CN105635025B - Noma上行链路的多用户混合载波方法 - Google Patents

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Abstract

NOMA上行链路的多用户混合载波方法，涉及一种多用户混合载波技术。本发明是为了提高系统上行链路的频谱效率。本发明是一种多用户的混合载波传输方案，基于4‑WFRFT的混合载波系统上行链路中，使用NOMA及SIC消除多址干扰的方案来提高系统上行链路的频谱效率。本发明适用于NOMA上行链路的信号传输场合。

Description

NOMA上行链路的多用户混合载波方法
技术领域
本发明涉及一种多用户混合载波技术。
背景技术
区别于传统正交的OFDMA、SC-FDMA、TDMA等多址技术，基于功率域叠加的非正交多址(NOMA)技术并没有在传统的时、频域对不同用户进行资源划分。NOMA是在相同的时频资源上，利用不同用户间信号能量的差异、采用逐一检测的方式进行多用户区分的。NOMA技术的核心思想正是利用了CDMA系统中所极力避免的远近效应来区分用户。
现有NOMA技术中不同用户默认采用相同的载波体制和抗干扰技术，并没有考虑不同载波体制在现实环境中所受远近效应及信道衰落的影响。例如，OFDM技术受PAPR问题及功率放大器性能制约，最大发射功率受到限制，在通信距离较远时性能可能会受到较大影响。针对上述不足，本专利提出在现有NOMA系统中引入基于WFRFT的混合载波体制，利用混合载波技术在单链路传输中的技术特点，以及其BER、PAPR等性能可以通过WFRFT参数灵活控制的特点，在NOMA系统的不同用户中采用更加灵活、多样的调制方式，以期通过后续的参数优化和技术选择策略，提高现有NOMA技术在现实环境下的性能。
文献1(梅林，沙学军，张乃通于2010公开的《The Approach to Carrier SchemeConvergence Based on 4-Weighted Fractional Fourier Transform》)中指出，基于WFRFT的数字基带信号具有混合单载波和多载波信号的特点，通过与不同技术结合，这种混合载波信号可以在不同类型干扰信道下(特别是时间-频率双选择性衰落信道)取得较单载波和多载波系统更好的误码率性能，见文献2-6：
文献2：沙学军，邱昕，梅林于2012年公开的《Hybrid Carrier CDMACommunication System Based on Weighted-type Fractional Fourier Transform》；
文献3：王焜，沙学军，梅林，邱昕于2012公开的《Performance Analysis ofHybrid Carrier System with MMSE Equalization over Doubly-DispersiveChannels》；
文献4：王焜，沙学军，梅林于2012公开的《On Interference Suppression inDoubly-Dispersive Channels with Hybrid Single-Multi Carrier Modulation and anMMSE Iterative Equalizer》；
文献5：李勇，沙学军，王焜于2013年公开的《Hybrid Carrier Communicationwith Partial FFT Demodulation over Underwater Acoustic Channels》；
文献6：梅林，张钦宇，沙学军，张乃通于2013年公开的《WFRFT Precoding forNarrowband Interference Suppression in DFT-Based Block Transmission Systems》；
而针对WFRFT参数的选取问题，文献6与文献7分别针对双选信道和窄带干扰信道提出了不同的方法。
上述文献的关注重点都集中在系统的误码率特性，文献8(申请号为201310556456.1，名称为《一种场强驱动型单载波-多载波融合的信号传输方法》)则提出了另一种不同的思路。由于不同载波体制的峰均功率比特性不同，受功率放大器性能制约，在相同设备下不同载波体制会有不同的有效通信距离，即覆盖范围不同。因而，文献8提出了一种根据通信距离不同而进行载波体制切换(即WFRFT参数选择)的具体方法，以实现系统吞吐量与覆盖范围的平衡。
文献8是针对单用户所提出的技术，并没有考虑多用户的情况，而现有NOMA相关研究及资料并没有讨论不同用户载波体制的内容公开。
