CN116743219B - 一种面向非正交多址通信系统的符号级预编码方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，提出一种面向非正交多址通信系统的符号级预编码方法及系统，其应用的通信系统包括配备有N_t个发射天线的基站，每个基站同时向K个用户终端发送信息。其中，所述符号级预编码方法包括以下步骤：通过相移键控对基站向用户终端发送的信息比特进行调制，得到数据符号；建立基站符号级预编码信号与用户终端SINR之间的关系模型；根据所述关系模型确定约束条件，对基站的总发射功率构建优化目标；基于迭代优化算法求解所述优化目标的近似解，得到预编码矩阵；利用所述预编码矩阵进行符号级预编码，得到预编码信号。

Description

一种面向非正交多址通信系统的符号级预编码方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种面向非正交多址通信系统的符号级预编码方法及系统。

背景技术

目前对无线通信系统的高吞吐量、超低时延与超大连接的需求不断增加，由于无线通信系统的可用频带宽度有限，因此在通信过程中提高频谱利用效率能够显著提升系统性能。而目前的通信系统主要使用正交多址技术进行数据传输，相比之下，非正交多址技术由于其高频谱效率、大规模的连接性以及较低的接收机复杂度是无线通信系统的物理层关键技术之一。

非正交多址主要分为功率域和码域，功率域非正交多址在发射端使用叠加编码技术，接收端则利用SIC(Symbol Level Precoding，串行干扰消除)技术助力解调。但是其局限性也十分显著，若共享频谱的用户数目增多，非正交多址的SIC操作数目则会变大，接收机的复杂度非常高，并且通信的性能仍然受到无线通信场景中多样化干扰的限制。而预编码技术不仅能保证服务的需求，还能有效地进行干扰管理，因此就非正交多址与预编码技术展开了大量研究，利用预编码技术去消除用户间的干扰，例如SLP(Symbol LevelPrecoding，符号级预编码)技术。但是目前SLP技术的应用中未考虑干扰本质也是能量，而单纯消除干扰存在系统能量利用率低的问题。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的面向非正交多址通信系统中SLP技术的应用存在系统能量利用率低的缺陷，提供一种面向非正交多址通信系统的符号级预编码方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种面向非正交多址通信系统的符号级预编码方法，其应用的通信系统包括配备有N_t个发射天线的基站，每个基站同时向K个用户终端发送信息。

其中，所述符号级预编码方法包括以下步骤：

通过相移键控对基站向用户终端发送的信息比特进行调制，得到数据符号；

建立基站符号级预编码信号与用户终端SINR之间的关系模型；

根据所述关系模型确定约束条件，对基站的总发射功率构建优化目标；

基于迭代优化算法求解所述优化目标的近似解，得到预编码矩阵；

利用所述预编码矩阵进行符号级预编码，得到预编码信号。

进一步地，本发明还提出了一种面向非正交多址通信系统的符号级预编码系统，应用本发明提出的符号级预编码方法。其应用的通信系统包括配备有N_t个发射天线的基站，每个基站同时向K个用户终端发送信息。

所述的符号级预编码系统包括：

调制模块，用于通过相移键控对基站向用户终端发送的信息比特进行调制，得到数据符号；

功率优化模块，其中设置有基站符号级预编码信号与用户终端SINR之间的关系模型，以及根据所述关系模型确定的约束条件；所述功率优化模块用于对基站的总发射功率构建优化目标；

数据处理模块，用于基于迭代优化算法求解所述优化目标的近似解，输出预编码矩阵；

预编码模块，用于根据所述预编码矩阵进行符号级预编码，输出预编码信号。

进一步地，本发明还提出一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行本发明提出的符号级预编码方法的步骤。

进一步地，本发明还提出一种存储介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时实现本发明提出的符号级预编码方法的步骤。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明通过在发射端对数据进行符号级预编码设计，通过保证非正交多址信道增益较强的用户正确解调要求所确定的约束条件，对基站的总发射功率构建优化目标，并将约束条件中的非凸约束转换为凸约束，再转化为并将该优化问题采用迭代优化的方法进行求解，由此得到的预编码矩阵用于对发射端信号进行预编码，将强用户对弱用户的干扰转换为对信号检测有益的能量，实现非正交多址通信中干扰的有效管理的通信方法，同时能够实现满足无线通信系统性能，既降低了整体的功耗又提高了无线通信系统的频谱效率。

