CN106788882A - 非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法及装置，该方法包括：接收经过非正交多脉冲调制的多用户叠加信号；建立接收信号的伪线性模型；将接收信号通过一组匹配滤波器得到信道相关矩阵；对相关矩阵作QR分解，将相关矩阵转换为上三角矩阵结构；各用户间通过依次反馈已判决用户信息以消除用户间多址干扰；各用户内通过解相关求逆运算消除用户内各信号的相关性；对检测后的信号择大判决，从M种可能结果中选择最大值作为判决输出。本发明通过反馈功率较大用户的判决信号，极大提高功率较弱用户的检测性能，并且各用户通过判决反馈有效消除了多址干扰，即使干扰用户较多时仍然具有很好稳定性，用于无线通信技术领域。

Description

非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法及装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及非正交多脉冲调制的多用户检测，具体是一种非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法及装置，可用于提高功率较弱用户的检测性能，并且即使干扰用户数增加，检测***仍能具有很好的稳定性。

背景技术

非正交多脉冲调制(nonorthogonal multipulse modulation，NMM)属于一种非线性调制技术，由于在接收端采用非相干检测，不需要载波的相位信息，使得接收端检测装置更易于实现。加性高斯白噪声信道下的多用户NMM***，各个用户分别通过发送M种可能的信号波形来传输log₂M比特的信息，并且这些信号波形可以是非正交、能量不相等的。这样，由于各个用户发送信息的非正交性，当叠加地到达接收端时将产生多址干扰，严重影响NMM***的容量和性能。并且随着干扰用户的数量和功率的增加，多址干扰问题将变得愈发严重，尤其当用户之间的功率不平衡时，必须要通过某种手段来缓解或消除多址干扰的影响。

多用户检测是抑制多址干扰、提升NMM***容量的一种有效途径。传统检测技术在接收信号过匹配滤波器后，直接进行择大判决处理来恢复原信号，将多址干扰直接当作高斯噪声。而多用户检测的概念是通过利用多址干扰中包含的用户间互相关信息，有效降低甚至消除干扰的影响。

与传统码分多址(code division multiple access,CDMA)***不同的是，NMM***在进行多用户检测时，不仅需要消除用户间的多址干扰，而且用户内还需要进行非相干检测。通过扩展所有用户所有发送信号的信号空间，可以将NMM视作一种伪线性调制。基于这种伪线性调制，提出了可以完全消除多址干扰的非相干解相关检测器，该检测器后置了三种非相干判决准则：最优、渐进最优以及广义最大似然比准则。然后还提出了性能更优的非相干最小均方误差(minimum mean squared error，MMSE)检测器，同样得到了该检测器的三种非相干判决准则：最大值准则、渐进最优以及广义最大似然比准则。虽然解相关、MMSE这两种线性检测器的运算复杂度都不高，但是由于解相关矩阵求逆操作放大了噪声功率，而MMSE仍然有残余的多址干扰，使得检测器的性能并不理想。因此，又有人进一步研究了一种非相干判决反馈多用户检测器，该检测器可以极大地提高功率较弱用户的检测性能，但是由于在完成每个用户的判决后都需要重新更新信道相关矩阵，并对其进行求逆运算，运算复杂度非常高。

综上，现有的NMM***的非相干多用户检测方法中，要么放大了噪声功率，要么仍有残余的多址干扰，要么检测性能虽然很好，但其运算复杂度过高。因此，有必要提出一种运算复杂度不高，但是性能依旧很好，即能做到复杂度与性能上的折中的多用户检测方法与装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提出了一种非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法及装置。其在具有较低复杂度的同时，能极大地提高功率较弱用户的检测性能，性能要远远超过已有的线性检测器，甚至可以接近单用户的检测性能界。并且即使***中的干扰用户数逐渐增多，本发明仍然具有很好的稳定性。

本发明是一种非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法，其特征在于，包括有如下步骤：

步骤1：接收多用户叠加信号，建立接收信号的伪线性模型，接收经过非正交多脉冲调制的多个用户叠加信号波形r(t)，其中调制***中用户数为K，各个用户分别进行M进制多脉冲调制，并基于所有用户所有可能的发送信号波形所张成的信号空间，建立接收信号在扩展信号空间的伪线性模型。

步骤2：获取匹配滤波后的充分统计量y，基于伪线性模型，将接收到的多用户叠加信号，通过一组与各个用户信号波形相匹配的匹配滤波器来获取接收信号的充分统计量y＝RAb+n，构造多用户信道相关矩阵R；其中，A为由所有用户的幅度信息构成的对角矩阵，b表示所有用户的符号信息，n为零均值的协方差矩阵为σ²R的高斯随机变量，σ²为噪声方差。

步骤3：将相关矩阵R转换为上三角矩阵结构，对相关矩阵R作QR分解得到R＝QU，其中Q为正交矩阵，U为上三角矩阵，用Q的共轭转置左乘以匹配滤波器的输出y，得到向量z＝Q^Hy＝UAb+Q^Hn，将相关矩阵R转换为上三角矩阵U。

步骤4：通过判决反馈消除用户间多址干扰，基于上三角矩阵结构的特点，对QR分解后的所有矩阵按用户进行分块处理，各用户从下至上依次地利用已判决用户的反馈信息进行干扰抵消，用以消除用户间多址干扰，具体是每个已检测用户均反馈判决信息给待检测用户以消除多址干扰，待检测用户消除的是所有已检测用户的多址干扰；

步骤5：通过解相关操作消除用户自身的相关性，各用户内通过矩阵求逆运算进行解相关操作，进一步地消除各用户自身的所有M种可能发送信号波形的相关性；

步骤6：通过择大判决恢复出各用户原始信号，对解相关后的用户信号进行择大判决，从M种可能结果中选择最大值作为用户的判决输出，并将该判决信号送给反馈回路，依次地消除该用户对后续待检测用户造成的多址干扰，完成非相干检测。

