Musa系統多級部分并行干擾消除多用戶檢測方法
【專利摘要】本發明涉及一種多用戶共享接入(Multi?User Shared Access,MUSA)系統多級部分并行干擾消除多用戶檢測方法，屬于通信技術領域。該方法包括以下步驟：S1：根據用戶信道狀態的好壞對接入用戶進行排序；S2：排序之后接收信號，對經過信道之后的接收信號y進行MMSE檢測；S3：將MMSE檢測器的輸出作為第一級PIC檢測器的輸入；S4：根據PIC輸出結果的判決值重構出所有用戶的干擾信號；S5：根據用戶排序情況，將較強用戶的數據輸出，并對較弱的用戶再次進行MMSE?PIC檢測。本發明可以在不降低系統符號錯誤率的情況下，有效的降低檢測方法的復雜度，并且相對于傳統的多級MMSE?PIC檢測方法，符號錯誤率性能和復雜度都有所改善。
【專利說明】
MUSA系統多級部分并行干擾消除多用戶檢測方法
技術領域
[0001] 本發明屬于通信技術領域，設及一種MUSA系統多級部分并行干擾消除多用戶檢測 方法。
【背景技術】
[0002] 移動互聯網和物聯網是未來移動通信發展的兩大主要驅動力，因此，未來移動終 端的數量將呈現爆發式增長，第五代移動通信系統必須要滿足海量連接、低時延高可靠性 的特點。每一代移動通信的更新換代都會伴隨著多址技術的演變，現有通信系統大都采用 正交的多址接入方式，即多個用戶通過在不同維度上(頻域，時域，碼域等)正交劃分的資源 來接入。例如4G系統中采用的0FDMA將傳輸帶寬劃分成正交的子載波集，再將不同的子載波 集分配給不同的用戶實現多址。正交多址接入由于其接入用戶數和正交資源成正比，并且 正交多址接入一般頻譜效率較低，因此不能滿足5G海量連接、高頻譜效率等需求。非正交多 址技術由于支持較高的用戶過載、頻譜效率較高等優點，成為研發的熱點，并成為未來5G的 候選多址技術之一。
[0003] 多用戶共享接入(Multi-User SharedAccess，MUSA)也是非正交多址接入技術中 的一種。MUSA通過創新設計的復數域多元碼W及串行干擾消除（successive interference cancellation, SIC)多用戶檢測，相較于4G接入系統，可W讓系統在相同的時頻資源下支持 數倍的用戶接入。
【發明內容】
[0004] 有鑒于此，本發明的目的在于提供一種MUSA系統多級部分并行干擾消除多用戶檢 測方法，采用該方法在第一級PIC檢測時，將較強用戶的信息解調并輸出，然后從總的信號 中減去運些強信號的干擾信號，剩下的是較弱用戶的干擾信號的總和，然后再對剩下的信 號再次進行上述步驟。
[0005] 為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0006] -種MUSA系統多級部分并行干擾消除多用戶檢測方法，在該方法中，
[0007] 根據用戶到達的SINR對用戶進行排序，然后解調出具有最大SINR的用戶，并重構 出該最大SINR用戶的干擾信號，并從總的接收信號y中減去該用戶的干擾信號，重復上述步 驟，直至所有用戶的數據都被解調、恢復出來；
[000引具體包括W下步驟：
[0009] S1:根據用戶信道狀態的好壞對接入用戶進行排序；
[0010] S2:排序之后接收信號，對經過信道之后的接收信號y進行MMSE檢測；
[00川 S3:將MM沈檢測器的輸出作為第一級PIC檢測器的輸入；
[0012] S4:根據PIC輸出結果的判決值重構出所有用戶的干擾信號；
[001引S5:根據用戶排序情況，將較強用戶的數據輸出，并對較弱的用戶再次進行匪SE- PIC檢測。
[0014]進一步，在步驟SI中，根據用戶的信道矩陣對用戶進行排序;首先對用戶的信道矩 陣求范數normaWi)，根據范數大小將用戶分成強弱兩個等級，其中，化)1表示信道矩陣Η的 第i列。
[001引進一步，在步驟S2中，采用MM沈準則，需要求出MM沈權重矩陣使得發送向量與估計 向量之間的最小均方誤差J最小：即求Wmmse使得J=mi址[I |x-WMMSEy|鬥成立；
