一种基于虚拟框架的多址接入方法及系统

1.本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于虚拟框架的多址接入方法及系统。


背景技术：

2.多址技术应用于无线通信系统，使多个用户共享有限的通信资源。多址技术经历了频分多址(frequency division multiple access，fdma)、时分多址(timedivision multiple access，tdma)、码分多址(code division multiple access，cdma)、空分多址(space division multiple access，sdma)和正交频分多址 (orthogonal frequency division multiple access，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利用率。随着移动通信技术进入第五代(5g)，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。非正交多址技术(non-orthogonalmultiple access，noma)放宽了传统多址技术对资源正交分配的严格要求，允许信号在传输过程中存在干扰，即通过在发射端对不同的用户分配不同的发射功率，并在接收端采用串行干扰消除(successive interference cancellation，sic)进行接收信号检测，可以实现多用户信号/数据的区分与恢复，从而提高系统频谱效率。但是，noma增加了接收机的复杂度。此外，由于sic需要对多个信号逐一进行处理，不仅会造成处理延时，而且sic存在误差传播的问题，即先前的信号的检测错误会对后续信号的恢复产生影响，这些弊端对采用sic的noma的广泛应用带来一定的限制。
3.综上，采用多址技术实现多用户通信时，对干扰进行有效的管理也是提高系统性能的关键。所以，针对多用户通信间的干扰的管理，也出现了许多方法。这些方法通过对发射端进行预编码和/或在接收端对接收混合信号进行滤波，可以达到抑制或消除干扰的目的。常用的干扰管理方法包括迫零接收(zero-forcing， zf)、迫零波束成形(zeroforcing beamforming，zfbf)、干扰对齐(interferencealignment，ia)等。zf在受干扰接收机(receiver，rx)处使用与干扰相互正交的滤波向量对接收混合信号进行滤波，可以消除干扰对期望信号的影响，但由于滤波向量与期望信号并不匹配，会导致期望信号的接收功率损失。zfbf在干扰源进行预编码设计，可以使多路干扰在受干扰接收机处与其期望信号相互正交，从而避免干扰对期望通信的影响，但干扰源在进行预编码时，会使干扰源向其接收机 (称为干扰接收机)发送的信号与其信道的匹配程度降低，从而导致干扰接收机处的期望信号功率减小。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，类似zfbf，ia也会造成干扰源向其接收机发送的信号与其通信信道失配的问题，从而导致干扰通信对的性能损失。
4.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正交多址方式的资源利用率低，无法适应日益增长的多用户通信需求。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于虚拟框架的多址接入方法及系统。
6.本发明是这样实现的，一种基于虚拟框架的多址接入方法，所述基于虚拟框架的多址接入方法包括：公共接收机获得发射机反馈的信道状态信息以及发射机采用的调制方式信息；公共接收机确定一个虚拟框架信道，并对该虚拟框架信道进行矩阵分解，得到初始左、右框架矩阵，随后公共接收机向全体发射机广播该虚拟框架信道，并通知各个发射机应使用的初始预编码在发射机的右框架矩阵中列向量的索引值；各个发射机根据各自与公共接收机之间的通信信道、以及来自公共接收机的虚拟框架信道和初始预编码的索引值信息计算自己的预编码向量，并使用计算得到的预编码对发送数据进行预处理，然后将处理后得到的发射信号发送给公共接收机；公共接收机采用初始左框架矩阵中的各个列向量对其观测到的来自多个发射机的混合信号进行滤波处理，无干扰地恢复出多路数据。