附图说明

图1为实施例1的符号级预编码方法的流程图。

图2为实施例1的非正交多址通信系统的架构图。

图3为实施例1的发射功率优化以及不同信道差异对比仿真图。

图4为实施例2的符号级预编码系统的架构图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些公知说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提出一种面向非正交多址通信系统的符号级预编码方法，如图1所示，为本实施例的符号级预编码方法的流程图。

本实施例提出的面向非正交多址通信系统的符号级预编码方法中，包括以下步骤：

S1、通过相移键控对基站向用户终端发送的信息比特进行调制，得到数据符号。

S2、建立基站符号级预编码信号与用户终端SINR之间的关系模型。

S3、根据所述关系模型确定约束条件，对基站的总发射功率构建优化目标。

S4、基于迭代优化算法求解所述优化目标的近似解，得到预编码矩阵。

S5、利用所述预编码矩阵进行符号级预编码，得到预编码信号。

在一种多用户下行的非正交多址方案中，其通信系统包括配备有N_t个发射天线的基站，每个基站同时向K个用户终端发送信息。

本实施例中，通过在发射端对数据进行符号级预编码设计，通过保证非正交多址信道增益较强的用户正确解调要求所确定的约束条件，对基站的总发射功率构建优化目标，并将约束条件中的非凸约束转换为凸约束，再转化为并将该优化问题采用迭代优化的方法进行求解，由此得到的预编码矩阵用于对发射端信号进行预编码，将强用户对弱用户的干扰转换为对信号检测有益的能量，实现非正交多址通信中干扰的有效管理的通信方法。

在一可选实施例中，所述基站符号级预编码信号与用户终端SINR之间的关系模型中，包括：

设定在基站侧执行符号级预编码，则用户终端i接收到的SINR的表达式为：

其中，γ′_i表示用户终端i接收到的SINR，且i∈{1,2,...,-1}；h_i表示从基站到用户终端i的信道向量；w_k表示从基站到用户终端k的符号级预编码信号向量，表示用户终端k的符号相位，/>表示用户终端1的符号相位，s₁表示用户终端1发射的经过调制的信号；为用户终端i的加性高斯白噪声方差。

本实施例中，令s_i表示用户终端i发射的经过调制的信号，其中i∈{1,2,...,}。该信号选自具有单位幅度的MPSK(multiple phase shift keying，多进制数字相位调制)星座，由此用户终端i的接收信号y_i表示为：

其中，n_i表示用户终端i处的加性高斯白噪声。本实施例中设置则基站侧的瞬时发射功率P_t定义为：

进一步地，本实施例中假设利用用户的索引号来升序排列对用的信道增益强度，例如：这表明用户2是小区中心用户，而用户1在小区边缘。在传统的非正交多址通信模型中，用户1会将所有的强用户的符号都视为未知干扰，例如用户2至用户K的符号，此时用户1将直接对其符号进行解码，因此用户1接收时的SINR可以表示为：

由上式可知，最弱的用户1受到所有强用户的干扰。本实施例将在基站应用SLP技术将强用户对其的干扰转化为有益的干扰。对于次弱用户2，首先它要将其他强用户的符号视为有害干扰来解码最弱用户1的符号；其次用户2将消除接收信号中用户1的部分；最后，它从剩余部分解码出所需的符号。

同时本实施例为了避免错误传播，需要用户2能成功解码用户1的符号。因此，用户2在SIC过程的SINR表示为：

经过上述操作，用户2解码时的SINR可表示为：

本实施例将在用户2解调自己的信息时使SLP技术生效。以此类推，最后在最强的用户K处，首先SIC解码较弱的用户1至K-1的符号，此时用户K在SIC过程的SINR可表示为：

在所有的SIC完成后，用户K的SNR(信噪比)为：

若在发射端已知下行信道链路信息和所有用户数据，在基站侧对数据符号进行预编码，可以通过符号级的操作将多用户干扰转换为有用信号能量的一部分。具体而言，通过将预编码矩阵[w₁,w₂,...,w_K]对齐干扰设计合成有益的信号，从而把强用户对弱用户造成的消极影响例如γ₁，γ₂和γ_K等解码信息时的分母项中的多用户干扰转换成对信号检测的有益能量。

