一种针对信号个数过载的多用户接收方法及应用与流程

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种针对信号个数过载的多用户接收方法及应用。

背景技术：

随着无线通信技术的快速发展以及通信链路链接密度的增加，需要提升通信系统的容量以满足日益增长的用户数据传输需求。在频谱资源有限的情况下，为了提高通信服务质量以及系统容纳的用户数，多输入多输出(multiple-inputmultiple-output，mimo)技术成为了近年来无线通信领域的一项突破，mimo对空域资源进行利用，对提高系统频谱效率有显著的作用。在mimo的研究中，单用户mimo无法满足快速增长的用户的需求，多用户mimo(multiple-usermimo，mu-mimo)具有更好的实际意义。而在已有的mu-mimo研究中，接收机的自由度(degreeoffreedom，dof)是影响接收机接收信号能力的一大因素，当接收机天线数小于待解的信号个数，即接收信号数过载时，接收机没有足够的自由度区分全部的信号分量。传统的迫零(zeroforcing，zf)接收方法要求接收机天线数必须大于等于独立传输的数据流个数，即信号过载的时候传统的迫零不适用。接收天线数是制约接收机接能力的重要因素，也是限制系统容量的主要方面。针对多路并发信号的接收，干扰对齐与消除(interferencealignmentcancellation，iac)是一种能够对系统中的多路数据进行恢复的方法，该方法应用于认知mimo(cognitiveradiomultiple-inputmultiple-output，cr-mimo)系统，利用干扰对齐(interferencealignment，ia)对信号进行降维，再利用干扰消除(interferencecancellation，ic)对干扰进行消除，但需要接收机之间的协作。一致滤波(matchedfilter，mf)对信号的恢复不受接收机天线数的限制，但无法消除干扰，所以当干扰较强时，数据传输性能将受到很大影响。虽然还可以采用调度算法从多个用户中选择一组向接收机发送数据，但未得到调度的用户无法进行信息传输。当电磁波在自由空间呈现出互益的叠加效果时，与每个单独的波形相比，叠加信号的强度增加；若两个电磁波相互削弱，则叠加的效果是信号强度的减弱。所以多个射频(multipleradiofrequency，rf)信号的叠加可以等效为一个电磁波，该思想可以用于新型的多用户接收方法设计。

综上所述，现有技术存在的问题是：传统迫零接收要求接收机天线数不小于于待解信号分量个数的约束。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种针对信号个数过载的多用户接收方法及应用。

本发明是这样实现的，一种针对信号个数过载的多用户接收方法，所述针对信号个数过载的多用户接收方法包括：

(1)将可解的一部分信号视为期望信号，并利用信号之间的相互作用，将其余信号的整体效果视为一个等效干扰，使接收端需要处理的信号个数降至接收天线数；

(2)根据可数的等效干扰空间特征设计多个迫零接收滤波矩阵，将接收混合信号分为多个支路，并采用迫零接收滤波矩阵对每个支路的混合信号进行滤波和判决重构；迫零接收滤波矩阵g中各滤波向量fn,n∈s：

g包含nr-1个列向量，对g进行共轭转置得到g^h，g共有种可能的组合，其中只有一种与实际的等效干扰空间特征一致；

(3)将原始接收信号与重构信号相减，再与预设的噪声门限进行比较，若小于该门限则加一个偏置信号，否则不做处理，接下来每个支路进行第二次滤波，通过对各支路滤波输出强度大小进行比较确定正确的支路，并对该支路第一次滤波后的接收符号进行判决；

(4)使用串行干扰消除方法消除已解码符号对接收混合信号剩余分量接收的影响，采用串行干扰消除将携带已解码的nr-1个符号的信号从混合信号y中消除，接收机将已恢复的信号从集合n中删除，更新集合n；通过对剩余混合信号重复上述过程，直至恢复全部发送数据。

进一步，所述针对信号个数过载的多用户接收方法包括以下步骤：

第一步，每个发射机配置nt根发射天线，nt≥2，采用波束成形的发射方式发送一路数据，发射机k估计其与接收机之间的信道状态信息hk，其中k＝0,1,···,k-1，发射机k根据hk计算预编码向量pk，发射机k将hk和调制方式信息一同上报给接收机，接收机获取每路发送数据的调制方式信息，并取l为所用调制方式中最大的调制阶数，k个发射机发送的信号数k大于接收机天线数nr，每个发射机的发射功率均为pt；

