CN105227226B - 基于干扰合成的迫零及串行干扰消除的多用户接收方法 - Google Patents

基于干扰合成的迫零及串行干扰消除的多用户接收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于干扰合成的迫零及串行干扰消除的多用户接收方法，包括多个发射机和一个公共接收机，接收机获取与各发射机之间的信道状态信息及发射机采用的调制方式信息，首先采用干扰合成将接收端信号个数降至接收天线数，然后根据不同的信号合成情况计算迫零接收滤波矩阵，并分别对混合信号进行滤波，通过对滤波性能进行比较，判决接收符号，使用串行干扰消除方法消除已解码符号对混合信号剩余分量接收的影响，然后对剩余混合信号重复采用合成干扰、计算滤波矩阵、比较判决，直至恢复全部发送符号。本发明基于干扰合成，采用迫零与串行干扰消除，能够在接收天线较少的情况下恢复出全部的发送符号，提高***可容纳的用户数。

Description

基于干扰合成的迫零及串行干扰消除的多用户接收方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域中的信号接收方法，尤其涉及一种基于干扰合成的迫零及串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)的多用户接收方法，用于接收机恢复存在共道干扰的多路信号的场景，如多址接入信道。
背景技术
随着移动通信技术的发展，传统的时频信号设计已经很难满足人们对无线链路传输速率越来越高的要求，人们开始尝试从多个维度发掘通信机会，空域资源便是其中的一个重要方面。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术是近年来无线通信领域的一项突破性技术，它能够实现空域资源的利用。
随着MIMO技术研究的进展，点对点的单用户MIMO***的研究已经接近饱和，单用户MIMO技术已无法满足日益增长的用户数需求，多用户MIMO(Multiple-User MIMO，MU-MIMO)受到越来越多的关注。在目前MU-MIMO的研究中，当待解信号数大于接收端天线数时，接收端没有足够的自由度无干扰地接收所有的信号，如迫零接收方法(Zero Forcing，ZF)。接收天线数成为制约接收机接收能力的重要因素，也是限制***容量的主要方面。
干扰对齐与消除(Interference alignment cancellation，IAC)可被用于MU-MIMO***中多用户数据的接收。Li Z,Shen B,Li J D.Interference alignment andcancellation based concurrent transmission and scheduling scheme formultiuser CR-MIMO system.China Communications.2013,10(8):36-43(多用户MIMO***中结合干扰对齐和消除实现并发传输与调度方案)在认知MIMO(Cognitive RadioMultiple-Input Multiple-Output，CR-MIMO)***中设计了一种基于IAC的传输调度方案，通过使用IA降低接收信号的维度，并采用IC消除已恢复信号的影响。该方法能够实现多路并发信号的接收，但要求接收端的相互协作。
使用自适应滤波也可以实现多路数据的接收，匹配滤波(Matched filter，MF)以输出信噪比最大化为设计目标，不受接收天线数的限制，能恢复所有发射符号，但该方法无法消除干扰，当干扰较强时，其信干噪比恶化，数据传输性能变差。
由于接收机可处理的信号数受接收天线的限制，还可采用调度算法对并发信号个数进行约束。李钊，刘瑞雪，王琳，等.MU-MIMO下行链路基于关联干扰的先验式用户调度.电子与信息学报，2014,36(1):67-73从多个用户中选择一组与基站进行通信，实现通信资源的充分利用。但调度算法会阻碍未调度用户的信息传输，且不支持突发通信。
综上所述，如何使用有限的接收天线恢复可能多的信号，提升多用户通信***的传输性能成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于干扰合成的迫零及串行干扰消除多用户接收方法，旨在突破传统迫零接收要求接收天线数不少于待解信号分量数的约束，实现使用有限的接收天线恢复可能多的信号，提高***可容纳的用户数。
实现本发明目的方法包括以下步骤：
第一步，每个发射机配置NT根发射天线，NT≥2，均采用波束成形的发射方式发送一路数据，发射机根据各自的信道信息计算预编码向量pk，获取每路发送数据的调制方式信息，并取L为所用调制方式中调制阶数最大的调制方式信息，K个发射机发送信号数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，发射机估计信道状态信息hk，k＝0,1,···,K-1，连同调制方式信息L一同上报给接收机；