[0019] MM沈權重矩陣為Wmmse=化也+〇21)-郵，接收信號y與MMSE權重矩陣相乘后，得到用 戶的初始估計值XMMSE = WMMSEy = ( HHH+ 0 2 I Γ iRHy，再對XMMSE進行硬判決，并把判決值 腳(0)，6:(0)，...，6a-(0))作為第一級PIC檢測器的輸入。
[0020] 進一步，在步驟S4中，干擾重構的目的是為了進行PIC檢測，即根據步驟S2中的判 決值曲(〇化(〇)，...瓜(〇))、信道估計值11 =如/!:，...，足丫^及用戶的擴展序列31"重構出用戶的干 擾信號；由于PIC采用的是并行干擾消除策略，因此對于要解調的用戶j，需要求出其他化- j)個用戶的多址干擾之巧
稱之為部分加法器。
[0021] 進一步，在步驟S5中，根據步驟S4部分加法器的結果，并從總的接收信號y中減去 其他用戶的多址干擾之和，即可得到要解調的用戶j的信息，即
A依次判決，即可 得到所有用戶的估計值。
[0022] 本發明的有益效果在于：本發明可W在不降低系統符號錯誤率（symbol error rate, SER)的情況下，有效的降低檢測方法的復雜度，并且相對于傳統的多級MMSE-PIC檢測 方法，符號錯誤率性能和復雜度都有所改善。
【附圖說明】
[0023] 為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行 說明：
[0024] 圖1為MUSA上行系統原理框圖；
[002引圖2為MUSA系統使用的匪SE-SIC檢巧巧法結構圖；
[0026] 圖3為本發明實現流程圖；
[0027] 圖4為K = 4，N=別寸，本發明與MUSA系統本身所使用的SIC檢巧巧法性能對比圖； [002引圖5為K = 10，N= 16時，本發明與MUSA系統本身所使用的SIC檢測方法性能對比圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
[0030] 圖1所示為MUSA系統上行原理圖。首先，K個接入用戶使用具有低互相關的復數域 多元序列作為擴展序列將其調制符號進行擴展，然后，K個用戶擴展后的符號在相同的時頻 資源里發送，最后，在接收端，使用相應的檢測方法解調和恢復出各個用戶的信息。經過信 道之后的接收信號可w表示為：
[0031]
[0032] 其中，hk是第k個用戶的信道增益，Sk是第k個用戶所使用的擴展波形，Xk是第k個用 戶的發送數據，η是均值為0,方差為σ2的高斯噪聲。
[0033] 接收信號表示為矢量形式為：
[0034] y = Hx+n
[0035] 其中，y=(yi,y2,. . .，yN)T，H=化i,h2,. . .，hK)T表示用戶信道矩陣，hk等于阱sk，n = (ηι,Π2，. . .，ηΝ)τ，η~。
[0036] 圖2所示為MUSA系統本身所使用的MMSE-SIC檢測方法的結構圖，首先根據用戶到 達的SINR對用戶進行排序，然后解調出具有最大SINR的用戶，并重構出該最大SINR用戶的 干擾信號，并從總的接收信號y中減去該用戶的干擾信號，重復上述步驟，直至所有用戶的 數據都被解調、恢復出來。從圖中可W看出，MMSE-SIC檢測方法每一級只檢測一個用戶，并 且每一級都需要求權重矩陣，并且權重矩陣設及矩陣求逆運算，因此復雜度較高。
[0037] 圖3所示為本發明提出的一種復雜度更低的多級部分并行干擾消除多用戶檢測實 施流程圖，具體包括如下步驟：
[0038] 步驟201，根據用戶的信道矩陣對用戶進行排序。首先對用戶的信道矩陣求范數 110^(化)1)，根據范數大小將用戶分成強弱兩個等級。其中，化)1表示信道矩陣哺勺第1列。若 想使得檢測性能更好，可將用戶分成多個等級，但是與此同時，檢測復雜度也會隨之提高。
