CN115426017B - 一种基于调和信号虚拟非正交分解的多址方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于调和信号虚拟非正交分解的多址方法及其系统，该方法包括：公共接收机和所有发射机共享信道状态信息，调和发射机通过对多个期望发射机实际发送的信号进行施密特正交化确定一组正交基，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，并将该正交基共享给期望发射机和公共接收机，调和发射机通过遍历求解虚拟调和信号分量，进而求解调和信号，期望发射机根据正交基确定公共接收机的匹配滤波向量，计算期望数据增益，并发送给公共接收机，调和信号与期望发射机的实际发送信号在公共接收机处相互作用，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，无干扰地恢复出多路期望数据，实现多址。
Description
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，具体是一种基于调和信号虚拟非正交分解的多址方法(Virtual Coordinated Signal Non-OrthogonalDecomposition based Multiple Access,VCS-NODMA)。
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约束，会导致过高的功率代价，当萃取发射机功率受限时，该方法可能无法应用。专利“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其系统:中国,202110536447.0,2021.05.17”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(Space and Power Domain VirtualSignal Division based Multiple Access,SPD-VSDMA)，与VSDMA设计思想类似，该方法引入调和发射机构造并发送一路调和信号，与期望发射机的实际发送信号相互作用，实现多址，但是调和信号被视为多个相互正交的虚拟调和信号分量的叠加。SPD-VSDMA考虑了调和发射机的功率开销，但是当系统中存在多个用户时，对调和信号进行虚拟正交分解会导致调和信号功率开销超出调和发射机的功率限定，造成调和信号无解，从而无法实现多址。
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,”in 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.,“AdaptiveTransmission Control in Multiple Interference Neutralization Groups,”IEEECommunications Letters,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 and Z.Yan,“Interference Steering to Manage Interference inIoT,”in IEEE Internet of 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、VSDMA和SPD-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；VSDMA存在萃取发射机功耗过大的问题，而SPD-VSDMA在用户数较大时，不能很好地工作。
发明内容
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。
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非正交分解方法。
本发明是这样实现的，在包含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，调和发射机根据期望发射机实际发送的信号进行施密特正交化，以确定一组正交基，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，然后通过遍历选择不同的虚拟调和信号分量，找到使得调和信号功率开销最小的一组非正交的虚拟调和信号分量组合，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，进一步地，调和发射机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，并据此构造调和信号发送给公共接收机，该调和信号可虚拟分解成多个非正交的虚拟调和信号分量，虚拟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。
本发明中的调和信号非正交分解相比于SPD-VSDMA中调和信号的正交分解，可以在更宽松的功率约束下获得与期望发射机实际发送的信号相互作用的一组调和信号分量，因此更容易获得调和信号的解、有助于支持更多用户的并发数据传输。并且，VCS-NODMA可能会得到与VSDMA或SPD-VSDMA相同的结果，即VCS-NODMA可以将VSDMA和SPD-VSDMA作为其实现的特例。
进一步，所述一种基于信号虚拟非正交分解方法包括以下步骤：
(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Rx和1个调和发射机TxC组成，公共接收机Rx和期望发射机Txk共享信道状态信息，公共接收机Rx将各个期望发射机Txk的信道状态信息共享给调和发射机TxC，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，且调和发射机发送的调和信号sC可虚拟地分解成多个虚拟调和信号分量；
