一种多用户无线通信系统的抗干扰方法和装置与流程

本发明涉及通信网络技术领域，尤其涉及一种多用户无线通信系统的抗干扰方法和装置。

背景技术：

云无线接入网络(c-ran)是为下一代无线网络设计的新架构，在这种架构中，硬件设备简化为低复杂度的远端射频单元(radioremoteunit,rru)，每个rru都集成了天线和射频(radiofrequency,rf)组件。rru通过光纤连接到数据中心进行高速数据传输，此外，rru的低成本和低复杂性使其密集部署能够提高网络覆盖和容量。在c-ran中，把基站处理单元(basebandunit,bbu)集中在一起，这种集中式信号处理功能可实现云计算，降低网络运营成本和能源消耗，促进网络升级和减轻多用户干扰。随着它的演进，传统蜂窝网络中的小区消失，移动设备与具有无处不在的巨大天线阵列(ubiquitousantennaarray,ua)进行通信。其中ua定义为：近年来无线接入网络中的集中式信号处理趋势表明，未来网络可能包含无所不在的天线，这些无线天线形成一个大范围的巨大天线阵列。

ua通信网络可以被认为是网络mimo(multiple-input-multiple-output)的极限扩展形式，因为它具有很多的天线单元，为无线网络提供无处不在的接入。与传统的点对点或多点到单点系统不同，在ua系统中，移动设备由密集的天线包围，信号将从全方向到达移动台，在传输数据时，各移动台之间不可避免的会彼此产生干扰。

在移动通信中，若多个用户发送或接收信号时占有相同的时频资源，则存在多用户干扰的问题。对于多用户mimo系统的上行链路，多用户干扰问题即为多用户检测问题；对于多用户mimo系统的下行链路，多用户干扰问题可表示为基站预编码问题。

其中，多用户检测提出至今，提出的各种算法层出不穷，按照算法实现的方式不同可分为线性多用户检测和非线性多用户检测两大类。

在线性多用户检测中，解相关检测器和最小均方误差检测器是两个经典的检测算法。解相关多用户检测的线性变换矩阵就是所有用户扩频序列互相关矩阵的逆矩阵，其特点是完全消除了多用户干扰，可以在未知其他用户功率的情况下，获得最优的抗远近性能，但多用户干扰的完全抑制是以噪声放大为代价的。最小均方误差多用户检测器同时考虑到多用户干扰和噪声对系统性能的影响，以最小均方误差作为性能评价指标，因此可以得到多用户干扰抑制与噪声放大之间的折中。最小均方误差检测器的性能一般优于解相关检测器。

由于线性多用户检测法复杂度高，收敛慢，从可实现性角度考虑的研究方向主要集中于非线性多用户检测方法。非线性多用户检测包括并行干扰消除(parallelinterferencecancellation,pic)、串行干扰消除(successiveinterferencecancellation,sic)。并行干扰抵消检测器是对每一用户的匹配滤波器输出做初始判决，用它去估计多址接入干扰，并从初始的输出中减去而得到更接近真实发送信号的输出，接着再进行判决、估计，如此循环往复，直到得到期望的性能指标。串行干扰抵消检测器是在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决，判出一个就再生该信号并减去该用户信号造成的多址干扰。

其中，基站预编码技术就是在已知信道状态信息的情况下，发送端利用信道状态信息对发送信号进行预处理操作，从而进一步提高用户和系统的吞吐量。用户终端先向基站发送上行导频信号，基站根据接收的导频信号变化对信道进行估计，基站利用得到的信道相关信息对发送信号进行预干扰抑制编码，使得预干扰抑制编码后的信号通过信道传输后到达用户终端时的信号刚好为预干扰抑制编码之前的信号。该技术中需要各个发送端相互协调，对于下行传输较为容易实现。预编码技术也可以分为基于码本的预编码方式和基于非码本的预编码方式。

基于码本的预编码方法要求发送端和接收端共享同一套码本集合，然后根据具体的信道状况从一个确定的矩阵集合中选取一个使系统性能最优的矩阵，再将该矩阵在码本集合中的序号反馈给发送端。这样的预编码方案使得反馈信道所需传输的数据量较小，通常只有几个比特的大小，大大的节约了成本。

非码本预编码利用了信道的互易性特性，它根据上行发送信号获得上行信道信息，并基于信道互易性，获得下行信道信息，利用所获得的信道信息进行矩阵分解，生成所需的预编码矩阵。非码本预编码方法在tdd(timedivisionduplexing)系统中有突出的优势，减少了上行反馈的开销。