7.进一步，所述基于虚拟框架的多址接入方法具体步骤如下：
8.所述系统由k个发射机tx和一个公共接收机rx组成，每个发射机tx配置n
t
根发射天线，公共接收机rx配置nr根接收天线，公共接收机rx获得发射机tx反馈的信道状态信息以及发射机tx采用的调制方式信息；
9.步骤1，公共接收机rx选定一个虚拟框架信道进行矩阵分解，表示复数集合，得到初始左框架矩阵lf和初始右框架矩阵rf，接下来，rx向全体所述发射机tx广播hf，并通知各个发射机txk(k∈{1，
…
，k})应使用的初始预编码在其右框架矩阵中列向量的索引值k；
10.步骤2，各个发射机txk根据其与公共接收机rx之间的信道矩阵h
k (k∈{1，
…
，k})，以及其接收到的hf确定左框架矩阵l
fk
和右框架矩阵r
fk
，并设计调节矩阵ak，接下来用ak对txk的初始预编码向量进行调节，得到txk的预编码向量pk，txk使用pk对发送数据进行预处理，并将处理后得到的发射信号发送给公共接收机rx；
11.步骤3，公共接收机rx采用初始左框架矩阵lf中的各个列向量对其观测到的来自k个发射机tx的混合信号进行滤波处理，实现无干扰地恢复出k路数据。
12.进一步的，所述步骤1之前还包括：
13.(1a)各个发射机txk(k∈{1，
…
，k})估计其与公共接收机rx之间的信道状态信息，并通过反馈链路发送给公共接收机rx，所述信道状态信息包括信道矩阵hk；
14.(1b)各个发射机txk采用波束成形的方式向公共接收机rx发送一路数据，来自k个发射机的信号同时到达公共接收机rx并相互叠加；
15.发射机txk向公共接收机rx发送数据xk，来自其它k-1个发射机的信号对 txk的信号造成干扰。
16.进一步的，所述步骤1具体包括：
17.(2a)公共接收机rx从各个发射机txk(k∈{1，
…
，k})到公共接收机rx之间的信道矩阵hk中，随机选定一个信道矩阵作为虚拟框架信道hf，所述虚拟框架信道hf包括公共接收机rx随机产生的一个nr×nt
的矩阵；
18.(2b)公共接收机rx向全体所述发射机tx广播hf，同时公共接收机rx 通知各个发射机txk可使用的索引值k(k∈{1，
…
，k})，不同发射机tx的索引值不同，索引值k用来标识
发射机txk的初始预编码在初始右框架矩阵rf中列向量的索引值。
19.进一步的，所述步骤2具体包括：
20.(3a)发射机txk对其信道矩阵hk和接收到的框架信道矩阵hf分别进行矩阵分解，得到和其中lf为初始左框架矩阵，rf为初始右框架矩阵，dk表示信道增益矩阵；
21.(3b)发射机txk使用的左框架矩阵和右框架矩阵分别记为l
fk
和r
fk
，其中lfk＝lf，r
fk
＝rf，或者按照l
fk
＝l
fek
和r
fk
＝r
fek
分别对lf和rf进行重构获得，其中ek为重构矩阵；
22.(3c)发射机txk根据公共接收机通知的索引k，将初始右框架矩阵rf的第 k列向量设置为初始预编码，并计算发射调节矩阵然后使用ak对初始预编码进行调节，得到txk的预编码向量为
23.进一步的，所述步骤3具体包括：
24.(4a)公共接收机rx接收到来自k个发射机tx的混合信号为其中p
t
表示发射机tx的发射功率，等式右边第一项是来自txk的信号，第二项是来自其它k-1个发射机tx 的信号，第三项是公共接收机rx观测到的噪声；
25.(4b)公共接收机rx根据索引k从初始左框架矩阵lf中选取第k列向量作为滤波向量并使用对y进行滤波，得到滤波后的估计信号为其中上标h表示复共轭。
26.本发明的目的在于提供一种应用所述基于虚拟框架的多址接入方法的系统。
