一种多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计方法及系统，在初始化高斯多址接入发射端以及相关参数后，建立以多用户多载波稀疏扩频序列为设计目标的高斯多址接入信道的发送接收系统模型，并计算在给定信噪比情况下的单用户互信息；建立最大化最小单用户互信息的优化模型；设置最大迭代次数，根据随机产生的每个初始点采用内点法获取最大化最小单用户互信息的优化模型对应的局部最优解，直至到达到最大迭代次数；根据不同初始点下产生的局部最优解选出性能最优的解来逼近全局最优解，从而得到给定信噪比和调制方式的多用户多载波稀疏扩频序列。本发明专利技术的多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计方法及系统使系数扩频序列可以直接应用于实际传输。

【技术实现步骤摘要】
一种多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计方法及系统
本专利技术涉及无线通信的
，特别是涉及一种多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计方法及系统。
技术介绍
为应对5G空中接口的应用场景，尤其是密集多用户海量接入和超大容量的需求，在频谱资源昂贵且受限的现实下，非正交接入技术被视为5G空口技术，也被视为在4G正交频分复用接入(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA)之后的演进趋势和突破方向。这类技术趋势的主要原因在于：点到点单链路的频谱效率提升已经随着现有调制编码技术的逐步演进而逼近香农极限，下一代空口接入技术必须从系统和网络的角度，而非单链路角度出发来实现在给定频谱资源条件下的系统或网络总频谱效率、总吞吐量，以及总接入用户数的成倍提升。稀疏码多址接入技术正是顺应了这一趋势和目标的重要技术，其目标是在不增加系统资源的前提下，通过发送端的调制波形和稀疏码本设计，实现在给定资源的前提下，相比现有4GLTE-A的正交接入技术，能成倍提升网络总频谱效率以及同时接入服务使用者数，从而助力下一代无线网络实现超大容量和超海量连接的需求。为了允许在有限的载波资源上传输过载的用户，一种多载波低密度扩频多址接入(Multicarrier-LowDensitySpreadingMultipleAccess，MC-LDSMA)得到学术界的热切关注，其核心的思想是每一个数据符号只传输在少量的子载波上，此外每一个子载波只有少量的用户占用。因此每个用户在每一个传输的子载波上仅仅受到少量用户的干扰。同时这种稀疏结构的扩频矩阵使得原本复杂度很高的消息传递算法得以并行实施。不同于传统码分多址的线性接收结构会带来大量的性能损失，结合近似最优多用户检测MC-LDSMA可以显著提高传输的可靠性。因此如何优化多用户稀疏扩频序列以获取更多的容量增益是研究的热点。现有的设计方案大多是考虑高维信号的最小欧氏距离，亦或是假设调制信号为理想的高斯分布。实际上当传输的信号为离散的星座点时之一类假设得到的序列一定不是最优解，不适合于实际传输。因此针对单用户传输具体调制方式的单用户互信息(SingleuserMutualInformation，SMI)还鲜有研究。SMI是衡量一个用户在实际信道下传输速率的直观评价标准。现有的稀疏扩频序列设计没有考虑具体的调制符号形式，采用近似的高斯符号信道容量，这一思路在实际应用中必然会存在容量损失。基于具体调制符号的用户信道容量需要从互信息的角度重新推导。此外，针对传统的码分多址序列设计方案中没有考虑到多址接入用户的公平性，序列设计大多是以用户和速率作为目标函数，这样必然会导致用户间的不公平性。例如，注水算法将有效功率多分配给信道条件好的用户，而实际场景中，海量接入情况下需要保障的是多用户都有一个可靠的传输速率。因此，综合考虑离散符号输入以及用户公平性去设计稀疏扩频序列是极其必要的。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计方法及系统，基于贴近实际的性能评价函数和用户公平性的设计准则，优化设计多用户多载波的稀疏扩频序列，使其可以直接应用于实际传输。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计方法，包括以下步骤：初始化高斯多址接入发射端以及发射功率、用户数目、子载波数量、每个用户的实际占用的子载波数目、用户的调制方式以及用户接收端的信噪比，并按照最大的过载人数配置规则的稀疏扩频序列；建立以多用户多载波稀疏扩频序列为设计目标的高斯多址接入信道的发送接收系统模型，并计算高斯多址接入信道在给定信噪比情况下的单用户互信息；建立最大化最小单用户互信息的优化模型；设置最大迭代次数，随机产生不同的初始点，根据每个初始点采用内点法获取最大化最小单用户互信息的优化模型对应的局部最优解，直至到达到最大迭代次数；根据不同初始点下产生的局部最优解选出性能最优的解来逼近最大化最小单用户互信息的优化模型的全局最优解，从而得到给定信噪比和调制方式的多用户多载波稀疏扩频序列。于本专利技术一实施例中，所述最大的过载人数为其中，J为用户数目，L为每个用户的实际占用的子载波数目，K为子载波数量。于本专利技术一实施例中，所述高斯多址接入信道的发送接收系统模型为：其中，Y为多用户的K维接收信号向量；J为用户数目，为多用户的发送功率矩阵；s＝[s1,…,sJ]＝[sk,j]K*J为多用户的稀疏扩频矩阵；N为K维加性高斯白噪声向量，N的每一个维度的元素是独立同分的均值为零，方差为N0的复高斯随机变量；Xj为第j个用户的扩频后的高维码字，Z为用户的调制方式。于本专利技术一实施例中，假设发送端每个用户的发送符号是等概率的，则高斯多址接入信道在给定信噪比情况下的单用户互信息为：其中，M为用户的发送星座集合的阶数，K为子载波数量，为所有用户星座集合的笛卡尔乘积。