但是现有技术中的多用户干扰抑制技术仍无法满足通信发展的需要，也就是存在无法有效抑制多用户干扰的问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术上述缺陷，本发明提供一种多用户无线通信系统的抗干扰方法和装置，通过将接收到的干扰分解为具有不同空间频率的分量，其中每个分量的值取决于移动台之间距离与波长之比，使这些分量与系数的乘积为零，从而抑制多用户之间的干扰。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种多用户无线通信系统的抗干扰方法，其中，所述多用户无线通信系统的抗干扰方法包括：

将ua阵列建模形成圆形阵列，所述圆形阵列中的天线单元通过回程网络相互连接，以处理接收和传输的信号；

ua阵列为每个移动设备形成一个波束,且所述波束的主瓣指向用户的位置，通过傅立叶变换获得由加权谐波组成的在传输信息之前应用于天线元件的激励函数；

对信号进行干扰消除处理，引入贝塞尔函数将接收到的干扰分解为具有不同空间频率的分量；

通过迫零传输强制执行相关约束控制干扰项无效，对满足条件的分量进行截断抑制干扰。

本发明着重于研究ua通信系统的信号处理方面，考虑多个用户的数据在自由空间进行传输，其中任意两个用户之间的功率与它们之间的距离成比例；两个用户之间的干扰强度会随着用户间隔距离的增加而减小；因此，即使给定单用户传输，也可以通过增加用户的距离来抑制干扰；此外，无论圆形和球形ua通信中用户之间的距离如何，路径损失都会与距离成反比。

本发明提出的低复杂度预编码，具体可用圆形ua的傅里叶级数和球形ua的球形谐波进行设计，它们的系数被设置为激发圆形阵列的不同相位模式，主要是将接收到的干扰分解为具有不同空间频率的分量，其中每个分量的值取决于移动台之间距离与波长之比，使这些分量与系数的乘积为零，从而抑制多用户之间的干扰。

附图说明

图1是本发明多用户无线通信系统的抗干扰方法的较佳实施例的流程图；

图2是本发明多用户无线通信系统的抗干扰方法的较佳实施例中ua被建模为圆形阵列的示意图；

图3是本发明多用户无线通信系统的抗干扰方法的较佳实施例中零阶贝塞尔函数图形的示意图；

图4是本发明多用户无线通信系统的抗干扰方法的较佳实施例中ua被建模为球形ua阵列的示意图；

图5为本发明多用户无线通信系统的抗干扰装置的较佳实施例的运行环境示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明较佳实施例所述的多用户无线通信系统的抗干扰方法，如图1所示，一种多用户无线通信系统的抗干扰方法,其中，所述多用户无线通信系统的抗干扰方法包括以下步骤：

步骤s10、将ua阵列建模形成圆形阵列，所述圆形阵列中的天线单元通过回程网络相互连接，以处理接收和传输的信号。

具体地，如图2所示，ua被建模为圆形阵列，其中圆心为o,半径为r0；假设密集的ua的分布是连续的，这便于理论分析。该系统包括以原点为中心的ua和由ua包围的单天线用户。则每个用户x的极坐标为其中rx＞0是距离原点的距离，是相对于x轴正轴的角度。假定每个用户x都与阵列有很大的距离，即r0＞＞rx，这样用户x到任意天线a＝(r0,θ)的距离就可以近似为：

阵列中的天线单元通过回程网络相互连接，以便它们可以合作处理接收和传输的信号。

所有天线都是全向的，假设网络中有u个用户，可以用x1,λ,xu,λ,xu表示，用户xu与天线a之间的信道响应可用hu(θ)表示，如下式

其中，g和q是移动台用户和阵列元件的天线增益，被设置为常数，λ表示波长。

在已知信道信息的情况下，利用得到的信道相关信息对发送信号进行预编码fu(θ)的设计，令xu表示由ua发送给用户u的数据符号。因此由天线a(θ)发送的信号可以表示为在用户处接受到的信号如下式：

其中，zu为均值为0，方差为σ²的高斯白噪声。

步骤s20、ua阵列为每个移动设备形成一个波束,且所述波束的主瓣指向用户的位置，通过傅立叶变换获得由加权谐波组成的在传输信息之前应用于天线元件的激励函数。

具体地，预编码器的设计具体包括：ua阵列可以为每个移动设备形成一个波束,波束的主瓣指向用户的位置。

用户之间的干扰是不可避免的，为了消除它们之间的干扰，提出了空间迫零收发器(spatialzero-forcing,szf)，它是基于对阵列中不同波束的加权组合而设计的。由于阵列是圆形的，预编码器函数是具有周期2π的周期函数，因此通过傅立叶变换，可以获得由加权谐波组成的一般形式如公式(4)给出，它可以被视为在传输信息之前应用于天线元件的激励函数。

