基於壓縮感知的M2M通信系統中導頻優化設計方法與流程

2023-04-26 14:56:51 2

本發明涉及M2M(Machine to Machine，機器與機器)技術領域，尤其涉及一種基於壓縮感知的M2M通信中導頻優化設計方法。

背景技術：

M2M通信是當今物聯網的主要表現形式，隨著信息技術的爆炸式發展，人們不再僅限於使用機器去完成日常生活中的工作，我們更希望機器設備能夠在無需人為幹預的情況下，通過網絡互聯進行溝通而完成相應的任務。例如農田中的溫度和溼度傳感器通過對土地的溫度和溼度進行採集數據，並將這些數據返回給管理中心的伺服器，並由伺服器對這些數據進行分析，並通過調節溫度和溼度控制器來管理農田的生態環境。這一過程並不需要人類活動的參與，設備之間通過相互通信完成了整個任務。

現在LTE-Advanced已經被用於M2M通信中，但是不同於語音通話系統，M2M通信系統中的用戶節點通常具有低活躍率和低數據率的特點。和傳統通信系統相比，M2M通信系統中用戶節點往往在同一時刻進行通信的數量並不多，並且傳輸的數據包也比較小，所以M2M通信系統是一種稀疏性的通信系統。

CS(Compressive Sensing，壓縮感知)是近年來新興的一門理論，其核心是將一個稀疏或者可壓縮的高維信號通過特定的矩陣變換投影到一個低緯度的空間上，在進行信號重建的時候，利用稀疏信號或壓縮過的信號的稀疏性，使用線性或非線性的恢復算法重建出原始信號。在M2M通信系統的導頻法信道估計中，由於用戶節點的活躍性較低，將不活躍的用戶節點對應的信道衝擊響應視為零值，將活躍的用戶節點的信道衝擊響應視為非零值，即用戶接入具有稀疏特性，所以可以通過相應的壓縮感知信號重建算法進行多用戶接入檢測和信道狀態信息估計。

目前，現有的多用戶接入檢測技術需要給每個用戶分配相互正交的導頻序列，而基於壓縮感知的多用戶接入和信道聯合估計中使用不正交的導頻序列，因此能夠節省導頻資源。目前，常用的壓縮感知信號恢復算法包括匹配追蹤(Matching Pursuit，MP)、正交匹配追蹤(Orthogonal Matching Pursuit，OMP)、壓縮採樣匹配追蹤(Compressive Sampling Matching Pursuit，CoSaMP)等。

基於壓縮感知的多用戶接入和信道聯合估計中，多用戶的導頻序列通常是隨機生成的。但是，使用隨機生成的導頻序列下的多用戶接入檢測和信道聯合估計性能並不是最優的。因此，迫切需要設計一種新的導頻序列優化設計方法，使用該方法產生的導頻序列能夠進一步提高多用戶接入檢測和信道聯合估計的精確度。

技術實現要素：

本發明的實施例提供了一種基於壓縮感知的M2M通信系統中導頻優化設計方法，以實現提高M2M通信系統中多用戶接入檢測和信道聯合估計的精確度。

為了實現上述目的，本發明採取了如下技術方案。

一種基於壓縮感知的M2M通信系統中導頻優化設計方法，進一步地，包括：

根據M2M通信系統所採用的調製方案的星座點集合，確定用戶節點的初始導頻序列pk，將所有用戶節點的初始導頻序列組合成一個初始導頻矩陣P；

對所述初始導頻矩陣P進行複數域到實數域的變換，得到矩陣Q，對矩陣Q採用基於SVD分解的優化算法進行優化，得到優化後的導頻矩陣Popti。

進一步地，所述的根據M2M通信系統所採用的調製方案的星座點集合，確定用戶節點的初始導頻序列pk，將所有用戶節點的初始導頻序列組合成一個初始導頻矩陣P，包括：

確定M2M通信系統所採用的調製方案所對應的星座點集合Λ，從星座點集合Λ中可重複隨機挑選出N個元素組成第k個用戶的初始導頻序列pk∈ΛN，依次生成出所有用戶節點的初始導頻序列，將所有用戶節點的初始導頻序列組合成一個初始導頻矩陣P＝[p1，p2，...，pK]∈ΛN×K。