文献8公开了一种场强驱动型单载波-多载波融合的信号传输方法，它是通过将信道状态信息、接收机位置信息反馈给发射机和接收机，并根据所反馈的信息和后述算法流程调整加权分数傅立叶变换参数和数字基带映射方式，即载波体制和调制方式的自适应调整，以实现系统在覆盖范围和系统吞吐量之间的平衡,最大化系统功效。但文献8是一种针对单用户的混合载波传输方案，并不是一种多用户技术。
发明内容
本发明是为了提高系统上行链路的频谱效率，从而提供一种NOMA上行链路的多用户混合载波方法。
NOMA上行链路的多用户混合载波方法，它包括以下步骤：
步骤一、N个用户分别对离散时间信号进行数字基带映射处理，分别得到数据其中上角标1～N表示用户序号、n表示用户的数据序号；N为大于1的整数；n为正整数；
步骤二、将步骤一得到的N个用户的基带映射信号分别经过预设的α1,α2,α3…αN阶4-WFRFT变换，得到经N点4-WFRFT调制后的离散时间信号Y(n)；
然后依次对该N点4-WFRFT调制后的离散时间信号Y(n)进行插入循环前缀、D/A变换后发射至信道；
步骤三、接收端接收到N个通过信道后的用户叠加信号，依次进行A/D变换和去循环前缀处理，获得处理后的数据；
步骤四、对步骤三处理后的数据做-α1阶的4-WFRFT变换，再经基带反映射，解调出用户1数据；
步骤五、对步骤四解调出的用户1数据依次进行再做基带映射及α1阶的4-WFRFT变换，获得变换后数据；
步骤六、将步骤三中获得的数据与步骤五获得的数据相减，得到去除用户1数据后的总数据；令i的初始值为2；
步骤七、对当前总数据依次做-αi阶的4-WFRFT变换和基带反映射，解调出用户i的数据；
步骤八、对步骤七中解调出的用户i的数据再进行基带映射和αi阶的4-WFRFT变换；
步骤九、将当前数据与步骤八得到的数据相减，获得去除前i个用户数据后的总数据；
步骤十、令i的值加1，并判断i的值是否小于等于N，如果判断结果为是，则返回执行步骤七；如果判断结果为否，则结束。
本发明大幅度提高了系统上行链路的频谱效率。
附图说明
图1是基于4-WFRFT系统的多用户NOMA上行链路示意图；
图2是基站接收到N个同频用户的功率差异示意图；
图3是混合载波系统上行链路多用户NOMA实现结构示意图；
图4是NOMA上行链路中多用户混合载波传输方法示意图；
图5是具体实施方式一中所述的系统容量对比图；
图6是混合载波系统上行链路多用户NOMA实现结构示意图；
图7是具体实施方式一中所述的两用户不同变换阶数时的NOMA上行频谱效率对比示意图；
图8是具体实施方式一中所述的两用户相同变换阶数时的NOMA上行频谱效率对比示意图；
具体实施方式
具体实施方式一、NOMA上行链路的多用户混合载波方法，它包括以下步骤：
步骤一、N个用户分别对离散时间信号进行数字基带映射处理，分别得到数据其中上角标1～N表示用户序号、n表示用户的数据序号；N为大于1的整数；n为正整数；
步骤二、将步骤一得到的N个用户的基带映射信号分别经过预设的α1,α2,α3…αN阶4-WFRFT变换，得到经N点4-WFRFT调制后的离散时间信号Y(n)；
然后依次对该N点4-WFRFT调制后的离散时间信号Y(n)进行插入循环前缀、D/A变换后发射至信道；
步骤三、接收端接收到N个通过信道后的用户叠加信号，依次进行A/D变换和去循环前缀处理，获得处理后的数据；
步骤四、对步骤三处理后的数据做-α1阶的4-WFRFT变换，再经基带反映射，解调出用户1数据；
步骤五、对步骤四解调出的用户1数据依次进行再做基带映射及α1阶的4-WFRFT变换，获得变换后数据；
步骤六、将步骤三中获得的数据与步骤五获得的数据相减，得到去除用户1数据后的总数据；令i的初始值为2；
步骤七、对当前总数据依次做-αi阶的4-WFRFT变换和基带反映射，解调出用户i的数据；
步骤八、对步骤七中解调出的用户i的数据再进行基带映射和αi阶的4-WFRFT变换；
步骤九、将当前数据与步骤八得到的数据相减，获得去除前i个用户数据后的总数据；
步骤十、令i的值加1，并判断i的值是否小于等于N，如果判断结果为是，则返回执行步骤七；如果判断结果为否，则结束。
文献8是一种针对单用户的混合载波传输方案，而本专利则通过NOMA技术提高混合载波系统用户接入数量与系统容量，是一种多用户技术。
本发明所要解决的技术问题：
本发明是在基于4-WFRFT的混合载波系统上行链路中，使用NOMA及SIC消除多址干扰的方案来提高系统上行链路的频谱效率。
本发明中缩略语和关键术语定义：
WFRFT：Weighted-type fractional Fourier transform，加权分数傅立叶变换；
