基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法与流程

1.本发明属于移动通信领域。


背景技术：

2.随着蜂窝移动通信系统用户数目的增加及用户通信需求的增长，传统频分多址、时分多址和码分多址等正交多址方式越来越难以满足系统内用户对通信速率和质量的要求。空分多址技术根据用户所处地理位置和信号到达方向的差别，充分利用天线阵列带来的空域资源在用户方向上形成定向波束，从而使用相同时域、频域和码域资源接收和发射多个用户信号，其高频谱效率、高功率效率的特性引起了研究人员的广泛关注。
3.然而，空分多址技术为完全实现用户之间的彼此互不干扰需要满足严苛的前提条件，例如趋于无穷的天线数目以及与天线数相当的射频链，在工程实现中无法达到，意味着空分多址系统必然面临多用户互扰问题。在5g及未来无线通信系统多域资源深化复用的趋势下，如何利用基站资源高效处理空分多址各用户之间的干扰成为亟待解决的问题。为此，本发明充分利用基站侧算力优势，对来自不同用户的信号进行空域增益调整和对消，达到抑制多用户互扰的效果，增加上行空分多址的接入用户数。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决现有空分多址技术存在多用户之间干扰，导致空域资源未能有效利用的问题，从而提出一种基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法。
5.实现本方法的技术方案为：
6.基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法，特征是：对于配置r根天线的基站，r为大于1的整数，执行如下步骤：
7.步骤一、接收端利用r根天线从无线信道接收到r路模拟信号，并将所述r路模拟信号分别通过模拟前端处理器进行处理，获得r路处理后模拟信号；
8.步骤二、接收端将步骤一获得的r路处理后模拟信号分别进行模/数转换，获得空域增益调整前的天线阵元数据；
9.步骤三、接收端将步骤二获得的空域增益调整前的天线阵元数据结合music算法估计用户数m和各用户信号的到达角θ1、θ2、
…
、θm；m为用户数且为正整数；
10.步骤四、接收端根据天线阵列间距和馈电电流相位计算天线阵列在m个用户到达角方向的空域固有增益g
e1
、g
e2
、
…
、g
em
；然后对于m个待检测的用户信号，并行执行步骤五至步骤八；
11.步骤五、调整用户m的空域增益，1≤m≤m；获得用户m的空域增益调整结果，即：用户m空域增益调整后的天线阵元数据；
12.步骤六、对步骤五中获得的用户m的空域增益调整结果进行效果评估，然后执行步骤七；
13.步骤七、对用户m的传输信号进行对消增强，具体对消增强方法为：
14.步骤七一、对步骤二所述空域增益调整前的天线阵元数据进行求和，得到空域增益调整前的天线阵列合成信号r1(n)，并送入缓存器；
15.步骤七二、对步骤五所述空域增益调整后的天线阵元数据进行求和，得到空域增益调整后的天线阵列合成信号r2(n)；
16.步骤七三、对步骤七二所述求和后数据r2(n)进行κ倍的幅度衰减得到衰减后信号r3(n)，0《κ《1；
17.步骤七四、计算步骤七三所述κ与用户m的空域增益调整系数γ的比值，并判断该比值与用户m通信信号所能承受的幅度衰减最小值δ3的大小关系，当该比值大于δ3时，不进行对消增强，并执行从步骤七一所述缓存器中读取并输出r1(n)，然后执行步骤八；否则，执行步骤七五；
18.步骤七五、读取步骤七一所述缓存器，与步骤七三所述功率衰减信号r3(n)进行干扰对消，得到用户m的对消增强信号r(n)并输出，然后执行步骤八；
19.步骤八、对步骤七四或步骤七五输出的用户m的信号进行接收检测，恢复出有效信息，完成一次基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强。
20.本发明获得的有益效果是：本发明提出了一种基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法，充分利用基站侧现有接收机硬件资源和算力资源，在原有天线阵列对所有用户信号增益的基础上，分别针对每个用户再次调整空域增益，使用空域增益调整前后的信号进行对消，完成信号的二次处理，抑制空分多址系统的用户间干扰，增加空分多址的上行接入用户数。本发明的用户间干扰抑制能力与用户间干扰总强度正相关，在用户间干扰很强时依旧能够优化每个用户待检测信号的信干噪比。