本发明还是一种非正交多脉冲调制的非相干多用户检测装置，其特征在于，根据检测信号的处理流程方向依次连接有匹配滤波器模块、QR分解矩阵变换模块、判决反馈干扰抵消模块、解相关求逆运算模块、择大判决模块。各用户在通过择大判决模块得到判决信号后，需要依次地反馈给判决反馈干扰抵消模块，后续的待检测用户利用反馈得到的信息，消除已判决用户对待检测用户造成的多址干扰，各模块分述如下：

匹配滤波器模块，输入为经过非正交多脉冲调制的多个用户叠加信号，输出为匹配滤波后得到的MK维充分统计量，该模块用一组与各个信号波形相匹配的匹配滤波器来获取接收信号的充分统计量y＝RAb+n，构造多用户信道相关矩阵R；

QR分解矩阵变换模块，输入为匹配滤波后得到的充分统计量，输出为可表示成上三角结构的MK维列向量，该模块对相关矩阵R作QR分解得到R＝QU，其中Q为正交矩阵，U为上三角矩阵，用Q的共轭转置左乘以匹配滤波器的输出y，得到向量z＝Q^Hy＝UAb+Q^Hn，将相关矩阵R转换为上三角矩阵U；

判决反馈干扰抵消模块，输入为QR分解操作后得到的MK维列向量，以及反馈得到的已判决用户的信息，输出为消除多址干扰后只包含各用户自身信息的M维列向量，该模块基于上三角矩阵结构的特点，对QR分解后的所有矩阵按用户进行分块处理，各用户从下至上依次地利用已判决用户的反馈信息进行干扰抵消，用以消除用户间多址干扰；

解相关求逆运算模块，输入为已消除了多址干扰的期望用户信息，输出为解相关操作后得到的待判决信息，该模块对各用户通过矩阵求逆运算进行解相关操作，进一步地消除各个用户自身所有可能的M种发送信号之间的相关性；

择大判决模块，输入为期望用户的待判决信号，输出为恢复出的期望用户原始信号，该模块对解相关后的用户信息进行择大判决，从M种可能结果中选择最大值作为用户的判决输出，并将该判决信号送给反馈回路，依次地消除该用户对后续待检测用户造成的多址干扰，从而完成非相干检测。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1，本发明极大地提高了功率较弱用户的检测性能。通过QR分解得到相关矩阵R的上三角矩阵结构，由于位于上三角矩阵最下方的用户没有多址干扰，并且功率较大的用户先被检测，其检测性能较好，当按从下至上的顺序依次反馈这些功率较大用户的判决信息，来依次进行迭代干扰抵消时，可以极大地提高功率较弱用户的检测性能，其性能要远远优于现有的解相关、MMSE等线性检测器，甚至可以逼近单用户的检测性能界。

2，本发明在干扰用户数较多时，仍然具有很好的稳定性。由于上三角矩阵结构的特点，矩阵最下方用户不存在多址干扰，次下方用户只存在一个用户的干扰，……，干扰用户数被减少，并且这些用户的多址干扰可以通过判决反馈回路进行消除。因此，该***能很好地消除由于多用户叠加造成的多址干扰，在干扰用户数较多时，仍然具有很好的稳定性，不会随着干扰用户数的增加而使得检测性能明显恶化。

3，本发明能有效地降低运算复杂度，由于只需在匹配滤波后进行一次QR分解运算，与现有的非相干判决反馈检测器不同的是，不需要在每个用户判决后重新更新相关矩阵信息，其运算复杂度较低；且用户内进行解相关操作时，矩阵求逆维度只有M阶，要远远低于非相干判决反馈中对矩阵维度为MK阶的相关矩阵R的求逆运算。因此，本发明能有效地降低运算复杂度，做到复杂度与性能上的折中。

附图说明

图1为本发明实施例中的非正交多脉冲调制***模型图；

图2为本发明非相干多用户检测方法的流程示意图；

图3为本发明上三角矩阵分块处理示意图；

图4为本发明非相干多用户检测装置的结构示意图；

图5为4用户4进制调制***，各用户功率不相等时的仿真曲线图；

图6为6用户4进制调制***，各用户功率不相等时的仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行更加详细地说明。

实施例1

非正交多脉冲调制技术由于各用户的发送信号可以是非正交、能量不相等的，当叠加地到达接收端时将产生多址干扰。现有的多用户检测技术中，非相干解相关检测虽然完全地消除了多址干扰，但同时也放大了噪声。非相干MMSE检测虽然使均方误差达到了最小，但仍然残余有多址干扰项。而非相干判决反馈通过用户间的迭代反馈性能可以接近单用户界，但其计算复杂度过高不易于实现。针对现有技术中存在的各种问题，本发明提出了一种非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法，本发明通过QR分解将相关矩阵转换为上三角矩阵结构，然后对各个用户从下至上依次进行判决反馈来消除用户间多址干扰，接着通过解相关操作进一步消除用户内信号间的相关性，可以极大地提高功率较弱用户的性能，并且由于迭代过程完全消除了多址干扰，在干扰用户较多的***中，本发明仍具有很好的稳定性。

本发明的非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法，采用的非正交多脉冲调制的***模型如图1所示，假设***中共有K个用户，各个用户分别对应有M条线性独立的、具有单位能量且等概率发送的信号波形，而各个用户间的发送信号是非正交的、能量不相等的,各用户首先通过串并转换将一路信号变为k路信号，其中接着将这k路信号送入波形选择器中，从M条可能信号波形中对应地选择一条作为各用户的发送信号，并对该发送信号进行码片成形后发送出去。假设信道为加性高斯白噪声信道，各用户的发送信号在经过信道后，同步地到达接收机。