(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Rx发送携带数据x′k的实际发送信号s′k，其中，数据x′k表示期望发射机Txk向公共接收机Rx实际发送的数据；
(3)调和发射机TxC选择一组正交基，将所述正交基包含的基向量所表征的空间特征作为公共接收机Rx恢复出的多路期望信号的方向，通过遍历求解虚拟调和信号分量，得到调和信号，根据所述调和信号计算调和数据xC和调和发射预编码向量pC，然后调和发射机TxC根据计算所得xC和pC发送信号，并将通过遍历得到的调和信号以及所述正交基共享给所有期望发射机，且将所述正交基一并共享给公共接收机；
(4)期望发射机Txk根据调和发射机TxC共享的所述正交基，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Txk将计算所得的期望数据增益αk发送给公共接收机Rx；在期望发射机Txk向公共接收机Rx发射实际发送信号的同时，调和发射机TxC向公共接收机Rx发送一路调和信号，所述实际发送信号s′k与所述调和信号相互作用在Rx处生成混合信号，公共接收机Rx采用调和发射机TxC共享的所述正交基，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Rx广播导频信号，各个期望发射机Txk根据所述导频信号估计其与公共接收机Rx之间的信道状态信息并反馈给公共接收机Rx，公共接收机Rx将各个期望发射机Txk的信道状态信息共享给调和发射机TxC，同时Txk将实际发送的数据信息共享给期望发射机TxC，其中，公共接收机Rx与期望发射机Txk之间的信道状态信息记为Hk(k＝1,2,…,N)，公共接收机Rx和调和发射机TxC间的信道状态信息记为HC。
进一步，所述步骤二具体包括：
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，所有期望发射机以发射功率为PT发送实际发送信号s′k。
进一步，所述步骤三具体包括：
(3a)所述无线上行通信系统中包含N个待检测的用户信号，调和发射机TxC对所述N个待检测的用户信号分别计算得N个虚拟调和信号分量，所述N个虚拟调和信号分量分别记为sC1、sC2、…、sCN，通过将所述N个虚拟调和信号分量组合得到调和信号：
其中，调和信号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；
(3b)公共接收机Rx接收到的来自第k个期望发射机Txk的实际发送信号s′k，记为Pk表示各个期望发射机的发射功率，s′k与虚拟调和信号分量sCk相互作用，得到
sk＝sCk+s′k (2)
其中，sk表示公共接收机恢复出的第k路期望信号，公共接收机恢复出的N路期望信号sk(k＝1,2,…,N)相互正交，其空间特征由一组标准正交基确定，该正交基所包含的基向量的空间特征分别对应sk的方向，满足βk为复数系数；
(3c)调和发射机对期望发射机发送的N路实际发送信号进行施密特正交化，以得到N个相互正交的向量：
调和发射机对式(3)得到的N个向量dk(k＝1,2,…,N)进行单位化处理，以作为标准正交基的基向量
(3d)根据式(2)得通过对βk遍历以求得sCk；
当满足条件和||sCk||2＝PT时，取到||βk||的最大值，即其中||βk||max表示||βk||最大可能取值；令在区间[-||βk||max,||βk||max]内对和进行二维遍历，选取满足条件的和根据得到对应的βk，将该βk代入得到虚拟调和信号分量，判断sCk的功率开销是否满足PT约束，将符合条件||sCk||2≤PT的虚拟调和信号分量记作将具有不同下标k的进行组合，得到多个调和信号分量的组合通过计算得到相应的调和信号计算调和功率开销对满足的和进行存储，并从中选取最小的记为确定调和功率开销最小的调和信号
(3e)根据(3d)所得的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；
由得
令参数ak和bk(k＝1,…,NC)为已知量，其中NC是调和发射机的天线个数；
将TxC发送的数据符号记为xC＝aC+bCi；
令调和信号的预编码向量其中aCk和bCk(k＝1,…,NC)为未知量，且||pC||＝1，则有
综上，得到
方程根据复数的实部和虚部对应相等的原则，得方程组：
对式(4)所包含的所有子式的等号两边取平方并相加，得将代入该式，得故
当aC＝0时，得
当aC≠0时，根据xC＝aC+bCi，定义bC＝aC tanθC，其中由推得因此，给定θC，得到aC和bC，并确定xC；
由式(4)推得pC的各个参数如下：
将选定的xC所对应的aC和bC代入式(5)，确定pC；
调和发射机将调和信号以及正交基共享给所有期望发射机，并同时将正交基共享给公共接收机。
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PT和预编码pk向Rx发送数据x′k的实际发送信号s′k，调和发射机以发射功率PC和调和发射预编码向量pC向Rx调和发送携带调和数据xC的调和信号sC，在Rx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，该匹配滤波向量记为则期望发射机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：
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，根据式(7)：
