的信号y_n为：

根据所述发射参数b_kn的表达式

对信道进行补偿，可得所述叠加信号y_n为：

其中，，p_kn为用户k在第n个子载波上的发射功率，h_kn为用户k在第n个子载波上的信道衰减系数，s_kn为数据符号，w_n为噪声功率，

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于多载波无线通信系统的空中计算系统，包括：位于基站侧的功率分配模块、发射参数生成模块以及位于用户侧的发射参数解调模块和预补偿模块；其中：

所述功率分配模块，根据每个用户的上行信道状态信息和发射功率限制，计算每个用户在每个子载波上的最优上行发射功率分配方案；

所述发射参数生成模块，根据每个用户的所述最优上行功率分配方案和所述上行信道状态信息，构建每个用户的发射参数并广播至所有用户的发射参数解调模块；

所述发射参数解调模块，接收广播信息并解调针对自己的发射参数；

所述预补偿模块，利用获取的所述发射参数对发射信号进行预补偿，并使得所有用户在同一资源块上传输信号；

根据无线信道特性，所有用户传输的信号在基站侧进行叠加，完成本轮空中计算过程。

根据本发明的第三个方面，提供了一种基于多载波无线通信系统，包括：1个基站以及K个用户，所述基站和所述用户间采用正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplex,OFDM)通信方式，通过N个子载波进行所述基站和所述用户之间的上下行数据传输；

其中：

所述基站和所述用户在数据传输过程中，采用上述任一项所述的空中计算方法，或，运行上述所述的空中计算系统。

根据本发明的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被基站或用户端处理器执行时可用于执行上述任一项所述的空中计算方法，或，运行上述所述的空中计算系统。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：

本发明提供的基于多载波无线通信系统的空中计算方法、系统和介质，针对现有技术中功率控制技术不适合在功率受限的多载波系统中使用的问题，提出了一种能够在多载波通信系统中实现无线空中计算的方案，利用上行多址接入信道的叠加特性，可以同时完成通信与计算。

本发明提供的基于多载波无线通信系统的空中计算方法、系统和介质，提出了一种空中计算在多载波无线通信系统的功率控制方案，该方案能够最小化系统的均方误差(MSE)，提升多载波无线通信系统中的空中计算的效果。

本发明提供的基于多载波无线通信系统的空中计算方法、系统和介质，提出了一种多个用户共用一个符号的方式反馈发射参数，这种方式在保证反馈精度的前提下降低了反馈过程所需要的频谱资源和时延，进一步提高了多载波无线通信系统中的空中计算的频谱利用率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中基于多载波无线通信系统的空中计算方法的工作流程图。

图2为本发明一优选实施例中基于多载波无线通信系统的空中计算方法的工作流程图。

图3为本发明一优选实施例中下行反馈资源分配示意图。

图4为本发明一优选实施例中不同子载波个数的系统中最优功率分配对应的的MSE图。

图5为本发明一优选实施例中不同的功率分配策略对应的MSE图。

图6为本发明一实施例中基于多载波无线通信系统的空中计算系统的组成结构示意图。

图7为本发明一实施例中基于多载波无线通信系统的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例提供的基于多载波无线通信系统的空中计算方法的工作流程图。