本发明是一种非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法，由于非正交多脉冲调制中各用户的发送信号是非正交的，存在一定的相关性，当发送信号叠加地到达接收机时，会引起用户间的多址干扰，严重影响***的检测性能，降低***容量。通过本发明可以很好地消除用户间多址干扰，具体参见图2，包括有如下步骤：

步骤1：接收多用户叠加信号，建立接收信号的伪线性模型。

接收端接收经过非正交多脉冲调制的多个用户叠加信号波形r(t)，该信号为图1所示的发送信号，***中共有K个用户，各个用户分别进行M进制多脉冲调制，即从M种可能信号波形中等概率的选择一种进行发送，假设信道模型为加性高斯白噪声信号，各用户过信道后同步地到达接收机。

并且本发明基于所有用户所有可能的发送信号波形所张成的信号空间，将多脉冲调制等效为伪线性调制，建立接收信号在扩展信号空间的伪线性模型。

步骤2：获取匹配滤波后的充分统计量y。

基于上述扩展的伪线性模型，将接收到的多用户叠加信号，通过一组与各个用户信号波形相匹配的匹配滤波器，来获取接收信号的充分统计量y＝RAb+n，构造多用户信道相关矩阵R；其中，A为由所有用户的幅度信息构成的对角矩阵，b表示所有用户的符号信息，n为零均值的协方差矩阵为σ²R的高斯随机变量，σ²为噪声方差。对于用户数为K，各个用户分别进行M进制多脉冲调制的***，则这一组匹配滤波器由所有用户所有可能的共MK个发送信号所构成，并且这一组MK个匹配滤波器是基于上述扩展的伪线性模型得到的。本发明中接收信号的充分统计量也即为匹配滤波器的输出。

步骤3：将相关矩阵R转换为上三角矩阵结构，参见图3。

对相关矩阵R作QR分解得到R＝QU，其中Q为正交矩阵，U为上三角矩阵，用Q的共轭转置左乘以匹配滤波器的输出y，得到向量z＝Q^Hy＝UAb+Q^Hn，使得相关矩阵R转换为上三角矩阵结构U。

本发明正是基于该上三角矩阵结构的特点，位于矩阵最下方的用户不存在多址干扰，当各个用户从下至上依次地反馈已判决用户的信息来进行干扰抵消时，理论上可以完全消除多址干扰。

步骤4：通过判决反馈消除用户间多址干扰。

本发明基于上三角矩阵结构的特点，对QR分解后的所有矩阵按用户进行分块处理，各用户从下至上依次地利用已判决用户的反馈信息进行干扰抵消，用以消除用户间多址干扰，具体是每个已检测用户均反馈判决信息送给待检测用户以消除多址干扰，待检测用户消除的是所有已检测用户的多址干扰。本发明中用已判决用户信息来消除多址干扰，通过消除多址干扰，多用户叠加信号被分解为各个互不相干的单用户信号，以便后续进行各用户内的非相干检测。

由于各用户事先按功率非递减的顺序排列，当通过判决反馈从下至上依次地检测各用户时，功率较大的用户先被检测，其检测性能比较好，同时将该判决信息反馈给后续待检测用户时，也可以提高功率较弱用户的检测性能。

步骤5：通过解相关操作消除用户自身的相关性。

虽然用户间的多址干扰已经被消除，但由于各个用户进行的是多脉冲调制，发送信号是M种可能信号波形中的任意一种，通过判决反馈后得到的M维列向量仍然包含这M种信号之间的相关性，各用户内通过矩阵求逆运算进行解相关操作，进一步地消除各用户自身的所有M种可能发送信号波形的相关性。

本发明不仅消除了用户间的多址干扰，同时还消除了各用户自身的所有可能发送信号之间的相关性。

步骤6：通过择大判决恢复出各用户原始信号。

对解相关后的各用户信号进行择大判决，各个用户均需从M种可能结果中选择最大值作为用户的判决输出，完成对该用户的非相干检测。并将该用户判决信号送给反馈回路，依次地消除该用户对后续待检测用户造成的多址干扰，从而完成各个用户的非相干检测。

择大判决具体是，将各用户在解相关操作后得到的M维列向量，其中的M个元素中的最大值判为1，其余M-1个元素判为0，接着依照最大值在M维列向量中出现的位置将其映射为对应的log₂M比特信息，该比特信息即为最终恢复出的期望用户原始信息，完成了非正交多脉冲调制的非相干多用户检测。

本发明将接收端得到的各用户叠加信号波形，通过干扰抵消消除多址干扰将其分解为各个互不相关的单用户信号，并对各个单用户信号进行非相干检测，最终判决恢复出各用户的原始信息。

本发明通过将相关矩阵R转换为上三角矩阵结构，使得叠加在各用户上的干扰信号被减少，尤其是位于矩阵最下方的用户不存在多址干扰，基于该特点，对事先已经按功率大小进行递增排列的用户，从下至上依次地进行判决反馈干扰抵消来消除多址干扰，由于干扰用户数较少并且功率较大的用户先被检测，其检测性能较好，当这些用户的判决信息被反馈到功率较弱用户上进行干扰消除时，可以极大地提高功率较弱用户的性能。

实施例2

非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法同实施例1，其中步骤1中所述的建立经过非正交多脉冲调制的接收信号的伪线性模型，具体包括：

步骤1.1：接收经过非正交多脉冲调制的多用户叠加信号，其中所有的K个用户中各用户通过发送M种非正交信号来传输log₂M比特的信息，在经过加性高斯白噪声信道后，K个用户的叠加信号同步地到达接收机，其接收信号表示为：

其中z(t)为单边功率谱密度为σ²的噪声，s_kj(t),j∈{1,2,…,M}表示为用户k的第j个线性独立、具有单位能量且等概发送的波形，E_kj和φ_kj分别表示用户k的第j个信号的能量与相位。