第三步，接收机接收到混合信号y，
其中，xk表示发射机k发送的符号，n表示加性高斯白噪声，噪声分量的方差为发射机k发送的信号在接收端表现出的空间特征为ek＝hkpk，将接收端所有信号构成集合A，则初始状态集合A包含的信号个数为K，即card(A)＝K，其中card(·)表示集合中元素的个数；
第四步，比较card(A)与NR的大小，若card(A)≤NR，接收机设计迫零接收滤波矩阵μ∈card(A)对y进行滤波，其中，表示求矩阵的伪逆，输出card(A)个已解码符号；若card(A)＞NR，接收机随机选取集合A中的NR-1个信号组成待解信号集合C，则card(C)＝NR-1，集合C中所有信号的空间特征ei＝hipi,i∈C，将集合A中其余信号组成干扰集合I，将集合I中的信号进行合成，合成干扰的空间特征为发送符号经过调制后存在多种情况，所以合成干扰共有Lcard(I)种合成情况，假设调制星座图具有中心对称性，则只需考虑种干扰合成情况，即eε有个可能值；
第五步，接收机首先将待解信号的空间特征ei＝hipi,i∈C与合成干扰的空间特征eε进行施密特正交化，得到一组标准正交基与然后根据标准正交基计算迫零接收滤波矩阵G中各滤波向量fi,i∈C，
将此NR-1个列向量进行共轭转置得到GH，基于eε的多样性，G共有种，其中只有一种与实际发射的符号情况相符；
第六步，接收机首先将混合信号y分为路，然后采用第五步设计的个滤波矩阵GH分别对每路混合信号进行滤波，并比较接收信号的信噪比/信干噪比SNR/SINR，择优判决输出NR-1个接收符号，
第七步，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NR-1个符号i∈C所对应的信号消除，降低接收机处理的信号个数，得到：
第八步，接收机将已解码信号从集合A中删除，通过将集合A-C赋给A更新集合A，返回至第四步操作。
本发明进一步技术方案是：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ek＝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。
本发明与现有技术对比，具有如下特点：
1、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，所以当信号个数大于接收天线数时，无法通过传统的迫零接收方法进行接收。本发明能够实现在接收天线数受限的情况下接收所有的发送数据，提高了***可容纳的用户数，并获得好的数据速率性能；
2、本发明设计了干扰合成方法，在发送符号个数K大于接收天线数NR的情况下，选取NR-1个信号当做干扰信号，并进行合成，将接收端的信号个数降为NR，根据不同的信号合成情况计算迫零接收滤波矩阵，并用所得的迫零接收滤波矩阵分别对混合信号进行滤波，通过对滤波性能进行比较，判决得到正确的接收符号；
3、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，从而降低了已解码信号对接收机造成的负担，然后结合迫零接收使所有发射机发送的符号得到恢复。
附图说明
图1是本发明提供的多用户上行通信***模型；
图2是本发明提供的基于干扰合成的迫零及串行干扰消除的多用户接收方法流程图；
图3是本发明提供的基于干扰合成的迫零及串行干扰消除的多用户接收方法滤波向量的设计示意图；
图4是本发明提供的基于干扰合成的迫零及串行干扰消除的多用户接收方法的接收机结构图；
图5是本发明实施例1基于NT＝2、NR＝2和K＝3得到的***数据速率性能仿真图，同时提供了固定接收天线，改变发射机个数(或并发信号数)的***数据速率仿真图；
图6是本发明实施例2基于NT＝1、NR＝2和K＝3得到的***数据速率性能仿真图。
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，结合附图和实施例对本发明进行作进一步详细说明，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。
本发明实施例主要基于多址接入信道(Multiple Access Channel，MAC)进行研究说明，旨在提供一种基于干扰合成的迫零及串行干扰消除的多用户接收方法。
实施例1
图1为实施例1的***模型。为了实施简便，仅研究由三个发射机和一个接收机组成的通信***，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，则发送数据的个数K＝3，本发明实施例仅研究所有发射机均采用二进制相移键控调制(Binary Phase-Shift Keying，BPSK)，调制方式信息L＝2，需要说明的是，本发明不局限于所有发射机均采用相同调制方式的情况，当不同发射机采用的调制方式不同时，取L为所用调制方式中调制阶数最大的调制方式信息。
