[發(fā)明專利]非正交時間反轉上行多址接入系統(tǒng)的設計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111483487.X
• 申請日: 2021-12-07
• 公開（公告）號: CN114339828B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發(fā)明（設計）人: 雷維嘉;李麗;張鑰
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W24/04;H04W28/02;H04W52/24
• 代理公司: 重慶市恒信知識產(chǎn)權代理有限公司 50102
• 代理人: 李金蓉

1.非正交時間反轉上行多址接入系統(tǒng)的設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)構建通信系統(tǒng)模型：在常規(guī)上行時間反轉多址接入系統(tǒng)的基礎上，對用戶進行分組，每組中的用戶數(shù)為一個或兩個，同一分組用戶采用同一個時間反轉接收濾波器對接收信號進行濾波，組內含有多個用戶的分組在時間反轉接收濾波器后具有一個連續(xù)干擾消除檢測器；

(2)以系統(tǒng)和速率最大化為目標，構造關于用戶的發(fā)送功率和針對每組用戶的接收濾波器的優(yōu)化數(shù)學模型；

(3)將優(yōu)化問題轉換成接收濾波器的脈沖響應的優(yōu)化和各用戶的功率分配兩個子問題；

(4)利用尋找廣義瑞利商對應的矩陣束的最大廣義特征值所對應的特征向量的方法獲得每組時間反轉接收濾波器的脈沖響應；

(5)利用迭代下界逼近法和乘子法獲得各用戶符號的發(fā)送功率；

(6)利用迭代算法求解各組接收濾波器的脈沖響應和各用戶的功率分配；

步驟(1)所述組內含有多個用戶的分組用戶在接收端將通過同一個時間反轉接收濾波器來提取信息并抑制干擾，單獨成組用戶通過用戶特定的時間反轉接收濾波器來提取信息并抑制干擾；

步驟(2)所述數(shù)學模型包括對用戶信干噪比、用戶傳輸速率和系統(tǒng)和速率進行建模，具體如下：

第i組內近用戶和遠用戶的信干噪比分別為，1≤i≤N：

這里下標2i-1和2i分別表示組內的近用戶和遠用戶；P_k為用戶k的發(fā)送功率；g_i為第i組用戶的時間反轉接收濾波器抽頭系數(shù)矢量形式；σ²為信道的噪聲功率；記H_k為一個(2L-1)×L維的Toeplitz矩陣，即

其中L為多徑數(shù)，h_k[n]表示用戶k的信道脈沖響應，對H_k進行抽樣得到用戶k的等效信道矩陣H_k；第i組用戶信干噪比的表達式中表示H_k的第L_D行，上標H表示矢量或矩陣的共軛轉置運算，上標“*”表示共軛運算；

對于組內只有一個用戶的組，即Ni≤M，用戶的接收信干噪比為：

用戶k(k＝1,2,…,K)的傳輸速率為

其中，B表示系統(tǒng)帶寬，D表示上采樣因子；

系統(tǒng)和速率為

這里的K表示用戶個數(shù)；

步驟(2)所述優(yōu)化數(shù)學模型以各用戶最小速率、用戶端的總發(fā)送功率以及時間反轉接收濾波器功率增益歸一化為約束條件來最大化系統(tǒng)和速率，優(yōu)化問題構造為

s.t.C₁:

C₂:R_k≥R_k,min,k＝1,2,…,K

C₃:

其中P_max表示用戶端總的發(fā)送功率，R_k,min表示用戶k的最小速率要求，R_k表示用戶k的可達傳輸速率；

步驟(3)所述將優(yōu)化問題轉換成接收濾波器的脈沖響應的優(yōu)化和各用戶的功率分配兩個子問題，具體包括：

(1)在各用戶的發(fā)送功率p_k已知的情況下，優(yōu)化每組時間反轉接收濾波器的脈沖響應g_i使得系統(tǒng)和速率最大化，即

s.t.C₁

(2)在每組時間反轉接收濾波器的脈沖響應g_i已知的情況下，優(yōu)化各用戶的發(fā)送功率p_k使得系統(tǒng)和速率最大化，即

s.t.C₂,C₃；

步驟(4)所述利用尋找廣義瑞利商對應的矩陣束的最大廣義特征值所對應的特征向量的方法獲得每組時間反轉接收濾波器的脈沖響應，具體包括：所述接收濾波器的脈沖響應的優(yōu)化子問題的目標函數(shù)中，R_k是關于γ_k的單調遞增函數(shù)，所以該問題等價為

s.t.C₁

第i組中近用戶的信干噪比可改寫為，1≤i≤N：

可以看出，γ_2i－1為矩陣束的廣義瑞利商，其最大值為矩陣束的最大廣義特征值，此時最大廣義特征值所對應的歸一化廣義特征向量即為接收濾波器矢量g_i；同理，由遠用戶的SINR公式可得γ_2i的最大值為矩陣束的最大廣義特征值，此時最大特征值所對應的歸一化特征向量即為接收濾波器矢量g_i；

對于組內只有一個用戶的組，即Ni≤M，用戶的接收信干噪比改寫為：

可知γ_N+i的最大值為矩陣束的最大廣義特征值，此時最大特征值所對應的歸一化特征向量即為接收濾波器矢量g_i；

步驟(5)所述下界逼近法，利用下界關系式αlog₂Q+β≤log₂(1+Q)對各用戶的功率分配問題進行松弛變換，其中α和β分別為：

當Q＝Q₀時，下界關系式等號成立；根據(jù)下界關系式，用戶k的可達傳輸速率近似為

其中，

這里為用戶k前一次迭代的信干噪比；

通過下界關系式進行松弛的功率分配問題的等價問題可表示為

s.t.C₃

當α_k和β_k固定時，上式問題仍為一個非凸問題；令并代入上式可得到一個關于新變量的優(yōu)化問題，即

s.t.k＝1,2,…,K

上式優(yōu)化問題是一個標準凸優(yōu)化問題，有唯一的最優(yōu)解，可以通過乘子法或凸優(yōu)化工具箱求解，當已知后，可通過回代得到{p_k}的解；

步驟(5)所述乘子法求解具體步驟為：第一次迭代時，各用戶信號的功率初始為log₂(P_max/K)，這里P_max表示基站端的發(fā)送總功率，K表示用戶數(shù)；并初始化增廣拉格朗日乘子和懲罰因子；以為初始點求解無約束子問題得極小點判斷此時β⁽¹⁾是否成立；若不成立則更新增廣拉格朗日乘子和懲罰因子，以當前輪次得到的為初始點進行下一輪的求解，否則結束迭代；μ，λ_k≥0(k＝1,2,…,K)為增廣拉格朗日乘子,δ0為懲罰因子；

步驟(6)所述利用迭代算法求解各組接收濾波器的脈沖響應和各用戶的功率分配，包括以下步驟：第一次迭代時，首先根據(jù)用戶等功率分配情況下的信干噪比計算出α⁽⁰⁾和β⁽⁰⁾，將其代入進行變量代換的標準凸優(yōu)化問題中并求解功率分配矢量用更新用戶的信干噪比γ^(t),將本次迭代得到的信干噪比向量與上一次迭代得到的信干噪比向量進行比較，判斷迭代是否收斂，若未收斂則根據(jù)當前的信干噪比向量更新α和β，進行下一輪的迭代，否則結束迭代。