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基于梯度追踪和多步拟牛顿法技术的非正交多址接入系统多用户检测方法技术方案

技术编号:20331708 阅读:43 留言:0更新日期:2019-02-13 07:25
本发明专利技术涉及基于梯度追踪和多步拟牛顿法技术的非正交多址接入系统多用户检测方法,与现有技术相比解决了多用户检测计算量大、效率低、精度差的缺陷。本发明专利技术包括以下步骤:上行链路基站的预处理,基站接收用户设备发送的信号,获取等价信道系数,进行迭代检测初始化;活跃用户设备的检测,迭代检测出一帧信号内连续T个时隙均发送信号的活跃用户设备与设备的发送信号。本发明专利技术将梯度追踪思想引入基站端的多用户检测,避免了用户设备发送信号估计时的正交投影计算,通过采用多步拟牛顿法计算多步梯度信息逼近目标函数的海森矩阵,一方面引入二阶收敛性,提高了多用户检测的精度;另一方面加快了收敛速度,降低多用户检测的计算量。

【技术实现步骤摘要】
基于梯度追踪和多步拟牛顿法技术的非正交多址接入系统多用户检测方法
本专利技术涉及无线通信信号检测
,具体来说是一种基于梯度追踪和多步拟牛顿法技术的非正交多址接入系统多用户检测方法。
技术介绍
未来5G移动通信将支持具有海量连接的物联网应用场景,但面临以下挑战:1、大规模用户设备接入造成频谱资源缺乏,导致不同用户选择相同的时频资源产生用户数据碰撞;2、大规模用户设备接入产生的调度消息的来回传输,导致大量信令开销和高的传输时延。非正交多址接入允许不同用户在相同的时频资源上叠加传输,不仅增加了用户连接数,同时提高了频谱效率。而在物联网应用场景中,其上行链路的用户设备具有零星通信的特点,即某一时刻有发送数据包的活跃用户数小于系统的总用户数,具有稀疏性特点,因此压缩感知技术被引入非正交多址系统中用以实现免调度接入与多用户检测。现有技术中,文献《JointUserActivityandDataDetectionBasedonStructuredCompressiveSensingforNOMA》(IEEEComm.Letters,2016年第20卷第7期:1473-1476,作者:王碧钗,戴凌龙,TalhaMir)(OMP方法)将压缩感知技术引入非正交多用户系统,基站通过压缩感知的稀疏重构技术进行多用户检测,采用正交匹配追踪算法,同时检测出活跃用户及其所发送的数据。同时,申请号为“201710599448.3”(一种块压缩感知非正交多址系统多用户检测方法)的专利材料,采用子空间追踪算法实现活跃用户及其发送数据的检测。在以上两种技术及其改进技术中,将多用户检测问题建模成一个无约束优化问题的求解,即令通过多次迭代,检测出所有活跃用户设备用Γ表示,并通过最小二乘法估计活跃用户设备的发送信号,即但其仍然面临的问题是:1)基站端的多用户检测所采用的重构算法、正交匹配追踪或者子空间追踪算法,在估计用户设备发送的信号值时都使用最小二乘,即需要计算正交投影来更新信号估计值,而这一方法在含有噪声的应用环境下精度并不高;2)在噪声环境下最小二乘法收敛速度慢,需要多次迭代耗费很大的计算量,尤其是大规模的用户设备环境下计算负担难以负荷。目前采用了压缩感知技术的非正交多址接入与多用户检测能够在未来5G移动通信系统的具有海量连接的物联网应用场景中,支持大规模用户设备连接、提高频谱效率、支持免调度接入降低时延,但仍然面临基站端多用户检测计算量大与检测精度有待提高的问题。因此,如何设计出一种提高基站端多用户检测效率和精度的方法已经成为急需解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中多用户检测计算量大、效率低、精度差的缺陷,提供一种基于梯度追踪和多步拟牛顿法技术的非正交多址接入系统多用户检测方法来解决上述问题。