一種基于非正交多址接入的上行多用戶干擾的抑制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于非正交多址接入的上行多用戶干擾的抑制方法，屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。本方法通過在發(fā)送端和接收端分別設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣和干擾抑制矩陣來抑制用戶之間的干擾，提高用戶的接收信干噪比，從而進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量。本發(fā)明提出的方案繼承了干擾對齊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將其靈活的運(yùn)用于新型非正交多址接入這個新場景中。在發(fā)送端通過預(yù)編碼矩陣，將用戶的信號空間對齊到干擾抑制空間中，使用戶的信號空間更加靠近。在接收端，基站可以通過一個簡單的干擾抑制矩陣降低用戶間的干擾，再通過順序串行干擾消除進(jìn)一步的降低用戶間的干擾。
【專利說明】
一種基于非正交多址接入的上行多用戶干擾的抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于非正交多址接入的上行多用戶干擾的抑制方法，屬于無線通 信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線通信自20世紀(jì)80年代誕生至今，已經(jīng)過三十多年的爆炸式發(fā)展，移動用戶數(shù) 目也急劇增加。用戶對更高服務(wù)質(zhì)量和更大數(shù)據(jù)量的需求也在不斷增長，相應(yīng)的對帶寬的 要求也隨之增加。目前現(xiàn)有的正交多址接入技術(shù)要求用戶在時域、頻域、碼域等上進(jìn)行正交 傳輸，在一定程度上限制了用戶的接入數(shù)目以及系統(tǒng)頻譜利用率的進(jìn)一步提升。5G不僅需 要大幅度提升系統(tǒng)的頻譜利用率，還要具備支持海量連接的能力。因此，多種非正交多址接 入技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
[0003] 新型多址接入技術(shù)是非正交多址接入的統(tǒng)稱，其主要思想是:在發(fā)射端通過將多 個用戶信號根據(jù)不同的方案疊加在相同的物理資源上，在接收端采用先進(jìn)的解調(diào)算法實(shí)現(xiàn) 用戶的信息分離，從而實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)的頻譜利用率和增加接入用戶數(shù)的目的。目前主要的 新型多址接入技術(shù)有基于特征圖樣的圖樣分割多址接入(Pattern Division Multiple Access，簡稱PDMA)技術(shù)，基于功率疊加的非正交多址接入(Non-〇rthogonal Multiple Access，簡稱NOMA)技術(shù)，基于稀疏編碼的稀疏碼分多址接入（Sparse Code Multiple Access，簡稱SCMA)技術(shù)等。新型多址接入技術(shù)打破了傳統(tǒng)正交多址接入的概念，使用戶之 間不再完全的正交化，因而出現(xiàn)了引入了更多的用戶間干擾問題，嚴(yán)重阻礙用戶的正常傳 輸，限制系統(tǒng)容量的提升。因此，需要提出一種有效的解決用戶間的干擾的干擾抑制方案。 [0004]干擾對齊一經(jīng)提出就受到人們的廣泛關(guān)注，其基本思想是在發(fā)射端多個用戶協(xié)調(diào) 合作，通過對用戶信號進(jìn)行預(yù)編碼處理，將干擾信號盡可能的實(shí)現(xiàn)對齊，增加干擾信號的重 疊度，然后在接收端通過干擾抑制矩陣對接收信號進(jìn)行濾波，使用戶的期望信號投影到?jīng)] 有干擾信號的空間中，從而消除用戶間的干擾。每個用戶的信號的預(yù)編碼矩陣根據(jù)其干擾 信號的信道矩陣和干擾信號的波束方向確定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提出一種基于非正交多址接入的上行多用戶干擾的抑制方法，通 過引入干擾對齊的思想來實(shí)現(xiàn)多用戶之間的干擾抑制，降低多用戶間的干擾，從而提高用 戶的速率，從而提升系統(tǒng)的和速率。
[0006] 本發(fā)明提出的基于非正交多址接入的上行多用戶干擾的抑制方法，包括以下步 驟：