其中，cu0＝1，并且当m≠0时，cu,m＝0，不同的谐波对应不同的传输波束图，通过加权这些传输波束的叠加，即对系数cu,m进行规划，就可以实现szf。

由公式(4)可看出,第m次谐波具有的空间频率(周期/弧度)。系数cu,m的设计可以被认为是这些空间谐波分量的空间滤波，以产生期望用户的传输波束图。因此，设计的滤波器可以使其他移动台处的波束图无效，这种方法称为szf。假设滤波器具有单位功率，即

把公式(4)代入公式(3),可得到在移动台处接收到的信号：

其中，第一项为期望信号，第二项为其他用户对期望用户的干扰，第三项为噪声，目的是要令干扰项无效。

步骤s30、对信号进行干扰消除处理，引入贝塞尔函数将接收到的干扰分解为具有不同空间频率的分量。

具体地，在消除干扰之前，需要引入第一类贝塞尔函数，n阶贝塞尔可用公式(7)定义，其中n为整数。

如图3所示，图3为零阶贝塞尔函数图形。

根据贝塞尔函数可得出：

其中，m为整数，d(x1；x2)为x1与x2之间的距离，并且

干扰可以被分解为具有不同空间频率的分量ψk,u,m，由公式(6)可以得到：

公式(10)中的因子可由公式(2)得出：

其中，高于的高阶项都被忽略。

把公式(8)与公式(11)代入公式(10)，可进一步演化ψk,u,m：

步骤s40、通过迫零传输强制执行相关约束控制干扰项无效，对满足条件的分量进行截断抑制干扰。

具体地，通过迫零传输，可以通过强制执行以下约束来使干扰项无效:

需要先证明上式中无穷级数ck,m与ψk,u,m乘积是否具有收敛性。

根据公式(5)与公式(14)可知ck,m与ψk,u,m的乘积具有收敛性。

在移动台u的传输波束图中，其中有u-1个零点，对应着其他u-1个移动台用户，就会有u-1个系数ck,m，其中m＝-∞,λ,0,λ,∞，以及有u-1个如公式(13)的约束方程。由于存在的变量比方程更多，可以解出约束方程解，只要得到这个解就可以消除其他用户的干扰。

每个分量ψk,u,m的值取决于移动台间距离与波长之比，需要对那些具有(其中为不大于x的最大整数)的分量ψk,u,m进行截断，因为在整个集合上很难实现，截断之后并没有在公式(13)中引起的明显误差。相应的系数集表示为{cu,m|1≤u≤u,-m≤m≤m},以及{ψu,k,m|1≤u,k≤u,-m≤m≤m}，则公式(13)可以写成矩阵形式：

ψucu＝0(15)；

其中，矩阵ψu与向量cu可如下表示：

令截断项的数量m为：

上式的第二个参数保证了ψu零空间的存在，只需要解出szf的系数，即方程的解cu，就可以消除其他用户的干扰。

根据截断项的数量，第u个用户的szf系数cu可表示为：

其中，span(a)为a的扩张空间，(a)^-为a的moore-penrose逆矩阵，当接收到的信噪比(signalnoiseratio,snr)可以写为：

其中，pu为发射功率，则可以获得用户u所接收信号的功率，它的最大值可表示为：

其中，e0＝[0,λ,0,1,0,λ,0]^t为单位向量，向量e0中元素1的前后都有m个0元素，||cu0||²pu为第u个用户接收信号的功率，系数||cu0||²可以表示为：

由于cu在子空间上，当cu与e0在上的投影对齐时，则实现了它们之间的最大相关性，因此，系数||cu0||²的最大值等于e0在子空间上投影的范数，即

进一步地，根据上述所说的在圆形ua阵列中的干扰抑制方法，也可以把通信系统建模为球形ua阵列，如图4，其中圆心为o,半径为r0。该系统包括以原点为中心的ua和由ua包围的u个单天线用户，用户的位置由x1,x2,λxu表示。则xu的坐标为天线a的坐标为其中是方位角，(θu,θ)是极化角。