因此，本实施例中通过在基站侧应用SLP技术，用户1至用户K-1接收到的SINR可表示为：

本实施例中，信道增益较强的用户带来的干扰将变为有助于信号接收的能量，而需要满足的SLP约束为：

其中，表示取复数的虚部，/>表示取复数的实部，Γ_i为用户终端i最低Qos需求的SNR，φ为建设性干扰区域中的最大角度偏移，且/>M为调制阶数。

在一可选实施例中，所述约束条件包括SIC约束、由所述关系模型中用户终端的信道状态信息(Channel State Information，CSI)和数据符号决定的SLP约束，以及所有用户终端的Qos要求。

本实施例中，通过保证非正交多址信道增益较强的用户正确解调的SIC约束，基站已知的用户的CSI和数据符号决定的SLP约束，以及所有用户的Qos，对系统基站的总发射功率进行优化。

进一步地，在一可选实施例中，对基站的总发射功率构建优化目标时，以最小化基站的总发射功率为目标构建所述优化目标，其表达式为：

其中，第一个约束为SLP约束，表示关于建设性干扰区域和正确检测区域之间的最小距离；表示取复数的虚部，/>表示取复数的实部，Γ_i为用户终端i最低Qos需求的SNR，φ为建设性干扰区域中的最大角度偏移，且/>M为调制阶数；第二个约束表示强用户解码弱用户的符号数据时成功SIC应满足的约束；第三个约束表示第K个用户的最小Qos要求，/>表示用户终端k的加性高斯白噪声方差。

进一步地，在一可选实施例中，基于迭代优化算法求解非凸约束下的所述优化目标的近似解，包括：

通过近似方法将所述优化目标转化为近似的SOCP(二阶锥规划)问题，将约束转化为SOC约束，并利用凸优化工具将转化为近似的SOCP问题的所述优化目标进行求解，得到所述优化目标的近似解。

其中，转化为近似的SOCP问题的所述优化目标表示为：

||[2_K,(h-1)]^H||≤h+1

其中：

式中，σ_j表示用户终端j的加性高斯白噪声标准差。

本实施例中，引入了泰勒近似方法将非凸的目标问题转化为可解的凸问题，其中，已知信道的信道状态信息以及用户的数据信息，为寻找最优解，最小化基站发射功率的非凸问题可以进一步转化为凸问题。本实施例针对第二、三个约束采用一种近似方法，通过对函数在某一点进行一阶泰勒展开近似为两个实值函数，展开后有以下不等式：

而后，非凸的约束通过代入上式，原问题的的非凸约束可以转化成凸约束，并且由于双曲约束z²≤xy(x≥0,y≥0)的存在会导致‖[2,x-y]^H‖≤x+y约束的成立，这些近似得来的凸约束可以转化为SOC约束。

通过上述推导，本实施例的原始问题可以转化为SOCP问题，该问题为凸问题且可以通过利用现有的凸优化工具有效地解决。

进一步地，在一可选实施例中，基于迭代优化算法求解所述优化目标的近似解。其中包括：

从满足所述优化目标所有约束的解中选择一预编码向量作为初始点并在每次迭代中更新；

根据解决转化为近似的SOCP问题的所述优化目标，获得优化的/>其中每一次优化获得的预编码向量将是下一次迭代的固定点，n表示迭代次数；

重复上述步骤直至满足最大迭代次数或者所述优化目标的增长值小于预设的阈值∈后，退出迭代，得到最优解w^*。

作为示例性说明，本实施例中预设的阈值设置为∈＝10^-5；最大迭代次数设置为30次。

进一步地，利用所述预编码矩阵进行符号级预编码，得到预编码信号组合。其表达式为：

其中，表示从基站到第K个用户终端的最优符号级预编码信号向量，s_K表示第K个用户终端发射的经过调制的信号。

本实施例中，利用一阶泰勒近似的不等式关系将非凸约束转换为凸约束，其次利用上述的不等式导出关系将凸约束改写为SOC约束，最后通过找到问题的初始点反复迭代优化的方式获取最优解，相比于传统的方案，本实施例能够实现满足无线通信系统性能，同时既降低了整体的功耗又提高了无线通信系统的频谱效率。

作为示例性说明，如图2所示，为本实施例的非正交多址通信系统的架构图。其中包括一个具有2根发射天线的基站和4个单天线用户，在该通信系统中，基站已知用户的信道状态信息以及发送的数据信号。