[0039] 步驟202,檢測方法通過可W根據MMSE準則或者復雜度更低的ZF準則，而在運里我 們采用MMSE準則的原因在于，ZF準則雖然復雜度較低，但是它可能會放大噪聲，使得檢測性 能更差;而MMSE準則在抑制多址干擾和放大噪聲之間取得折衷，獲得最大信干噪比，從而降 低誤碼率。
[0040] 采用MMSE準則，則需要求出MMSE權重矩陣使得發送向量與估計向量之間的最小均 方誤差最小。
[0045] 匪SE權重矩陣為Wmmse=W^+〇2i)-1hH，接收信號y與匪SE權重矩陣相乘后，得到用 戶的初始估計值XMMSE = WMMSEy =化啡+〇21 rlHHy，再對XMMSE進行硬判決，并把判決值 巧仰)，占:(0)，...Λ-㈱作為第一級PIC檢測器的輸入。
[0046] 步驟203,干擾重構的目的是為了進行PIC檢測，即根據步驟202中的判決值 (占,(0)，W〇)，...，&A-(〇))、信道估計值Η = (M_，…，、f W及用戶的擴展序列Sk，重構出用戶的干擾信 號。由于PIC采用的是并行干擾消除策略，因此對于要解調的用戶j，需要求出其他化-j)個 用戶的多址干擾之和Σ ν,.ν稱之為部分加法器。 .!二 U子
[0047] 步驟204,根據步驟203部分加法器的結果，并從總的接收信號y中減去其他用戶的 多址干擾之和，即可得到要解調的用戶j的信息，目[
并依次判決，即可得到所有用 戶的估計值。本發明的重點在于，本發明在第一級PIC檢測時，將較強用戶的信息解調并輸 出，然后從總的信號中減去運些強信號的干擾信號，剩下的是較弱用戶的干擾信號的總和。 然后再對剩下的信號再次進行上述步驟。
[004引圖4所示在用戶數Κ = 4,擴頻碼長度N =別寸，本發明提出的檢測方法與MUSA系統本 身所使用的MMSE-SIC檢測方法W及傳統的兩級MSE-PIC(Tw0-s化ge MSE-PIC)檢測方法 的性能對比，本方法的SER性能與MUSA系統本身所使用的匪SE-SIC檢測方法性能相當，但是 優于兩級MMSE-PIC，能提高1地的性能。運是由于本發明方法在第一級PIC檢測時，輸出了較 強用戶的信息，因此較弱用戶在第二級檢測時，受到的多址干擾會大大減小，較弱用戶的檢 測準確度有所提高，因此能夠保證較好的檢測性能。
[0049] 圖5所示在用戶數Κ=10,擴頻碼長度N=16時發明提出的檢測方法與MUSA系統本 身所使用的MMSE-SIC檢測方法W及傳統的兩級MSE-PIC(Tw〇-s化ge MSE-PIC)檢測方法 的性能對比，與圖4所給出的性能曲線大致相同。
[0050] 表1給出了用戶數κ = 4、擴頻碼長度N=8W及用戶數Κ=10、擴頻碼長度N=16運兩 種情況時，本發明的檢測方法與MUSA本身使用的MMSE-SIC檢測方法W及傳統的兩級MMSE- PIC檢測方法的復雜度分析。此時W浮點運算作為衡量復雜度的單位，一次復數乘法(或除 法)對應于6Flops，一次復數加法(或減法)對應于2Flops。本發明的復雜度遠遠小于MUSA系 統本身所使用的MMSE-SIC的復雜度，并且小于同等檢測級別的匪SE-PIC的復雜度。并且當 用戶數W及擴展序列增大的同時，MUSA系統所使用的匪SE-SIC檢測方法的復雜度急劇增 加，而本發明的復雜度增加相對緩慢。
[0051] 表1
[0化2]
[0053] 本發明通過在第一級PIC檢測時，輸出較強的用戶信息，因此在對較弱的用戶進行 第二級PIC檢測，較弱用戶受到的多址干擾會明顯減小，從而提高了較弱用戶的檢測準確 度，因此可W保證系統的檢測性能較好。而由于本發明是基于PIC結構的，二級檢測只需要 求兩次MMSE權重矩陣，也只需對用戶進行一次排序，而MUSA系統本身使用的MMSE-PIC檢測 方法是基于SIC結構的，每一級只檢測一個用戶，因此K個用戶需要求K次MMSE權重矩陣，并 且需要K-1次用戶排序。又因為MMSE權重矩陣需要設及矩陣求逆運算，而求逆運算復雜度較 高，因此本發明的復雜度遠遠低于MUSA系統使用的MMSE-SIC的復雜度。