附图说明
21.图1是本发明的一种基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法的基站侧接收信号处理过程示意图；
22.图2是本发明的一种基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法的单用户空域增益调整和评估流程图；
23.图3是本发明的一种基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法的单用户信号增强过程示意图。
具体实施方式
24.具体实施方式一、结合图1-3说明本实施方式，图1是本发明的一种基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法的基站侧接收信号处理过程示意图，该上行多址增强方法由以下步骤实现：
25.对于配置r(r》1)根天线的基站，执行如下步骤：
26.步骤一、将r根天线接收到的模拟信号分别通过模拟前端处理器；
27.其中模拟前端处理器具体包括：
28.低噪声放大器、下变频器和滤波器；
29.步骤二、对步骤一模拟前端处理器输出的模拟信号进行模/数转换，得到空域增益
调整前的天线阵元数据；
30.步骤三、使用步骤二所述空域增益调整前的天线阵元数据结合music算法估计用户数m和各用户信号的到达角θ1、θ2、
…
、θm；
31.步骤四、由天线阵列间距和馈电电流相位计算天线阵列在m个用户到达角方向的空域固有增益g
e1
、g
e2
、
…
、g
em
；之后对于m个待检测的用户信号，各自独立并行执行步骤五至步骤八，不失一般性，步骤五至步骤八的表述以用户m(1≤m≤m)为例进行；
32.步骤五、调整用户m的空域增益，如图2所示，具体调整方法为：
33.步骤五一、设定用户m空域增益调整原则，记天线阵列在m个用户到达角方向的空域调整后理想增益分别为g
i1
、g
i2
、
…
、g
im
，所述空域增益调整原则具体为：在计算位宽不溢出的前提下令g
em
为g
im
的γ(γ》1)倍，令g
ei
为g
ii
的κ倍(i取[1,m]中不为m的所有正整数，0《κ《1)，其中γ与κ根据对抑制效果和处理复杂度的要求选取；
[0034]
步骤五二、根据空域增益调整原则计算各天线阵元数据的调整因子β1、β2、
…
、βr，其中β1、β2、
…
、βr的模值均为1；
[0035]
步骤五三、使用步骤五二所述各天线阵元数据调整因子与步骤二空域增益调整前的天线阵元数据对应相乘，得到空域增益调整后的天线阵元数据；
[0036]
步骤六、对用户m的空域增益调整效果进行评估，如图2所示，具体评估方法为：
[0037]
步骤六一、由天线阵列间距、馈电电流相位和步骤五二所述调整因子计算天线阵列在m个用户到达角方向的空域调整后实际增益g
a1
、g
a2
、
…
、g
am
；
[0038]
步骤六二、计算m个用户在空域增益调整前后的增益变化比例η1、η2、
…
、ηm，其中ηk＝g
ek
/g
ak
(k＝1、2、
…
、m)；
[0039]
步骤六三、构造归一化空域增益变化比例向量u，当1《m《m时，归一化空域增益变化比例向量u为：
[0040][0041]
当m的值取1时：构造的归一化空域增益变化比例向量u为：
[0042][0043]
当m的值取m时：构造的归一化空域增益变化比例向量u为：
[0044][0045]
步骤六四、计算步骤六三所述空域增益变化比例向量u的方差σ2；
[0046]
步骤六五、判断步骤六四所述方差σ2与预设方差阈值之间的大小关系，当时，执行步骤六六，否则执行步骤六七；
[0047]
步骤六六、调整γ＝γ
–
δ1，κ＝κ+δ2，作为新的空域增益调整原则，重新执行步骤五二至步骤六五，其中δ1和δ2为调整步进(δ1》0，δ2》0)，根据对抑制效果和处理延时的要求选取；
[0048]
步骤六七、输出γ和κ的取值及步骤五三所述空域增益调整后的天线阵元数据；
[0049]
步骤七、对用户m的传输信号进行对消增强，如图3所示，具体增强方法为：
[0050]
步骤七一、对步骤二所述空域增益调整前的天线阵元数据进行求和，得到空域增益调整前的天线阵列合成信号r1(n)，并送入缓存器。设m个用户的发射信号分别为x1(n)、x2(n)、x3(n)、
…
、xm(n)，则空域增益调整前的天线阵列合成信号r1(n)可表示为：
[0051][0052]