27.本发明的优点及积极效果为：针对多路信号并发传输的通信系统，通过在预编码和接收滤波设计中引入虚拟框架，可以使经过预编码处理后的多个发射信号经过虚拟框架的不同空间特征模式传输至公共接收机，从而消除信号间的干扰。并且所述基于虚拟框架的多址接入方法及系统能够对信号处理中涉及的信道方向信息与信道质量信息分别进行调整，即由虚拟框架信道确定方向信息，由用户通信信道确定通信质量，可以避免传统多址中的信号处理将信道质量信息和信道方向信息一起进行操作，导致信号传输质量损失的问题，从而实现在多路数据的无干扰恢复，以及各个发射机通信信道传输增益的保留，显著提高系统的频谱效率。
28.本发明不仅适用于基于信道矩阵奇异值分解的预编码和滤波设计，也适用于其它预编码和滤波设计方法。
附图说明
29.图1是本发明提供的一种基于虚拟框架的多址接入方法的流程示意图；
30.图2是本发明提供的一种基于虚拟框架的多址接入方法的系统模型示意图；
31.图3是本发明提供的一种基于虚拟框架的多址接入方法(f2mac和f3mac) 与迫零接收(zero-forcing，zf)、匹配滤波(matched filtering，mf)、基于迫零的多址(zf-mac)以及采用不同特征模式进行点对点mimo传输(point-to-point mimo， p2pmimo)的系统平均频谱效率仿真图。
具体实施方式
32.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，对本发明进行进一步的详细说明。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。
33.本发明旨在解决传统多址方法的信号处理将信道方向信息与信道质量信息同时进行调整，导致的数据传输增益损失问题，通过将信道方向信息与信道质量信息分别进行处理，本发明可以使信号在传输/恢复过程中完整保留来自自身信道的增益，有效提升系统的频谱效率。
34.虽然现有技术中noma能够显著提高系统的频谱效率，但该方法需要复杂的信号检测算法，导致设备复杂度和处理时延增加。而目前的干扰管理方法，在使用预编码调整发射信号的空间特征(以在受干扰接收机处达到抑制/消除干扰的目的)的同时，会使调整后的信号的空间特征与其通信信道失配，从而造成调整后的数据传输速率低于匹配方式下获得的数据速率。类似的，在接收端使用滤波向量对干扰进行消除时，由于滤波向量的空间特征与待检测期望信号不匹配，也会导致滤波获得的期望数据速率低于其在匹配方式下得到的速率。
35.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，将导致接收机接收信干噪比的降低以及误码率的增加，现有的干扰管理方法不能将信道的空间特征与信道的增益分别进行处理，即在对用户信号的空间特征进行调整以满足管理多用户通信间干扰的需要的同时，也造成用户信号与其通信信道的失配，从而导致用户传输增益的损失。如何管理多个用户通信之间的干扰而不损失用户通信的增益性能，实现能够显著改善系统频谱效率的多址，具有重要的意义。下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述：
36.如图1所示，本发明实施例提供的基于虚拟框架的多址接入方法包括以下步骤：
37.s101：系统由k个发射机tx和一个公共接收机rx组成，每个发射机tx配置n
t
根发射天线，公共接收机rx配置nr根接收天线，公共接收机rx获得发射机tx反馈的信道状态信息以及发射机tx采用的调制方式信息；
38.s102：公共接收机rx选定一个虚拟框架信道进行矩阵分解，表示复数集合，得到初始左框架矩阵lf和初始右框架矩阵rf，接下来，rx向全体所述发射机tx广播hf，并通知各个发射机txk(k∈{1，
…
，k})应使用的初始预编码在其右框架矩阵中列向量的索引值k；
39.s103：各个发射机txk根据其与公共接收机rx之间的信道矩阵h
k (k∈{1，
…
，k})，以及其接收到的hf确定左框架矩阵l
fk
和右框架矩阵r
fk
，并设计调节矩阵ak，接下来用ak对txk的初始预编码向量进行调节，得到txk的预编码向量pk，txk使用pk对发送数据进行预处理，并将处理后得到的发射信号发送给公共接收机rx；
