CN114900215B - 基于松弛正交预编码的空分多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于松弛正交预编码的空分多址接入方法，其步骤为：构建多用户下行通信系统；确定向每个接收机发送数据使用的初始预编码；发射机使用正交幅度调节函数对每个接收机的初始预编码进行松弛处理；向每个接收机发送预处理后的数据；每个接收机使用滤波向量和正交幅度调节函数对接收到的信号进行处理。本发明解决了在管理多用户通信间的共道干扰时，需要引入额外的通信设备和需要产生额外的发射功率开销的问题，以及需要保证信号在传输/接收处理过程中的严格正交性，使系统不能支持更多数量的并发传输信号的问题，具有不会产生额外的功率开销和能够容纳更多的并发用户通信的优点。

Description

基于松弛正交预编码的空分多址接入方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及无线通信技术领域中的一种基于松弛正交预编码的空分多址接入方法。本发明可用于MIMO系统中多个用户对同一时间和相同频率的资源进行空间复用。

背景技术

多输入多输出MIMO(Multiple Input Multiple Output)技术能够在不增加功率和带宽消耗的条件下显著改善系统频谱效率和传输可靠性，已经成为多种无线通信标准的关键技术。MIMO下行通信以空分多址技术SDMA(Space Division Multiple Access)为特征，SDMA在发射机和接收机配置天线阵列，并借助阵列信号处理手段，可以使多个用户的信号具有可区分的空间特征，能够对同一时间和相同频率的资源进行空间复用。由于通信系统中通常包含多个具有通信需求的用户，多用户MIMO(Multi-User MIMO,MU-MIMO)以其有效性和相对简单的网络拓扑结构受到越来越多的关注。然而，在MU-MIMO系统中，系统所能支持的并发传输的信号数量受设备天线数、用户数等因素的限制；并且，由于多个用户共享相同的频带资源，干扰也成为制约系统频谱效率提高的关键因素。

郑州轻工业大学在其申请的专利文献“一种基于信号虚拟分解的多址接入方法及其系统”(申请日：2020年07月15日，申请号：202010682294.6，申请公布号：CN111988247A)中公开了一种空分多址接入方法。该方法在存在多个期望发射机和一个公共发射机的通信系统中，引入一个萃取发射机使多个期望发射机可以同一时间使用相同频率发送信号，这些期望发射机发送的信号之间存在共道干扰，萃取发射机设计萃取信号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的期望数据。该方法存的不足之处有以下两点：第一，引入萃取发射机，以及萃取发射机发送萃取信号，造成额外的通信硬件设备和发射功率开销。第二，萃取发射机发送萃取信号，是为了保证信号在传输/接收处理过程中的严格正交性，这一严格正交的要求限制了系统所能支持的并发传输的信号数量。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提出了一种基于松弛正交预编码的空分多址接入方法，用于解决在管理多用户通信间的共道干扰时，需要引入额外的通信设备和需要产生额外的发射功率开销的问题，以及需要保证信号在传输/接收处理过程中的严格正交性，使系统不能支持更多数量的并发传输信号的问题。

实现本发明目的的具体思路是，本发明针对多路信号并发传输的多用户下行通信系统，通过在信号处理过程中引入一个正交幅度调节函数，在一个符号周期内对预编码的幅度进行调整，即预编码的模长在一个符号周期内动态变化；相应地，在接收机处采用相关运算对期望信号进行检测，利用幅度调节函数之间的正交性，可以在判决时刻消除共道干扰的影响。本发明利用调节后的预编码进行信号处理和发送，可以将对多用户信号在空域上严格正交的要求放宽到相关意义上的正交，相比于传统的基于正交预编码的信号处理方法，基于松弛正交预编码的空分多址接入方法，允许通过相同空间子信道传输的多个用户信号之间，在各个数据符号周期内存在共道干扰，而仅在数据符号的判决时刻干扰为零，因此，本发明可以容纳更多的并发用户通信。本发明不需要额外的通信设备、不会产生额外的功率开销用于管理多用户通信之间的干扰。