第二步，接收机接收到混合信号y：

其中，xk表示发射机k发送的数据，n表示加性高斯白噪声；发射机k发送的信号在接收端表现出的空间特征为rk＝hkpk；将接收机所有待接收的信号构成集合n，则集合n包含的信号个数为k，m表示集合n中元素的个数，此时m＝k。比较m与nr的大小，若m≤nr，接收机设计迫零接收滤波矩阵wzf直接对混合信号y进行滤波，输出m个判决符号；

第三步，若m＞nr，接收机随机选取集合n中的nr-1个信号组成待解信号集合s，集合n中其余信号组成干扰集合i；利用干扰间的相互作用，将m-(nr-1)个干扰的整体效果作为一路等效干扰，等效干扰的空间特征为所有可能的rε构成等效干扰的空间特征集c，由于发送符号经过调制后存在多种组合情况，在给定hj和pj的前提下，集合c共包含个元素，若调制星座图具有原点对称性，集合c中共包含种干扰空间特征；

第四步，接收机首先将待解信号的空间特征rn＝hnpn,n∈s与等效干扰的空间特征rε进行施密特正交化，并设计迫零接收滤波矩阵g中各滤波向量fn,n∈s：

g包含nr-1个列向量，对g进行共轭转置得到g^h，g共有种可能的组合，其中只有一种与实际的等效干扰空间特征一致；

第五步，接收机将混合信号y分为路，然后采用第四步的个滤波矩阵g分别对每路混合信号进行滤波，再对滤波后的信号判决并结合信道状态信息进行信号重构，与实际的等效干扰空间特征一致的支路得到重构信号其中为nr-1个待解信号对应的发射机到接收机的信道矩阵，表示发射机对待解数据的预编码矩阵，为判决得到的正确数据符号向量，与实际的等效干扰空间特征不一致的支路的重构信号为其中是受到干扰影响的错误判决得到的数据符号向量；

第六步，每个支路将重构后的信号或分别与接收混合信号y相减，将相减后的输出与预设的门限th进行比较，若相减后的输出小于th，则给输出增加偏置信号ε，否则不做处理，直接输出到后级处理；

第七步，每个支路采用与第一次滤波相同的g对第六步所述输出的信号进行第二次滤波，对每个支路的输出进行比较，信号强度最小的支路为等效干扰空间特征一致支路，采用第五步中第一次的滤波结果判决输出nr-1个接收符号

第八步，接收机利用已恢复的数据符号和信道状态信息重构信号，再采用串行干扰消除将携带已解码的nr-1个符号的信号从混合信号y中消除，接收机将已恢复的信号从集合n中删除，更新集合n，返回至第三步操作。

进一步，所述第三步当发送信号个数大于接收天线数nr时，先利用信号之间的相互作用得到多个干扰的整体效果，实现对待处理信号的空间降维，使接收机待处理的信号个数降为nr，再采用迫零及串行干扰消除进行多用户信号的接收。

进一步，当调制后的符号存在多种情况导致信号之间相互作用产生的等效干扰的空间特征存在多种情况时，可根据不同的等效干扰空间特征设计相应的迫零接收滤波矩阵g，并将接收混合信号y分为多路，采用不同的g分别对每路混合信号进行滤波及重构，将重构结果与原始混合信号y相减，再对结果采用与第一次滤波相同的g进行第二次滤波，根据输出的大小比较结果判断等效干扰空间特征一致的支路，并恢复正确的接收符号。

进一步，所述如果一个支路错误地重构出与原始混合信号相同的信号，与接收混合信号相减的输出仅剩下噪声，则在每个支路进行第二次滤波前，增加判断该支路是否存在信号的保护模块，将与接收混合信号相减的输出与一个预设门限进行比较，如果小于该门限，需增加一个偏置信号，使支路经过二次滤波后仍可区别于与等效干扰空间特征一致的支路。

进一步，当每个发射机配置的天线数不同时，各发射机发送数据的方式不同，当发射天线数nt＝1时，发射机采用全向发射方式发送一路数据；发射天线数等于1的发射机对应的hkpk应替换为hk，接收机观测到的该发射机发送的信号的空间特征成为rk＝hk；当发射天线数nt≥2时，发射机采用波束成形发射方式发送一路数据。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述针对信号个数过载的多用户接收方法的多输入多输出系统。