恢复出期望数据xk。
本发明的目的在于提供一种基于信号虚拟非正交分解方法，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：本发明应用于多用户上行通信系统，调和发射机对多个期望发射机的实际发送信号进行施密特正交化，得到一组正交基，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，通过对不同的虚拟调和信号分量进行组合，找到一组使得调和信号功率开销最小的一组虚拟调和信号分量，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，调和发射机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，并据此构造调和信号发送给公共接收机，该调和信号可虚拟分解成多个非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。该方法能够用于解决多用户通信系统中的共道干扰问题，提高通信系统的频谱效率。VCS-NODMA中调和信号的非正交分解相比于正交分解，可以在更宽松的功率约束下获得与期望发射机实际发送的信号相互作用的一组调和信号分量，更容易获得调和信号的解、有助于支持更多用户的并发数据传输。
附图说明
图1是本发明一种VCS-NODMA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，VCS-NODMA原理示意图；
图4是本发明的控制信息交互示意图；
图5是N＝2时，本发明VCS-NODMA与迫零接收(Zero-Forcing,ZF)、匹配滤波(Matched Filtering,MF)、干扰导向(Interference Steering,IS)，以及基于信号虚拟分解空域和功率域联合多址接入方法(Space and Power Domain Virtual Signal Divisionbased Multiple Access,SPD-VSDMA)的系统平均频谱效率比较的示意图。
图6是N＝3时，本发明VCS-NODMA与匹配滤波(Matched Filtering,MF)以及基于信号虚拟分解空域和功率域联合多址接入方法(Space and Power Domain Virtual SignalDivision based Multiple Access,SPD-VSDMA)的系统平均频谱效率比较的示意图。
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，提出一种基于调和信号虚拟非正交分解的多址接入方法，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，该调和发射机对多个期望发射机实际发送的信号进行施密特正交化，得到一组正交基，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，通过对不同的虚拟调和信号分量进行组合，找到一组使得调和信号功率开销最小的一组虚拟调和信号分量，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，调和发射机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，并构造调和信号发送给公共接收机，该调和信号可虚拟分解成多个非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。
调和信号的非正交分解相比于正交分解，可以在更宽松的功率约束下获得与期望发射机实际发送的信号相互作用的调和信号分量，因此更容易求解得到调和信号、有助于支持更多用户的并发数据传输。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非正交分解的多址方法包括以下步骤：
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x′k的信号s′k；
具体的，期望发射机Txk向公共接收机发送携带数据x′k的信号s′k，x′k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，调和发射机对多个期望发射机的实际发送信号进行施密特正交化得到一组正交基，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，通过对不同的虚拟调和信号分量进行组合，找到一组使得调和信号功率开销最小的一组虚拟调和信号分量，进而求解调和信号，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正交基信息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，并将正交基信息共享给公共接收机；
具体的，调和信号可虚拟地分解成多个非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αk，恢复出期望数据xk。