[0054] 最后說明的是，W上優選實施例僅用W說明本發明的技術方案而非限制，盡管通 過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可W在 形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。
【主權項】
1. 一種MUSA系統多級部分并行干擾消除多用戶檢測方法，其特征在于:在該方法中， 根據用戶到達的信號與干擾加噪聲比（Signal toInterferenceplusNoi seRatio，SINR) 對用戶進行排序，然后解調出具有最大SINR的用戶，并重構出該最大SINR用戶的干擾信號， 并從總的接收信號y中減去該用戶的干擾信號，重復上述步驟，直至所有用戶的數據都被解 調、恢復出來； 具體包括以下步驟： S1:根據用戶信道狀態的好壞對接入用戶進行排序； S2:排序之后接收信號，對經過信道之后的接收信號y進行最小均方誤差(minimummean squareerror，MMSE)檢測； S3:將MMSE檢測器的輸出作為第一級PIC檢測器的輸入； S4:根據并行干擾消除(parallel interference cancellation，PIC)輸出結果的判決 值重構出所有用戶的干擾信號； S5:根據用戶排序情況，將較強用戶的數據輸出，并對較弱的用戶再次進行MMSE-PIC檢 測。2. 根據權利要求1所述的一種MUSA系統多級部分并行干擾消除多用戶檢測方法，其特 征在于:在步驟S1中，根據用戶的信道矩陣對用戶進行排序;首先對用戶的信道矩陣求范數 normGHh)，根據范數大小將用戶分成強弱兩個等級，其中，（Hh表示信道矩陣Η的第i列。3. 根據權利要求2所述的一種MUSA系統多級部分并行干擾消除多用戶檢測方法，其特 征在于:在步驟S2中，采用麗SE準則，需要求出麗SE權重矩陣使得發送向量與估計向量之間 的最小均方誤差最小：即求Wmmse使得J=minE[ | |x-WMMSEy| |2]成立，用上式對Wmmse求偏導；MMSE權重矩陣為WmmSE=(HhH+〇2I)-他，接收信號y與MMSE權重矩陣相乘后，得到用戶的 初始估計值xmmse = Wmmsey = (ΗΗΗ+σ2Ι pHHy，再對xmmse進行硬判決，并把xMMSE判決值 (&(〇),&{〇)，..,▲(〇))作為第一級PIC檢測器的輸入； 在上述推導中，其中WMMSE為最小均方誤差權重矩陣，X為用戶的發送向量，WMMSEy為用戶 的估計向量，Ryy = E{yyH} =E{ (Hx+z)(Hx+z)h}，Rxy = E{xyH} =E{x(Hx+z)h}，Ryy和Rxy分別代 表接收信號y的自相關和x、y之間的互相關，y H代表y的埃爾米特矩陣;〇2和I分別代表噪聲方 差和單位矩陣。4. 根據權利要求3所述的一種MUSA系統多級部分并行干擾消除多用戶檢測方法，其特 征在于：在步驟S4中，干擾重構的目的是為了進行PIC檢測，即根據步驟S2中的判決值 (M〇)』2(〇Ua.(〇))、信道估計值H = (H.A Y以及用戶的擴展序列Sk，重構出用戶的干擾信 號；由于PIC采用的是并行干擾消除策略，因此對于要解調的用戶j，需要求出其他(K-j)個 用戶的多址干擾之其中，1η、84ΡΧι分別代表用戶i的信道向量、擴頻序列以及發送數據； 表示對 hiSiXi進行求和，其中i從1到K，但i不等于j。5. 根據權利要求3所述的一種MUSA系統多級部分并行干擾消除多用戶檢測方法，其特 征在于:在步驟S5中，根據步驟S4部分加法器的結果，并從總的接收信號y中減去其他用戶 的多址干擾之和，即可得到要解調的用戶j的信息 并依次判決，即可得到所有用戶的估計值。
【文檔編號】H04L1/00GK106059968SQ201610368610
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月27日
【發明人】邵凱, 武漢
【申請人】重慶郵電大學