進一步地，述的對所述初始導頻矩陣P進行複數域到實數域的變換，得到矩陣Q，包括：

定義將矩陣從複數域轉換為實數域的函數f(·)，利用所述函數f(·)對所述初始導頻矩陣P進行複數域到實數域的變換，得到2N＝2K維實數矩陣Q；

其中Pr表示矩陣P的實部，Pi表示矩陣P的虛部。

進一步地，所述的對矩陣Q採用基於SVD分解的優化算法進行優化，得到優化後的導頻矩陣Popti，包括：

⑨對矩陣Q進行列歸一化，得到

⑩初始集合Ω為空集；初始長度為K的向量w，向量w的第j個元素為與其它列的相關性平方和加上與其它列的相關性平方和；初始長度為K的數組Γ，數組Γ的元素依次為向量w元素從大到小排列的序號，令j＝Г(1)，其中Г(1)為數組的第1個元素；

將元素j加入集合Ω，用2N×(2K-2)維矩陣表示中除去和後剩下的矩陣，對進行SVD分解，得則選取酉矩陣V中的最後一列Vend更新令ρ表示調製符號集合的平均能量，則更新為

更新導頻向量pj實部的值為的前N個元素，更新導頻向量Pj虛部的值為的後N個元素；更新Pj的每個元素為距離該元素最近的星座點，依據步驟①和②更新

定義長度為K的向量向量的第j個元素為與其它列的相關性平方和加上與其它列的相關性平方和；定義長度為K的數組數組元素依次為向量元素從大到小排列的序號；

令t＝1；

如果令j＝t，令跳到步驟④；如果並且令j＝t，令跳到步驟④；如果並且Γ(t)∈Ω，令t＝t+1；

如果t≤K重複步驟⑧；如果t＞K，則停止迭代，得到最優的導頻矩陣Popti。

進一步地，所述的方法還包括：

利用優化後的導頻矩陣Popti對M2M通信系統中多用戶接入進行檢測和信道聯合估計，並利用信道估計結果對用戶發送信息進行恢復。

進一步地，所述的利用優化後的導頻矩陣Popti對M2M通信系統中多用戶接入進行檢測和信道聯合估計，包括：

用戶節點i所對應的信道衝擊響應為其中Lh表示該離散信道的抽頭時延總個數，在接收端接收的導頻序列的觀測結果為：

其中表示優化後的用戶節點i的導頻,*表示卷積，n表示加性高斯白噪聲；

根據矩陣卷積變換，將式(1)進行變換得

其中表示向量的卷積矩陣。因此由式(2)可以進一步得到

yp＝Aph+n (6)

其中表示導頻卷積矩陣的集合，而表示所有用戶節點的信道衝擊響應的集合；

使用壓縮感知重構信號算法對稀疏向量h進行求解。

由上述本發明的實施例提供的技術方案可以看出，本發明實施例通過將初始導頻矩陣轉換到實數域之後，再採用基於SVD分解的優化算法進行優化，在不同的信噪比的條件下，經過本發明實施例的導頻序列優化設計方法優化後的導頻序列與隨機導頻矩陣相比較，誤碼率明顯降低；或者，在誤碼率相同的情況下所需導頻序列的長度更短，從而可以實現提高M2M通信系統中多用戶接入檢測和信道聯合估計的精確度。

本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種稀疏型M2M通信系統的示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種對矩陣Q進行導頻優化設計得出最優的導頻矩陣Popti的流程圖；

圖3為本發明實施例提供的一種導頻序列檢測的原理示意圖；

圖4為本發明實施例提供的一種信噪比和誤碼率的對比示意圖(Pa＝0.03，PL＝48)；

圖5為本發明實施例提供的一種導頻長度和誤碼率的對比示意圖(SNR＝8，Pa＝0.04)；

圖6為本發明實施例提供的一種導頻長度和誤碼率的對比示意圖(SNR＝16，Pa＝0.04)。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。