其中z1(n)为接收机引入的噪声信号。
[0053]
对于用户m而言，其空域增益调整前的信干噪比为：
[0054][0055]
其中p
xk
表示信号xk(n)的平均功率(k＝1,2,
…
,m)，表示z1(n)的平均功率。
[0056]
步骤七二、对步骤六七所述空域增益调整后的天线阵元数据进行求和，得到空域增益调整后的天线阵列合成信号r2(n)；
[0057][0058]
其中z2(n)表示接收机和空域增益调整过程引入的噪声信号之和。当空域调整后的实际增益与理想增益相等时，上式约等号取等号。
[0059]
步骤七三、对步骤七二所述求和后数据r2(n)进行κ倍的幅度衰减得到r3(n)：
[0060][0061]
步骤七四、计算步骤六七所述κ与γ的比值，判断该比值与δ3的大小关系，当比值大于δ3时，不进行对消增强，从步骤七一所述缓存器中读取并输出r1(n)，然后执行步骤八；否则，执行步骤七五；其中δ3《1，表示用户m通信信号所能承受的幅度衰减最小值；
[0062]
步骤七五、读取步骤七一所述缓存器，与步骤七三所述功率衰减信号进行干扰对消，得到用户m的对消增强信号r(n)并输出：
[0063][0064]
对于用户m而言，理想情况下其空域增益调整后的信干噪比为：
[0065][0066]
其中：表示z2(n)的平均功率。
[0067]
从而空域增益调整前后用户m的信干噪比提升比例为：
[0068][0069]
当κ《《γ时，用户m的信干噪比提升比例为：
[0070][0071]
步骤八、对步骤七四或步骤七五输出的用户m对消增强信号进行接收检测，恢复出有效信息。
[0072]
本具体实施方式的有益效果是：本具体实施方式提出了一种基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法，充分利用基站侧现有接收机硬件资源和算力资源，在原有天线阵列对所有用户信号增益的基础上，分别针对每个用户再次调整空域增益，使用空域增益调整前后的信号进行对消，完成信号的二次处理，抑制空分多址系统的用户间干扰，增加空分多址的上行接入用户数。本发明的用户间干扰抑制能力与用户间干扰总强度正相关，在用户间干扰很强时依旧能够优化每个用户待检测信号的信干噪比。

技术特征：
1.基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法，特征是：对于配置r根天线的基站，r为大于1的整数，执行如下步骤：步骤一、接收端利用r根天线从无线信道接收到r路模拟信号，并将所述r路模拟信号分别通过模拟前端处理器进行处理，获得r路处理后模拟信号；步骤二、接收端将步骤一获得的r路处理后模拟信号分别进行模/数转换，获得空域增益调整前的天线阵元数据；步骤三、接收端将步骤二获得的空域增益调整前的天线阵元数据结合music算法估计用户数m和各用户信号的到达角θ1、θ2、
…
、θ
m
；m为用户数且为正整数；步骤四、接收端根据天线阵列间距和馈电电流相位计算天线阵列在m个用户到达角方向的空域固有增益g
e1
、g
e2
、
…
、g
em
；然后对于m个待检测的用户信号，并行执行步骤五至步骤八；步骤五、调整用户m的空域增益，1≤m≤m；获得用户m的空域增益调整结果，即：用户m空域增益调整后的天线阵元数据；步骤六、对步骤五中获得的用户m的空域增益调整结果进行效果评估，然后执行步骤七；步骤七、对用户m的传输信号进行对消增强，具体对消增强方法为：步骤七一、对步骤二所述空域增益调整前的天线阵元数据进行求和，得到空域增益调整前的天线阵列合成信号r1(n)，并送入缓存器；步骤七二、对步骤五所述空域增益调整后的天线阵元数据进行求和，得到空域增益调整后的天线阵列合成信号r2(n)；步骤七三、对步骤七二所述求和后数据r2(n)进行κ倍的幅度衰减得到衰减后信号r3(n)，0<κ<1；步骤七四、计算步骤七三所述κ与用户m的空域增益调整系数γ的比值，并判断该比值与用户m通信信号所能承受的幅度衰减最小值δ3的大小关系，当该比值大于δ3时，不进行对消增强，并执行从步骤七一所述缓存器中读取并输出r1(n)，然后执行步骤八；否则，执行步骤七五；步骤七五、读取步骤七一所述缓存器，与步骤七三所述功率衰减信号r3(n)进行干扰对消，得到用户m的对消增强信号r(n)并输出，然后执行步骤八；步骤八、对步骤七四或步骤七五输出的用户m的信号进行接收检测，恢复出有效信息，完成一次基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强。