[发明专利]一种自适应开销的活跃用户检测和信道估计方法

权利要求书

1.一种自适应开销的活跃用户检测和信道估计方法，其特征在于，包括：

步骤1、在每一个时隙，活跃用户采用免授权的多址接入协议上行发送信号；

所述免授权的多址接入协议对应的帧结构包含时域和频域两个部分；频域上由N个子载波组成，时域上由T个时隙组成；前G个时隙用于同时发送导频和数据，且在这G个时隙的N个子载波中，P个导频子载波用于发送导频，(N-P)个数据子载波用于发送数据；而后(T-G)个时隙仅用于发送数据，故所有N个载波均为数据子载波；导频所使用的时隙开销G是根据基站对活跃用户检测和信道估计质量的评估结果自适应调整的；

活跃用户所发送的导频信号为非正交导频信号，对于每个导频子载波，所有用户在导频开销内的导频信号通过独立同分布的标准复高斯产生；不同导频子载波上的导频互不相同；

步骤2、根据初始时隙开销G₀，收集基站端接收到的活跃用户在G₀个时隙内发送的上行导频信号，利用所接收的信号进行活跃用户检测和信道估计，得到活跃用户集合以及对应的大规模MIMO信道；

步骤2.1、活跃用户检测和信道估计建模

1)基于所有用户的MIMO信道矢量组成的子信道矩阵具有列稀疏性，不同天线上观测到的稀疏性完全相同，以及不同导频子载波所对应的子信道矩阵具有相同的稀疏图样，从而将活跃用户检测问题建模成空间域压缩感知问题，构成空间-频率域模型；

空间-频率域的建模过程为：

对于第p个导频子载波，定义基站接收到的第k个用户在第t个时隙的信号为：

其中为第k个用户的第p个导频子信道，是第k个用户在第p个导频子信道上传输的上行多址导频，是第p个导频子信道的高斯白噪声；基站配备大规模天线，M是基站天线数；用户使用单天线；共P个导频子载波；

进一步定义第k个用户的活跃因子为α_k，用户活跃时取1，静默时取0，那么，基站端总的接收信号可以写成：

其中(·)^T为转置符号；K为用户总数；

那么在连续的G个时隙内，基站端收集到的接收信号可以写成：

其中是空间域上行多址信道矩阵，由于希望G＜＜K,同时信道矩阵具有列稀疏性，不同列之间具有共同支撑集，故该模型为空间-频率域压缩感知模型；已知接收信号和导频矩阵估计X_p的支撑集，得到估计的活跃用户集合，从而实现活跃用户检测；

2)基于大规模MIMO信道在虚拟角度域存在簇稀疏性，以及不同的子信道矩阵在频域上也具有相同的稀疏图样，从而将活跃用户的信道估计问题建模成角度域的压缩感知问题，构成角度-频率域模型；

角度-频率域的建模过程为：

考虑将信道从空间域变换到虚拟角度域，变换关系为：

其中w_p,k是虚拟角度域信道；是变换矩阵，在天线间隔为二分之一波长的均匀线性阵列情况下为离散傅里叶矩阵，(·)^H为共轭转置符号；因此，可以得到角度-频率域模型：

其中，是角度域的多址信道矩阵，(·)^*是共轭符号；该模型用于信道估计；已知接收信号通过空间域和角度域的变换关系可以得到等效的接收信号利用导频矩阵以及估计的活跃用户集合可以估计得到活跃用户对应的虚拟角度域信道再将该信道变换回空间域，从而实现活跃用户的信道估计；

3)采用空间-频率域模型进行活跃用户检测，采用角度-频率域模型进行信道估计，且均采用改进的AMP算法解算，改进的AMP算法利用EM算法学习超参数，并根据信道矩阵的稀疏结构优化超参数更新规则，将这样的过程称为DMMV-AMP算法；其中，

当改进的AMP算法应用于空间-频率域模型时，稀疏率的更新规则为：

式(I)中，稀疏率表示信道矩阵第(p,k,m)个元素非零的概率，p为导频子载波的索引，k为用户索引，m为基站天线的索引，i代表算法的第i次迭代，集合这里(q,l,u)表示三维信道矩阵的元素索引，置信因子是AMP算法中定义的中间变量；|·|_c表示集合元素个数；

当改进的AMP算法应用于角度-频率域模型时，稀疏率的更新规则为：

式(II)中，集合

定义模块A：基于DMMV-AMP算法的活跃用户检测器

定义模块B：基于DMMV-AMP算法的信道估计器

在每一次Turbo迭代，模块A利用空间-频率域模型获得活跃用户集合，进一步通过不同的置信门限得到活跃用户集合中可靠度不同的两个活跃用户子集，并将这两个子集作为消息传递给模块B；模块B将所述活跃用户集合代入角度-频率域模型进行信道估计，并从接收信号中减去可靠度高的活跃用户子集中用户对应的信号，得到接收信号残差，再将该残差作为消息传递给模块A；模块A代入空间-频率域模型进行剩余的活跃用户检测，以此类推，模块A和模块B交替地进行活跃用户检测和信道估计，直到达到给定的最大迭代次数或者接收信号残差小于事先给定的门限；

步骤3、利用估计得到的活跃用户集合和对应信道，重构信道矩阵，并计算接收信号误差；根据接收信号误差评估活跃用户检测和信道估计质量，并将评估结果广播给所有的用户，如果该结果满足事先给定的标准，活跃用户停止发送导频，再接下来的时隙内仅发送数据，从而得到可靠的活跃用户集合及其信道；否则，活跃用户继续发送导频，基站端多收集一个时隙的接收信号重新进行活跃用户检测和信道估计，并重新执行步骤3，直至所收集的接收信号足以得到可靠的活跃用户集合及其信道。