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Rx发送信号。Txk表示第k个期望发射机，配备了根天线，发射功率为其中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x′k，所有的期望发射机采用相同的调制方式，x′k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Rx配备NR≥N根接收天线。和分别表示Txk与Rx、TxC与Rx之间的信道状态信息(Channel State Information,CSI)，Txk需要将自己的数据信息及其与Rx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。Rx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Rx的信号传输之间存在相互干扰，引入调和发射机向Rx发送一路调和信号，与期望发射机发送的信号在Rx处相互作用，可以使Rx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。调和信号的非正交分解相比于正交分解，可以在更宽松的功率约束下获得与期望发射机实际发送的信号相互作用的调和信号分量，因此更容易获得调和信号的解、以及有助于支持更多用户的并发数据传输。
图3给出VCS-NODMA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s′1和s′2分别作用，可以在Rx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3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3个期望发射机为Tx1、Tx2和Tx3，1个调和发射机为TxC，其中公共接收机Rx广播导频信号，各个期望发射机估计信道信息并反馈给Rx，然后公共接收机Rx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Rx与Txk(k＝{1,2,3})之间的信道状态信息记为Hk(k＝{1,2,3})，Rx和Tx间的信道状态信息记为HC。
步骤2，期望发射机Tx1、Tx2和Tx3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＝{1,2,3})。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Rx发送携带数据x′k的实际发送信号s′k(k＝{1,2,3})，其中，数据x′k表示期望发射机Txk向公共接收机Rx实际发送的数据；
具体而言，三个期望发射机的预编码向量p1、p2和p3可以通过分别对信道矩阵H1、H2和H3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、Tx2和Tx3采用二进制相移键控(BinaryPhase Shift Keying,BPSK)调制，x′1、x′2和x′3可以分别从与期望发射机的原期望数据x1、x2和x3所属的相同调制符号集合Ω＝{-1,1}中随机选取，其中，x′k(k＝{1,2,3})表示期望发射机向公共接收机实际发送的数据符号，xk(k＝{1,2,3})表示期望发射机希望发送给公共接收机的原期望数据，所有期望发射机以发射功率为PT发送实际发送信号s′k。
步骤三，调和发射机TxC选择一组正交基，将所述正交基包含的基向量所表征的空间特征作为公共接收机Rx恢复出的多路期望信号的方向，通过遍历求解虚拟调和信号分量，得到调和信号，根据所述调和信号计算调和数据xC和调和发射预编码向量pC，然后调和发射机TxC根据计算所得xC和pC发送信号，并将通过遍历得到的调和信号以及所述正交基共享给所有期望发射机，且将所述正交基一并共享给公共接收机；
(3a)所述无线上行通信系统中包含3个待检测的用户信号，调和发射机TxC对所述3个待检测的用户信号分别计算得3个虚拟调和信号分量，所述3个虚拟调和信号分量分别记为sC1、sC2和sC3，通过将所述3个虚拟调和信号分量组合得到调和信号：
其中，调和信号PC表示调和发射机发送调和信号的发射功率，sCk(k＝{1,2,3})表示虚拟调和信号分量。
(3b)公共接收机Rx接收到的来自三个期望发射机Txk(k＝{1,2,3})的实际发送信号为Pk表示各个期望发射机的发射功率，s′k与虚拟调和信号分量sCk相互作用，得到
sk＝sCk+s′k (9)
其中，sk表示公共接收机恢复出的第k路期望信号。3路sk相互正交，则其空间特征可以由一组标准正交基确定，即该正交基所包含的基向量的空间特征分别对应信号矢量sk的方向，满足为复系数。
(3c)调和发射机对期望发射机发送的3路实际发送信号进行施密特正交化，以得到3个相互正交的向量，为
调和发射机对式(10)得到的3个向量进行单位化处理，以作为标准正交基的基向量
(3d)根据式(9)可得通过对βk遍历求取sCk。
当满足条件和||sCk||2＝PT时，取到||βk||的最大值，即其中||βk||max表示||βk||最大可能取值。令在区间[-||βk||max,||βk||max]内对和进行二维遍历，选取满足条件的和根据得到对应的βk，将该βk代入可以得到虚拟调和信号分量，判断sCk的功率开销是否满足PT约束，将符合条件||sCk||2≤PT的虚拟调和信号分量记作将具有不同下标k的进行组合，可以得到多个虚拟调和信号分量组合通过计算得到对应的调和信号计算调和功率开销对满足的和进行存储，然后从中选取最小的记为至此便确定了调和功率开销最小的调和信号
(3e)根据(3d)所得的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；
由可得
令参数a1，a2，b1和b2为已知量；
将TxC发送的数据符号记为xC＝aC+bCi；
令调和信号的预编码向量为其中aC1，aC2，bC1和bC2为未知数，且||pc||＝1，则有
综上，得到方程根据复数的实部和虚部对应相等的原则，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(4)，其中k＝{1,2,3}。
对式(4)所包含的所有子式的等号两边取平方并相加，可得将代入该式，可得故
当aC＝0时，易得