本发明的优点及积极效果为：传统的迫零接收方法要求接收天线数不少于待解的信号个数，所以当信号分量的个数大于接收天线数时，无法采用传统的迫零接收方法进行接收。本发明利用了多个干扰相互作用表现出的整体效果，在待解信号个数k大于接收机天线数nr的情况下，选取k-(nr-1)个信号作为干扰，利用干扰间的相互作用，将它们的整体效果作为一路等效干扰，从而将接收机待处理信号的个数降为nr，能够在接收天线数不小于2的情况下恢复任意数量的发送数据，并获得好的数据速率性能。

本发明对信号进行了两次滤波，对原始混合信号的第一次滤波结果进行判决重构，并与原始混合信号进行相减，则等效干扰空间特征一致的支路的输出只剩下可以被滤波矩阵消除的干扰，经过第二次滤波后只剩下噪声，不一致支路的输出则无法被滤掉，经过第二次滤波后的输出有信号成分，通过对各支路滤波输出进行比较确定等效干扰空间特征一致的支路，并对该支路第一次滤波后的接收符号进行判决。

本发明采用了串行干扰消除技术，通过将已恢复的信号从接收到的混合信号中减去，从而消除了已解码信号对接收机恢复其余的信号造成的影响，然后结合迫零接收使所有发射机发送的符号得到恢复旨在突破传统迫零接收要求接收机天线数不少于待解信号分量个数的约束，利用多个干扰相互作用后表现出的整体效果实现待处理信号空间的降维，从而使用有限的接收天线可以恢复尽可能多的信号。

附图说明

图1是本发明实施例提供的针对信号个数过载的多用户接收方法流程图。

图2是本发明实施例提供的多用户上行通信场景模型示意图。

图3是本发明实施例提供的针对接收信号个数过载的多用户接收方法流程图。

图4是本发明实施例提供的针对接收信号个数过载的多用户接收方法的单级接收机结构图。

图5是本发明实施例提供的针对接收信号个数过载的多用户接收方法的完整接收机结构图。

具体实施方式

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。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的针对信号个数过载的多用户接收方法包括以下步骤：

s101：利用信号之间的相互作用将接收端有效信号个数降至接收天线数；

s102：根据可数的有效干扰空间特征设计多个迫零接收滤波矩阵，并分别对混合信号进行滤波以及判决重构；

s103：将判决重构模块的输出与原接收混合信号相减并通过一个保护模块，再利用相同的迫零滤波矩阵进行第二次滤波，通过对各滤波输出进行比较，判决接收符号；

s104：使用串行干扰消除方法消除已解码符号对接收混合信号剩余分量接收的影响，通过对剩余混合信号重复上述过程，直至恢复全部发送数据。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

图2为系统模型，给出由三个发射机和一个接收机组成的通信系统，接收机配置nr＝2根接收天线，每个发射机均配置nt＝2根天线，每个发射机仅发送一路数据，则发送信号的个数k＝3，本发明实施例对所有发射机均采用二进制相移键控调制(binaryphase-shiftkeying，bpsk)，即最大调制阶数l＝2的情况，当不同发射机采用的调制方式不同时，取l为所有调制方式中最大的调制阶数。

如图3、图4及图5所示，本发明的接收方法具体包括如下步骤：

第一步，每个发射机配置nt根发射天线，nt≥2，均采用波束成形的发射方式发送一路数据，发射机k估计其与接收机之间的信道状态信息hk，其中k＝0,1,···,k-1，发射机k根据hk计算预编码向量pk，发射机k将hk和调制方式信息一同上报给接收机，接收机获取每路发送数据的调制方式信息，并取l＝2为所用调制方式中最大的调制阶数，k个发射机发送的信号数k大于接收机天线数nr，每个发射机的发射功率均为pt，假设所有发射机均按照主特征模式进行传输，则预编码向量选取为信道矩阵的主右奇异向量，与信道矩阵的最大奇异值对应，每路传输均采用bpsk方式进行调制；