本发明的具体步骤如下：

步骤1，构建多用户下行通信系统：

步骤1.1，构建由一个发射机和K个接收机组成的多用户下行通信系统，K≥2，发射机配置N_T根发射天线，N_T≥2，每个接收机配置N_R根接收天线，N_R≥1，发射机的总发射功率平均分配给每个接收机，每个接收机可以估计该发射机与发射机之间的信道状态信息，并反馈给该发射机；

步骤1.2，发射机采用波束成形方式，向每个接收机发送一路携带该接收机的期望数据的信号；发射机发送给其他K-1个接收机的信号对第k个接收机造成干扰；

步骤2，确定向每个接收机发送数据使用的初始预编码：

使用预编码技术对发射机与每个接收机之间的信道矩阵进行处理，由此确定向每个接收机发送数据使用的初始预编码；

步骤3，按照下式，发射机使用正交幅度调节函数对每个接收机的初始预编码进行松弛处理：

q_k(t)＝Acos(ω_kt)p_k

其中，q_k(t)表示发射机向第k个接收机从开始发射信号到发射机发射完信号过程中时刻t的松弛后的预编码，A表示正交幅度调节函数cos(ω_kt)的幅度，该正交幅度调节函数是由发射机从三角正交函数集Ω中为每个接收机选择的，不同接收机的正交幅度调节函数不同，cos表示余弦操作，ω_k表示第k个接收机的正交幅度调节函数的角频率， 表示正整数集合，π表示圆周率，T_s表示接收机接收的信号所携带的该接收机的期望数据符号周期，p_k表示发射机向第k个接收机发送信号使用的初始预编码；

步骤4，向每个接收机发送预处理后的数据：

步骤4.1，发射机使用松弛后的预编码对每个接收机的数据进行预处理：

步骤4.2，发射机将处理后的每个接收机的数据发送给所有接收机，每个接收机通过发射机共享获得自身的正交幅度调节函数；

步骤5，每个接收机对接收到的信号进行处理：

步骤5.1，使用与预编码技术对应的滤波技术对发射机与每个接收机之间的信道矩阵进行处理，由此确定每个接收机恢复其期望数据使用的滤波向量；

步骤5.2，每个接收机接收到由期望信号和干扰信号叠加的混合信号；

步骤5.3，每个接收机对其接收到的混合信号进行处理。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明引入了一个正交幅度调节函数，可以动态调节预编码的振幅，克服了现有技术中为了支持更多并发用户通信而产生额外的设备需求和额外的功率开销的不足，使得本发明具有不产生额外的设备和功率消耗的优点。

第二，由于本发明引入了一个正交幅度调节函数，在一个符号周期内对预编码的幅度进行调整，可以将多用户信号在空域上严格正交的要求放宽到相关意义上的正交，从而允许通过相同空间子信道传输的多个用户信号之间在各个数据符号周期内存在共道干扰，而仅在数据符号的判决时刻干扰为零，克服了现有技术在并发用户通信的数量增加时，严格保证并发通信相互正交的预编码无法求解的缺陷，使得本发明具有可以容纳更多的并发用户通信的优点。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明实施例的系统模型示意图；

图3是本发明的仿真图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细的描述。

参照图1，对本发明实现的实现步骤做进一步描述。

步骤1，构建多用户下行通信系统。

参照图2，对本发明实施例构建的系统模型做进一步描述。

步骤1.1，本发明的实施例构建了由一个发射机和4个接收机组成的多用户下行通信系统，发射机配置2根发射天线，每个接收机配置2根接收天线。

本发明实施例采用空间不相关瑞利平坦衰落信道模型，即发射机与每个接收机之间的信道状态信息的元素相互独立，且服从零均值、单位方差的复高斯分布。本发明实施例中假设信道具有块衰落特性，即信道参数在包含多个时隙的一个块中保持不变，在相邻块之间随机变化。每个接收机可以估计其与发射机之间的信道状态信息，并通过一个低延迟、无差错的反馈链路发送给发射机，反馈链路的时延相比于信道变化的时间尺度可以忽略。

步骤1.2，发射机采用波束成形方式，向每个接收机发送一路携带该接收机的期望数据的信号。当来自发射机的4路用户信号同时到达第k个接收机时，每个接收机的携带自身期望数据的信号相互叠加，由此，发射机发送给其他3个接收机的信号对第k个接收机造成干扰。