本实施例利用用户的索引号来升序排列对用的信道增益强度，例如这表明用户4是小区中心用户，而用户1在小区边缘，最弱的用户1受到所有强用户的干扰。

本实施例在基站侧应用SLP技术使得用户1至用户3解码它们的符号时遇到的多用户干扰变得有益。通过保证非正交多址信道增益较强的用户正确解调的SIC约束，以及基站已知的用户的CSI及数据符号决定的SLP约束，以及所有用户的Qos，对系统基站的总发射功率进行优化，进一步引入泰勒近似方法将非凸的目标问题转化为可解的凸问题，然后基于提出的迭代优化算法求解出非凸约束下基站发射功率优化问题的近似解，最后利用求解出的预编码矩阵计算得到预编码信号。

如图3所示，为本实施例的方法与传统非正交多址方案的发射功率优化以及不同信道差异对比仿真图。由图可知，本实施例的方法在相同SINR的情况下基站发射功率远低于传统方案，显然本实施例的方法能够有效提高系统能量利用率，满足无线通信系统性能，同时既降低了整体的功耗又提高了无线通信系统的频谱效率。

实施例2

本实施例提出一种面向非正交多址通信系统的符号级预编码系统，应用实施例1的符号级预编码方法。如图4所示，为本实施例的符号级预编码系统的架构图。

本实施例应用的通信系统中包括配备有N_t个发射天线的基站，每个基站同时向K个用户终端发送信息。

本实施例提出的符号级预编码系统中，包括：

调制模块，用于通过相移键控对基站向用户终端发送的信息比特进行调制，得到数据符号。

功率优化模块，其中设置有基站符号级预编码信号与用户终端SINR之间的关系模型，以及根据所述关系模型确定的约束条件；所述功率优化模块用于对基站的总发射功率构建优化目标。

数据处理模块，用于基于迭代优化算法求解所述优化目标的近似解，输出预编码矩阵。

预编码模块，用于根据所述预编码矩阵进行符号级预编码，输出预编码信号。

在一可选实施例中，所述功率优化模块中设置的关系模型表示为：

其中，γ′_i表示用户终端i接收到的SINR，且i∈{1,2,...,-1}；h_i表示从基站到用户终端i的信道向量；w_k表示从基站到用户终端k的符号级预编码信号向量，表示用户终端k符号的相位，/>表示用户终端1符号的相位，s₁表示用户终端1发射的经过调制的信号；为用户终端i的加性高斯白噪声方差。其中，设定在基站侧执行符号级预编码。

进一步可选地，所述功率优化模块中设定的约束条件包括SIC约束、由所述关系模型中用户终端的信道状态信息和数据符号决定的SLP约束，以及所有用户终端的Qos要求。

进一步可选地，所述功率优化模块对基站的总发射功率构建优化目标时，以最小化基站的总发射功率为目标构建优化目标。其表达式为：

其中，第一个约束为SLP约束，表示关于建设性干扰区域和正确检测区域之间的最小距离；/>表示取复数的虚部，/>表示取复数的实部，Γ_i为用户终端i最低Qos需求的SNR，φ为建设性干扰区域中的最大角度偏移，且/>M为调制阶数；第二个约束表示强用户解码弱用户的符号数据时成功SIC应满足的约束；第三个约束表示第K个用户的最小Qos要求。

进一步可选地，所述数据处理模块基于迭代优化算法求解非凸约束下的所述优化目标的近似解，具体地，通过近似方法将所述优化目标转化为近似的SOCP问题，将约束转化为SOC约束，并利用凸优化工具将转化为近似的SOCP问题的所述优化目标进行求解，得到所述优化目标的近似解。

进一步可选地，所述数据处理模块基于迭代优化算法求解所述优化目标的近似解，具体地，从满足所述优化目标所有约束的解中选择一预编码向量作为初始点并在每次迭代中更新；根据/>解决转化为近似的SOCP问题的所述优化目标，获得优化的其中每一次优化获得的预编码向量将是下一次迭代的固定点；重复上述步骤直至满足最大迭代次数或者所述优化目标的增长值小于预设的阈值后，退出迭代，得到最优解w^*。

进一步可选地，所述预编码模块对预编码矩阵进行符号级预编码，得到预编码信号组合其中，/>表示从基站到第K个用户终端的最优符号级预编码信号向量，s_K表示第K个用户终端发射的经过调制的信号。

实施例3

本实施例提出一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如实施例1提出的符号级预编码方法的步骤。

实施例4

本实施例提出一种存储介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时实现如实施例1提出的符号级预编码方法的步骤。

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种面向非正交多址通信系统的符号级预编码方法，其特征在于，通信系统包括配备有N_t个发射天线的基站，每个基站同时向K个用户终端发送信息；其中：