如图1所示，该实施例提供的基于多载波无线通信系统的空中计算方法，可以包括如下步骤：

在基站侧，包括如下步骤：

S100，根据每个用户的上行信道状态信息和发射功率限制，计算每个用户在每个子载波上的最优上行发射功率分配方案；

S200，根据每个用户的最优上行功率分配方案和上行信道状态信息，构建每个用户的发射参数并广播至所有用户；

在用户侧，包括如下步骤：

S300，接收广播信息并解调针对自己的发射参数；

S400，利用获取的所述发射参数对发射信号进行预补偿，并使得所有用户在同一资源块上进行信号传输；

还包括如下步骤：

S500，根据无线信道特性，所有用户传输的信号在基站侧进行叠加，完成本轮空中计算过程。

在该实施例的S100中，作为一优选实施例，根据每个用户的上行信道状态信息和发射功率限制，计算每个用户在每个子载波上的最优上行发射功率分配方案，可以包括如下步骤：

S101，根据所有用户的信道状态信息h_kn和发射功率限制

构建有序向量Q＝[q₀,q₁,…,q_K-1]，并使有序向量Q满足q₀≤q₁≤…≤q_K-1，其中：

式中，

q_k为有序向量Q中的第k个元素(k＝0,…,K-1)，K为用户的数量；

为用户k的发射功率限制，h_kn为用户k在第n个子载波上的信道衰减系数，N为子载波总数；

根据有序向量Q中元素的位置给对应的用户重新分配索引参数；

S102，令全功率发射用户数s取值从1到K，对于每一个s取值，重复迭代完成如下步骤：

-初始化选择最优的噪声因子

-分别计算最优的功率分配方案

和

其中，λ_k表示拉格朗日乘子，满足

表示用户k的发射功率限制；

-计算最优的噪声因子

-计算基站侧降噪信号的均方误差MSE_s：

其中，σ²为噪声功率；

重复迭代计算最优的功率分配方案

和

最优的噪声因子

以及基站侧降噪信号的均方误差MSE_s，直至基站侧降噪信号的均方误差MSE_s收敛；

S103，在所有可能的用户数s∈[1,K]中，找到最优的功率分配结果：

s^*←arg min{MSE_s,s∈[1,K]}

其中，s^*为最优的全功率发射用户数，

为用户k在子载波n上的最优功率分配，η^*为最优的降噪因子。

在该实施例的S200中，作为一优选实施例，根据每个用户的最优上行功率分配方案和上行信道状态信息，构建每个用户的发射参数，可以包括如下步骤：

根据得到的最优上行功率分配方案，计算相应的功率发射参数b_kn：

其中，h_kn为用户k在第n个子载波上的信道衰减系数，p_kn为用户k在第n个子载波上的发射功率，

为h_kn的复共轭。

在该实施例的S200中，作为一优选实施例，将构建得到的每个用户的发射参数广播至所有用户，可以包括如下步骤：

以广播的方式将发射参数反馈至所有用户，其中，每个用户在相干带宽内只分配一个子载波用于反馈发射参数，分配给同一个用户的子载波以梳状形式排列在频带上，间隔为相干带宽。

进一步地，作为一优选实施例，以广播的方式将发射参数反馈至所有用户，可以包括如下步骤：

S201，设相干带宽分为M个子载波间隔，则每个符号被M个用户共用，因此连续的M个子载波被依次分配给M个不同用户，则：

S202，用户k接收到的发射参数在符号

和符号

进行传输；在符号内，分配给用户k的子载波满足条件n＝k％M的所有子载波，其中％表示取模运算；其中：

在符号

的对应子载波上，传输的信号是发射参数与导频信号的乘积，即

其中，

为在符号

的对应子载波上传输的信号，b_kn为发射参数，s_n为导频信号；

在符号

的对应子载波上，传输的信号为导频信号，即

其中，

为符号

的对应子载波上传输的信号。

在该实施例的S300中，作为一优选实施例，接收广播信息并解调针对自己的发射参数，可以包括如下步骤：

S301，用户k在传输符号

和传输符号

分别收到发射信息

和下行信道信息

其中子载波系数n满足条件n＝k％M，h_kn为用户k在第n个子载波上的信道衰减系数；

S302，用户k通过对两个符号上接收到的发射信息和下行信道信息做点除操作计算发射参数b_kn：

S303，对于不满足n＝k％M的子载波，通过线性内插方法得到其发射参数。

在该实施例的S400中，作为一优选实施例，基站侧接收到的信号y_n为：

根据发射参数b_kn的表达式

对信道进行补偿，可得叠加信号y_n为：

其中，，p_kn为用户k在第n个子载波上的发射功率，h_kn为用户k在第n个子载波上的信道衰减系数，s_kn为数据符号，w_n为噪声功率，

图2为本发明一优选实施例提供的基于多载波无线通信系统的空中计算方法的工作流程图。

在该优选实施例中，在上行方向，K个用户在相同的无线资源块上发送数据，基站侧收到所有数据信号的叠加，完成空中计算过程，如图7所示。

如图2所示，该优选实施例提供的基于多载波无线通信系统及其空中计算方法，包括如下步骤：

步骤1.基站侧根据每个用户的上行信道状态信息(Channel State Information,CSI)和发射功率限制，计算每个用户在每个子载波上的最优上行发射功率分配方案。