2.根据权利要求1所述的基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法，其特征在于步骤一中，所述模拟前端处理器具体包括：低噪声放大器、下变频器和滤波器；所述噪声放大器的信号输入端是所述模拟前端处理器的信号输入端，所述低噪声放大器的信号输出端与所述下变频器的信号输入端连接；所述下变频器的信号输出端与所述滤波器的信号输入端连接；所述滤波器的信号输出端是所述模拟前端处理器的信号输出端。3.根据权利要求1所述的基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法，特征在于步骤五中调整用户m的空域增益的具体调整方法为：步骤五一、设定用户m空域增益调整原则：记天线阵列在m个用户到达角方向的空域调
整后理想增益分别为g
i1
、g
i2
、
…
、g
im
，所述空域增益调整原则具体为：在计算位宽不溢出的前提下令g
em
为g
im
的γ倍，γ>1；令g
ei
为g
ii
的κ倍；其中i取[1,m]中不为m的所有正整数，γ与κ根据对抑制效果和处理复杂度的要求选取；步骤五二、根据空域增益调整原则计算各天线阵元数据的调整因子β1、β2、
…
、β
r
，其中β1、β2、
…
、β
r
的模值均为1；步骤五三、使用步骤五二所述各天线阵元数据调整因子与步骤二空域增益调整前的天线阵元数据对应相乘，获得用户m空域增益调整后的天线阵元数据。4.根据权利要求3所述的基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法，特征在于步骤六中，对步骤五中获得的用户m的空域增益调整结果进行效果评估的具体评估方法为：步骤六一、根据天线阵列间距、馈电电流相位和步骤五二所述调整因子计算天线阵列在m个用户到达角方向的空域调整后实际增益g
a1
、g
a2
、
…
、g
am
；步骤六二、计算m个用户在空域增益调整前后的增益变化比例η1、η2、
…
、η
m
，其中η
k
＝g
ek
/g
ak
(k＝1、2、
…
、m)；步骤六三、构造归一化空域增益变化比例向量u；步骤六四、计算步骤六三所述空域增益变化比例向量u的方差σ2；步骤六五、判断步骤六四所述方差σ2与预设方差阈值之间的大小关系，当时，执行步骤六六，否则执行步骤六七；步骤六六、调整γ＝γ
–
δ1和κ＝κ+δ2，作为新的空域增益调整原则，重新执行步骤五二至步骤六五，其中δ1和δ2为调整步进，且δ1>0，δ2>0，所述δ1和δ2均根据对抑制效果和处理延时的要求选取；步骤六七、输出γ和κ的取值及步骤五三所述空域增益调整后的天线阵元数据。5.根据权利要求4所述的基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法，特征在于七一中，空域增益调整前的天线阵列合成信号r1(n)的表达式为：式中：z1(n)为接收机引入的噪声信号，x1(n)、x2(n)、x3(n)、
…
、x
m
(n)分别表示m个用户的发射信号。6.根据权利要求5所述的基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法，特征在于，步骤七二中，空域增益调整后的天线阵列合成信号r2(n)的表达式为：
式中：z2(n)表示接收机和空域增益调整过程引入的噪声信号之和。

技术总结
基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法,涉及移动通信领域，是为了解决现有空分多址技术存在多用户之间干扰，导致空域资源未能有效利用的问题。本发明提出了一种基于信号空域增益调整与对消的蜂窝系统上行多址增强方法，充分利用基站侧现有接收机硬件资源和算力资源，在原有天线阵列对所有用户信号增益的基础上，分别针对每个用户再次调整空域增益，使用空域增益调整前后的信号进行对消，完成信号的二次处理，抑制空分多址系统的用户间干扰，增加空分多址的上行接入用户数。本发明的用户间干扰抑制能力与用户间干扰总强度正相关，在用户间干扰很强时依旧能够优化每个用户待检测信号的信干噪比。化每个用户待检测信号的信干噪比。化每个用户待检测信号的信干噪比。


技术研发人员：沙学军 张传斌 李勇 李卓明 吴玮
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/7/26