为了实现上述目的,本专利技术的技术方案如下:一种基于梯度追踪和多步拟牛顿法技术的非正交多址接入系统多用户检测方法,包括以下步骤:11)上行链路基站的预处理,基站接收用户设备发送的信号,获取等价信道系数,进行迭代检测初始化;12)活跃用户设备的检测,迭代检测出一帧信号内连续T个时隙均发送信号的活跃用户设备与设备的发送信号。所述上行链路基站的预处理包括以下步骤:21)基站接收用户设备发送的信号,设上行链路基站接收的用户信号表示为y=[y1,y2,…,yT],T为一帧信号内的时隙数,yt为第t个时隙内上行链路基站接收的用户信号,t=1,2,…,T,其表达式如下:其中,用户设备的原始信号表示为s=[s1,s2,…,sT],符号[]T表示转秩运算,st为第t个时隙内用户设备的原始信号,sj,t为第t个时隙内第j个用户设备的原始信号,ht=[h1,t,h2,t,…hN,t]为信道系数矩阵,hj,t=[h1,j,h2,j,…,hM,j]T为第t个时隙内第j个用户设备对应的信道系数,Φj=[Φ1,j,Φ2,j,…,ΦM,j]T为第j个用户设备对应的扩频码;nt为第t个时隙内的信道噪声;22)获取等价信道系数,设为第t个时隙内的等价信道系数矩阵,其中Gj,t=Φjhj,t;23)进行迭代检测初始化,初始化活跃用户设备的支撑集为空集,即初始化用户设备的信号估计值为零,即初始化残差为基站端实际的接收信号,残差即基站端实际的接收信号y与根据用户设备的信号估计值恢复的接收信号之差,初始化构造矩阵为1,初始化迭代次数l=1。所述活跃用户设备的检测包括以下步骤:31)活跃用户设备的支撑集的更新与相关性向量的更新,根据活跃用户设备的支撑集更新相关性向量32)更新方向的计算,计算更新方向33)计算步长其计算公式如下:其中,是根据活跃用户设备的支撑集在等价信道系数矩阵Gt内挑选对应元素组成的,符号||·||2表示求2-范数;34)计算相邻两次迭代的估计信号差值其计算公式如下:计算相邻两次迭代的梯度差值其计算公式如下:35)采用多步拟牛顿法(m>1),分别计算前m项的相邻两次迭代的估计信号差值与相邻两次迭代的梯度差值的线性组合,并分别表示为和具体计算公式如下:其中:36)更新构造矩阵,其表达式如下:37)更新所检测出的活跃用户设备的信号估计值,其表达式如下:更新残差,其表达式如下:更新迭代次数l=l+1;38)执行步骤31)至步骤37),直到迭代次数l=S时迭代结束,S为每个时隙内的活跃用户数目;迭代结束后,计算活跃用户设备的公共支撑集中非重复元素的个数,记为C并输出,同时输出当前的活跃用户设备的信号估计值当前的残差当前的活跃用户设备的公共支撑集还包括非连续T个时隙均发送信号的活跃用户设备的检测,迭代检测出一帧信号内非连续T个时隙均发送信号的活跃用户设备与设备的发送信号;通过第二轮迭代补充更新支撑集对应的活跃用户设备的信号估计值,其具体步骤如下:41)设各时隙t内活跃用户设备的支撑集为其中下标t表示对应的时隙,上标l表示迭代次数,活跃用户设备的信号估计值用表示,下标t表示对应的时隙,上标l表示迭代次数;42)将第一轮活跃用户设备的检测步骤输出的值作为第二轮迭代的初始值,其表示如下:令其中rt0表示第二轮迭代的残差向量的初值,Ht0表示第二轮迭代的构造矩阵的初值,t=1,2,…,T,第二轮迭代初始值赋值后令l=1;43)对第t个时隙内等价的信道系数向量与残差进行相关性运算,其计算公式如下:分别找到各时隙内相关性向量中最大元素所处的位置,作为本次迭代找到的一个活跃用户设备,记为并将其与前一次迭代的各时隙内活跃用户设备的支撑集进行合并,得到新的各时隙内活跃用户设备的支撑集即44)根据各时隙内活跃用户设备的支撑集更新相关性向量即在中挑选出所指向的元素构成新的向量;若信噪比小于Pth,计算更新方向若信噪比大于等于Pth,计算更新方向的算式为:45)更新步长其计算公式如下:其中是根据各时隙内活跃用户设备的支撑集在等价信道系数矩阵Gt内挑选对应元素组成的,符号||·||2表示求2-范数;46)更新相邻两次迭代的估计信号差值其计算公式如下:更新相邻两次迭代的梯度差值其计算公式如下:47)采用多步拟牛顿法(m>1),分别计算前m项的相