步骤2.基站根据最优功率分配和CSI信息，构建每个用户的发射参数并反馈给所有用户。

步骤3.用户收到广播信息后解调针对自己的发射参数。

步骤4.所有用户使用步骤3中获取的发射参数对发射信号进行预补偿，并通过相同的子载波发射信号，基站侧完成空中计算信号叠加。

步骤1中，基站侧在得到各用户的上行信道状态信息(CSI)和功率限制后，求解最优功率分配方案，具体步骤如下：

基站侧在第n(0≤n≤N-1)个子载波上收到K个用户的叠加信号y_n可表示为：

其中h_kn为用户k在第n个子载波上的信道衰减系数，s_kn为用户k在第n个子载波上的功率归一化的发射符号，w_n为第n个子载波上的噪声，

为用户k在第n个子载波上的发射参数，其中p_kn表示发射功率，

表示h_kn的复共轭。

基站收到叠加信号y_n后，将其除以噪声因子η以降低噪声的影响，得到的降噪信号为：

通信系统的目标是通过最优的功率分配，最小化基站侧降噪信号的均方误差(Mean Square Error，MSE)，其数学表达式为：

这里假设噪声功率

假设取得最小MSE时，用户k∈[0,s-1]采用全功率发射，而用户k′∈(s-1,K-1]采用部分功率发射，s为[1,K]之间的一个整数，表示采用全功率发射的用户数。当s＝K,

表示所有用户均采用全功率发射策略。

在这种情况下，当η固定，最优的功率分配方案

满足：

其中λ_k是拉格朗日乘子，满足

表示用户k的发射功率限制。

当p_k,n,s固定时，最优的噪声因子满足：

其中

取自有序向量Q＝[q₀,q₁,…,q_K-1]，Q满足

的表达式为：

因此，基站侧的功率分配算法步骤如下：

步骤1-1，根据所有用户的信道状态信息h_kn和发射功率限制

构建有序向量Q＝[q₀,q₁,…,q_K-1]使其满足q₀≤q₁≤…≤q_K-1,其中

为用户的数量。根据Q中元素的位置给对应的用户重新分配索引参数。

步骤1-2，令s取值从1到K，对于每一个s取值，重复迭代完成如下的步骤1-2-2至步骤1-2-4步骤：

步骤1-2-1，初始化选择η_s∈[q_s-1,q_s]。

步骤1-2-2，根据公式(4)和(5)分别计算

和

步骤1-2-3，根据公式(6)计算

步骤1-2-4，将步骤1-2-2和步骤1-2-3的计算结果带入公式(3)计算MSE_s。

步骤1-2-5，重复迭代步骤1-2-2至步骤1-2-4直到MSE_s收敛。

步骤1-3，在所有可能的s∈[1,K]中，找到最优的功率分配结果：

s^*←arg min{MSE_s,s∈[1,K]}

步骤2中，基站侧在得到用户的最优功率分配后，计算相应的功率发射参数

并将其以广播的方式反馈给所有用户。根据无线信道的特点，在相干带宽(coherent bandwidth)内的子载波经历相近的信道衰减，因此也可以采用相似的功率分配策略。为了降低反馈量，每个用户在相干带宽内只分配一个子载波用以反馈反射参数，分配给同一个用户的子载波以梳状形式排列在频带上，间隔为相干带宽。假设相干带宽可分为M个子载波间隔，则每个符号可以被M个用户共用，因此连续的M个子载波被依次分配给M个不同用户。具体如下：