40.s104：公共接收机rx采用初始左框架矩阵lf中的各个列向量对其观测到的来自k个发射机tx的混合信号进行滤波处理，实现无干扰地恢复出k路数据。
41.下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步描述。
42.如图2所示，本发明采用包含k个发射机(transmitter，tx)和1个公共接收机(receiver，rx)的上行多用户通信系统作为系统模型。每个发射机配置n
t
＞1根发射天线，
发射机的发射功率均为p
t
，发射机之间不存在相互协作，接收机的天线数为nr＞1。任一发射机txk(k∈{1，...，k})采用波束成形的方式向rx发送一路数据流xk，满足e(||xk||2)＝1，所有tx的信号可以同时到达rx(即实现了系统内的信号同步)。表示发射机txk与rx之间的信道矩阵。采用空间不相关瑞利平坦衰落信道模型，即信道矩阵hk的元素相互独立且服从零均值、单位方差的复高斯分布。信道具有块衰落特性，即信道参数在包含多个时隙的一个块中保持不变，在相邻块间随机变化。tx可以准确估计其与rx之间的信道状态信息，并通过一个无差错、低延迟的链路将估计信道信息反馈给rx。
43.本发明实施例提供的基于虚拟框架的多址接入方法具体步骤如下：
44.系统由k个发射机tx和一个公共接收机rx组成，每个发射机配置n
t
根发射天线，公共接收机配置nr根接收天线，设置n
t
＝nr＝k，公共接收机获得发射机反馈的信道状态信息以及发射机采用的调制方式信息，实现步骤如下：
45.步骤1a，各个发射机txk(k∈{1，
…
，k})估计其与公共接收机rx之间的信道状态信息，并通过反馈链路发送给公共接收机rx，所述信道状态信息包括信道矩阵hk；
46.步骤1b，各个发射机txk采用波束成形的方式向公共接收机rx发送一路数据，来自k个发射机的信号同时到达公共接收机rx并相互叠加；发射机txk向公共接收机rx发送数据xk，来自其余发射机的k-1路信号对txk的信号造成干扰。
47.步骤1，公共接收机rx选定一个虚拟框架信道进行矩阵分解，表示复数集合，得到初始左框架矩阵lf和初始右框架矩阵rf，接下来，rx向全体所述发射机tx广播hf，并通知各个发射机txk(k∈{1，
…
，k})应使用的初始预编码在其右框架矩阵中列向量的索引值k，实现步骤如下：
48.步骤2a，公共接收机rx从各个发射机txk(k∈{1，
…
，k})到公共接收机rx 之间的信道矩阵hk中，随机选定一个信道矩阵作为虚拟框架信道hf，所述虚拟框架信道hf包括公共接收机rx随机产生的一个nr×nt
的矩阵；
49.步骤2b，公共接收机rx采用基于奇异值分解(singular value decomposition， svd)的信号处理，对虚拟框架信道hf进行奇异值分解，得到其中其中选取初始左框架矩阵和初始右框架矩阵为lf＝uf和 rf＝vf；
50.步骤2c，公共接收机rx向全体所述发射机tx广播hf，同时公共接收机 rx通知各个发射机txk可使用的索引值k(k∈{1，
…
，k})，不同发射机tx的索引值不同，索引值k用来标识发射机txk的初始预编码在初始右框架矩阵rf中列向量的索引值。
51.步骤2，各个发射机txk根据其与公共接收机rx之间的信道矩阵h
k (k∈{1，
…
，k})，以及其接收到的hf确定左框架矩阵l
fk
和右框架矩阵r
fk
，并设计调节矩阵ak，接下来用ak对txk的初始预编码向量进行调节，得到txk的预编码向量pk，txk使用pk对发送数据进行预处理，并将处理后得到的发射信号发送给公共接收机rx，具体实现步骤如下：
52.步骤3a，发射机txk对其信道矩阵hk和接收到的框架信道矩阵hf分别进行奇异值分解得到和其由
[0053][0054]
步骤3b，发射机txk使用的左框架矩阵和右框架矩阵分别记为l
fk
和r
fk
，其中l
fk
＝lf，r
fk
＝rf；也可以按照l
fk
＝ufe(1，k)和r
fk