邻两次迭代的估计信号差值与相邻两次迭代的梯度差值的线性组合,并分别表示为和其计算表达式如下:其中:48)更新构造矩阵其表达式如下:49)本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于梯度追踪和多步拟牛顿法技术的非正交多址接入系统多用户检测方法,其特征在于,包括以下步骤:11)上行链路基站的预处理,基站接收用户设备发送的信号,获取等价信道系数,进行迭代检测初始化;12)活跃用户设备的检测,迭代检测出一帧信号内连续T个时隙均发送信号的活跃用户设备与设备的发送信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度追踪和多步拟牛顿法技术的非正交多址接入系统多用户检测方法,其特征在于,包括以下步骤:11)上行链路基站的预处理,基站接收用户设备发送的信号,获取等价信道系数,进行迭代检测初始化;12)活跃用户设备的检测,迭代检测出一帧信号内连续T个时隙均发送信号的活跃用户设备与设备的发送信号。2.根据权利要求1所述的基于梯度追踪和多步拟牛顿法技术的非正交多址接入系统多用户检测方法,其特征在于,所述上行链路基站的预处理包括以下步骤:21)基站接收用户设备发送的信号,设上行链路基站接收的用户信号表示为y=[y1,y2,…,yT],T为一帧信号内的时隙数,yt为第t个时隙内上行链路基站接收的用户信号,t=1,2,…,T,其表达式如下:其中,用户设备的原始信号表示为s=[s1,s2,…,sT],符号[]T表示转秩运算,st为第t个时隙内用户设备的原始信号,sj,t为第t个时隙内第j个用户设备的原始信号,ht=[h1,t,h2,t,…hN,t]为信道系数矩阵,hj,t=[h1,j,h2,j,…,hM,j]T为第t个时隙内第j个用户设备对应的信道系数,Φj=[Φ1,j,Φ2,j,…,ΦM,j]T为第j个用户设备对应的扩频码;nt为第t个时隙内的信道噪声;22)获取等价信道系数,设为第t个时隙内的等价信道系数矩阵,其中Gj,t=Φjhj,t;23)进行迭代检测初始化,初始化活跃用户设备的支撑集为空集,即初始化用户设备的信号估计值为零,即初始化残差为基站端实际的接收信号,残差即基站端实际的接收信号y与根据用户设备的信号估计值恢复的接收信号之差,初始化构造矩阵为1,初始化迭代次数l=1。3.根据权利要求1所述的基于梯度追踪和多步拟牛顿法技术的非正交多址接入系统多用户检测方法,其特征在于,所述活跃用户设备的检测包括以下步骤:31)活跃用户设备的支撑集的更新与相关性向量的更新,根据活跃用户设备的支撑集更新相关性向量32)更新方向的计算,计算更新方向33)计算步长其计算公式如下:其中,是根据活跃用户设备的支撑集在等价信道系数矩阵Gt内挑选对应元素组成的,符号||·||2表示求2-范数;34)计算相邻两次迭代的估计信号差值其计算公式如下:计算相邻两次迭代的梯度差值其计算公式如下:35)采用多步拟牛顿法(m>1),分别计算前m项的相邻两次迭代的估计信号差值与相邻两次迭代的梯度差值的线性组合,并分别表示为和具体计算公式如下:其中:36)更新构造矩阵,其表达式如下:37)更新所检测出的活跃用户设备的信号估计值,其表达式如下:更新残差,其表达式如下:更新迭代次数l=l+1;38)执行步骤31)至步骤37),直到迭代次数l=S时迭代结束,S为每个时隙内的活跃用户数目;迭代结束后,计算活跃用户设备的公共支撑集中非重复元素的个数,记为C并输出,同时输出当前的活跃用户设备的信号估计值当前的残差当前的活跃用户设备的公共支撑集4.根据权利要求1所述的基于梯度追踪和多步拟牛顿法技术的非正交多址接入系统多用户检测方法,其特征在于,还包括非连续...

【专利技术属性】
技术研发人员:蒋芳程露胡艳军王翊许耀华宛新文胡梦钰张南飞
申请(专利权)人:安徽大学
类型:发明
国别省市:安徽,34

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