步骤2-1，用户k的反馈信息在符号

和符号

进行传输。在符号内，分配给用户k的子载波是满足条件n＝k％M的所有子载波，其中％表示取模运算。

步骤2-2，在符号

的对应子载波上，传输的信号是发射参数与导频信号的乘积，即

步骤2-3，在符号

的对应子载波上，传输的信号是导频信号，即

如图3所示，展示了基站广播反馈信号时K个用户的资源分配方式。在图3中，M个用户复用一个符号。以用户0为例：用户0的发射参数信息在符号0上携带，具体为

其被分配的子载波为n＝0,M,2M,...，直到用完所有可用带宽。在符号1上的对应子载波上(n＝0,M,2M,...)传输对应的导频信号

步骤3中，用户侧在收到基站侧广播的信号后，解调针对自己的发射参数信息，具体如下：

步骤3-1，用户k在传输符号

和传输符号

分别收到发射信息

和下行信道信息

其中子载波系数n满足条件n＝k％M，h_kn为用户k在第n个子载波上的信道衰减系数。

步骤3-2，用户k通过对两个符号上接收到的信息做点除操作计算发射参数，即

步骤3-3，对于不满足n＝k％M的子载波，通过线性内插的方式得到其发射参数。

步骤4中，所有用户使用步骤3中获取的发射参数对发射信号进行预补偿，并在同一子载波上同时发射信号。基站在子载波n上收到的所有K个用户的线性叠加信号如下：

根据无线信道特性，所有用户传输的信号在基站侧进行叠加，完成本轮空中计算过程，重新进入步骤1，开始下一轮过程。

图4显示了不同子载波个数(N)传输时最优功率分配下的MSE取值，每个值都是根据1000次模拟结果计算得出的。每次模拟都会产生随机的信道h_kn。用户个数K被设置为21。如图4所示，随和子载波个数的增加，系统的MSE会下降，这是由于子载波个数的增加为功率最优分配提供了更大的自由度。单载波情形下的的最优功率分配多载波情形下平均分配，所以子载波个数越少，性能越差。另外，可以发现随着SNR增加系统MSE也会降低。这是由于随着SNR增大，用户的可用功率也增大，那么接收端就可以通过选择更大的降噪因子η来降低噪声对系统性能的影响，从而降低了MSE。

图5中展示了不同的功率分配策略对系统MSE的影响，每个值都是根据1000次模拟结果计算得出的。每次模拟都会产生随机的信道h_kn。用户子载波个数N设置为32。如图5所示，比较了3种不同的功率分配策略：(1)最优功率分配(OPA)就是本发明设计的功率分配策略；(2)平均分配策略(EPA)中可用功率被平均分配给所有的子载波；(3)比例分配策略(PPA)中系统根据子载波的信道增益按比例分配可用功率，即

其中

表示用户的可用功率。从图5中可以看出，本发明上述实施例提出的空中计算方法中，其功率分配策略优于其余两种对比策略。当SNR增大的时候，本发明提出的方法的功率分配方案可以完美的补偿无线信道的衰减。而其他两种方案中，当SNR增大时有可能会出现过补偿的问题，所以其性能会差于本发明提出的方法。

图6为本发明一实施例提供的基于多载波无线通信系统的空中计算系统的组成结构示意图。

如图6所示，该实施例提供的基于多载波无线通信系统的空中计算系统，可以包括：位于基站侧的功率分配模块、发射参数生成模块以及位于用户侧的发射参数解调模块和预补偿模块；其中：

功率分配模块，根据每个用户的上行信道状态信息和发射功率限制，计算每个用户在每个子载波上的最优上行发射功率分配方案；

发射参数生成模块，根据每个用户的最优上行功率分配方案和上行信道状态信息，构建每个用户的发射参数并广播至所有用户的发射参数解调模块；

发射参数解调模块，接收广播信息并解调针对自己的发射参数；

预补偿模块，利用获取的所述发射参数对发射信号进行预补偿，并使得所有用户在同一资源块上传输信号；

根据无线信道特性，所有用户传输的信号在基站侧进行叠加，完成本轮空中计算过程。

需要说明的是，本发明提供的方法中的步骤，可以利用系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照方法的技术方案实现系统的组成，即，方法中的实施例可理解为构建系统的优选例，在此不予赘述。

图7为本发明一实施例提供的基于多载波无线通信系统的结构示意图。

如图7所示，该实施例提供的基于多载波无线通信系统，可以包括：1个基站以及K个用户，基站和用户间采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM)通信方式，通过N个子载波进行基站和用户之间的上下行数据传输；

其中：

基站和用户在数据传输过程中，采用本发明上述实施例中任一项空中计算方法，或，运行本发明上述实施例中任一项空中计算系统。

本发明一实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被基站或用户端处理器执行时可用于执行本发明上述实施例中任一项空中计算方法，或，运行本发明上述实施例中任一项空中计算系统。

