Musa系统多级部分并行干扰消除多用户检测方法
【专利摘要】本发明涉及一种多用户共享接入(Multi?User Shared Access,MUSA)系统多级部分并行干扰消除多用户检测方法，属于通信技术领域。该方法包括以下步骤：S1：根据用户信道状态的好坏对接入用户进行排序；S2：排序之后接收信号，对经过信道之后的接收信号y进行MMSE检测；S3：将MMSE检测器的输出作为第一级PIC检测器的输入；S4：根据PIC输出结果的判决值重构出所有用户的干扰信号；S5：根据用户排序情况，将较强用户的数据输出，并对较弱的用户再次进行MMSE?PIC检测。本发明可以在不降低系统符号错误率的情况下，有效的降低检测方法的复杂度，并且相对于传统的多级MMSE?PIC检测方法，符号错误率性能和复杂度都有所改善。
【专利说明】
MUSA系统多级部分并行干扰消除多用户检测方法
技术领域
[0001] 本发明属于通信技术领域，设及一种MUSA系统多级部分并行干扰消除多用户检测 方法。
【背景技术】
[0002] 移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，因此，未来移动终 端的数量将呈现爆发式增长，第五代移动通信系统必须要满足海量连接、低时延高可靠性 的特点。每一代移动通信的更新换代都会伴随着多址技术的演变，现有通信系统大都采用 正交的多址接入方式，即多个用户通过在不同维度上(频域，时域，码域等)正交划分的资源 来接入。例如4G系统中采用的0FDMA将传输带宽划分成正交的子载波集，再将不同的子载波 集分配给不同的用户实现多址。正交多址接入由于其接入用户数和正交资源成正比，并且 正交多址接入一般频谱效率较低，因此不能满足5G海量连接、高频谱效率等需求。非正交多 址技术由于支持较高的用户过载、频谱效率较高等优点，成为研发的热点，并成为未来5G的 候选多址技术之一。
[0003] 多用户共享接入(Multi-User SharedAccess，MUSA)也是非正交多址接入技术中 的一种。MUSA通过创新设计的复数域多元码W及串行干扰消除（successive interference cancellation, SIC)多用户检测，相较于4G接入系统，可W让系统在相同的时频资源下支持 数倍的用户接入。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种MUSA系统多级部分并行干扰消除多用户检 测方法，采用该方法在第一级PIC检测时，将较强用户的信息解调并输出，然后从总的信号 中减去运些强信号的干扰信号，剩下的是较弱用户的干扰信号的总和，然后再对剩下的信 号再次进行上述步骤。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006] -种MUSA系统多级部分并行干扰消除多用户检测方法，在该方法中，
[0007] 根据用户到达的SINR对用户进行排序，然后解调出具有最大SINR的用户，并重构 出该最大SINR用户的干扰信号，并从总的接收信号y中减去该用户的干扰信号，重复上述步 骤，直至所有用户的数据都被解调、恢复出来；
[000引具体包括W下步骤：
[0009] S1:根据用户信道状态的好坏对接入用户进行排序；
[0010] S2:排序之后接收信号，对经过信道之后的接收信号y进行MMSE检测；
[00川 S3:将MM沈检测器的输出作为第一级PIC检测器的输入；
[0012] S4:根据PIC输出结果的判决值重构出所有用户的干扰信号；
[001引S5:根据用户排序情况，将较强用户的数据输出，并对较弱的用户再次进行匪SE- PIC检测。
[0014]进一步，在步骤SI中，根据用户的信道矩阵对用户进行排序;首先对用户的信道矩 阵求范数normaWi)，根据范数大小将用户分成强弱两个等级，其中，化)1表示信道矩阵Η的 第i列。