步骤2，确定向每个接收机发送数据使用的初始预编码。

本发明使用预编码技术对发射机与每个接收机之间的信道矩阵进行处理，由此确定向每个接收机发送数据使用的初始预编码。

本发明实施例采用基于奇异值分解的预编码技术来确定向每个接收机发送数据使用的初始预编码，发射机对与每个接收机之间的信道矩阵进行奇异值分解，得到左、右奇异矩阵和非负对角矩阵。左奇异矩阵为l×l阶酉矩阵，l等于接收天线数；右奇异矩阵为d×d阶酉矩阵，d等于发射天线数；非负对角矩阵为l×d阶，其对角线上的元素是接收机反馈信道矩阵的奇异值。本实施例中左、右奇异矩阵和非负对角矩阵均为2×2阶。

将发射机与每个接收机之间的信道矩阵分解，得到该接收机的右奇异矩阵，将该矩阵的第一列向量作为发射机向该接收机发送数据的初始预编码。

步骤3，发射机使用正交幅度调节函数对每个接收机的初始预编码进行松弛处理。

按照下式，发射机利用正交幅度调节函数对每个接收机的初始预编码进行松弛处理：

q_k(t)＝Acos(ω_kt)p_k

其中，q_k(t)表示发射机向第k个接收机从开始发射信号到发射机发射完信号过程中时刻t的，A表示正交幅度调节函数cos(ω_kt)的幅度，该正交幅度调节函数是由发射机从三角正交函数集Ω中为每个接收机选择的，不同接收机的正交幅度调节函数不同，本发明的实施例中为了保证正交幅度调节函数对预编码幅度的调整不产生额外的功率消耗，设置cos表示余弦操作，ω_k表示第k个接收机的正交幅度调节函数的角频率， 表示正整数集合，π表示圆周率，T_s表示接收机接收的信号所携带的该接收机的期望数据符号周期，p_k表示发射机向第k个接收机发送信号使用的初始预编码。

步骤4，向每个接收机发送预处理后的数据。

步骤4.1，按照下式，发射机使用松弛后的预编码对每个接收机的数据进行预处理：

其中，δ_k(t)表示发射机对发送给第k个接收机的数据预处理后的从开始发射信号到发射机发射完信号过程中时刻t的信号，x_k表示发射机向第k个接收机发送的信号携带的期望数据。

步骤4.2，发射机将处理后的每个接收机的数据发送给所有接收机，每个接收机通过发射机共享获得自身的正交幅度调节函数。

步骤5，每个接收机对接收到的信号进行处理。

步骤5.1，每个接收机估计与发射机之间的信道状态信息，得到该接收机与发射机之间的信道矩阵。本发明使用与预编码技术对应的滤波技术对发射机与每个接收机之间的信道矩阵进行处理，由此确定每个接收机恢复其期望数据使用的滤波向量。

本发明实施例采用基于奇异值分解的滤波技术来设计每个接收机恢复期望数据使用的滤波向量。每个接收机将与发射机之间的信道矩阵分解，得到该接收机的左奇异矩阵，将左奇异矩阵中的第一列向量作为该接收机恢复其自身期望数据的滤波向量。

步骤5.2，每个接收机接收到由期望信号和干扰信号叠加的混合信号如下：

其中，y_k(t)表示第k个接收机接收到的从发射机开始发射信号到发射机发射完信号过程中时刻t的混合信号，等号右边的第一个加号前的第一项表示第k个接收机的期望信号，第二个加号前的第二项表示发射机向其余K-1个接收机发送信号对第k个接收机造成的干扰，P_k表示发射机向第k个接收机发送数据使用的发射功率，发射机的总发射功率平均分配给每个接收机，H_k表示发射机与第k个接收机之间的信道矩阵，∑表示求和操作，P_i表示发射机向第i个接收机发送数据使用的发射功率，i∈{1,…,k-1,k+1,…,K}，ω_i表示第i个接收机的正交幅度调节函数的角频率，p_i表示发射机向第i个接收机发送信号使用的初始预编码，x_i表示发射机向第i个接收机发送的期望数据，z表示发射机向第k个接收机发送信号遭受的噪声。