步骤1.2：建立接收信号在扩展信号空间的伪线性模型，通过扩展所有用户所有信号波形的信号空间，将整个参与非正交多脉冲调制***中所有K个用户的符号信息用一个MK维的列向量表示：其中用户k的信息b_k表示为如下的M维列向量：

并且b_k等概率地取上述集合中M种可能的一种。

多脉冲调制技术视作一种伪线性调制，得到接收信号的伪线性模型如下：

其中，S_k为由用户k的M个信号波形构成的N×M阶矩阵，且而为由所有K个用户的信号波形构成的N×MK阶矩阵，表示由幅度值构成的MK×MK阶分块对角矩阵，其中每个M×M阶矩阵块即代表一个用户的M种发送信号所构成的幅度值，而ψ为高斯随机变量，其均值为0，该高斯随机变量的协方差矩阵为σ²I,其中I为单位矩阵。

本发明的伪线性模型，巧妙地将非正交多脉冲调制视作伪线性调制，通过该模型，传统CDMA***中所提出的多用户检测技术便可以应用到非正交多脉冲调制***中。现有的非相干多用户检测方法，都是基于伪线性模型提出的，包括非相关解相关、非相干MMSE检测方法。

实施例3

非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法同实施例1-2，其中步骤2中所述的匹配滤波器组，由MK个与所有用户的所有可能发送信号波形相匹配的滤波器构成，接收信号过匹配滤波器，得到的MK维充分统计量：

y＝S^Hr＝RAb+n

该充分统计量y即为匹配滤波器组的输出。

其中R＝S^HS为由信号波形构成的MK×MK阶相关矩阵，矩阵A为由所有用户的幅度信息构成的对角矩阵，向量b为由所有用户的符号信息构成的MK维列向量，而n为零均值的协方差矩阵为σ²R的高斯随机变量。

本发明与传统CDMA***不同的是，传统CDMA***进行多用户检测时，假设***用户数为K，则只需要K个与发送信号相匹配的匹配滤波器，而本发明的一种非相干多用户检测中，则需要MK个与所有用户的所有可能发送信号相匹配的滤波器，其维度更大。同时由于需要事先知道所有用户的所有可能发送信号波形，因此本发明主要应用于协作通信***的集中接收器中，例如多址通信的基站中。

实施例4

非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法同实施例1-3，其中步骤4中所述的判决反馈干扰抵消包括：

4.1：将用户按功率非递减的顺序依次排列，即E₁≤E₂≤…≤E_K。

4.2：对匹配滤波器的输出按用户进行矩阵分块处理，每M维的向量或矩阵即划分为一块，其作为一个整体代表着某一用户。

4.3：反馈已判决用户的信息来消除多址干扰，本发明基于上三角矩阵结构的特点，参见图3，以用户块为单位，从功率较大用户开始，从下至上依次地反馈已判决用户的信息进行干扰抵消操作，用以消除用户间多址干扰；具体做法是功率最大的用户不需要进行干扰抵消可直接判决输出，然后其它各用户按从下至上的顺序依次地反馈所有已判决用户的信息，以抵消已判决用户对待检测用户造成的多址干扰。

由于位于上三角矩阵最下方的用户不存在多址干扰，之后的各个用户，按矩阵从下至上依次地每一个用户将包含矩阵下方所有用户的多址干扰，而通过判决反馈，从下往上依次地每个用户都可以得到矩阵下方所有已判决用户的信息，这样，对于每个待检测用户，当忽略噪声的影响时，利用反馈得到的信息都可以完全地消除用户间的多址干扰。而且功率较大的、干扰用户较少的用户先被检测判决，其检测性能较好，而功率较小的用户通过利用这些检测性能较好的用户判决信息，也能够极大地提高功率较弱用户的性能。

实施例5

非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法同实施例1-4，其中步骤5中所述的解相关求逆运算，是指在通过判决反馈消除用户间的多址干扰后，得到一个仅包含各期望用户自身信息的M维列向量，该M维列向量包含期望用户所有M种可能发送信号的信息，各发送信号间具有一定的相关性，通过矩阵求逆运算进行解相关操作，从而得到期望用户的待判决信息b_k。接着将该M维列向量b_k进行择大判决，选择M个值中的最大值作为判决输出，便可恢复出期望用户的原始信号。

对于判决反馈处理得到的各用户的M维列向量，可以分解为一个M阶矩阵和一个表示各用户待判决信息的M维列向量的乘积。通过解相关求逆运算操作，对各用户M维列向量左乘以上述M阶矩阵的逆矩阵，可以得到各用户M维的待判决输出。

实施例6

本发明还是一种非正交多脉冲调制的非相干多用户检测装置，参见图4，根据检测信号的处理流程方向依次连接有匹配滤波器模块、QR分解矩阵变换模块、判决反馈干扰抵消模块、解相关求逆运算模块、择大判决模块。各用户在通过择大判决模块得到判决信号后，需要依次地反馈给判决反馈干扰抵消模块构成一个反馈回路，每个用户的判决结果反馈作为下一个待检测用户的干扰抵消参数，依次进行所有待检测用户的检测，也就是后续的待检测用户利用反馈得到的信息，消除已判决用户对待检测用户造成的多址干扰，各模块分述如下：

匹配滤波器模块，输入为经过非正交多脉冲调制的多个用户叠加信号，输出为匹配滤波后得到的MK维充分统计量，该模块用一组与各个信号波形相匹配的匹配滤波器来获取接收信号的充分统计量y＝RAb+n，构造多用户信道相关矩阵R；

QR分解矩阵变换模块，输入为匹配滤波后得到的充分统计量，输出为可表示成上三角结构的MK维列向量，该模块对相关矩阵R作QR分解得到R＝QU，其中Q为正交矩阵，U为上三角矩阵，用Q的共轭转置左乘以匹配滤波器的输出y，得到向量z＝Q^Hy＝UAb+Q^Hn，将相关矩阵R转换为上三角矩阵U；