本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這裡使用的單數形式「一」、「一個」、「所述」和「該」也可包括複數形式。應該進一步理解的是，本發明的說明書中使用的措辭「包括」是指存在所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或組件，但是並不排除存在或添加一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當我們稱元件被「連接」或「耦接」到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這裡使用的「連接」或「耦接」可以包括無線連接或耦接。這裡使用的措辭「和/或」包括一個或更多個相關聯的列出項的任一單元和全部組合。

本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這裡使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非像這裡一樣定義，不會用理想化或過於正式的含義來解釋。

為便於對本發明實施例的理解，下面將結合附圖以幾個具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個實施例並不構成對本發明實施例的限定。

本發明實施例提出了一種應用在M2M通信系統中的多用戶接入檢測和信道聯合估計的導頻序列優化設計方法，可以減少導頻資源的開銷，並且提高多用戶接入檢測和信道聯合估計的精確度。

本發明實施例提供的一種稀疏型M2M通信系統的示意圖如圖1所示，在該稀疏型M2M通信系統中共有K個用戶節點，同一時刻該系統中僅有A個用戶需要向基站發送數據，也就是用戶的活躍概率活躍用戶發送各自的導頻，基站通過壓縮感知算法進行多用戶接入檢測和信道聯合估計。然後基站將估計出來的信道狀態信息用於估計用戶後續傳輸的數據。

本發明提供了一種基於壓縮感知的M2M通信系統中多用戶接入檢測和信道聯合估計的導頻優化設計方法，包括以下幾個步驟：

步驟1、根據系統所採用的調製方案，確定用戶k的初始導頻序列pk。

1、確定系統所採用的調製方案所對應的星座點集合A，例如BPSK(Binary Phase Shift Keying，雙相移相鍵控)調製方案的Λ為[+1，-1]，QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移鍵控)調製方案的Λ為[1+i，1-i，-1+i，-1-i]，或採用其他的調製方案也可。

2、從星座點集合Λ中可重複隨機挑選出N個元素組成第k個用戶的初始導頻序列pk∈ΛN，依次生成出所有用戶節點的初始導頻序列。

3、將所有用戶節點的初始導頻序列組合成一個初始導頻矩陣P＝[p1，p2，...，pK]∈ΛN×K。

步驟2、對初始導頻矩陣P進行複數域到實數域的變換，得到矩陣Q。對矩陣Q採用基於SVD分解的優化算法進行優化，得到優化後的導頻矩陣Popti。

由於星座點集合Λ中的元素是複數，所以矩陣P中的元素也是複數，因此，本發明定義一種將矩陣從複數域轉換為實數域的函數f(·)，則有其中Pr表示矩陣P的實部，Pi表示矩陣P的虛部。採用本發明提出的基於奇異值分解(Singular value decomposition,SVD)的導頻序列優化方法，對矩陣Q進行優化，得出最優的導頻矩陣Popti。

圖2為本發明實施例提供的一種對矩陣Q進行導頻優化設計得出最優的導頻矩陣Popti的流程圖，具體處理過程包括：

①對初始導頻矩陣P從複數域變換為實數域，得到2N×2K維實數矩陣

②對矩陣Q進行列歸一化，得到

③初始集合Ω為空集；初始長度為K的向量w，向量w的第j個元素為與其它列的相關性平方和加上與其它列的相關性平方和；初始長度為K的數組Г，數組Г的元素依次為向量w元素從大到小排列的序號。令j＝Г(1)，其中Γ(1)為數組的第1個元素。

④將元素j加入集合Ω。用2N×(2K-2)維矩陣表示中除去和後剩下的矩陣，對進行SVD分解，得則選取酉矩陣V中的最後一列Vend更新令ρ表示調製符號集合的平均能量，則更新為