NOMA：Non-Orthogonal Multiple Access，非正交多址；
SIC：Successive interference canceller，连续干扰消除；
OMA：Orthogonal Multiple Access，正交多址；
MAI：Multiple Access Interference，多址干扰；
本发明用到的数学工具是加权分数傅立叶变换(WFRFT)：
离散时间信号X0(n)的α阶4-WFRFT：
Y(n)＝Fα[X0(n)]＝ω0(α)X0(n)+ω1(α)X1(n)+ω2(α)X2(n)+ω3(α)X3(n) (1)
其中[X0(n),X1(n),X2(n),X3(n)]分别是X0(n)的0～3次离散傅里叶变换(DiscreteFourier Transform,DFT)，DFT采用式(2)所示进行计算。
使用的加权系数定义式为：
假设4-WFRFT系统使用块传输，Y(n)是一组基带映射信号经过4-WFRFT后的离散时间信号。
假设在基于4-WFRFT的混合载波系统上行链路中有N(N≥2)个用户被分配使用同一时频资源，如图1所示。假设所有用户信号发射功率相同，为了描述方便，按照基站接收到N个用户信号功率(Pr)大小对用户进行编号排序，如式(4)所示：
Pr1>Pr2>Pr3>Pr4>…>PrN
其中Pr1、Pr2、Pr3分别表示基站接收到的用户1、用户2、用户3的信号功率。图2给出了在混合载波系统中基站接收到N个用户的不同功率示意图。在同一时刻，N个用户使用相同的子载波传输，主要由于N个用户与基站距离(大尺度衰落)的差异，造成信号到达基站的功率值不同。基站利用接收到不同用户的功率差，采用SIC方法，先对接收到功率最大的用户1的数据先解调，再从接收到的总信号中去除用户1对其他用户造成的多址干扰(Multiple Access Interference,MAI)，再对用户2解码，同理再从接受到的总信号中去除已经解调出的用户1和用户2的数据，再对用户3进行解码，依次类推下去，解调出所有用户数据。
本发明的应用场景：
本发明应用在NOMA上行链路中。
1)、当上行链路中基站接收到多个用户功率值大小有差异，可以使用该发明提高系统总体吞吐率与用户连接总数。
2)、当小区内有物联网设备通过小区基站接入移动互联网时，由于物联网数据传输的特点是需要传输的数据量少且间断性发送，这时可以应用该发明，将同一时频资源可以分配给一个用户和多个物理网中的设备。这样既可以解决物联网设备连接数量大的接入难题，也可以提高用户系统的总体吞入率。
本发明的要点：在NOMA上行链路中，采用基于WFRFT的混合载波通信技术，使不同用户可以使用不同载波体制在相同的时、空、频资源上进行通信。
本发明的有益效果：
为了说明方便，下面对混合载波系统中两个用户使用相同时/频资源的NOMA上行链路进行仿真验证。下面从两个角度(信道容量和系统吞吐率)对该发明的有益效果进行说明。
信道容量：
对于上行信道,假设每个移动用户有且只有一个相同的功率放大器(PowerAmplifier,PA)。PA采用功率回退(back-off)方法来减少PA造成的信号非线性失真，因此经过PA后，信号平均发射功率Pt[dBm]为：
Pt＝Pmax-Ppapr
其中，Pmax是PA输出信号的最大功率，Ppapr是进入PA信号的峰均功率比(PAPR)，应注意的是式中变量Pt和Pmax均用dBm表示；Ppapr用dB表示。并设定移动端PA输出的最大功率是30dBm(1000mw)。
接收信号可以表示为Pr[dBm]：
其中Pt是式(5)中的发射功率，d是移动端与基站距离，d0是参考距离。式(6)中第二部分是自由空间电磁损耗，第三部分是传播损耗。当载波是2GHz，λ和d0分别是0.15m和100m。
对于AWGN信道上行链路，如果两个用户平均发射功率为Pt1和Pt2(mW),基站接收到两个用户平均信号功率为Pr1和Pr2(mW)。则可以得到基站接收到的信号总功率为：
Pr-all＝Pr1+Pr2+NP
其中，NP是系统的AWGN总功率。
单用户信道容量(单位带宽，对带宽归一化)可以表示为(bit/s/Hz)：
若假设两个用户均是AWGN信道，并且用户1距离基站较近，用户2距离基站较远(Pr1>Pr2)，在基站采用串行干扰消除方法，对接收到功率较大的用户1的数据先解调(假设对用户1数据可以理想解调)，再从接收到的总信号中去除用户1对用户2造成的多址干扰，并对用户2解码。两个用户的信道容量为(bit/s/Hz)：
由式(5)和(6)可得，