[001引进一步，在步骤S2中，采用MM沈准则，需要求出MM沈权重矩阵使得发送向量与估计 向量之间的最小均方误差J最小：即求Wmmse使得J=mi址[I |x-WMMSEy|鬥成立；
[0019] MM沈权重矩阵为Wmmse=化也+〇21)-邮，接收信号y与MMSE权重矩阵相乘后，得到用 户的初始估计值XMMSE = WMMSEy = ( HHH+ 0 2 I Γ iRHy，再对XMMSE进行硬判决，并把判决值 脚(0)，6:(0)，...，6a-(0))作为第一级PIC检测器的输入。
[0020] 进一步，在步骤S4中，干扰重构的目的是为了进行PIC检测，即根据步骤S2中的判 决值曲(〇化(〇)，...瓜(〇))、信道估计值11 =如/!:，...，足丫^及用户的扩展序列31"重构出用户的干 扰信号；由于PIC采用的是并行干扰消除策略，因此对于要解调的用户j，需要求出其他化- j)个用户的多址干扰之巧
称之为部分加法器。
[0021] 进一步，在步骤S5中，根据步骤S4部分加法器的结果，并从总的接收信号y中减去 其他用户的多址干扰之和，即可得到要解调的用户j的信息，即
A依次判决，即可 得到所有用户的估计值。
[0022] 本发明的有益效果在于：本发明可W在不降低系统符号错误率（symbol error rate, SER)的情况下，有效的降低检测方法的复杂度，并且相对于传统的多级MMSE-PIC检测 方法，符号错误率性能和复杂度都有所改善。
【附图说明】
[0023] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0024] 图1为MUSA上行系统原理框图；
[002引图2为MUSA系统使用的匪SE-SIC检巧巧法结构图；
[0026] 图3为本发明实现流程图；
[0027] 图4为K = 4，N=別寸，本发明与MUSA系统本身所使用的SIC检巧巧法性能对比图； [002引图5为K = 10，N= 16时，本发明与MUSA系统本身所使用的SIC检测方法性能对比图。
【具体实施方式】
[0029] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0030] 图1所示为MUSA系统上行原理图。首先，K个接入用户使用具有低互相关的复数域 多元序列作为扩展序列将其调制符号进行扩展，然后，K个用户扩展后的符号在相同的时频 资源里发送，最后，在接收端，使用相应的检测方法解调和恢复出各个用户的信息。经过信 道之后的接收信号可w表示为：
[0031]
[0032] 其中，hk是第k个用户的信道增益，Sk是第k个用户所使用的扩展波形，Xk是第k个用 户的发送数据，η是均值为0,方差为σ2的高斯噪声。
[0033] 接收信号表示为矢量形式为：
[0034] y = Hx+n
[0035] 其中，y=(yi,y2,. . .，yN)T，H=化i,h2,. . .，hK)T表示用户信道矩阵，hk等于阱sk，n = (ηι,Π2，. . .，ηΝ)τ，η~。
[0036] 图2所示为MUSA系统本身所使用的MMSE-SIC检测方法的结构图，首先根据用户到 达的SINR对用户进行排序，然后解调出具有最大SINR的用户，并重构出该最大SINR用户的 干扰信号，并从总的接收信号y中减去该用户的干扰信号，重复上述步骤，直至所有用户的 数据都被解调、恢复出来。从图中可W看出，MMSE-SIC检测方法每一级只检测一个用户，并 且每一级都需要求权重矩阵，并且权重矩阵设及矩阵求逆运算，因此复杂度较高。
[0037] 图3所示为本发明提出的一种复杂度更低的多级部分并行干扰消除多用户检测实 施流程图，具体包括如下步骤：
[0038] 步骤201，根据用户的信道矩阵对用户进行排序。首先对用户的信道矩阵求范数 110^(化)1)，根据范数大小将用户分成强弱两个等级。其中，化)1表示信道矩阵哺勺第1列。若 想使得检测性能更好，可将用户分成多个等级，但是与此同时，检测复杂度也会随之提高。