当aC≠0时，根据xC＝aC+bCi，可定义bC＝aC tanθC，其中由可以推得因此，给定θC，即可得到aC和bC，从而确定xC。
由式(4)可以推得pC的各个参数如下：
将选定的xC所对应的aC和bC代入式(5)，便可确定pC。
调和发射机将调和信号以及正交基共享给所有期望发射机，并同时将正交基共享给公共接收机。
步骤4，期望发射机Tx1、Tx2和Tx3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、α2和α3，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＝{1,2,3})用波束成形的方式，以发射功率PT和预编码pk(k＝{1,2,3})分别向公共接收机发送携带数据x′1、x′2和x′3的信号，调和发射机以发射功率PT和调和预编码pC向公共接收机发送携带调和发送数据xC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：
(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：
可以得到系统的频谱效率为：
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)，调和发射机根据公共接收机共享的信道状态信息，对其进行奇异值分解，得到各个期望发射机的预编码，然后对期望发射机的实际发送信号进行施密特正交化，确定一组正交基，通过遍历得到虚拟调和信号分量，进而确定调和信号，并将调和信号和正交基共享给期望发射机，以及将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，期望发射机的数量设置为N∈{2,3}，期望发射机和调和发射机的天线数均设置为Nk＝NC＝NT＝2，发射功率为其中k∈{1,…,N}，公共接收机的天线数设置为NR＝N。所有发射机均采用BPSK调制，调制符号集合Ω＝{-1,1}。定义噪声归一化功率值为 表示噪声功率，在仿真中选取γ∈[-10,20]dB。
当N＝2时，将ZF、MF、IS、以及SPD-VSDMA与所提方案在上述通信场景中进行性能仿真与比较，这里不与VSDMA作比较，主要原因是本方案与SPD-VSDMA两者都考虑了调和信号功率开销的约束，而VSDMA没有考虑该限制，导致其在该限制下会以较高的概率无解。
当N＝3时，将MF和SPD-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，采不同方法的平均系统频谱效率(Spectral Efficiency,SE)随γ变化的情况。如图所示，SPD-VSDMA和VCS-NODMA的SE均优于其它方法，这是由于SPD-VSDMA和VCS-NODMA能够在接收机处无干扰地恢复出多路期望信号，并且相比于其它基于干扰管理的多用户通信方法，避免了信号调制导致的功率开销(如IS和IN)、信号传输增益的损失(如ZF)。而SPD-VSDMA的SE性能优于VCS-NODMA，这是因为前者可以遍历多组正交基，并从中选取使调和功率开销最小的一组，而VCS-NODMA是通过对各个期望发射机实际发送的信号进行施密特正交化确定正交基(如式(10)所示)。当γ较小时，噪声是影响SE的主要因素，干扰管理方法对SE的改善不明显，特别是在抑制较弱的干扰时，ZF可能会造成较大的期望信号功率损失，而IS需要产生导向信号，导致期望信号的发射功率降低，因此它们的SE性能与MF接近，甚至劣于MF。随着γ的增加，公共接收机处的CCI增强，干扰成为影响SE的主要因素，基于干扰管理的多用户通信方法的系统SE得到显著的改善，而MF无法消除CCI，因此VCS-NODMA、SPD-VSDMA、IS和ZF的SE优于MF。
图6给出N＝3时，不同方法的平均系统SE随γ变化的情况。如图所示，相比于其它方法，VCS-NODMA能够获得最佳的SE性能，这是由于在应用SPD-VSDMA的过程中，会出现调和信号功率开销超过发射机功率约束的情况，此时我们会采用MF完成多用户通信，从而导致SPD-VSDMA的系统SE劣于VCS-NODMA。当γ较低时，MF与SPD-VSDMA和VCS-NODMA的SE接近，这是因为此时噪声是影响SE的主要因素，干扰管理方法对系统SE的改善不明显；随着γ增大，干扰逐渐成为影响SE的主要因素，因此所提方案VCS-NODMA和SPD-VSDMA的SE显著改善并越来越优于MF。
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 (5)
1.一种基于调和信号虚拟非正交分解的多址方法，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Rx和1个调和发射机TxC组成，公共接收机Rx和期望发射机Txk共享信道状态信息，公共接收机Rx将各个期望发射机Txk的信道状态信息共享给调和发射机TxC，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，且调和发射机发送的调和信号sC可虚拟地分解成多个虚拟调和信号分量；
(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Rx发送携带数据x′k的实际发送信号s′k，其中，数据x′k表示期望发射机Txk向公共接收机Rx实际发送的数据；
(3)调和发射机TxC选择一组正交基，将所述正交基包含的基向量所表征的空间特征作为公共接收机Rx恢复出的多路期望信号的方向，通过遍历求解虚拟调和信号分量，得到调和信号，根据所述调和信号计算调和数据xC和调和发射预编码向量pC，然后调和发射机TxC根据计算所得xC和pC发送信号，并将通过遍历得到的调和信号以及所述正交基共享给所有期望发射机，且将所述正交基一并共享给公共接收机；