⑤更新導頻向量pj實部的值為的前N個元素，更新導頻向量pj虛部的值為的後N個元素；更新pj的每個元素為距離該元素最近的星座點，依據步驟①和②更新

⑥定義長度為K的向量向量的第j個元素為與其它列的相關性平方和加上與其它列的相關性平方和；定義長度為K的數組數組元素依次為向量元素從大到小排列的序號。

⑦令t＝1。

⑧如果令j＝t，令跳到步驟④；如果並且令j＝t，令跳到步驟④；如果並且Γ(t)∈Ω，令t＝t+1；

⑨如果t≤K重複步驟⑧；如果t＞K，則停止迭代，得到最優的導頻矩陣Popti。

步驟3：利用優化後的導頻矩陣Popti對M2M通信系統中多用戶接入進行檢測和信道聯合估計，並利用信道估計結果對用戶發送信息進行恢復。

本發明實施例提供的一種導頻序列檢測的原理示意圖如圖3所示，包括如下的處理過程；

①用戶節點i所對應的信道衝擊響應為其中Lh表示該離散信道的抽頭時延總個數。那麼在接收端接收的導頻序列的觀測結果為

其中表示優化後的用戶節點i的導頻,*表示卷積，n表示加性高斯白噪聲；

②根據矩陣卷積變換，將式(4)進行變換得

其中表示向量的卷積矩陣。因此由式(5)可以進一步得到

yp＝Aph+n (9)

其中表示導頻卷積矩陣的集合，而表示所有用戶節點的信道衝擊響應的集合。

③由於非活躍用戶的信道信息被視為零元素，並且用戶的活躍率Pa＜＜1，所以h是一個稀疏向量，因此式(6)可以使用壓縮感知重構信號算法，如組正交匹配追蹤算法(Group Orthogonal Matching Pursuit，GOMP)或者組最小絕對收縮和選擇算法(Group least absolute shrinkage and selection operator，Group Lasso)，對該式進行求解。

本發明提出的基於SVD分解導頻序列優化算法在每輪迭代求解的過程中，得出的結果不是導頻序列，而是並不滿足調製方案星座點集合約束的實數向量，應先將向量轉換到複數域，再根據距離選擇與其最接近的星座點作為新的導頻序列的元素。

綜上所述，本發明實施例提出了一種對由星座點元素組成的多用戶導頻序列進行優化的設計方法，從圖4中可以看出，在不同的信噪比的條件下，經過本發明的導頻序列優化設計方法優化後的導頻序列與隨機導頻矩陣相比較，誤碼率明顯降低。從圖5和圖6中可以看出，在低信噪比(8dB)和高信噪比(16dB)的情況中，使用本發明的導頻序列優化設計方法後，在導頻長度相同的情況下誤碼率明顯降低，或者說在誤碼率相同的情況下所需導頻序列的長度更短。從而可以實現提高M2M通信系統中多用戶接入檢測和信道聯合估計的精確度。

通常情況下，信道估計中的導頻序列都是使用的隨機生成的序列，本發明結合壓縮感知技術，並且考慮到導頻序列受調製信號集合元素的元素，對M2M通信系統中由隨機生成的導頻序列組成的導頻矩陣進行了基於SVD分解的優化，使得優化後的導頻矩陣能夠在不同的情況下提高多用戶接入檢測和信道聯合估計的精確度。

本領域普通技術人員可以理解：附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程並不一定是實施本發明所必須的。

通過以上的實施方式的描述可知，本領域的技術人員可以清楚地了解到本發明可藉助軟體加必需的通用硬體平臺的方式來實現。基於這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分可以以軟體產品的形式體現出來，該計算機軟體產品可以存儲在存儲介質中，如ROM/RAM、磁碟、光碟等，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，伺服器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例或者實施例的某些部分所述的方法。

本說明書中的各個實施例均採用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對於裝置或系統實施例而言，由於其基本相似於方法實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所描述的裝置及系統實施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位於一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現本實施例方案的目的。本領域普通技術人員在不付出創造性勞動的情況下，即可以理解並實施。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。