[0039] 步骤202,检测方法通过可W根据MMSE准则或者复杂度更低的ZF准则，而在运里我 们采用MMSE准则的原因在于，ZF准则虽然复杂度较低，但是它可能会放大噪声，使得检测性 能更差;而MMSE准则在抑制多址干扰和放大噪声之间取得折衷，获得最大信干噪比，从而降 低误码率。
[0040] 采用MMSE准则，则需要求出MMSE权重矩阵使得发送向量与估计向量之间的最小均 方误差最小。
[0045] 匪SE权重矩阵为Wmmse=W^+〇2i)-1hH，接收信号y与匪SE权重矩阵相乘后，得到用 户的初始估计值XMMSE = WMMSEy =化啡+〇21 rlHHy，再对XMMSE进行硬判决，并把判决值 巧仰)，占:(0)，...Λ-㈱作为第一级PIC检测器的输入。
[0046] 步骤203,干扰重构的目的是为了进行PIC检测，即根据步骤202中的判决值 (占,(0)，W〇)，...，&A-(〇))、信道估计值Η = (M_，…，、f W及用户的扩展序列Sk，重构出用户的干扰信 号。由于PIC采用的是并行干扰消除策略，因此对于要解调的用户j，需要求出其他化-j)个 用户的多址干扰之和Σ ν,.ν称之为部分加法器。 .!二 U子
[0047] 步骤204,根据步骤203部分加法器的结果，并从总的接收信号y中减去其他用户的 多址干扰之和，即可得到要解调的用户j的信息，目[
并依次判决，即可得到所有用 户的估计值。本发明的重点在于，本发明在第一级PIC检测时，将较强用户的信息解调并输 出，然后从总的信号中减去运些强信号的干扰信号，剩下的是较弱用户的干扰信号的总和。 然后再对剩下的信号再次进行上述步骤。
[004引图4所示在用户数Κ = 4,扩频码长度N =別寸，本发明提出的检测方法与MUSA系统本 身所使用的MMSE-SIC检测方法W及传统的两级MSE-PIC(Tw0-s化ge MSE-PIC)检测方法 的性能对比，本方法的SER性能与MUSA系统本身所使用的匪SE-SIC检测方法性能相当，但是 优于两级MMSE-PIC，能提高1地的性能。运是由于本发明方法在第一级PIC检测时，输出了较 强用户的信息，因此较弱用户在第二级检测时，受到的多址干扰会大大减小，较弱用户的检 测准确度有所提高，因此能够保证较好的检测性能。
[0049] 图5所示在用户数Κ=10,扩频码长度N=16时发明提出的检测方法与MUSA系统本 身所使用的MMSE-SIC检测方法W及传统的两级MSE-PIC(Tw〇-s化ge MSE-PIC)检测方法 的性能对比，与图4所给出的性能曲线大致相同。
[0050] 表1给出了用户数κ = 4、扩频码长度N=8W及用户数Κ=10、扩频码长度N=16运两 种情况时，本发明的检测方法与MUSA本身使用的MMSE-SIC检测方法W及传统的两级MMSE- PIC检测方法的复杂度分析。此时W浮点运算作为衡量复杂度的单位，一次复数乘法(或除 法)对应于6Flops，一次复数加法(或减法)对应于2Flops。本发明的复杂度远远小于MUSA系 统本身所使用的MMSE-SIC的复杂度，并且小于同等检测级别的匪SE-PIC的复杂度。并且当 用户数W及扩展序列增大的同时，MUSA系统所使用的匪SE-SIC检测方法的复杂度急剧增 加，而本发明的复杂度增加相对缓慢。
[0051] 表1
[0化2]
[0053] 本发明通过在第一级PIC检测时，输出较强的用户信息，因此在对较弱的用户进行 第二级PIC检测，较弱用户受到的多址干扰会明显减小，从而提高了较弱用户的检测准确 度，因此可W保证系统的检测性能较好。而由于本发明是基于PIC结构的，二级检测只需要 求两次MMSE权重矩阵，也只需对用户进行一次排序，而MUSA系统本身使用的MMSE-PIC检测 方法是基于SIC结构的，每一级只检测一个用户，因此K个用户需要求K次MMSE权重矩阵，并 且需要K-1次用户排序。又因为MMSE权重矩阵需要设及矩阵求逆运算，而求逆运算复杂度较 高，因此本发明的复杂度远远低于MUSA系统使用的MMSE-SIC的复杂度。