在上述实施例中，可选地，存储器，用于存储程序；存储器，可以包括易失性存储器(英文：volatile memory)，例如随机存取存储器(英文：random-access memory，缩写：RAM)，如静态随机存取存储器(英文：static random-access memory，缩写：SRAM)，双倍数据率同步动态随机存取存储器(英文：Double Data Rate Synchronous Dynamic RandomAccess Memory，缩写：DDR SDRAM)等；存储器也可以包括非易失性存储器(英文：non-volatile memory)，例如快闪存储器(英文：flash memory)。存储器用于存储计算机程序(如实现上述方法的应用程序、功能模块等)、计算机指令等，上述的计算机程序、计算机指令等可以分区存储在一个或多个存储器中。并且上述的计算机程序、计算机指令、数据等可以被处理器调用。

上述的计算机程序、计算机指令等可以分区存储在一个或多个存储器中。并且上述的计算机程序、计算机指令、数据等可以被处理器调用。

处理器，用于执行存储器存储的计算机程序，以实现上述实施例涉及的方法中的各个步骤。具体可以参见前面方法实施例中的相关描述。

处理器和存储器可以是独立结构，也可以是集成在一起的集成结构。当处理器和存储器是独立结构时，存储器、处理器可以通过总线耦合连接。

本发明上述实施例提供的基于多载波无线通信系统的空中计算方法、系统和介质，其中基于多载波无线通信系统，主要由1个基站和K个用户组成，基站和用户间采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplex,OFDM)技术进行通信，共有N个子载波可用于基站和用户间的上下行数据传输。空中计算方法包括：基站侧根据每个用户的上行信道状态信息(Channel State Information,CSI)和发射功率限制，计算每个用户在每个子载波上的最优上行发射功率分配方案；基站根据最优功率分配和CSI信息，构建每个用户的发射参数并反馈给所有用户；用户收到广播信息后解调针对自己的发射参数；所有用户使用获取的发射参数对发射信号进行预补偿，并通过相同的子载波发射信号，基站侧完成空中计算信号叠加。本发明上述实施例提供的基于多载波无线通信系统的空中计算方法、系统和介质，提出了适用于基于多载波无线通信系统中的无线空中计算功率控制方案，可以降低系统的均方误差(Mean Square Error,MSE)，同时也提供了了多用户共享传输符号的方案，提升了系统的频谱利用率。

本发明上述实施例中未尽事宜均为本领域公知技术。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于多载波无线通信系统的空中计算方法，其特征在于，包括：

在基站侧：

根据每个用户的上行信道状态信息和发射功率限制，计算每个用户在每个子载波上的最优上行发射功率分配方案；

根据每个用户的所述最优上行功率分配方案和所述上行信道状态信息，构建每个用户的发射参数并广播至所有用户；

在用户侧：

接收广播信息并解调针对自己的发射参数；

利用获取的所述发射参数对发射信号进行预补偿，并使得所有用户在同一资源块进行信号传输；

根据无线信道特性，所有用户传输的信号在基站侧进行叠加，完成本轮空中计算过程。

2.根据权利要求1所述的基于多载波无线通信系统的空中计算方法，其特征在于，所述根据每个用户的上行信道状态信息和发射功率限制，计算每个用户在每个子载波上的最优上行发射功率分配方案，包括：

根据所有用户的信道状态信息h_kn和发射功率限制

构建有序向量Q＝[q₀,q₁,…,q_K-1]，并使所述有序向量Q满足q₀≤q₁≤…≤q_K-1，其中：

式中，q_k为有序向量Q中的第k个元素(k＝0,…,K-1)，K为用户的数量；

为用户k的发射功率限制，h_kn为用户k在第n个子载波上的信道衰减系数，N为子载波总数；

根据所述有序向量Q中元素的位置给对应的用户重新分配索引参数；

令全功率发射用户数s取值从1到K，对于每一个s取值，重复迭代完成如下步骤：

-初始化选择最优的噪声因子

-分别计算最优的功率分配方案

和

其中，λ_k表示拉格朗日乘子，满足

表示用户k的发射功率限制；

-计算最优的噪声因子

-计算基站侧降噪信号的均方误差MSE_s：

其中，σ²为噪声功率；

重复迭代计算最优的功率分配方案

和

最优的噪声因子

以及基站侧降噪信号的均方误差MSE_s，直至基站侧降噪信号的均方误差MSE_s收敛；

在所有可能的用户数s∈[1,K]中，找到最优的功率分配结果：

s^*←argmin{MSE_s,s∈[1,K]}

其中，s^*为最优的全功率发射用户数，

为用户k在子载波n上的最优功率分配，η^*为最优的降噪因子。

3.根据权利要求1所述的基于多载波无线通信系统的空中计算方法，其特征在于，所述根据每个用户的所述最优上行功率分配方案和所述上行信道状态信息，构建每个用户的发射参数，包括：