步骤5.3，按照下式，每个接收机对其接收到的混合信号进行处理：

其中，表示第k个接收机对混合信号处理后得到的数据，∫表示积分操作，t₀表示任意的积分起始时刻，可以选为一个数据符号的起始时刻，τ表示积分变量，/>表示第k个接收机使用滤波向量和正交幅度调节函数对接收到的从发射机开始发射信号到发射机发射完信号过程中时刻t的混合信号进行处理后的数据，σ_k表示第k个接收机使用滤波向量对第k个接收机接收到的信号进行处理后的期望数据的增益，w_k表示第k个接收机使用的滤波向量，上标H表示共轭转置操作，/>表示经过接收处理后的平均噪声功率，σ_i表示第k个接收机受到的干扰的增益，/>σ_k和σ_i是复数。

至此，接收机可以无干扰地恢复出发射机发送给其的期望数据，实现了多用户的多址接入。

本发明的效果可以通过下面的仿真得到进一步证明。

1.仿真实验条件。

本发明的仿真实验的硬件平台为：处理器为Intel i5-8400 CPU，主频为2.8GHz，内存16GB。

本发明的仿真实验的软件平台为：Windows 10操作系统和Matlab R2018b。

本发明的仿真实验所使用的通信系统包含1个发射机和2个接收机，发射机配置2根发射天线，每个接收机配置2根接收天线，发射机采用波束成形方式，向每个接收机广播一路携带其自身期望数据的信号，发射机的分配给每个接收机的发射功率均为P_T，定义发射功率对噪声的归一化值为其中/>表示噪声功率，本发明的仿真实验中设置η∈[-10,20]dB。

2.仿真内容与结果分析。

本发明的仿真实验是分别采用本发明的方法(ROPMA)和两个现有技术进行仿真实验，各自得到31个发射功率对噪声的归一化值下的系统平均频谱效率SE(SpectralEfficiency)，再将得到的系统平均频谱效率与发射功率对噪声的归一化值之间关系绘制成如图3所示的三条曲线。

在仿真实验中采用的两个现有技术是指迫零ZF接收和匹配滤波MF。

下面结合图3的仿真图对本发明的效果做进一步的描述。

图3中的横坐标表示通信系统中的发射功率对噪声的归一化值，单位为dB。纵坐标表示系统平均频谱效率(Spectral Efficiency,SE)。图3中以圆圈标示的曲线，表示ROPMA方法系统平均SE与η之间的关系曲线。图3中以右三角形标示的曲线，表示采用MF方法得到的系统平均SE与η之间的关系曲线。图3中以正方形标示的曲线表示采用ZF接收方法得到的系统平均SE与η之间的关系曲线。

从图3中可以看出，三种方法的系统平均SE均随着η的增加而增大。由于ROPMA保留了所有Rx的主特征模式增益，所以其SE性能最优。其次是ZF接收的SE，MF最差。这是因为ZF在采用与干扰正交的滤波向量消除干扰的同时，会造成Rx的期望信号功率的损失，从而影响Rx以及系统SE。MF的系统SE随着η的增大趋于饱和，这是因为虽然η的增加意味着Rx观测到的用户信号的强度增大，但由于MF未对共道干扰(Co-Channel Interference,CCI)进行管理，Rx在检测其数据时受到的CCI也显著增加，因此随着η的增加，MF的系统SE趋于饱和，并且在η较大时远低于其它两个方法。

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 (4)

1.一种基于松弛正交预编码的空分多址接入方法，其特征在于，发射机利用正交幅度调节函数对初始预编码进行松弛处理；该方法的步骤包括如下：

步骤1，构建多用户下行通信系统：

步骤1.1，构建由一个发射机和K个接收机组成的多用户下行通信系统，K≥2，发射机配置N_T根发射天线，N_T≥2，每个接收机配置N_R根接收天线，N_R≥1，发射机的总发射功率平均分配给每个接收机，每个接收机估计该发射机与发射机之间的信道状态信息，并反馈给该发射机；

