CN116055020B - 非正交导频构建方法及免授权接入过程的信号传输方法 - Google Patents

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CN116055020B CN202310328075.1A CN202310328075A CN116055020B CN 116055020 B CN116055020 B CN 116055020B CN 202310328075 A CN202310328075 A CN 202310328075A CN 116055020 B CN116055020 B CN 116055020B
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Abstract

本发明公开了一种非正交导频构建方法及免授权接入过程的信号传输方法，包括：获取预先基于目标基站总设备数和目标过载因子确定设备对应的导频序列个数和导频序列长度，根据设备对应的导频序列个数和导频序列长度随机生成导频序列集；计算所述导频序列集中目标导频序列与其他导频序列之间的相关值，获取所有相关值中的最大相关值；根据预先设置的导频序列峰均比要求以及所要满足的单位范数为约束条件对所述最大相关值以最小化为目标求解，得到具有最小的序列间最大相关值的导频序列。优点：给定峰均比约束下，最小化序列间的最大相关值，该序列能有效降低最大相关值，从而保障接收端的活跃用户检测性能，以实现免授权的大规模接入。

Description

非正交导频构建方法及免授权接入过程的信号传输方法
技术领域
本发明涉及一种非正交导频构建方法及免授权接入过程的信号传输方法，属于机器类通信系统技术领域。
背景技术
随着物联网的快速发展，为大量机器和传感器提供无处不在的大规模连接成为迫切需要。为了减少访问开销和延迟，免授权接入一直是用于大规模连接的潜在接入技术。在免授权接入中，接收端通过检测使用了哪些导频序列来检测设备是否发送数据，并估计这些设备的信道，称为活跃用户检测。由于只有小部分用户处于活跃状态，因此活跃用户检测可以转化为压缩感知中稀疏信号的恢复问题。通常假设压缩感知的感知矩阵由伪随机或高斯序列组成，在压缩感知背景下，为了保证稀疏信号的稳定重构，期望感知矩阵满足有限等距性质( restricted isometry property ，RIP )。然而，分析和设计满足RIP的矩阵是非常困难的。
研究表明，相关性与稀疏恢复性能密切相关，相关性越低，稀疏恢复性能越好。从相关性角度，具有最小的最大相关值的Grassmannian框架是压缩感知的良好候选者，使用Grassmannian框架作为感知矩阵对于稀疏恢复性能具有一致性保证。然而Grassmannian框架并不能保障低峰均比。传统的Zadoff-Chu (ZC)和二进制Golay序列每个元素的模均为1，因而具有低峰均比，然而它们的最大相关值不是最优的。因此本发明设计具有低相关性和低峰均比的非正交导频序列。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种非正交导频构建方法及免授权接入过程的信号传输方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种非正交导频构建方法，包括：
获取预先基于目标基站总设备数和目标过载因子确定设备对应的导频序列个数和导频序列长度，根据设备对应的导频序列个数和导频序列长度随机生成导频序列集；
计算所述导频序列集中目标导频序列与其他导频序列之间的相关值，获取所有相关值中的最大相关值；
根据预先设置的导频序列峰均比要求以及所要满足的单位范数为约束条件对所述最大相关值以最小化为目标求解，得到具有最小的序列间最大相关值的导频序列，将该导频序列确定为用于分配给对应设备的最终导频序列。
进一步的，所述最大相关值的计算表达式为：
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；
其中，μ(A)为最大相关值，A为包含所有导频序列的导频矩阵，
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，/>
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表示/>
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与/>
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的内积，/>
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，/>
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表示分配给设备n的导频序列，/>
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表示分配给设备j的导频序列，其中0≤n≠j≤N，N为目标基站可容纳的设备的个数，H为共轭转置符号，‖‖为2-范数，||为取绝对值，max表示取最大值。
进一步的，所述约束条件为：
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满足单位范数且/>
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的离散峰均比/>
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均小于等于预先设的约束值ρ，则满足单位范数和PAPR约束的向量集合/>
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表示为：
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；
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为长度为M的复向量，M为导频序列的长度。
进一步的，所述离散峰均比
Figure SMS_15
的表达式为：
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；
其中，
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表示导频序列/>
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中第m个元素。
进一步的，所述根据预先设置的导频序列峰均比要求以及所要满足的单位范数为约束条件对所述最大相关值以最小化为目标求解，得到具有最小的序列间最大相关值的导频序列，将该导频序列确定为用于分配给对应设备的最终导频序列，包括：
步骤a)，随机产生高斯矩阵
Figure SMS_19
且/>
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，设置约束值ρ，设置步长β，设置最大迭代次数T，上标t表示当前的迭代次数，初始化t=1；
步骤b) ，对于n从1到N，依次执行：
如
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，构造下标索引集合/>
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步骤c)，求解问题
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，该问题的解由下式给出：/>
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；
其中，s表示向量集合