[0054] 最后说明的是，W上优选实施例仅用W说明本发明的技术方案而非限制，尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可W在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1. 一种MUSA系统多级部分并行干扰消除多用户检测方法，其特征在于:在该方法中， 根据用户到达的信号与干扰加噪声比（Signal toInterferenceplusNoi seRatio，SINR) 对用户进行排序，然后解调出具有最大SINR的用户，并重构出该最大SINR用户的干扰信号， 并从总的接收信号y中减去该用户的干扰信号，重复上述步骤，直至所有用户的数据都被解 调、恢复出来； 具体包括以下步骤： S1:根据用户信道状态的好坏对接入用户进行排序； S2:排序之后接收信号，对经过信道之后的接收信号y进行最小均方误差(minimummean squareerror，MMSE)检测； S3:将MMSE检测器的输出作为第一级PIC检测器的输入； S4:根据并行干扰消除(parallel interference cancellation，PIC)输出结果的判决 值重构出所有用户的干扰信号； S5:根据用户排序情况，将较强用户的数据输出，并对较弱的用户再次进行MMSE-PIC检 测。2. 根据权利要求1所述的一种MUSA系统多级部分并行干扰消除多用户检测方法，其特 征在于:在步骤S1中，根据用户的信道矩阵对用户进行排序;首先对用户的信道矩阵求范数 normGHh)，根据范数大小将用户分成强弱两个等级，其中，（Hh表示信道矩阵Η的第i列。3. 根据权利要求2所述的一种MUSA系统多级部分并行干扰消除多用户检测方法，其特 征在于:在步骤S2中，采用丽SE准则，需要求出丽SE权重矩阵使得发送向量与估计向量之间 的最小均方误差最小：即求Wmmse使得J=minE[ | |x-WMMSEy| |2]成立，用上式对Wmmse求偏导；MMSE权重矩阵为WmmSE=(HhH+〇2I)-他，接收信号y与MMSE权重矩阵相乘后，得到用户的 初始估计值xmmse = Wmmsey = (ΗΗΗ+σ2Ι pHHy，再对xmmse进行硬判决，并把xMMSE判决值 (&(〇),&{〇)，..,▲(〇))作为第一级PIC检测器的输入； 在上述推导中，其中WMMSE为最小均方误差权重矩阵，X为用户的发送向量，WMMSEy为用户 的估计向量，Ryy = E{yyH} =E{ (Hx+z)(Hx+z)h}，Rxy = E{xyH} =E{x(Hx+z)h}，Ryy和Rxy分别代 表接收信号y的自相关和x、y之间的互相关，y H代表y的埃尔米特矩阵;〇2和I分别代表噪声方 差和单位矩阵。4. 根据权利要求3所述的一种MUSA系统多级部分并行干扰消除多用户检测方法，其特 征在于：在步骤S4中，干扰重构的目的是为了进行PIC检测，即根据步骤S2中的判决值 (M〇)』2(〇Ua.(〇))、信道估计值H = (H.A Y以及用户的扩展序列Sk，重构出用户的干扰信 号；由于PIC采用的是并行干扰消除策略，因此对于要解调的用户j，需要求出其他(K-j)个 用户的多址干扰之其中，1η、84ΡΧι分别代表用户i的信道向量、扩频序列以及发送数据； 表示对 hiSiXi进行求和，其中i从1到K，但i不等于j。5. 根据权利要求3所述的一种MUSA系统多级部分并行干扰消除多用户检测方法，其特 征在于:在步骤S5中，根据步骤S4部分加法器的结果，并从总的接收信号y中减去其他用户 的多址干扰之和，即可得到要解调的用户j的信息 并依次判决，即可得到所有用户的估计值。
【文档编号】H04L1/00GK106059968SQ201610368610
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】邵凯, 武汉
【申请人】重庆邮电大学