通过相移键控对基站向用户终端发送的信息比特进行调制，得到数据符号；

建立基站符号级预编码信号与用户终端信干扰与加噪声比SINR之间的关系模型；

所述基站符号级预编码信号与用户终端SINR之间的关系模型中，包括：

设定在基站侧执行符号级预编码，则用户终端i接收到的SINR的表达式为：

其中，γ′_i表示用户终端i接收到的SINR，且i∈{1,2,...,K-1}；h_i表示从基站到用户终端i的信道向量；w_k表示从基站到用户终端k的符号级预编码信号向量，表示用户终端k的符号相位，/>表示用户终端1的符号相位，s₁表示用户终端1发射的经过调制的信号；/>为用户终端i的加性高斯白噪声方差；

根据所述关系模型确定约束条件，对基站的总发射功率构建优化目标；

基于迭代优化算法求解所述优化目标的近似解，得到预编码矩阵；

利用所述预编码矩阵进行符号级预编码，得到预编码信号。

2.根据权利要求1所述的符号级预编码方法，其特征在于，所述约束条件包括连续干扰消除SIC约束、由所述关系模型中用户终端的信道状态信息和数据符号决定的符号级预编码SLP约束，以及所有用户终端的Qos要求。

3.根据权利要求2所述的符号级预编码方法，其特征在于，所述对基站的总发射功率构建优化目标时，以最小化基站的总发射功率为目标构建所述优化目标，其表达式为：

其中，第一个约束为SLP约束，表示关于建设性干扰区域和正确检测区域之间的最小距离；/>表示取复数的虚部，/>表示取复数的实部，Γ_i为用户终端i最低Qos需求的信噪比SNR，φ为建设性干扰区域中的最大角度偏移，且/>M为调制阶数；第二个约束表示强用户解码弱用户的符号数据时成功SIC应满足的约束；第三个约束表示第K个用户的最小Qos要求，/>表示用户终端k的加性高斯白噪声方差。

4.根据权利要求3所述的符号级预编码方法，其特征在于，所述基于迭代优化算法求解非凸约束下的所述优化目标的近似解，包括：

通过近似方法将所述优化目标转化为近似的二阶锥规划SOCP问题，将约束转化为二阶锥SOC约束，并利用凸优化工具将转化为近似的SOCP问题的所述优化目标进行求解，得到所述优化目标的近似解；其中，转化为近似的SOCP问题的所述优化目标表示为：

||[2σ_K,(h-1)]^H||≤h+1

其中：

式中，σ_j表示用户终端j的加性高斯白噪声标准差。

5.根据权利要求4所述的符号级预编码方法，其特征在于，所述基于迭代优化算法求解所述优化目标的近似解，包括：

从满足所述优化目标所有约束的解中选择一预编码向量作为初始点并在每次迭代中更新；

根据解决转化为近似的SOCP问题的所述优化目标，获得优化的/>其中每一次优化获得的预编码向量将是下一次迭代的固定点，n表示迭代次数；

重复上述步骤直至满足最大迭代次数或者所述优化目标的增长值小于预设的阈值后，退出迭代，得到最优解w^*。

6.根据权利要求1～5任一项所述的符号级预编码方法，其特征在于，利用所述预编码矩阵进行符号级预编码，得到预编码信号组合；其表达式为：

其中，表示从基站到第K个用户终端的最优符号级预编码信号向量，s_K表示第K个用户终端发射的经过调制的信号。

7.一种面向非正交多址通信系统的符号级预编码系统，应用权利要求1～5任一项所述的符号级预编码方法，其特征在于，所述通信系统包括配备有N_t个发射天线的基站，每个基站同时向K个用户终端发送信息；所述符号级预编码系统包括：

调制模块，用于通过相移键控对基站向用户终端发送的信息比特进行调制，得到数据符号；

功率优化模块，其中设置有基站符号级预编码信号与用户终端SINR之间的关系模型，以及根据所述关系模型确定的约束条件；所述功率优化模块用于对基站的总发射功率构建优化目标；

数据处理模块，用于基于迭代优化算法求解所述优化目标的近似解，输出预编码矩阵；

预编码模块，用于根据所述预编码矩阵进行符号级预编码，输出预编码信号。

8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，其特征在于，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1～5任一项所述的符号级预编码方法的步骤。

9.一种存储介质，其上存储有计算机可读指令，其特征在于，所述计算机可读指令被处理器执行时实现如权利要求1～5任一项所述的符号级预编码方法的步骤。