＝vfe(1，k)对uf和 vf进行重构获得，其中e(1，k)表示单位矩阵e的第1列与第k列向量交换位置后得到的重构矩阵，于是可以得到重构后的左、右框架矩阵和
[0055]
步骤3c，发射机txk根据来自rx的索引k，将初始右框架矩阵vf的第k列向量设置为初始预编码，并计算发射调节矩阵然后使用ak对初始预编码进行调节，可以得到txk的预编码向量为
[0056]
步骤3，公共接收机rx采用初始左框架矩阵lf中的各个列向量对其观测到的k个发射机的混合信号进行滤波处理，可以无干扰地恢复出k路数据，具体实现步骤如下：
[0057]
步骤4a，公共接收机rx接收到来自k个发射机tx的混合信号为其中p
t
表示发射机tx的发射功率，等式右边第一项是来自txk的信号，第二项是来自其它k-1个发射机tx 的信号，第三项是公共接收机rx观测到的噪声；
[0058]
步骤4b，公共接收机rx根据索引值k从初始左框架矩阵uf中选取第k列向量作为滤波向量使用对y进行滤波，可以得到滤波后的估计信号为：其中上标h表示复共轭，即公共接收机 rx可以无干扰地恢复出来自txk的数据。若l
fk
＝uf，r
fk
＝vf，则滤波后的估计信号为其中为dk的主对角线上的第k个元素，即采用对rx接收到的信号进行滤波后，期望数据xk的增益为txk与rx的通信信道hk的第k个特征模式的增益若l
fk
＝ufe(1，k)，r
fk
＝vfe(1，k)，则滤波后的估计信号为为dk的主对角线上的第1个元素，即采用e(1，k)对初始框架进行重构，再根据重构后的左、右框架矩阵进行预编码和滤波设计，可以使rx恢复出的数据能够保留hk的主特征模式增益从而进一步提高系统的频谱效率。
[0059]
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
[0060]
一、仿真条件：
[0061]
以下对本发明的性能进行评估。我们假设通信系统包含k＝2个发射机tx和1个公共接收机rx。每个发射机配置n
t
＝2根发射天线，接收机天线数为nr＝2，每个发射机以波束成形的方式向rx发送一路数据，发射机的发射功率均为p
t
。定义发射功率对噪声的归一化值为其中表示噪声功率，仿真中设置η∈[-10，20]db。
[0062]
将zf接收、mf、zf-mac以及p2pmimo与所提方案在上述通信场景中进行性能仿真与比较。
[0063]
二、仿真内容：
[0064]
zf-mac的实现思路为，首先将k个发射机按照它们的通信信道的主特征模式增益进行降序排列，随后，每个发射机选择由其通信信道分解得到的右奇异矩阵的第一列向量作为初始预编码；降序排序后的第一个发射机(k＝1)用其初始预编码对待发送数据进行预处理；第k(1＜k≤k)个用户将其初始预编码向量向前k-1个用户发射信号的空间特征张成的子空间进行正交投影，从而得到第k 个用户预处理其待发送数据的最终预编码向量；在公共接收机处采用mf对混合信号的各个信号分量分别进行滤波处理。
[0065]
图3给出了n
t
＝nr＝2，k＝2时，采用f2mac、f3mac、zf接收、mf、 zf-mac以及p2pmimo的系统平均频谱效率(spectral efficiency，se)随η变化的情况。如图3所示，所有方法的系统平均se均随着η的增加而增大。由于f3mac 保留了所有用户的主特征模式增益，所以其se性能最优。zf接收的系统se优于f2mac，仅次于f3mac。当η较大(η＞0db)时，se性能排在zf之后的是zf
‑ꢀ
mac，然后是f2mac，mf的se最低；而当η较小(η＜0db)时，mf的系统se 与f3mac和zf接收接近，并且优于zf-mac和f2mac。此外，从图中可以看出，在n
t
＝nr＝k＝2的参数设置下，f2mac的平均se为是采用基于主特征模式和次特征模式进行点对点传输的平均se之和；而f3mac的平均se是采用基于主特征模式进行点对点数据传输的平均se的2倍。
[0066]
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。