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的相位，令/>
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代入下式计算共轭梯度向量：
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；
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表示轭梯度向量，/>
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的序列/>
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的下标集合，r表示半径；
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；
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；
其中，μ b 表示最大相关值的下限；
Figure SMS_48
；
步骤e），按下式计算第t+1次迭代的序列
Figure SMS_49
：/>
Figure SMS_50
；
将
Figure SMS_51
的2-范数按下式进行归一化，表示形式为：
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；
步骤f），令
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，返回步骤b)，直至t>T，结束迭代过程，最终得到第T次迭代产生的导频序列集合/>
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，所述导频序列集合
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中的导频序列/>
Figure SMS_56
为分配给设备n的导频序列。
进一步的，还包括：
在步骤f）之后还包括步骤g），所述步骤g）包括：
令β等间隔取0.01~1之间的数值，按步骤a)~步骤f)的过程不同β下的最优结果，取不同β下的最优结果中具有最小μ(A)的结果为最终求解结果。
进一步的，所述导频序列长度为目标过载因子和目标基站总设备数的比值。
一种免授权接入过程的信号传输方法，
利用非正交导频构建方法获取分配给目标设备的导频序列；
获取目标设备要发送的数据，随机选择所述目标设备和目标基站之间的信道，将所述分配给目标设备的导频序列和所述数据组成数据帧通过所述信道发送给目标基站。
本发明所达到的有益效果：
在本发明中，提出一种有效的方法来构建具有低相关性和峰均比的非正交导频序列，在给定峰均比约束下，最小化序列间的最大相关值，该序列能有效降低最大相关值，从而保障接收端的活跃用户检测性能，以实现免授权的大规模接入。
附图说明
图1为非正交导频构建的流程示意图；
图2为导频序列的长度M=7时所提序列达到的最大相关值与其他方法的对比示意图；
图3为导频序列的长度M=64时所提序列达到的最大相关值与其他方法的对比示意图；
图4为导频序列的长度M=7时活跃用户信道估计的NMSE与活跃率的关系示意图；
图5为导频序列的长度M=64时活跃用户信道估计的NMSE与活跃率的关系示意图.
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：如图1所示，本发明公开了一种非正交导频构建方法，包括：
获取预先基于目标基站总设备数和目标过载因子确定设备对应的导频序列个数和导频序列长度，根据设备对应的导频序列个数和导频序列长度随机生成导频序列集；
计算所述导频序列集中目标导频序列与其他导频序列之间的相关值，获取所有相关值中的最大相关值；
根据预先设置的导频序列峰均比要求以及所要满足的单位范数为约束条件对所述最大相关值以最小化为目标求解，得到具有最小的序列间最大相关值的导频序列，将该导频序列确定为用于分配给对应设备的最终导频序列。
给定导频序列峰均比要求，优化设计具有最小的序列间最大相关值的一组序列。在免授权接入过程中，为每个潜在用户分配所述导频，当需要发送数据时，用户随机选择信道，将导频和数据组成数据帧直接发送给基站，不需要发起调度请求并等待调度，导频与数据共用相同信道。具体包括：
一个上行免授权接入系统的一个基站可容纳N个设备，每个设备分配有一个导频序列，用
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表示分配给设备n的导频序列，/>
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，其中M表示导频序列的长度，且M<N，并且/>
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的2-范数等于1，即/>
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。定义/>
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为包含所有导频序列的导频矩阵。序列间最大相关值定义为：
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与/>
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的内积。
任意长度为M的序列
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的的离散峰均比定义为：
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；
其中
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表示定义序列/>
Figure SMS_69
中第m个元素。
给定允许的最大PAPR为ρ，令
Figure SMS_70
表示满足单位范数和PAPR约束的向量集合，即
Figure SMS_71
；
因此,所述的非正交导频设计问题可以表示为
Figure SMS_72
。
所述的非正交导频设计问题求解步骤：
步骤a) 初始化：迭代次数t=1，随机产生高斯矩阵
Figure SMS_73
且/>
Figure SMS_74
对n=1,…N，设置ρ，设置合适的步长，设置最大迭代次数T。
步骤b) 对于n从1到N，依次执行：
如
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。令
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中元素个数。
步骤c)寻找集合
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中距离/>
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最近的向量，即求解问题/>
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。该问题的解可由下式给出：
Figure SMS_87
其中，s m 是向量s的第m个元素,
Figure SMS_88
表示/>
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的相位。令/>
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。
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（n=1,…N）代入下式计算共轭梯度向量：
Figure SMS_92
.