判决反馈干扰抵消模块，输入为QR分解操作后得到的MK维列向量，以及反馈得到的已判决用户的信息，输出为消除多址干扰后只包含各用户自身信息的M维列向量，该模块基于上三角矩阵结构的特点，对QR分解后的所有矩阵按用户进行分块处理，各用户从下至上依次地利用已判决用户的反馈信息进行干扰抵消，用以消除用户间多址干扰；

解相关求逆运算模块，输入为已消除了多址干扰的期望用户信息，输出为解相关操作后得到的待判决信息，该模块对各用户通过矩阵求逆运算进行解相关操作，进一步地消除各个用户自身所有可能的M种发送信号之间的相关性；

择大判决模块，输入为期望用户的待判决信号，输出为恢复出的期望用户原始信号，该模块对解相关后的用户信息进行择大判决，从M种可能结果中选择最大值作为用户的判决输出，并将该判决信号送给反馈回路，依次地消除该用户对后续待检测用户造成的多址干扰，从而完成非相干检测。

实施例7

非正交多脉冲调制的非相干多用户检测装置的总体构成同实施例6，其中，判决反馈干扰抵消模块，包括K-1个反馈回路子模块，这K-1个子模块需要分别前接用户K、用户K-1……用户2的择大判决模块，构成判决反馈回路。这些子模块通过分别反馈用户K、用户K-1……用户2的判决信号，用以消除这些用户对待检测用户所造成的多址干扰。

模块具体工作时，位于上三角矩阵最下方的用户K由于不存在用户间的多址干扰，不需要判决反馈回路，直接通过解相关求逆运算模块、择大判决模块得到用户K的判决信号，接着将该信号反馈给第K-1个反馈回路子模块，消除用户K对用户K-1造成的多址干扰，接着再将用户K-1的信号通过解相关求逆运算模块、择大判决模块得到用户K-1的判决信号，再接着将用户K、用户K-1的判决信号反馈给第K-1个反馈回路子模块，……，依此类推，通过依次地反馈已判决用户的信号进行干扰抵消，可以消除所有用户间的多址干扰。

基于上三角矩阵结构的特点，位于矩阵最下方的用户K不需要判决反馈回路，可以直接进行解相关操作并判决输出，而位于矩阵最上方的用户1由于存在其他所有用户对其造成的多址干扰，需要所有已判决用户的反馈信息，并且用户1是最后一个待检测信号，其判决信号不需要再进行反馈。因此，本发明通过上三角矩阵结构，计算复杂度得到进一步地简化。

实施例8

非正交多脉冲调制的非相干多用户检测装置的总体构成同实施例6-7，其中，择大判决模块，所述择大判决模块，其输入为仅包含用户自身信息的M维列向量b_k，需要对b_k中M个元素进行择大判决，最大值判为1，其余的都为0，这样，该列向量的判决结果共有M种可能：b_k＝{b_k1,…b_km,…b_kM}∈{[1,0…0]^T,…,[0,0…1]^T}，接着依照最大值在M维向量中出现的位置将其映射为对应的log₂M比特信息

即为最终判决得到的期望用户原始信息，完成整个非正交多脉冲调制的非相干多用户检测过程。

本发明非正交多脉冲调制的非相干多用户检测装置是在非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法基础上，基于具体实现时所提出的方案。

下面给出一个完整的例子，再对本发明的方法更进一步详细地说明：

实施例9

非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法同实施例1-5

图2示出了本实施例中非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法的实现流程框图，并结合图3的矩阵分块处理以及具体计算，对本发明的实现详细说明。如图2所示，包括如下步骤：

步骤101，接收经过非正交多脉冲调制的多个用户叠加信号波形r(t)。

考虑多用户NMM调制方案，K个用户中每个用户通过发送M种非正交信号之一来传输log₂M比特的信息。在经过加性高斯白噪声信道后同步地到达接收机，其接收信号为：

其中z(t)为单边功率谱密度为σ²的噪声。s_kj(t),j∈{1,2,…,M}表示为用户k的第j个线性独立、具有单位能量且等概发送的波形。E_kj与φ_kj分别表示用户k的第j个信号的能量与相位。

步骤102，基于所有用户的发送信号波形所张成的信号空间，得到接收信号在扩展信号空间的伪线性模型。

本步骤中，接收信号在扩展信号空间的伪线性模型包括：

通过扩展所有用户所有信号波形的信号空间，将***中所有K个用户的符号信息用一个MK维的列向量表示：其中用户k的信息b_k表示为如下的M维列向量：

b_k等概地取上述集合中M种可能的一种。

多脉冲调制技术可以视作一种伪线性调制，得到接收信号的伪线性模型如下：

其中，S_k为由用户k的M个信号波形构成的N×M阶矩阵，且而为由所有K个用户的信号波形构成的N×MK阶矩阵。表示由幅度值构成的MK×MK阶分块对角矩阵，其中每个M×M阶矩阵块即代表一个用户的M种发送信号所构成的幅度值。而ψ为均值为0，协方差矩阵为σ²I的高斯随机变量。

步骤103，将接收信号通过一组与各个信号波形相匹配的匹配滤波器来获取充分统计量y，并构造信道相关矩阵R。

本步骤中，匹配滤波器组是由MK个与所有用户的所有可能发送信号波形相匹配的滤波器构成，接收信号过匹配滤波器，得到的MK维充分统计量：

y＝S^Hr＝RAb+n。

其中R＝S^HS为由信号波形构成的MK×MK阶相关矩阵，矩阵A为由所有用户的幅度信息构成的对角矩阵，向量b为由所有用户的信息符号构成的MK维列向量，而n为零均值的协方差矩阵为σ²R的高斯随机变量。

步骤104，对相关矩阵R作QR分解得到R＝QU，其中Q为正交矩阵，U为上三角矩阵，并用Q的共轭转置左乘以匹配滤波器的输出，将相关矩阵R转换为上三角矩阵结构，即z＝Q^Hy＝UAb+Q^Hn。