步骤1.2，发射机采用波束成形方式，向每个接收机发送一路携带该接收机的期望数据的信号；发射机发送给其他K-1个接收机的信号对第k个接收机造成干扰；

步骤2，确定向每个接收机发送数据使用的初始预编码：

使用预编码技术对发射机与每个接收机之间的信道矩阵进行处理，由此确定向每个接收机发送数据使用的初始预编码；

步骤3，按照下式，发射机使用正交幅度调节函数对每个接收机的初始预编码进行松弛处理：

q_k(t)＝Acos(ω_kt)p_k

其中，q_k(t)表示发射机向第k个接收机从开始发射信号到发射机发射完信号过程中时刻t的松弛后的预编码，A表示正交幅度调节函数cos(ω_kt)的幅度，该正交幅度调节函数是由发射机从三角正交函数集Ω中为每个接收机选择的，不同接收机的正交幅度调节函数不同，cos表示余弦操作，ω_k表示第k个接收机的正交幅度调节函数的角频率， 表示正整数集合，π表示圆周率，T_s表示接收机接收的信号所携带的该接收机的期望数据符号周期，p_k表示发射机向第k个接收机发送信号使用的初始预编码；

步骤4，向每个接收机发送预处理后的数据：

步骤4.1，发射机使用松弛后的预编码对每个接收机的数据进行预处理：

步骤4.2，发射机将处理后的每个接收机的数据发送给所有接收机，每个接收机通过发射机共享获得自身的正交幅度调节函数；

步骤5，每个接收机对接收到的信号进行处理：

步骤5.1，使用与预编码技术对应的滤波技术对发射机与每个接收机之间的信道矩阵进行处理，由此确定每个接收机恢复其期望数据使用的滤波向量；

步骤5.2，每个接收机接收到由期望信号和干扰信号叠加的混合信号；

步骤5.3，每个接收机对其接收到的混合信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的基于松弛正交预编码的空分多址接入方法，其特征在于：步骤4.1中所述预处理是由下式实现的：

其中，δ_k(t)表示发射机对发送给第k个接收机的数据进行预处理后的从开始发射信号到发射机发射完信号过程中时刻t的信号，x_k表示发射机向第k个接收机发送的信号携带的期望数据。

3.根据权利要求2所述的基于松弛正交预编码的空分多址接入方法，其特征在于：步骤5.2中所述的混合信号如下：

其中，y_k(t)表示第k个接收机接收到的从发射机开始发射信号到发射机发射完信号过程中时刻t的混合信号，等号右边的第一个加号前的第一项表示第k个接收机的期望信号，第二个加号前的第二项表示发射机向其余K-1个接收机发送信号对第k个接收机造成的干扰，P_k表示发射机向第k个接收机发送数据使用的发射功率，发射机的总发射功率平均分配给每个接收机，H_k表示发射机与第k个接收机之间的信道矩阵，∑表示求和操作，P_i表示发射机向第i个接收机发送数据使用的发射功率，i∈{1,…,k-1,k+1,…,K}，ω_i表示第i个接收机的正交幅度调节函数的角频率，p_i表示发射机向第i个接收机发送信号使用的初始预编码，x_i表示发射机向第i个接收机发送的期望数据，z表示发射机向第k个接收机发送信号遭受的噪声。

4.根据权利要求3所述的基于松弛正交预编码的空分多址接入方法，其特征在于：步骤5.3中所述对混合信号处理是由下式完成的：

其中，表示第k个接收机对混合信号处理后得到的数据，∫表示积分操作，t₀表示任意的积分起始时刻，选为一个数据符号的起始时刻，τ表示积分变量，/>表示第k个接收机使用滤波向量和正交幅度调节函数对接收到的从发射机开始发射信号到发射机发射完信号过程中时刻t的混合信号进行处理后的数据，σ_k表示第k个接收机使用滤波向量对第k个接收机接收到的信号进行处理后的期望数据的增益，w_k表示第k个接收机使用的滤波向量，上标H表示共轭转置操作，/>表示经过接收处理后的平均噪声功率，σ_i表示第k个接收机受到的干扰的增益，/>σ_k和σ_i是复数。