如图2所示，本发明实施例1的接收方法具体包括如下步骤：
第一步，每个发射机均配置NT＝2根发射天线，均采用波束成形的发射方式发送一路数据，发射机根据各自的信道信息计算预编码向量pk，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，调制方式信息为L＝2，每个发射机的发射功率相等均为PT；
第二步，发射机估计信道状态信息hk,k＝0,1,2，连同调制方式信息L＝2一同上报给接收机；
第三步，接收机接收到混合信号y；
其中，xk表示发射机k发送的符号，n表示加性高斯白噪声，噪声分量的方差为发射机k发送的信号在接收端的表现出的空间特征为ek＝hkpk，将接收端所有信号构成集合A，则初始状态集合A包含的信号个数为3，即card(A)＝3，其中card(·)表示集合中元素的个数；
第四步，比较card(A)与接收天线数2的大小，若card(A)≤2，接收机设计迫零接收滤波矩阵μ∈card(A)对y进行滤波，其中，表示求矩阵的伪逆，输出card(A)个已解码的符号比较card(A)与NR的大小；若card(A)＞2，接收机随机选取集合A中的NR-1＝1个信号构成待解信号集合C，则card(C)＝1，集合C中信号的空间特征ei＝hipi,i∈C，将集合A中其余信号组成干扰集合I，则card(I)＝2，将集合I中的信号进行合成，合成干扰的空间特征为因为发送的符号均采用BPSK调制，所以共有2card(I)＝4种信号合成情况，假设调制星座图具有中心对称性，则只需考虑种干扰合成情况，即eε有两个可能值；
第五步，接收机首先将待解信号的空间特征ei,i∈C与合成干扰eε进行施密特正交化，得到一组标准正交基然后根据标准正交基计算迫零接收滤波矩阵G中各滤波向量fi,i∈C，
将此迫零接收滤波矩阵G进行共轭转置，得到GH，eε的多样性造成迫零接收滤波矩阵G共有2card(I)-1＝2种，其中只有一种与实际发射的符号情况相符。图3描述了信号x0属于集合C，而其余信号属于集合I时，迫零接收滤波矩阵G中滤波向量f0的设计方法，接收机首先将I中的信号进行合成并得到合成干扰的空间特征eε；然后对eε进行施密特正交化，得到标准正交基最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，根据本发明实施例1第四步得到eε有两个可能值eε1、eε2，图3为选取eε＝eε1情况下滤波向量的设计示意图。
第六步，接收机首先将混合信号y分为两路，然后采用步骤五设计的两个迫零接收滤波矩阵G分别对混合信号进行滤波，并比较接收信号的SNR/SINR，择优判决输出一个接收符号，i∈C；
第七步，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中已解的一个符号i∈C所对应的信号消除，得到，
第八步，接收机将已解码信号从集合A中删除，通过将集合A-C赋给集合A更新集合A，返回至第四步操作。
图4给出了本发明实施例1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剩余信号的操作过程。图4首先将x0作为待解的期望信号，并将其他信号作为干扰并进行干扰合成，根据第六步，接收机将接收端混合信号y分为两路，并分别采用迫零接收滤波矩阵G1与G2对混合信号进行滤波接收，并比较接收信号的SNR/SINR，择优判决输出并将反馈给接收机；然后根据第七步，采用串行干扰消除将已解码的所对应的信号消除，得到最后设计迫零接收滤波矩阵WZF接收输出
实施例2
在实施例1的基础上，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，实施例1中发射天线数等于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ek＝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，如前实施例1所述。
本发明的实施方式还在于，第五步当发送信号个数大于接收天线数NR时，先进行干扰合成，使接收端的信号个数降为NR，再采用迫零及串行干扰消除进行多用户数据的接收；调制后的发送符号存在多种情况导致合成干扰存在多种合成情况，本发明根据不同的合成情况设计相应的迫零接收滤波矩阵G，并将接收端混合信号y分为多路，采用所设计的G分别对每路混合信号进行滤波，通过比较接收信号的SNR/SINR，择优判决输出正确的接收符号。
本发明的应用效果通过以下的仿真实验做进一步的说明：