其中，A为由所有用户的幅度信息构成的对角矩阵，b表示所有用户的符号信息，n为零均值的协方差矩阵为σ²R的高斯随机变量。

步骤105，基于上三角矩阵结构的特点，对矩阵按用户进行分块处理，各用户间通过反馈已判决用户的信息进行干扰抵消，用以消除多址干扰。

本步骤中，首先需要将用户功率按非递减的顺序排列，即E₁≤E₂≤…≤E_K。

由于每个用户的判决输出均为一个M维列向量b_k，在进行判决反馈时，忽略噪声项的影响，可以对匹配滤波器的输出按用户进行矩阵分块处理，每M维的向量或矩阵即代表一个用户。

具体的矩阵分块处理的结构示意图如图3所示：

分块后其中z_k＝[z_k1,z_k2,…,z_kM]^T为M维的列向量。此外，将上三角矩阵U中的第k个行块即第(k-1)*M+1行至第k*M行，第k+1～K个列块即第k*M+1列至第K*M列，所构成的矩阵块记作U_K-k。同理将A_k+1,…,A_K子块所构成的M×(K-k)M阶矩阵块记作A_K-k，将b_k+1,…,b_K子块所构成的(K-k)M×1维列向量记作b_K-k。将矩阵U、矩阵A中主对角线上的第k个M×M阶子矩阵，分别记作U_k、A_k。

在矩阵分快处理完成后，按从下至上的顺序，依次迭代的将已判决用户的信息反馈到当前用户的检测上，来消除多址干扰。通过反馈后得到的向量具体表示为：

对上式进行移相后，得到：

当k＝K时，等式右端没有其他用户造成的多址干扰。而当k≠K时，假设不存在误差传播，已判决的用户反馈信息完全正确，等式右端也能够完全消除功率较大用户对其造成的多址干扰。

步骤106，各用户内通过解相关矩阵求逆运算，对已经消除多址干扰的各个用户，进行非相干检测。

在通过判决反馈消除用户间的多址干扰后，对于各个用户，得到一个仅包含自身信息的M维列向量U_kA_kb_k，而该列向量无法直接进行择大判决得到输出值，需要先通过矩阵求逆运算得到信息符号b_k。

对各个用户进行解相关矩阵求逆运算的具体操作如下：

进而消除了用户内各信号间的相关性。

步骤107，对检测后的信号进行择大判决，从M种可能结果中选择一种作为判决输出。

本步骤中，由于b_k为仅包含用户自身信息的M维列向量，该列向量共有M种可能结果：b_k∈{[1,0…0]^T,…,[0,0…1]^T}，需要对b_k中的各个元素b_km进行择大判决，其输出为得到的判决最大值所对应的log₂M比特的用户原始信息

即为最终判决得到的期望用户原始信息，完成整个非正交多脉冲调制的非相干多用户检测过程。

本发明通过上三角矩阵结构依次迭代地进行各用户的干扰抵消，有效地解决了由于干扰用户过多而影响功率较弱用户检测性能的技术问题。

实施例10

非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法和装置同实施例1-9，为了验证本发明能极大地提高功率较弱用户的检测性能，下面对本发明实施例中的非相干多用户检测方法与现有技术中的解相关、MMSE多用户检测方法进行仿真比较，具体参照图5。

基于Monte Carlo仿真模拟实验，信道为加性高斯白噪声信道，***中各用户的发送信号均采用码长为31的平衡gold序列，而各用户内的M条可能发送序列则由同一gold序列的循环移位序列构成。各个用户的发送功率可以不相等，但要求用户内的M条发送信号的功率是一致的。假设各个用户已经按功率非递减的顺序依次排列，即E₁≤E₂≤…≤E_K，用户检测时按逆序的顺序依次进行检测，先检测用户K的信号，最后检测用户1的信号，其中用户1的信号功率最弱。假定用户1为期望用户，对比本发明提出的多用户检测方法与现有技术中的解相关、MMSE多用户检测方法的对功率较弱用户的检测性能，并以单用户信道下的检测性能作为参考界。

图5给出了4用户4进制调制***，即非正交多脉冲调制中K＝4,M＝4，各个用户的发送功率不相等，其中干扰用户功率为期望用户功率的10倍，得到了期望用户1在各类检测器下的比特错误概率随信噪比变化的关系曲线。从图中可以看出，解相关检测器在进行多用户检测时，由于干扰用户功率过大的缘故，在消除多址干扰的同时噪声也被严重放大，其检测性能远差于理想的单用户界；而MMSE检测器仍然有残余的多址干扰项，同样由于干扰用户功率过大，使得残余的多址干扰也较多，其检测性能只是略微地优于解相关，这说明在干扰用户功率过大时这两者的检测性能都不理想；而本发明提出的一种非相干多用户检测方法，由于检测功率较大的用户先被检测，其判决出错的概率较小，进而通过迭代反馈该判决信号来对功率较弱用户进行干扰抵消时，可以极大地提高功率较弱用户的性能，对比可见，本发明随着信噪比的增加，比特错误概率要远低于解相关、MMSE检测器，在10^-4比特错误概率时，与解相关、MMSE检测器相比，本发明具有将近2dB的增益，甚至可以接近单用户的检测界。

实施例11

非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法和装置同实施例1-9，仿真条件同实施例10，为了验证本发明在干扰用户较多时仍具有很好的稳定性，图6对干扰用户较多时各多用户检测技术对功率较弱用户的检测性能进行了仿真比较。