[0007] (1)在無線通信網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路中，為基站配置N根天線，小區(qū)基站利用同一時頻 資源為Μ個用戶提供服務(wù)，其中Μ大于基站天線數(shù)N，將Μ個用戶分為N組，M=KN，其中K為每個 用戶組中的用戶數(shù)；
[0008] (2)記一個用戶組中的每個用戶到基站的信道系數(shù)矩陣為Hch，Hch= [hi,…，hk,… hK]，其中hk表示第k個用戶到基站的信道系數(shù)，ke [1，κ]，信道系數(shù)％ ，其中&指大 尺度衰落，％指小尺度衰落；
[0009] (3)基站根據(jù)步驟(2)得到的信道系數(shù)矩陣!U，計(jì)算一個用戶組中的每個用戶到基 站的信道系數(shù)的模平方I h |2，根據(jù)| h |2的大小，依次對相應(yīng)用戶進(jìn)行從大到小排序和編號， 將Ih|2值最大的用戶記為用戶1，|h |2最小的用戶記為用戶κ;
[0010] (4)設(shè)用戶向基站發(fā)送的信號為X，則第k個用戶發(fā)送的信號為Xk，設(shè)基站接收的信 號為y，y為多個用戶信號的疊加，y的表達(dá)式為：
[0012 ]其中，η為基站接收到的高斯白噪聲，η服從均值為0、方差為〇2的高斯分布；
[0013] (5)根據(jù)上述步驟⑵的信道系數(shù)矩陣，構(gòu)建一個多維信號空間Ψ，Ψ =Η&將多維 信號空間Ψ劃分為期望信號空間Ω和干擾信號空間Wk，其中的期望信號空間Ω為由一個用 戶的信道系數(shù)構(gòu)成的一個信號子空間，用戶k的期望信號空間為，且是信號空間Ψ的 第k列，即h k，其中的干擾信號空間Wk為用戶k以外的其它所有用戶對用戶k產(chǎn)生干擾的信號 構(gòu)成的一個干擾信號空間；
[0014] (6)-個用戶組中的每個用戶的旋轉(zhuǎn)角構(gòu)成一個旋轉(zhuǎn)因子集…，"，第k 個用戶的旋轉(zhuǎn)因子9k的計(jì)算方法為：
，將步驟(5)的用戶K的期望信號空間ΩΚ 作為基礎(chǔ)子空間，根據(jù)旋轉(zhuǎn)因子集Θ，將期望信號空間ΩΚ旋轉(zhuǎn)Κ-1次，得到一個維度與信號 空間Ψ相同的線性空間，將該線性空間記為干擾抑制空間Γ，干擾抑制空間Γ =[1!^，…， 11/^七/1(]，其中1^為第1^個用戶的干擾抑制向量，11\通過期望信號空間〇 1(旋轉(zhuǎn)01{得到； [0015] (7)利用干擾對齊方法，為一個用戶組中的每個用戶設(shè)置一個預(yù)編碼矩陣V，使上 述步驟(5)的多維信號空間Ψ與上述步驟(6)的干擾抑制空間Γ相對齊，即使得span(hkVk) = span(hk'），其中span(A)表示生成以A為基的向量空間，貝lj第k個用戶的預(yù)編碼矩陣vk = hkHQikhkS-Vk，其中（· "表示矩陣的轉(zhuǎn)置，（· Γ1表示矩陣的逆；
[0016] (8)根據(jù)步驟(6)中第K個用戶的期望信號空間ΩΚ，建立一個干擾抑制矩陣 u，使上 述期望信號空間hi變?yōu)?,即u^h'KfaWK)11)'使uh'K = 0,其中，h'K為第Κ個用戶的 干擾抑制向量；
[0017] (9)利用順序串行干擾消除的方法，解調(diào)出抑制用戶K干擾后的用戶1信號，然后減 去用戶1的信號，解調(diào)出抑制用戶1和用戶K干擾后的用戶2的信號，重復(fù)本步驟，解調(diào)出前Κ-? 個用戶的信號；
[0018] (10)根據(jù)已解調(diào)出的K-ι個用戶信息，在步驟(4)得到的迭加信號y中減去步驟(9) 中的已解調(diào)出的前K-1個信號，再解調(diào)出將其他用戶干擾進(jìn)行抑制后的用戶K的信號。
[0019] 本發(fā)明提出的基于非正交多址接入的上行多用戶干擾的抑制方法，通過在發(fā)送端 和接收端分別設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣和干擾抑制矩陣來抑制用戶之間的干擾，提高了用戶的接收 信干噪比，從而提升系統(tǒng)和速率。本發(fā)明方法繼承了ΜΜ0系統(tǒng)中干擾對齊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將其 靈活的運(yùn)用于非正交多址接入。在發(fā)送端通過預(yù)編碼矩陣，將用戶的信號空間對齊到干擾 抑制空間中，使用戶的信號空間更加靠近。在接收端，基站可以通過一個簡單的干擾抑制矩 陣降低用戶間的干擾，再通過順序串行干擾消除進(jìn)一步的降低用戶間的干擾。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明方法中上行多用戶接入場景描述圖。