(4)期望发射机Txk根据调和发射机TxC共享的所述正交基，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Txk将计算所得的期望数据增益αk发送给公共接收机Rx；在期望发射机Txk向公共接收机Rx发射实际发送信号的同时，调和发射机TxC向公共接收机Rx发送一路调和信号，所述实际发送信号s′k与所述调和信号相互作用在Rx处生成混合信号，公共接收机Rx采用调和发射机TxC共享的所述正交基，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；
步骤(3)中具体为：
(3a)所述无线上行通信系统中包含N个待检测的用户信号，调和发射机TxC对所述N个待检测的用户信号分别计算得N个虚拟调和信号分量，所述N个虚拟调和信号分量分别记为sC1、sC2、…、sCN，通过将所述N个虚拟调和信号分量组合得到调和信号：
其中，调和信号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；
(3b)公共接收机Rx接收到的来自第k个期望发射机Txk的实际发送信号s′k，记为Pk表示各个期望发射机的发射功率，s′k与虚拟调和信号分量sCk相互作用，得到
sk＝sCk+s′k (2)
其中，sk表示公共接收机恢复出的第k路期望信号，公共接收机恢复出的N路期望信号sk(k＝1,2,…,N)相互正交，其空间特征由一组标准正交基确定，该正交基所包含的基向量的空间特征分别对应sk的方向，满足βk为复数系数；
(3c)调和发射机对期望发射机发送的N路实际发送信号进行施密特正交化，以得到N个相互正交的向量：
调和发射机对式(3)得到的N个向量dk(k＝1,2,…,N)进行单位化处理，以作为标准正交基的基向量
(3d)根据式(2)得通过对βk遍历以求得sCk；
当满足条件和||sCk||2＝PT时，取到||βk||的最大值，即其中||βk||max表示||βk||最大可能取值；令在区间[-||βk||max,||βk||max]内对和进行二维遍历，选取满足条件的和根据得到对应的βk，将该βk代入得到虚拟调和信号分量，判断sCk的功率开销是否满足PT约束，将符合条件||sCk||2≤PT的虚拟调和信号分量记作将具有不同下标k的进行组合，得到多个调和信号分量的组合通过计算得到相应的调和信号计算调和功率开销对满足的和进行存储，并从中选取最小的记为确定调和功率开销最小的调和信号
(3e)根据(3d)所得的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；
由得
令参数ak和bk(k＝1,…,NC)为已知量，其中NC是调和发射机的天线个数；
将TxC发送的数据符号记为xC＝aC+bCi；
令调和信号的预编码向量其中aCk和bCk(k＝1,…,NC)为未知量，且||pC||＝1，则有
综上，得到
方程根据复数的实部和虚部对应相等的原则，得方程组：
对式(4)所包含的所有子式的等号两边取平方并相加，得将代入该式，得故
当aC＝0时，得
当aC≠0时，根据xC＝aC+bCi，定义bC＝aCtanθC，其中由推得因此，给定θC，得到aC和bC，并确定xC；
由式(4)推得pC的各个参数如下：
将选定的xC所对应的aC和bC代入式(5)，确定pC；
调和发射机将调和信号以及正交基共享给所有期望发射机，并同时将正交基共享给公共接收机。
2.根据权利要求1所述的一种基于调和信号虚拟非正交分解的多址方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：
公共接收机Rx广播导频信号，各个期望发射机Txk根据所述导频信号估计其与公共接收机Rx之间的信道状态信息并反馈给公共接收机Rx，公共接收机Rx将各个期望发射机Txk的信道状态信息共享给调和发射机TxC，同时Txk将实际发送的数据信息共享给期望发射机TxC，其中，公共接收机Rx与期望发射机Txk之间的信道状态信息记为Hk(k＝1,2,…,N)，公共接收机Rx和调和发射机TxC间的信道状态信息记为HC。
3.根据权利要求1所述的一种基于调和信号虚拟非正交分解的多址方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：
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，所有期望发射机以发射功率为PT发送实际发送信号s′k。
4.根据权利要求1所述的一种基于调和信号虚拟非正交分解的多址方法，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PT和预编码pk向Rx发送数据x′k的实际发送信号s′k，调和发射机以发射功率PC和调和发射预编码向量pC向Rx调和发送携带调和数据xC的调和信号sC，在Rx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，该匹配滤波向量记为 则期望发射机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：
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，根据式(7)：
恢复出期望数据xk。
5.一种应用权利要求1～4任意一项所述的一种基于调和信号虚拟非正交分解的多址方法的无线通信系统。
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| GR01 | Patent grant | ||
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