图6给出了6用户4进制调制***，即非正交多脉冲调制中K＝6,M＝4，相对于实施例10，本例中进一步增加两个干扰用户。各个用户的发送功率不相等，干扰用户功率仍然为期望用户功率的10倍，得到了期望用户1在各类检测器下的比特错误概率随信噪比变化的关系曲线。对比图5的仿真曲线可以看出，随着干扰用户数的增加，解相关、MMSE检测器的检测性能比4用户4进制调制时要更进一步地恶化，在相同的误码率条件下有更高的错误概率，并且要更加地差于单用户界；而采用本发明的一种非相干多用户检测方法进行检测具有很好的稳定性，仍然与4用户4进制调制时的检测性能相当。在10^-4比特错误概率时，与解相关、MMSE检测器相比，本发明的性能增益扩大到了4dB，说明了本发明的检测稳定性更高。

简而言之，本发明公开的非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法及装置，接收经过非正交多脉冲调制的多个用户叠加信号波形；建立接收信号在扩展信号空间的伪线性模型；将接收信号通过一组与各个信号波形相匹配的匹配滤波器，构造信道相关矩阵；对相关矩阵作QR分解，并用矩阵Q的共轭转置左乘以匹配滤波器的输出，将相关矩阵转换为上三角矩阵结构；各用户间通过依次反馈已判决用户的信息进行干扰抵消，用以消除用户间多址干扰；各用户内通过解相关求逆运算进行非相干检测，消除用户内各信号的相关性；对检测后的信号进行择大判决，从M种可能结果中选择一种作为判决输出。本发明通过反馈功率较大用户的判决信号，可以极大地提高功率较弱用户的检测性能，并且各个用户通过依次地反馈迭代都完全消除了多址干扰，即使在干扰用户较多的***中本发明仍然具有很好的稳定性。用于无线通信领域，例如协作通信***的集中接收机。

Claims (8)

1.一种非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法，其特征在于，包括有如下步骤：

步骤1：接收多用户叠加信号，建立接收信号的伪线性模型，接收经过非正交多脉冲调制的多个用户叠加信号波形r(t)，其中调制***中用户数为K，各个用户分别进行M进制多脉冲调制，并基于所有用户所有可能的发送信号波形所张成的信号空间，建立接收信号在扩展信号空间的伪线性模型；

步骤2：获取匹配滤波后的充分统计量y，基于伪线性模型，将接收到的多用户叠加信号，通过一组与各个用户信号波形相匹配的匹配滤波器来获取接收信号的充分统计量y＝RAb+n，构造多用户信道相关矩阵R；其中，A为由所有用户的幅度信息构成的对角矩阵，b表示所有用户的符号信息，n为零均值的协方差矩阵为σ²R的高斯随机变量，σ²为噪声方差；

步骤3：将相关矩阵R转换为上三角矩阵结构，对相关矩阵R作QR分解得到R＝QU，其中Q为正交矩阵，U为上三角矩阵，用Q的共轭转置左乘以匹配滤波器的输出y，得到向量z＝Q^Hy＝UAb+Q^Hn，将相关矩阵R转换为上三角矩阵U；

步骤4：通过判决反馈消除用户间多址干扰，基于上三角矩阵结构的特点，对QR分解后的所有矩阵按用户进行分块处理，各用户从下至上依次地利用已判决用户的反馈信息进行干扰抵消，用以消除用户间多址干扰，具体是每个已检测用户均反馈判决信息给待检测用户以消除多址干扰，待检测用户消除的是所有已检测用户的多址干扰；

步骤5：通过解相关操作消除用户自身的相关性，各用户内通过矩阵求逆运算进行解相关操作，进一步地消除各用户自身的所有M种可能发送信号波形的相关性；

步骤6：通过择大判决恢复出各用户原始信号，对解相关后的用户信号进行择大判决，从M种可能结果中选择最大值作为用户的判决输出，并将该判决信号送给反馈回路，依次地消除该用户对后续待检测用户造成的多址干扰，完成非相干检测。

2.根据权利要求1所述的非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法，其特征在于，所述接收多用户叠加信号并建立接收信号的伪线性模型，是指：

步骤1.1：接收经过非正交多脉冲调制的多用户叠加信号，其中所有K个用户中各用户通过发送M种非正交信号之一来传输log₂M比特的信息，在经过高斯白噪声信道后，K个用户的叠加信号同步地到达接收机，其接收信号表示为：

$r\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\sqrt{E_{kj}}{e}^{{\mathrm{j\φ}}_{kj}}{s}_{kj}\left(t\right)+z\left(t\right),t\∈\[0,T\]$

其中z(t)为单边功率谱密度为σ²的噪声，s_kj(t),j∈{1,2,…,M}表示为用户k的第j个线性独立、具有单位能量且等概发送的波形，E_kj和φ_kj分别表示用户k的第j个信号的能量与相位；

步骤1.2：建立接收信号在扩展信号空间的伪线性模型，通过扩展所有用户所有信号波形的信号空间，将***中所有K个用户的符号信息b用一个MK维的列向量表示：其中用户k的信息b_k表示为如下的M维列向量：

$b_k\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}{\[b_{k1},b_{k2},...,b_{kM}\]}^T\∈\{{\[1,0,...,0\]}^T,...,{\[0,...,0,1\]}^T\}$

b_k等概率地取上述集合中M种可能的一种；

通过将多脉冲调制技术视作一种伪线性调制，得到接收信号的伪线性模型如下：

$r=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{S}_k{A}_k{b}_k+\mathrm{\ψ}=SAb+\mathrm{\ψ}$

其中，S_k为由用户k的M个信号波形构成的N×M阶矩阵，且而为由所有K个用户的信号波形构成的N×MK阶矩阵；表示由幅度值构成的MK×MK阶分块对角矩阵，其中每个M×M阶矩阵块即代表一个用户的M种发送信号所构成的幅度值；而ψ为均值为0，协方差矩阵为σ²I的高斯随机变量，I为单位矩阵。