[0021] 圖2是本發(fā)明提出的多用戶干擾抑制過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 本發(fā)明提出的基于非正交多址接入的上行多用戶干擾的抑制方法，包括以下步 驟：
[0023] (1)在無線通信網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路中，通過新型多址接入方法，使多個用戶信號能夠 在同一空間層上的相同時頻資源上進(jìn)行傳輸，為基站配置N根天線，小區(qū)基站利用同一時頻 資源為Μ個用戶提供服務(wù)，其中Μ大于基站天線數(shù)N，將Μ個用戶分為N組，M=KN，其中K為每個 用戶組中的用戶數(shù)；用戶組上的全部用戶在同一空間層上占用相同的時頻資源。如圖1所 示，就可以使其簡化為傳統(tǒng)的多進(jìn)多出（M頂0)系統(tǒng)，這樣就可以通過現(xiàn)有的干擾管理方法 消除用戶組之間的干擾。為了方便表述，基站每根天線的接收可以視為相互獨(dú)立。因此，在 下述的內(nèi)容中，本發(fā)明主要就單根天線上的一個用戶組中的用戶之間的干擾問題進(jìn)行描 述，其多用戶干擾抑制過程示意圖如圖2所示。
[0024] (2)記一個用戶組中的每個用戶到基站的信道系數(shù)矩陣為Hch，Hch= [hi,…，hk,… ^^其中一表示第讓個用戶到基站的信道系數(shù)汰^^^信道系數(shù)/^二爲(wèi)^淇中&指大 尺度衰落，％指小尺度衰落；
[0025] (3)基站根據(jù)步驟(2)得到的信道系數(shù)矩陣!U，計(jì)算一個用戶組中的每個用戶到基 站的信道系數(shù)的模平方I h |2，根據(jù)| h |2的大小，依次對相應(yīng)用戶進(jìn)行從大到小排序和編號， 將I h |2值最大的用戶記為用戶1，| h |2最小的用戶記為用戶K;
[0026] (4)設(shè)用戶向基站發(fā)送的信號為X，則第k個用戶發(fā)送的信號為Xk，設(shè)基站接收的信 號為y，y為多個用戶信號的疊加，y的表達(dá)式為：
[0028] 其中，η為基站接收到的高斯白噪聲，η服從均值為0、方差為〇2的高斯分布；
[0029] (5)根據(jù)上述步驟(2)的信道系數(shù)矩陣，構(gòu)建一個多維信號空間Ψ，Ψ =1，將多維 信號空間Ψ劃分為期望信號空間Ω和干擾信號空間Wk，其中的期望信號空間Ω為由一個用 戶的信道系數(shù)構(gòu)成的一個信號子空間，用戶k的期望信號空間為，且是信號空間Ψ的 第k列，即h k，其中的干擾信號空間Wk為用戶k以外的其它所有用戶對用戶k產(chǎn)生干擾的信號 構(gòu)成的一個干擾信號空間；
[0030] (6)-個用戶組中的每個用戶的旋轉(zhuǎn)角構(gòu)成一個旋轉(zhuǎn)因子集0,0=(0:，…，θκ}，第k 個用戶的旋轉(zhuǎn)因子9k的計(jì)算方法為：
將步驟(5)的用戶K的期望信號空間ΩΚ 作為基礎(chǔ)子空間，根據(jù)旋轉(zhuǎn)因子集Θ，將期望信號空間ΩΚ旋轉(zhuǎn)Κ-1次，得到一個維度與信號 空間Ψ相同的線性空間，將該線性空間記為干擾抑制空間Γ，干擾抑制空間Γ =[1!^，…， 11/^七/1(]，其中11/1{為第1^個用戶的干擾抑制向量，1 1/1{通過期望信號空間〇1(旋轉(zhuǎn)01{得到；
[0031] (7)利用干擾對齊方法，為一個用戶組中的每個用戶設(shè)置一個預(yù)編碼矩陣V，使上 述步驟(5)的多維信號空間Ψ與上述步驟(6)的干擾抑制空間Γ相對齊，即使得 span(hkVk) = span(hk'），其中span(A)表示生成以A為基的向量空間，貝lj第k個用戶的預(yù)編碼矩陣vk = hkH(hkhkH)-t'k，其中（· "表示矩陣的轉(zhuǎn)置，（·）-1表示矩陣的逆；
[0032] (8)根據(jù)步驟(6)中第K個用戶的期望信號空間ΩΚ，建立一個干擾抑制矩陣 u，使上 述期望信號空間hV變?yōu)?,即u^hWWhW1,使uh'FO,其中，h、為第Κ個用戶的干 擾抑制向量；
[0033] (9)利用順序串行干擾消除的方法，解調(diào)出抑制用戶K干擾后的用戶1信號，然后減 去用戶1的信號，解調(diào)出抑制用戶1和用戶K干擾后的用戶2的信號，重復(fù)本步驟，解調(diào)出前Κ-? 個用戶的信號；
