[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

说明书

本发明公开了一种自适应开销的活跃用户检测和信道估计方法，利用估计到的活跃用户集合及其信道，通过计算接收信号误差评估估计质量，可以根据现实系统中活跃用户数量和信道环境，自适应调整帧结构中导频的时隙开销，以尽可能低的接入时延保证服务质量，实现超可靠的活跃用户检测和信道估计。本发明还针对未来蜂窝网络中的增强移动宽带场景和大规模机器类型通信等巨址通信场景，利用用户上行传输流量的零星特性以及大规模MIMO虚拟角度域信道的稀疏性，合理设计用于宽带上行免授权多址接入的导频信号，并引入先进的压缩感知技术，能大幅降低用户接入时延。

技术领域

本发明涉及无线通信中活跃用户和信道估计领域，尤其涉及在支持增强移动宽带的巨址通信中，海量用户上行多址接入场景下的活跃用户检测和信道估计。

背景技术

随着视频流，社交网络，以及新兴物联网技术的快速发展，在未来的蜂窝网络中，用户设备的数量和业务流量都将呈爆炸性增长，因此，要求基站支持与海量用户之间形成能够承载巨大业务流量的巨连接。目前蜂窝网络的设计主要针对手机用户，可支持的用户数量有限，对巨维上行多址接入的可靠支持对目前的网络来说十分挑战。

传统基于授权的随机多址协议需要额外的控制信令以及资源调度，用户设备需要经过基站授权才能接入网络。典型的如4G-LTE系统中物理随机接入信道协议，分为无竞争随机多址和竞争随机多址。在无竞争随机多址中，基站配给每个用户特定的导频，以便于基站区分不同的用户；而竞争随机多址中，活跃用户从事先定义好的导频集合中选取导频并发送，当两个用户选取相同导频时，需要额外的请求冲突处理。不幸的是，在巨址通信中，由于用户数量庞大，这种竞争资源的接入方式会出现严重的接入请求冲突，从而导致大量用户无法快速接入网络。如果对每个用户分配正交多址接入资源，又会导致巨大开销。此外，在用户顺利接入网络之后，还需要额外发送导频实现上行链路信道估计。因此，对于巨址通信，传统的基于授权的随机多址接入方案会导致较高的接入时延以及复杂的请求冲突处理。另一方面，未来巨址通信一个重要的特点是，大量的用户设备是低功耗电池受限的传感器等，在大部分时间内处于休眠状态，只有在外部事物触发的情况下才会唤醒并发送数据。故巨维多址接入的典型特点是大量设备并非持续性地向通信网络上行传输数据，而是长时间的静默和突发传输交织在一起。通过利用这种用户流量的稀疏性，目前有学者提出基于压缩感知的免授权随机多址接入方案，活跃的设备直接向基站上行发送导频和数据，而不需要经过基站的授权。该方案无疑会降低接入时延，但是也带来新的挑战，即用户需要根据接收的信号检测出活跃的用户，同时进行信道估计和数据检测。

利用用户零星的上行传输流量和压缩感知技术，目前已有多种活跃用户检测方案被提出，用以实现有效可靠的免授权随机多址。这些方案的主要思想是将活跃用户检测问题建模成稀疏信号重构问题。具体地，清华大学王昭成教授等人提出一种基于压缩感知的多用户检测方案实现联合活跃用户检测和数据解码。为了进一步提高性能，美国俄勒冈州立大学(Oregon State University)的L.Wu教授利用发送离散符号的先验信息，提出了基于AMP(近似消息传递，Approximate Message Passing)算法和EM(期望最大化,Expectation Maximization)算法的活跃用户检测方案。美国哥伦比亚大学(ColumbiaUniversity)X.Wang教授等人指出上行随机多址信号存在块稀疏性，并提出一种TA-BSASP(门限辅助的块稀疏自适应子空间追踪，Threshold Aided Block Sparsity AdaptiveSubspace Pursuit)算法来提高压缩感知重构性能。此外，香港科技大学的V.K.N.Lau教授等人将大规模随机多址的工作扩展到C-RAN(云无线接入网，Cloud Radio AccessNetwork)架构中，提出了该架构下可靠的多址方案。但是，上述方案均依赖于完美的信道状态信息，而信道状态信息的获取，特别是对于巨址通信，是一项非常有挑战性的任务。