根据得到的所述最优上行功率分配方案，计算相应的功率发射参数b_kn：

其中，h_kn为用户k在第n个子载波上的信道衰减系数，p_kn为用户k在第n个子载波上的发射功率，

为h_kn的复共轭。

4.根据权利要求1所述的基于多载波无线通信系统的空中计算方法，其特征在于，将构建得到的每个用户的所述发射参数广播至所有用户，包括：

以广播的方式将所述发射参数反馈至所有用户，其中，每个用户在相干带宽内只分配一个子载波用于反馈所述发射参数，分配给同一个用户的子载波以梳状形式排列在频带上，间隔为相干带宽。

5.根据权利要求4所述的基于多载波无线通信系统的空中计算方法，其特征在于，所述以广播的方式将所述发射参数反馈至所有用户，包括：

设相干带宽分为M个子载波间隔，则每个符号被M个用户共用，因此连续的M个子载波被依次分配给M个不同用户，则：

用户k接收到的所述发射参数在符号

和符号

进行传输；在所述符号内，分配给用户k的子载波满足条件n＝k％M的所有子载波，其中％表示取模运算；其中：

在所述符号

的对应子载波上，传输的信号是所述发射参数与导频信号的乘积，即

其中，

为在符号

的对应子载波上传输的信号，b_kn为发射参数，s_n为导频信号；

在所述符号

的对应子载波上，传输的信号为导频信号，即

其中，

为符号

的对应子载波上传输的信号。

6.根据权利要求5所述的基于多载波无线通信系统的空中计算方法，其特征在于，接收广播信息并解调针对自己的发射参数，包括：

用户k在传输符号

和传输符号

分别收到发射信息

和下行信道信息

其中，子载波系数n满足条件n＝k％M，h_kn为用户k在第n个子载波上的信道衰减系数；

用户k通过对两个符号上接收到的发射信息和下行信道信息做点除操作计算发射参数b_kn：

对于不满足n＝k％M的子载波，通过线性内插方法得到其发射参数。

7.根据权利要求1所述的基于多载波无线通信系统的空中计算方法，其特征在于，所述基站侧接收到的信号y_n为：

根据所述发射参数b_kn的表达式

对信道进行补偿，得到所述叠加信号y_n为：

其中，p_kn为用户k在第n个子载波上的发射功率，h_kn为用户k在第n个子载波上的信道衰减系数，s_kn为数据符号，w_n为噪声功率，

8.一种基于多载波无线通信系统的空中计算系统，其特征在于，包括：位于基站侧的功率分配模块、发射参数生成模块以及位于用户侧的发射参数解调模块和预补偿模块；其中：

所述功率分配模块，根据每个用户的上行信道状态信息和发射功率限制，计算每个用户在每个子载波上的最优上行发射功率分配方案；

所述发射参数生成模块，根据每个用户的所述最优上行功率分配方案和所述上行信道状态信息，构建每个用户的发射参数并广播至所有用户的发射参数解调模块；

所述发射参数解调模块，接收广播信息并解调针对自己的发射参数；

所述预补偿模块，利用获取的所述发射参数对发射信号进行预补偿，并使得所有用户在同一资源块上传输信号；

根据无线信道特性，所有用户传输的信号在基站侧进行叠加，完成本轮空中计算过程。

9.一种基于多载波无线通信系统，其特征在于，包括：1个基站以及K个用户，所述基站和所述用户间采用正交频分复用通信方式，通过N个子载波进行所述基站和所述用户之间的上下行数据传输；

其中：

所述基站和所述用户在数据传输过程中，采用权利要求1-7中任一项所述的空中计算方法，或，运行权利要求8中所述的空中计算系统。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被基站或用户端处理器执行时可用于执行权利要求1-7中任一项所述的空中计算方法，或，运行权利要求8所述的空中计算系统。

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