[0034] (10)根據(jù)已解調(diào)出的Κ-1個用戶信息，在步驟(4)得到的迭加信號y中減去步驟(9) 中的已解調(diào)出的前K-1個信號，再解調(diào)出將其他用戶干擾進(jìn)行抑制后的用戶K的信號。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于非正交多址接入的上行多用戶干擾的抑制方法，其特征在于該方法包括以 下步驟： (1) 在無線通信網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路中，為基站配置N根天線，小區(qū)基站利用同一時頻資源 為M個用戶提供服務(wù)，其中M大于基站天線數(shù)N，將M個用戶分為N組，M = KN，其中K為每個用戶 組中的用戶數(shù)； (2) 記一個用戶組中的每個用戶到基站的信道系數(shù)矩陣為Hd1,ΗΑ=[1η，…，hk，…h(huán) K]，其 中hk表示第k個用戶到基站的信道系數(shù)，ke[l，K]，信道系1~ 中&指大尺度衰 落，％指小尺度衰落； (3) 基站根據(jù)步驟(2)得到的信道系數(shù)矩陣!U，計(jì)算一個用戶組中的每個用戶到基站的 信道系數(shù)的模平方I h 12，根據(jù)I h 12的大小，依次對相應(yīng)用戶進(jìn)行從大到小排序和編號，將I h 2值最大的用戶記為用戶1，|h I2最小的用戶記為用戶K; (4) 設(shè)用戶向基站發(fā)送的信號為X，則第k個用戶發(fā)送的信號為Xk，設(shè)基站接收的信號為 y，y為多個用戶信號的疊加，y的表達(dá)式為：其中，η為基站接收到的高斯白噪聲，η服從均值為0、方差為σ2的高斯分布； (5) 根據(jù)上述步驟(2)的信道系數(shù)矩陣，構(gòu)建一個多維信號空間Ψ，Ψ =!U，將多維信號 空間Ψ劃分為期望信號空間Ω和干擾信號空間Wk，其中的期望信號空間Ω為由一個用戶的 信道系數(shù)構(gòu)成的一個信號子空間，用戶k的期望信號空間為Q k，且Qk是信號空間Ψ的第k 列，即hk，其中的干擾信號空間W k為用戶k以外的其它所有用戶對用戶k產(chǎn)生干擾的信號構(gòu)成 的一個干擾信號空間； (6) -個用戶組中的每個用戶的旋轉(zhuǎn)角構(gòu)成一個旋轉(zhuǎn)因子集0,0 = (0:，…，θκ}，第k個用 戶的旋轉(zhuǎn)因子9k的計(jì)算方法戈將步驟(5)的用戶K的期望信號空間Ω κ作 為基礎(chǔ)子空間，根據(jù)旋轉(zhuǎn)因子集Θ，將期望信號空間ΩΚ旋轉(zhuǎn)K-I次，得到一個維度與信號空 間Ψ相同的線性空間，將該線性空間記為干擾抑制空間Γ，干擾抑制空間Γ =LhS，…，h '!^??七'1(]，其中11'1{為第1^個用戶的干擾抑制向量，1 1'1{通過期望信號空間〇1(旋轉(zhuǎn)01{得到； (7) 利用干擾對齊方法，為一個用戶組中的每個用戶設(shè)置一個預(yù)編碼矩陣V，使上述步 驟（5)的多維信號空間Ψ與上述步驟(6)的干擾抑制空間Γ相對齊，即使得 span(hkVk) = span(hk'），其中span(A)表示生成以A為基的向量空間，則第k個用戶的預(yù)編碼矩陣vk = hkH (hkhkH)-Vk，其中（·）H表示矩陣的轉(zhuǎn)置，（·）-1表示矩陣的逆； (8) 根據(jù)步驟(6)中第K個用戶的期望信號空間ΩΚ，建立一個干擾抑制矩陣u，使上述期 望信號空間h' K變?yōu)?,即1!=(11'1()11(11' 1((11'1()11廣1，使1 111'1( = 0，其中，11'1(為第1(個用戶的干擾 抑制向量； (9) 利用順序串行干擾消除的方法，解調(diào)出抑制用戶K干擾后的用戶1信號，然后減去用 戶1的信號，解調(diào)出抑制用戶1和用戶K干擾后的用戶2的信號，重復(fù)本步驟，解調(diào)出前K-I個 用戶的信號； (10) 根據(jù)已解調(diào)出的K-I個用戶信息，在步驟(4)得到的迭加信號y中減去步驟(9)中的 已解調(diào)出的前K-I個信號，再解調(diào)出將其他用戶干擾進(jìn)行抑制后的用戶K的信號。
【文檔編號】H04B7/04GK106027128SQ201610267214
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】粟欣, 曾捷, 孔丹, 容麗萍, 肖馳洋, 許希斌
【申請人】清華大學(xué)