第二步，将接收端所有信号构成集合n，则初始状态集合n包含的信号个数为3，m表示集合n中元素的个数，此时m＝3。比较m与接收天线数nr＝2的大小，m＞nr；

第三步，接收机随机选取集合n中的nr-1＝1个信号h0p0x0组成待解信号集合s，将集合n中其余2个信号h1p1x1和h2p2x2组成干扰集合i，利用干扰间相互作用，将这2个干扰的整体效果作为一路等效干扰，该干扰状态空间特征为rε＝h1p1x1+h2p2x2，所有可能的rε构成等效干扰的空间特征集c，发送符号经过调制后存在4种情况，所以在给定hj和pj(j＝1,2)的情况下等效干扰空间特征共有4种情况，考虑到调制星座图的空间对称性，c中共包含2种干扰状态空间特征；第四步，接收机首先将待解信号的空间特征r0＝h0p0与干扰相互作用的整体效果产生的状态空间特征rε进行施密特正交化，然后利用本步所述迫零接收滤波矩阵g中滤波向量的构造方法得到需要说明的是，rε有两个可能值rε1、rε2，则g0共有两种，其中只有一种与实际发射的符号情况相符；

第五步，接收机首先将混合信号y分为路，然后采用第三步设计的2个滤波矩阵和分别对每路混合信号进行滤波，对滤波信号进行判决并结合信道状态信息进行信号重构，与实际的等效干扰空间特征一致的支路得到正确的重构信号不一致的支路得到干扰影响的重构信号

第六步，每个支路将接收混合信号y减去重构后的信号或将输出与预设的门限th进行比较，等效干扰空间特征一致的支路的输出混合信号ai＝h1p1x1+h2p2x2+n′一定大于th，则直接输出n′表示更新后的噪声，不一致支路的比较结果若小于噪声门限，则给该支路增加偏置ε，若不小于则直接输出，得到

第七步，每个支路将混合信号或用与第一次滤波相同的和进行第二次滤波，对每个支路的输出进行比较，信号幅度最小(与纯噪声相近)的支路为等效干扰空间特征一致支路，

可采用第五步中第一次的滤波结果判决输出

第八步，接收机利用解出的符号和信道信息重构信号，再采用串行干扰消除将混合信号y中已解码的1个符号所对应的信号消除，降低接收机处理的信号个数，接收机将已解码信号从集合n中删除，通过将集合n-s赋给n更新集合n，返回至第三步操作。

当每个发射机配置的天线数不同时，各发射机发送数据的方式不同，当发射天线数nt＝1时，发射机采用全向发射方式发送一路数据，此时，发射天线数等于1的发射机对应的hkpk应替换为hk，该发射机对应的发送信号在接收端的空间特征成为rk＝hk；当发射天线数nt≥2时，发射机采用波束成形发射方式发送一路数据。

图4和图5给出了本发明的具体接收机结构图，图中说明了本发明实施例1滤波接收、串行干扰消除和恢复信号的操作过程。图4为图5第一级恢复信号的具体实施过程。图4和图5首先将x0作为待解的期望数据，并将其余信号作为干扰，根据第五步，接收机将接收混合信号y分为两路，并分别采用迫零接收滤波矩阵与对y进行滤波与判决重构；根据第六步，将重构信号与原始混合信号y相减并与门限th进行比较，根据比较结果判断是否需要进行对输出结果增加偏置；根据第七步，对各个支路经过第二次滤波的输出进行比较，选择等效干扰空间特征一致的支路的第一次滤波结果进行判决并输出则第一级解码过程结束。图5根据第八步，将反馈给接收机，采用串行干扰消除将已解码的所对应的信号从接收混合信号y消除。最后，当待解信号数不超过接收机天线数时，设计迫零接收滤波矩阵wzf恢复并输出和

当每个发射机配置的天线数不同时，各发射机发送数据的方式不同，当发射天线数nt＝1时，发射机采用全向发射方式发送一路数据，此时，发射天线数等于1的发射机对应的hkpk应替换为hk，接收机观测到的该发射机发送的信号的空间特征成为rk＝hk；当发射天线数nt≥2时，发射机采用波束成形发射方式发送一路数据。

本发明的第五步当发送信号个数k大于接收天线数nr时，先利用k-(nr-1)个干扰相互作用表现出的整体效果作为一路等效干扰，使接收端待处理的信号个数降为nr，再采用迫零及串行干扰消除逐级地进行多用户数据的接收；发送符号经过调制后存在多种组合情况，但是等效干扰的空间特征所构成的状态空间是可数的，本发明根据不同的等效干扰空间特征设计相应的迫零接收滤波矩阵g，并将接收混合信号y分为多路，采用不同的g分别对每路y进行滤波和判决重构，将原始混合信号y与重构信号相减的结果先通过保护模块，再进行二次滤波，通过对各支路滤波输出进行的大小比较确定等效干扰空间特征一致的支路，并对该支路第一次滤波后的接收符号进行判决。

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。