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表示轭梯度向量，/>
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表示/>
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与/>
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的序列/>
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的下标集合，r表示半径；
Figure SMS_103
；
Figure SMS_104
；
其中，μ b 表示最大相关值的下限；
Figure SMS_105
。
步骤e）按下式计算第t+1次迭代的序列
Figure SMS_106
：
Figure SMS_107
；
其中β为步长。并将
Figure SMS_108
的2-范数按下式进行归一化：
Figure SMS_109
；
步骤f）令
Figure SMS_110
，返回步骤b)，直至t>T结束。
所述的非正交导频设计步骤，合适的步长很重要，针对不同的M和N的取值，最佳步长β可能不一样。可采用下面策略找到合适步长：令β等间隔取0.01~1之间的数值，多次对最大相关值以最小化为目标求解，再取β不同取值下具有最小μ(A)的求解结果。
本实施例中，取β=0.1，运行该算法十次，并在其中取最好的结果。定义过载因子L=N/M为序列数量与长度的比值，设置L=2，最大峰均比为 ρ=5和ρ=1。如图2和图3所示，将本发明方法设计的序列的最大相关值结果与具有峰均比约束的紧框架（tight frames, TF）、传统的Zadoff-Chu (ZC)和二进制Golay序列作对比。由于Golay序列长度限制为
Figure SMS_111
，
Figure SMS_112
，q表示变量，/>
Figure SMS_113
表示正自然数，ZC序列的长度,用M ZC 表示,取最接近M的质数。其中本发明方法构造的（8,16）矩阵如表1和表2，表1为本发明方法构造的（8,16）矩阵的1~4列，表2为本发明方法构造的（8,16）矩阵的5~8列，表3为本发明方法构造的（8,16）矩阵的9~12列，表4为本发明方法构造的（8,16）矩阵的13~16列：
表1
Figure SMS_114
；/>
表2
Figure SMS_115
；
表3
Figure SMS_116
；
表4
Figure SMS_117
；
表5
Figure SMS_118
；
表5为不同序列的最大相关值μ(A)的比较，可以看出，所提出的导频序列的最大相关值μ(A)非常接近下界μ b ，相对于TF、ZC和Golay序列分别下降最高达62%, 47% 和28%。
为了消除序列长度差异的影响，我们接下来将所提方法分别与短序列长度的ZC和长序列长度Golay序列进行比较。固定ρ=1，图2和图3分别给出了M=7和M=64时最大相关值μ(A)随过载因子L的变化。可以发现，本发明方法的最大相关值μ(A)随L增大，同时与下界μ b 的差距也随L增大，这是由于随着序列长度增加，问题的解更容易陷入局部最优解。可以发现，无论序列长短，所提出序列的最大相关值都比TF低得多。此外，在低过载情况下，所提序列的最大相关值比ZC序列小，但在高过载区域却相反，主要是因为ZC的最大相关值恒定。从整体上看，所提序列的性能优于Golay序列，尤其当L>5时的高过载情况下，优势更明显。
更进一步地，我们比较峰均比均为1的各种序列活跃用户检测的性能。为了消除不同检测算法的影响，我们应用活跃用户已知条件下的最小二乘法（LS）来评估性能。性能指标是归一化均方误差(normalized mean squared errors，NMSE),即计算
Figure SMS_119
的平均值，其中/>
Figure SMS_122
和/>
Figure SMS_124
分别是活跃设备的实际信道和估计信道。活跃设备集合和信道随机产生，实验105次以获得平均值，将平均信噪比设置为15dB，过载因子L=3，定义/>
Figure SMS_120
为活跃设备的比例，图4和图5分别给出了M=7和M=64时NMSE与活跃度的变化曲线。观察发现，由于低相干性,所提出的序列在NMSE方面优于TF，而与ZC的性能相似。对于低活跃率,即/>
Figure SMS_123
，Golay的性能接近所提序列的性能，而对于/>
Figure SMS_125
,Golay的性能开始恶化，因为/>
Figure SMS_126
会变得缺秩和奇异,其中/>
Figure SMS_121
表示Golay序列组成的矩阵。结果表明，得益于更小的最大相关值和更均匀的相干性分布,所提出的序列在高活跃情况下更具优势。
实施例2：本发明提供一种免授权接入过程的信号传输方法，
利用所述非正交导频构建方法获取分配给目标设备的导频序列；
获取目标设备要发送的数据，随机选择所述目标设备和目标基站之间的信道，将所述分配给目标设备的导频序列和所述数据组成数据帧通过所述信道发送给目标基站。
以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种非正交导频构建方法，其特征在于，包括：
获取预先基于目标基站总设备数和目标过载因子确定设备对应的导频序列个数和导频序列长度，根据设备对应的导频序列个数和导频序列长度随机生成导频序列集；
计算所述导频序列集中目标导频序列与其他导频序列之间的相关值，获取所有相关值中的最大相关值；
根据预先设置的导频序列峰均比要求以及所要满足的单位范数为约束条件对所述最大相关值以最小化为目标求解，得到具有最小的序列间最大相关值的导频序列，将该导频序列确定为用于分配给对应设备的最终导频序列。
2.根据权利要求1所述的非正交导频构建方法，其特征在于，所述最大相关值的计算表达式为：
Figure QLYQS_1
；