图5给出了实施例1基于NT＝2、NR＝2和K＝3得到的***数据速率性能，同理按照实施例1的方法仿真了固定接收端天线数NR＝2，发射符号数K∈{3,4,5}时，本发明方法的数据速率性能。传统的迫零接收方法要求并发信号数不超过接收机天线数，所以当K>NR时，无法采用迫零接收对混合信号进行处理，而本发明所提方法在接收端天线数有限的情况下能恢复所有的发送数据。如图5所示，给出了当K∈{3,4,5}且K>NR时，本发明所提方法能接收的所有数据的和速率随信噪比变化的情况，随着信噪比的增加，***数据速率性能也逐渐提高；由于所提方法能恢复所有的发送信号，所以随着K的增大，接收机可恢复的信号数增加，***数据速率性能也逐渐提高。
图6给出了本发明实施例2基于NT＝1、NR＝2和K＝3得到的***数据速率性能，在发送符号K大于接收天线数NR的情况下，本发明设计的接收方法能突破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的限制，接收所有的发送符号，从图6可以看出，随着信噪比的增加，本发明方法所得的***数据速率性能也逐渐得到提高。
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。

Claims (3)

1.一种基于干扰合成的迫零及串行干扰消除的多用户接收方法，在多个并发的发射机和一个公共接收机的上行通信***实现，***接收机获取与各发射机之间的信道状态信息以及发射机采用的调制方式信息，首先采用干扰合成将接收端处理的信号个数降至接收天线数，然后根据不同的信号合成情况计算相应的迫零接收滤波矩阵，并分别对混合信号进行滤波，通过对滤波性能进行比较，对接收符号进行判决，使用串行干扰消除方法消除已解码符号对混合信号中剩余分量接收的影响，然后对剩余混合信号重复采用合成干扰、计算滤波矩阵、比较判决，直至全部发射机发送的符号得到恢复，所述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，均采用波束成形的发射方式发送一路数据，发射机根据各自的信道信息计算预编码向量pk，获取每路发送数据的调制方式信息，并取L为所用调制方式中调制阶数最大的调制方式信息，K个发射机发送信号数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，发射机估计信道状态信息hk，k＝0,1,…,K-1，连同调制方式信息L一同上报给接收机；
第三步，接收机接收到混合信号y，
其中，xk表示发射机k发送的符号，n表示加性高斯白噪声，噪声分量的方差为发射机k发送的信号在接收端表现出的空间特征为ek＝hkpk，将接收端所有信号构成集合A，则初始状态集合A包含的信号个数为K，即card(A)＝K，其中card(·)表示集合中元素的个数；
第四步，比较card(A)与NR的大小，若card(A)≤NR，接收机设计迫零接收滤波矩阵μ∈card(A)对y进行滤波，其中，表示求矩阵的伪逆，输出card(A)个已解码符号；若card(A)＞NR，接收机随机选取集合A中的NR-1个信号组成待解信号集合C，则card(C)＝NR-1，集合C中所有信号的空间特征ei＝hipi,i∈C，将集合A中其余信号组成干扰集合I，将集合I中的信号进行合成，合成干扰的空间特征为发送符号经过调制后存在多种情况，所以合成干扰共有Lcard(I)种合成情况，假设调制星座图具有中心对称性，则只需考虑种干扰合成情况，即个可能值；
第五步，接收机首先将待解信号的空间特征ei＝hipi,i∈C与合成干扰的空间特征eε进行施密特正交化，得到一组标准正交基与然后根据标准正交基计算迫零接收滤波矩阵G中各滤波向量fi,i∈C，
将此NR-1个列向量进行共轭转置得到GH，基于eε的多样性，G共有种，其中只有一种与实际发射的符号情况相符；
第六步，接收机首先将混合信号y分为路，然后采用第五步设计的个滤波矩阵GH分别对每路混合信号进行滤波，并比较接收信号的信噪比/信干噪比SNR/SINR，择优判决输出NR-1个接收符号，
第七步，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NR-1个符号所对应的信号消除，降低接收机处理的信号个数，得到：
第八步，接收机将已解码信号从集合A中删除，通过将集合A-C赋给A更新集合A，返回至第四步操作。
2.根据权利要求1所述的基于干扰合成的迫零及串行干扰消除的多用户接收方法，其特征在于，在第五步当发送信号个数大于接收天线数NR时，先进行干扰合成，使接收端的信号个数降为NR，再采用迫零及串行干扰消除进行多用户数据的接收。
3.根据权利要求1所述的基于干扰合成的迫零及串行干扰消除的多用户接收方法，其特征在于，当调制后的发送符号存在多种情况导致合成干扰存在多种合成情况时，则根据不同的合成情况设计相应的迫零接收滤波矩阵G，并将接收端混合信号y分为多路，采用所设计的G分别对每路混合信号进行滤波，通过比较接收信号的SNR/SINR，择优判决输出正确的接收符号。
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