[发明专利]一种提高频谱利用率的无线通信系统的设计方法

摘要

一种提高频谱利用率的无线通信系统的设计方法，由源信号、信道、DSP分离系统和输出信号组成。N路未知源信号通过无线信道后，由M个天线接收混合信号，混合信号由DSP分离系统进行分离，恢复出源信号，实现无线通信。DSP分离系统是此系统的核心部分，它通过时频分析估计出源信号的数目和信道矩阵，然后判断源信号数目N与接收天线数目M之间的关系，根据不同的关系选择不同的分离算法或者估计算法。本发明系统能进一步提高频谱利用率，放宽对信号时隙、频率、码字等的限制，实现系统对用户或目标的灵活接入。

主权项

一种提高频谱利用率的无线通信系统的设计方法，其特征是源信号数目N未知，接收天线线性均匀排列，设定A)源信号空间时频分布矩阵存在单源点；B)信道矩阵的任意两个列矢量线性独立；源信号通过无线信道后，由M个天线接收混合信号，混合信号由DSP分离系统进行分离，恢复出源信号，其中DSP分离系统进行时频分析，首先求取混合信号的空间时频分布STFD矩阵，筛选出特殊的时频点，所述特殊的时频点处的STFD矩阵仅有一个对角元素非零，其余元素均为零，这些时频点为单源点，单源点上的能量由一路源信号形成，其他的源信号的贡献为零，所有单源点对应的波达角呈现直线聚类特性，通过峰值检测和聚类算法估计出聚类中心的数量和方向，即为源信号的数目和波达角的值，由此得到源信号数目和信道矩阵，根据源信号的数目和接收天线的数目的关系选择相应的恢复算法，恢复出源信号，实现无线通信；具体为：s(t)＝(s1(t),s2(t),…,sN(t))T为N路源信号组成的矢量，x(t)＝(x1(t),x2(t),…,xM(t))T为M路混合信号组成的矢量，其中t＝1,2,…,TS，TS为通信信号的持续时间，源信号矩阵S＝[s(1),s(2),…,s(TS)]，混合信号矩阵X＝[x(1),x(2),…,x(TS)]，接收天线为M个阵元组成的直线型线性均匀天线阵，设θ1,θ2,…,θN分别为N路源信号的波达角，则天线阵接收的混合信号表示如下：X＝AS     (1)其中为信道矩阵，具有范德蒙德结构，有如下形式：A=11...1e-jπsin(θ1)e-jπsin(θ2)...e-jπsin(θN)............e-jπ(M-1)sin(θ1)e-jπ(M-1)sin(θ2)...e-jπ(M-1)sin(θN)---(2)]]>采用线性时频变换和二次时频分布相结合的方法来进行时频分析，并根据通信环境的实际情况选择二次时频分布的类型，以保证源信号在时频域具有稀疏性，DSP分离系统的处理具体步骤为：1)根据二次时频分布类型，求混合信号的空间时频分布矩阵，即STFD矩阵，对噪声点进行去除：对源信号矢量s(t)＝(s1(t),s2(t),…,sN(t))T，其STFD矩阵Ws(t,f)为：Ws(t,f)=ρs1s1(t,f)ρs1s2(t,f)...ρs1sN(t,f)ρs2s1(t,f)ρs2s2(t,f)...ρs2sN(t,f)............ρsNs1(t,f)ρsNs2...ρsNsN(t,f)]]>其中ρsn,sn(t,f)=∫-∞+∞sn*(t-τ2)sn(t+τ2)e-j2πfτdτ]]>ρsn,sw(t,f)=∫-∞+∞sn*(t-τ2)sw(t+τ2)e-j2πfτdτ,n=1,2,...,N,w=1,2,...,N,n≠w,]]>为源信号的自wigner‑ville分布，为源信号的互wigner‑ville分布,τ为积分变量；混合信号的STFD矩阵：Wx(t,f)=AWs(t,f)AH=ρx1x1(t,f)ρx1x2(t,f)...ρx1xM(t,f)ρx2x1(t,f)ρx2x2(t,f)...ρx2xM(t,f)............ρxMx1(t,f)ρxMx2(t,f)...ρxMxM(t,f)]]>降噪方法如下：设时频点(tα,fβ)为噪声点，则有：||Wx(tα,fβ)||maxf||Wx(tα,f)||≤ϵ1---(3)]]>其中||.||表示F‑范数，ε1为接近于0的正阈值，maxf||Wx(tα,f)||表示对时间tα选择混合矢量的STFD矩阵的F‑范数在所有频点f中的最大值，如果时频点满足公式(3)噪声点的条件，则将其去除；2)单源点筛选：通过分析混合信号的STFD矩阵来间接的分析源信号的STFD矩阵，依次通过两个筛选定理来对单源点进行筛选：定理1：如果时频点(t,f)属于单源点域，则满足：Σi,j=1i≠jM|ρxixi(t,f)-ρxjxj(t,f)|≤ϵ2---(4)]]>其中|·|表示实数的绝对值或者复数的模值，ε2为接近于零的正阈值，若此点(t,f)为第n个源信号的单源点，则此时第n个信号的波达角为：θn(t,f)=arcsin(1-π(m-k)angle(ρxmxk(t,f)))---(5)]]>其中m,k∈{1,2,…,M}；定理2：如果时频点(t,f)属于单源点域，则满足：Σi,j=1i≠jM|ρxixiMWV(t,f)ρxjxjMWV(t,f)-ρLSPEC(t,f)ρxjSPEC(t,f)|≤ϵ3---(6)]]>其中ε3为接近于零的正阈值，为一种降低交叉项干扰的时频分布，为第i路混合信号xi(t)的谱图，谱图指xi(t)的短时傅里叶变换的模值的平方，即ρxiSPEC(t,f)=|∫-∞∞xi(τ)γ*(τ-t)e-j2πfτdτ|2]]>其中*表示取共轭,γ(t)为窗函数；对时频点先经定理1进行初选，初选结果再经定理2进行再选，得到单源点；3)峰值检测和聚类算法：筛选出单源点后，计算出波达角，所有单源点对应的波达角呈现直线聚类特性，通过峰值检测和聚类算法估计出聚类中心的数量和方向，即为源信号的数目和波达角的值，再通过波达角计算出信道矩阵；4)通过上述步骤估计出源信号的数目N和信道矩阵A，根据源信号的数目N和接收天线的数目M的关系选择相应的恢复算法恢复源信号。