3.根据权利要求1所述的非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法，其特征在于，所述匹配滤波器组，由MK个与所有用户的所有可能发送信号波形相匹配的滤波器构成，接收信号过匹配滤波器组，得到MK维的充分统计量：

y＝S^Hr＝RAb+n

其中R＝S^HS为由信号波形构成的MK×MK阶相关矩阵，矩阵A为由所有用户的幅度信息构成的对角矩阵，向量b为由所有用户的符号信息构成的MK维列向量，而n为零均值的协方差矩阵为σ²R的高斯随机变量。

4.根据权利要求1所述的非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法，其特征在于，所述判决反馈干扰抵消包括：

4.1：将用户按功率非递减的顺序依次排列，即E₁≤E₂≤…≤E_K；

4.2：对匹配滤波器的输出按用户进行矩阵分块处理，每M维的向量或矩阵即划分为一块，其作为一个整体代表着某一用户；

4.3：反馈已判决用户的信息来消除多址干扰，基于上三角矩阵结构的特点，以用户块为单位，从功率较大用户开始，从下至上依次地反馈已判决用户的信息进行干扰抵消操作，用以消除用户间多址干扰；具体做法是功率最大的用户不需要进行干扰抵消可直接判决输出，然后其它各用户按从下至上的顺序依次地反馈已判决用户的信息，以抵消已判决用户对待检测用户造成的多址干扰。

5.根据权利要求1所述的非正交多脉冲调制的非相干多用户检测方法，其特征在于，所述解相关求逆运算，是指在通过判决反馈消除用户间的多址干扰后，得到一个仅包含各期望用户自身信息的M维列向量，该M维列向量包含期望用户所有M种可能发送信号的信息，各发送信号间具有一定的相关性，需要通过矩阵求逆运算进行解相关操作，从而得到期望用户的待判决信息b_k；接着将该M维列向量b_k进行择大判决，选择M个值中的最大值作为判决输出，便可恢复出期望用户的原始信号。

6.一种非正交多脉冲调制的非相干多用户检测装置，其特征在于，根据检测信号的处理流程方向依次连接有匹配滤波器模块、QR分解矩阵变换模块、判决反馈干扰抵消模块、解相关求逆运算模块、择大判决模块；各用户在通过择大判决模块得到判决信号后，需要依次地反馈给判决反馈干扰抵消模块,后续的待检测用户利用反馈得到的信息，消除已判决用户对待检测用户造成的多址干扰，各模块分述如下：

匹配滤波器模块，输入为经过非正交多脉冲调制的多个用户叠加信号，输出为匹配滤波后得到的MK维充分统计量，该模块用一组与各个信号波形相匹配的匹配滤波器来获取接收信号的充分统计量y＝RAb+n，构造多用户信道相关矩阵R；

QR分解矩阵变换模块，输入为匹配滤波后得到的充分统计量，输出为可表示成上三角结构的MK维列向量，该模块对相关矩阵R作QR分解得到R＝QU，其中Q为正交矩阵，U为上三角矩阵，用Q的共轭转置左乘以匹配滤波器的输出y，得到向量z＝Q^Hy＝UAb+Q^Hn，将相关矩阵R转换为上三角矩阵U；

判决反馈干扰抵消模块，输入为QR分解操作后得到的MK维列向量，以及反馈得到的已判决用户的信息，输出为消除多址干扰后只包含各用户自身信息的M维列向量，该模块基于上三角矩阵结构的特点，对QR分解后的所有矩阵按用户进行分块处理，各用户从下至上依次地利用已判决用户的反馈信息进行干扰抵消，用以消除用户间多址干扰；

解相关求逆运算模块，输入为已消除了多址干扰的期望用户信息，输出为解相关操作后得到的待判决信息，该模块对各用户通过矩阵求逆运算进行解相关操作，进一步地消除各个用户自身所有可能的M种发送信号之间的相关性；

择大判决模块，输入为期望用户的待判决信号，输出为恢复出的期望用户原始信号，该模块对解相关后的用户信息进行择大判决，从M种可能结果中选择最大值作为用户的判决输出，并将该判决信号送给反馈回路，依次地消除该用户对后续待检测用户造成的多址干扰，从而完成非相干检测。

7.根据权利要求6所述的非正交多脉冲调制的非相干多用户检测装置，其特征在于，所述判决反馈干扰抵消模块，包括K-1个反馈回路子模块，这K-1个子模块需要分别前接用户K、用户K-1……用户2的择大判决模块，构成判决反馈回路。这些子模块通过分别反馈用户K、用户K-1……用户2的判决信号，用以消除这些用户对待检测用户所造成的多址干扰；

模块具体工作时，位于上三角矩阵最下方的用户K由于不存在用户间的多址干扰，不需要判决反馈回路，直接通过解相关求逆运算模块、择大判决模块得到用户K的判决信号，接着将该信号反馈给第K-1个反馈回路子模块，消除用户K对用户K-1造成的多址干扰，接着再将用户K-1的信号通过解相关求逆运算模块、择大判决模块得到用户K-1的判决信号，再接着将用户K、用户K-1的判决信号反馈给第K-1个反馈回路子模块，……，依此类推，通过依次地反馈已判决用户的信号进行干扰抵消，可以消除所有用户间的多址干扰。

8.根据权利要求6所述的非正交多脉冲调制的非相干多用户检测装置，其特征在于，所述择大判决模块，其输入为仅包含用户自身信息的M维列向量b_k，需要对b_k中的M个元素进行择大判决，最大值判为1，其余的都为0，这样，该列向量的判决结果共有M种可能：b_k＝{b_k1,…b_km,…b_kM}∈{[1,0…0]^T,…,[0,0…1]^T}，接着依照最大值在M维向量中出现的位置将其映射为对应的log₂M比特信息

${\hat{m}}_k=\arg \underset{m\∈\{1,...,M\}}{max}{b}_{km}$

即为最终判决得到的期望用户原始信息，完成整个非正交多脉冲调制的非相干多用户检测过程。