在球形ua通信系统中，把预编码器函数改为：

上式中{cu,m,ι}为设计的预编码器系数，为球形谐波函数，其中，ι＝0,1,λ,并且-ι≤m≤ι。

可以表示为：

可以用勒让德多项式表示：

那么在xu接受到的信号可以表示为：

其中，pt为发射功率，ψu,k,m,ι为：

在引入贝塞尔函数jm(x)后，ψu,k,m,ι演变为：

由上式可以看出ψu,k,m,ι与成比例。则会有系数集{ψu,k,m,ι|0≤ι≤m}与{ck,m,ι|0≤ι≤m}，通过强制以下约束来设计预编码器：

上述约束可以通过矩阵形式写出，令为

行向量au,l＝[cu,-ι,ι,cu,-ι+1,ι,λ,cu,ι,ι]，其中ι＝0,1,λ。

可以使用和au,l作为元素定义和

则约束的矩阵形式为：

根据上述矩阵方程解出预编码器的系数就可以消除在球形ua通信系统中的多用户干扰：

其中，为的零空间，解出使多用户之间的干扰为0，则用户u接收的信噪比snr为：

现有的干扰抑制技术适合蜂窝网络，然而针对接入网架构c-ran，模糊化了蜂窝网络中的小区，移动设备与具有无处不在的元素的巨大天线阵列进行通信。c-ran中的集中式信号处理功能可实现云计算，降低网络运营成本和能源消耗，促进网络升级和减轻多用户干扰。需要对多用户干扰抑制技术进一步研究，使其更加适合未来的通信技术。与传统的点到点或多点到单点系统不同，ua系统中的移动设备由密集的天线包围，信号会从全方位到达移动设备。用户之间的干扰强度会随着用户间隔距离的增加而衰减，不能仅仅增加用户之间的距离抑制干扰，因此需要设计多用户预编码器。所以，在ua通信系统之中提出的这种低复杂度的预编码技术，它是由圆形ua的傅里叶级数和球形ua的球形谐波进行设计。

进一步地，如图5所示，基于上述多用户无线通信系统的抗干扰方法，本发明还相应提供了一种多用户无线通信系统的抗干扰装置，所述多用户无线通信系统的抗干扰装置包括处理器10、存储器20及显示器30。图5仅示出了多用户无线通信系统的抗干扰装置的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。

所述存储器20在一些实施例中可以是所述多用户无线通信系统的抗干扰装置的内部存储单元，例如多用户无线通信系统的抗干扰装置的硬盘或内存。所述存储器20在另一些实施例中也可以是所述多用户无线通信系统的抗干扰装置的外部存储设备，例如所述多用户无线通信系统的抗干扰装置上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard,smc)，安全数字(securedigital,sd)卡，闪存卡(flashcard)等。进一步地，所述存储器20还可以既包括所述多用户无线通信系统的抗干扰装置的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器20用于存储安装于所述多用户无线通信系统的抗干扰装置的应用软件及各类数据，例如所述安装多用户无线通信系统的抗干扰装置的程序代码等。所述存储器20还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器20上存储有多用户无线通信系统的抗干扰程序40，该多用户无线通信系统的抗干扰程序40可被处理器10所执行，从而实现本申请中多用户无线通信系统的抗干扰方法。

所述处理器10在一些实施例中可以是一中央处理器(centralprocessingunit,cpu)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行所述存储器20中存储的程序代码或处理数据，例如执行所述多用户无线通信系统的抗干扰方法等。

所述显示器30在一些实施例中可以是led显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及oled(organiclight-emittingdiode，有机发光二极管)触摸器等。所述显示器30用于显示在所述多用户无线通信系统的抗干扰装置的信息以及用于显示可视化的用户界面。所述多用户无线通信系统的抗干扰装置的部件10-30通过系统总线相互通信。

在一实施例中，当处理器10执行所述存储器20中多用户无线通信系统的抗干扰程序40时实现以下步骤：

将ua阵列建模形成圆形阵列，所述圆形阵列中的天线单元通过回程网络相互连接，以处理接收和传输的信号；

ua阵列为每个移动设备形成一个波束,且所述波束的主瓣指向用户的位置，通过傅立叶变换获得由加权谐波组成的在传输信息之前应用于天线元件的激励函数；

对信号进行干扰消除处理，引入贝塞尔函数将接收到的干扰分解为具有不同空间频率的分量；

通过迫零传输强制执行相关约束控制干扰项无效，对满足条件的分量进行截断抑制干扰。

本发明还提供一种存储介质，其中，所述存储介质存储有多用户无线通信系统的抗干扰程序，所述多用户无线通信系统的抗干扰程序被处理器执行时实现所述多用户无线通信系统的抗干扰方法的步骤；具体如上所述。

综上所述，本发明提出的低复杂度预编码，具体可用圆形ua的傅里叶级数和球形ua的球形谐波进行设计，它们的系数被设置为激发圆形阵列的不同相位模式，主要是将接收到的干扰分解为具有不同空间频率的分量，其中每个分量的值取决于移动台之间距离与波长之比，使这些分量与系数的乘积为零，从而抑制多用户之间的干扰。

当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。