其中，Ppapr1[dB]和Ppapr2[dB]分别是用户1和用户2信号的峰均功率比，d1和d2分别是用户1和用户2与基站的距离。
若假设系统中AWGN功率NP＝-103[dBm]；Pmax＝30dBm；Ppapr1＝12.1[dB]；Ppapr2＝12.1[dB]；近用户与基站距离为500m；远用户与基站距离设为550—1500m。假设载波是2GHz，则λ和d0分别是0.15m和100m。
通过计算得到系统信道容量如图5所示，从图中可以看出在混合载波上行链路中，两个用户同时使用相同子载波的NOMA系统总容量要高于不使用NOMA单用户的情况。
系统频谱效率(AWGN信道)：
计算信道容量的时假设用户1是“理想”解调，但是在实际系统中用户1是有解调错误的，这也会给用户2的解调带来“干扰”，影响用户2的可靠性。如图6所示，是混合载波系统两用户上行NOMA的实现框图。根据该实现框图对上行链路的系统频谱效率进行仿真，对比OMA与NOMA的系统频谱效率。
仿真条件：
表1：用户1与用户2的仿真条件
用户序号 2
小区尺寸 1500m
传输策略 HC HC
载波频率 2GHz
子载波间距 19.53kHz
系统带宽 5MHz
FFT点数 128
传播常数 3.8
噪声功率谱密度 -170dBm/Hz
用户1PAPR 12.1dB
用户2PAPR 12.1dB
传输功率 30dBm
用户1与基站的距离 500m
用户2与基站的距离 550～1500m
基带映射 QPSK
信道 AWGN
α1(用户1) 0.4,0.5
α2(用户2) 0.5,0.8
由仿真结果图7可以看出，用户1(α1＝0.4)与用户2(α1＝0.8)的频谱效率和要高于单用户(OMA)的情况。由于基带使用QPSK映射，这使得单用户(OMA)的频谱效率最高为2bit/s/Hz，而使用NOMA的混合载波系统的频谱效率要高于2bit/s/Hz。
图8是两个用户使用相同变换阶数的情况，可以看出，当两个用户使用相同变换阶数时，用户1对用户2的多址干扰影响更小，用户2的误码率更小。这样两个用户的总频谱效率要高于不同变换阶数的情况。因此，当使用同一时频资源的用户要将发送的数据通过相同变换阶数的4-WFRFT时，用户间的多址干扰影响最小。
接收机算法对系统性能影响至关重要，如果采用迭代多用户检测算法可以显著提高系统性能，所付出的是系统复杂度和处理时延的代价，但这些代价在上行链路中是可以接受的。因而，虽然不同用户采用相同的WFRFT参数可以获得最大的理论系统容量，但考虑到峰均功率比、覆盖范围等其他因素，采用本发明提出的技术，更容易获得不同系统指标之间的平衡。进而，可以提高系统优化的灵活性和系统在不同场景下的适应性。
本发明不止可以使用在基于4-WFRFT的混合载波蜂窝系统上行链路中，也可考虑应用在物联网系统上行链路中。

Claims (2)

1.一种NOMA上行链路的多用户混合载波方法，其特征是：它包括以下步骤：
步骤一、N个用户分别对离散时间信号进行数字基带映射处理，分别得到数据其中上角标1～N表示用户序号、n表示用户的数据序号；N为大于1的整数；n为正整数；
步骤二、将步骤一得到的N个用户的基带映射信号分别经过预设的α1，α2，α3...αN阶4-WFRFT变换，得到经N点4-WFRFT调制后的离散时间信号Y(n)；
然后依次对该N点4-WFRFT调制后的离散时间信号Y(n)进行插入循环前缀、D/A变换后发射至信道；
步骤三、接收端接收到N个通过信道后的用户叠加信号，依次进行A/D变换和去循环前缀处理，获得处理后的数据；
步骤四、对步骤三处理后的数据做-α1阶的4-WFRFT变换，再经基带反映射，解调出用户1数据；
步骤五、对步骤四解调出的用户1数据依次进行再做基带映射及α1阶的4-WFRFT变换，获得变换后数据；
步骤六、将步骤三中获得的数据与步骤五获得的数据相减，得到去除用户1数据后的总数据；令i的初始值为2；
步骤七、对当前总数据依次做-αi阶的4-WFRFT变换和基带反映射，解调出用户i的数据；
步骤八、对步骤七中解调出的用户i的数据再进行基带映射和αi阶的4-WFRFT变换；
步骤九、将当前数据与步骤八得到的数据相减，获得去除前i个用户数据后的总数据；
步骤十、令i的值加1，并判断i的值是否小于等于N，如果判断结果为是，则返回执行步骤七；如果判断结果为否，则结束。
2.根据权利要求1所述的NOMA上行链路的多用户混合载波方法，其特征在于，不同用户能够使用不同载波体制在相同的时、空、频资源上进行通信。
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