于本专利技术一实施例中，将多用户多载波稀疏扩频序列用稀疏扩频矩阵表示，每一列为单个用户的稀疏扩频序列；每个用户所占用的子载波数量即为对应的稀疏扩频序列所包含的非零元素的个数；每个非零元素为单位幅度的复数域变量，用ejθ表示，其中θ∈[0,2π)。于本专利技术一实施例中，设定高斯多址接入信道包括6个用户和4个子载波，用户的到达功率相同，基于QPSK调制的不同信噪比下的一组最优稀疏扩频序列如下表：于本专利技术一实施例中，设定高斯多址接入信道包括6个用户和4个子载波，用户的到达功率相同，基于4-PAM调制的不同信噪比下的一组最优稀疏扩频序列如下表：于本专利技术一实施例中，角度θ能够在0到5度范围内波动。同时，本专利技术还提供一种多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计系统，包括：初始化模块，用于初始化高斯多址接入发射端以及发射功率、用户数目、子载波数量、每个用户的实际占用的子载波数目、用户的调制方式以及用户接收端的信噪比，并按照最大的过载人数配置规则的稀疏扩频序列；第一建模模块，用于建立以多用户多载波稀疏扩频序列为设计目标的高斯多址接入信道的发送接收系统模型，并计算高斯多址接入信道在给定信噪比情况下的单用户互信息；第二建模模块，用于建立最大化最小单用户互信息的优化模型；迭代模块，用于设置最大迭代次数，随机产生不同的初始点，根据每个初始点采用内点法获取最大化最小单用户互信息的优化模型对应的局部最优解，直至到达到最大迭代次数；求解模块，用于根据不同初始点下产生的局部最优解选出性能最优的解来逼近最大化最小单用户互信息的优化模型的全局最优解，从而得到给定信噪比和调制方式的多用户多载波稀疏扩频序列。于本专利技术一实施例中，所述高斯多址接入信道的发送接收系统模型为：其中，Y为多用户的K维接收信号向量；J为用户数目，为多用户的发送功率矩阵；s＝[s1,…,sJ]＝[sk,j]K*J为多用户的稀疏扩频矩阵；N为K维加性高斯白噪声向量，N的每一个维度的元素是独立同分的均值为零，方差为N0的复高斯随机变量；Xj为第j个用户的扩频后的高维码字，Z为用户的调制方式。如上所述，本专利技术的多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计方法及系统，具有以下有益效果：(1)在相同的信噪比的情况下可以显著提升单用户传输的信道容量；(2)与现有的其他码本对比，不仅在理论本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：初始化高斯多址接入发射端以及发射功率、用户数目、子载波数量、每个用户的实际占用的子载波数目、用户的调制方式以及用户接收端的信噪比，并按照最大的过载人数配置规则的稀疏扩频序列；建立以多用户多载波稀疏扩频序列为设计目标的高斯多址接入信道的发送接收系统模型，并计算高斯多址接入信道在给定信噪比情况下的单用户互信息；建立最大化最小单用户互信息的优化模型；设置最大迭代次数，随机产生不同的初始点，根据每个初始点采用内点法获取最大化最小单用户互信息的优化模型对应的局部最优解，直至到达到最大迭代次数；根据不同初始点下产生的局部最优解选出性能最优的解来逼近最大化最小单用户互信息的优化模型的全局最优解，从而得到给定信噪比和调制方式的多用户多载波稀疏扩频序列。

【技术特征摘要】
1.一种多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：初始化高斯多址接入发射端以及发射功率、用户数目、子载波数量、每个用户的实际占用的子载波数目、用户的调制方式以及用户接收端的信噪比，并按照最大的过载人数配置规则的稀疏扩频序列；建立以多用户多载波稀疏扩频序列为设计目标的高斯多址接入信道的发送接收系统模型，并计算高斯多址接入信道在给定信噪比情况下的单用户互信息；建立最大化最小单用户互信息的优化模型；设置最大迭代次数，随机产生不同的初始点，根据每个初始点采用内点法获取最大化最小单用户互信息的优化模型对应的局部最优解，直至到达到最大迭代次数；根据不同初始点下产生的局部最优解选出性能最优的解来逼近最大化最小单用户互信息的优化模型的全局最优解，从而得到给定信噪比和调制方式的多用户多载波稀疏扩频序列。2.根据权利要求1所述的多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计方法，其特征在于：所述最大的过载人数为其中，J为用户数目，L为每个用户的实际占用的子载波数目，K为子载波数量。3.根据权利要求1所述的多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计方法，其特征在于：所述高斯多址接入信道的发送接收系统模型为：其中，Y为多用户的K维接收信号向量；J为用户数目，为多用户的发送功率矩阵；s＝[s1,…,sJ]＝[sk,j]K*J为多用户的稀疏扩频矩阵；N为K维加性高斯白噪声向量，N的每一个维度的元素是独立同分的均值为零，方差为N0的复高斯随机变量；Xj为第j个用户的扩频后的高维码字，Z为用户的调制方式。4.根据权利要求3所述的多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计方法，其特征在于：假设发送端每个用户的发送符号是等概率的，则高斯多址接入信道在给定信噪比情况下的单用户互信息为：其中，M为用户的发送星座集合的阶数，j＝1…,J,K为子载波数量，为所有用户星座集合的笛卡尔乘积。5.根据权利要求1所述的多用户多载波稀疏扩频序列的优化设计方法，其特征在于：将多用户多载波稀疏扩频序列用稀疏扩频矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖可鑫，夏斌，王敬伦，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31