其中，μ(A)为最大相关值，A为包含所有导频序列的导频矩阵，
Figure QLYQS_2
，
Figure QLYQS_3
表示/>
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与/>
Figure QLYQS_5
的内积，/>
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，/>
Figure QLYQS_7
表示分配给设备n的导频序列，
Figure QLYQS_8
表示分配给设备j的导频序列，其中0≤n≠j≤N，N为目标基站可容纳的设备的个数，H为共轭转置符号，‖‖为2-范数，||为取绝对值，max表示取最大值。
3.根据权利要求2所述的非正交导频构建方法，其特征在于，所述约束条件为：
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满足单位范数且/>
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的离散峰均比/>
Figure QLYQS_11
均小于等于预先设的约束值ρ，则满足单位范数和PAPR约束的向量集合/>
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表示为：
Figure QLYQS_13
；
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Figure QLYQS_14
为长度为M的复向量，M为导频序列的长度。
4.根据权利要求3所述的非正交导频构建方法，其特征在于，所述离散峰均比
Figure QLYQS_15
的表达式为：
Figure QLYQS_16
；
其中，
Figure QLYQS_17
表示导频序列/>
Figure QLYQS_18
中第m个元素。
5.根据权利要求4所述的非正交导频构建方法，其特征在于，所述根据预先设置的导频序列峰均比要求以及所要满足的单位范数为约束条件对所述最大相关值以最小化为目标求解，得到具有最小的序列间最大相关值的导频序列，将该导频序列确定为用于分配给对应设备的最终导频序列，包括：
步骤a)，随机产生高斯矩阵
Figure QLYQS_19
且/>
Figure QLYQS_20
，设置约束值ρ，设置步长β，设置最大迭代次数T，上标t表示当前的迭代次数，初始化t=1；
步骤b) ，对于n从1到N，依次执行：
如
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，构造下标索引集合/>
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，使得对于下标/>
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，序列
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的第m个元素/>
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中元素个数；
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Figure QLYQS_28
，该问题的解由下式给出：
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；
其中，s表示向量集合
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中的向量，s m 是向量s的第m个元素,/>
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表示
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的相位，令/>
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；
步骤d)，令
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；
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表示轭梯度向量，/>
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表示/>
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步骤e），按下式计算第t+1次迭代的序列
Figure QLYQS_49
：
Figure QLYQS_50
；
将
Figure QLYQS_51
的2-范数按下式进行归一化，表示形式为：
Figure QLYQS_52
；
步骤f），令
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为分配给设备n的导频序列。
6.根据权利要求5所述的非正交导频构建方法，其特征在于，还包括：
在步骤f）之后还包括步骤g），所述步骤g）包括：
令β等间隔取0.01~1之间的数值，按步骤a)~步骤f)的过程不同β下的最优结果，取不同β下的最优结果中具有最小μ(A)的结果为最终求解结果。
7.根据权利要求1所述的非正交导频构建方法，其特征在于，所述导频序列长度为目标过载因子和目标基站总设备数的比值。
8.一种免授权接入过程的信号传输方法，其特征在于，
利用权利要求1-7任意一项所述的非正交导频构建方法获取分配给目标设备的导频序列；
获取目标设备要发送的数据，随机选择所述目标设备和目标基站之间的信道，将所述分配给目标设备的导频序列和所述数据组成数据帧通过所述信道发送给目标基站。
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