CN104811289A - 联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法 - Google Patents

联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法，包括：根据覆盖范围内的用户的信道质量和需求，对多个用户进行分组并确定分配给每组用户的信道资源的比例；根据分配给每组用户信道资源的比例，将物理层信道资源进行正交分割，以得到多个符号层次的物理层子信道，其中，每个符号层次的物理层子信道用于传输一组用户的信号；根据每组内的用户的信道质量和需求，在对应的物理层子信道中，组内用户各自采用基站指定的模式在相应的物理层子信道上进行信号发送。本发明实施例的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法能够克服传统正交多址接入与多用户传输容量界差距较大的问题，并具有实现复杂度低、降低用户接收延时的优点。

Description

联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法
技术领域
本发明涉及数字信息传输的上行多址接入技术领域，特别涉及一种联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法。
背景技术
典型无线数字通信系统中，基站接收端需要和覆盖范围内的多个上行用户进行通信，需要解决上行多址接入信道下大规模用户的传输问题。为了最大化系统的传输率，叠加编码(Superposition Coding，SC)技术是最优的，但是这时基站接收端需要在多个用户信号互相干扰的条件下联合或依次解调所有用户叠加的信号。
在面向大规模用户的上行正交接入系统中，通常采用在典型用户信噪比(多个用户的联合信噪比)分布情况下的系统极限吞吐率(多个用户的联合可达速率域)进行评估。即对于给定的用户信噪比分布，假设所有用户均工作在基站指定的模式下，以此时的系统吞吐率作为评价该系统的标准。
为了实现最优的传输性能，接收端通常采用叠加编码的一种解调解码方式，串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)技术。SIC需要解调解码出某一个用户的信号，才能解调解码出第二个用户的信号，依此类推。SIC使得终端算法实现、导频设计、信道估计和系统调度复杂度随用户数增加而急剧上升；同时采用SIC会造成接收延时和误码扩散；综合考虑所有用户的SC，当接入用户数目很多时，SC性能提升的效果逐渐变小，但是SC解码复杂度却迅速上升。
同时译码(Simultaneous Decoding,SD)，又称联合译码(Joint Decoding，JD)，是叠加编码的另一种解调解码方式，也可以实现最优的传输性能。相比于SIC技术，同时译码不需要依次解出每个用户的信息，而是采用联合译码的方式，经过迭代，可以同时解调出所有用户的信息。所以，SD技术不存在SIC接收延时和误码扩散的缺点，但当叠加用户数量较大时，SD的实现复杂度依然很高。
上行多址信道下传统的多用户传输方案广泛采用正交多址接入技术，典型的正交多址接入技术包括：时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)、频分多址接入(Frequency Division Multiple Access，FDMA)和正交频分多址接入(Orthogonal FrequencyDivision Multiple Access，OFDMA)等。本质上，正交多址接入是在离散基带等效信道模型的符号层次对物理层信道资源进行正交分割的方法。以TDMA为例，TDMA为每个用户分配一段时间资源(即一段传输时间对应的符号资源)，用于传输该上行用户的信号。正交多址接入技术实现简单、灵活，但是采用正交多址接入技术时多用户传输的容量域上界，距离采用最优技术SC时的多用户的容量域上界差距较大，即多用户联合可达传输速率损失较大。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法。该方法能够克服传统正交多址接入与多用户传输容量界差距较大的问题，并具有实现复杂度低、降低用户接收延时的优点。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法，包括以下步骤：根据覆盖范围内的用户的信道质量和需求，对多个用户进行分组并确定分配给每组用户的信道资源的比例；根据分配给所述每组用户信道资源的比例，将物理层信道资源进行正交分割，以得到多个符号层次的物理层子信道，其中，每个符号层次的物理层子信道用于传输一组用户的信号；根据每组内的用户的信道质量和需求，在对应的物理层子信道中，组内用户各自采用基站指定的模式在相应的物理层子信道上进行信号发送。
根据本发明实施例的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法，通过将用户分组，极大地减小了单位信道资源上叠加用户数，在接收端可以使用复杂度适中的SIC或SD解码算法。同时相比正交接入可以更加接近多用户传输的容量域上界，克服传统正交多址接入与多用户传输容量界差距较大的问题，并具有实现复杂度低、降低用户接收延时的优点。
另外，根据本发明上述实施例的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述根据覆盖范围内的用户的信道质量和需求，对多个用户进行分组并确定分配给每组用户的信道资源的比例，进一步包括：根据覆盖范围内的用户的信道质量和需求，对用户分组方式进行优化并确定每组信道资源的比例。
在一些示例中，所述根据覆盖范围内的用户的信道质量和需求，对多个用户进行分组并确定分配给每组用户的信道资源的比例，进一步包括：根据覆盖范围内的用户的信道质量和需求，对多个用户进行用户分组并确定每组信道资源的比例。
在一些示例中，所述根据每组内的用户的信道质量和需求，在对应的物理层子信道中，组内用户各自采用基站指定的模式在相应的物理层子信道上进行信号发送，进一步包括：当组内用户的数量大于1时，使用面向串行干扰消除的编码调制模式或者使用面向联合译码的编码调制模式在相应的物理层子信道上进行信号发送；当组内用户的数量等于1时，使用面向单用户传输的编码调制模式在相应的物理层子信道上进行信号发送。
在一些示例中，所述用户的需求包括用户传输率要求。
在一些示例中，所述每组用户的信道资源的比例为用于传输每组用户信号的符号占总符号的比例，其中符号指离散基带信道等效模型的离散符号，是信道资源的基本单位。
在一些示例中，单个组内用户数量的最大值是根据编码调制模式和接收机实现的复杂度确定的。
在一些示例中，所述将物理层信道资源进行正交分割，包括：设定每组信道资源的比例，其中，每组信道资源的比例为βi(0<βi<1，1≤i≤N，β1+...+βN＝1)，(N为整数，N>1)；将比例为βi的符号归属为一个符号层次的物理层子信道，同时将用户分为N组，每组用户对应于一个符号层次的物理层子信道。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法的流程图；
图2是应用本发明实施例的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法的理想吞吐率与应用传统的TDMA的吞吐量的比对图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中标出，其中相同或者类似的标号表示相同或者类似的原件或具有相同功能的原件。
以下结合附图描述根据本发明实施例的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法。
图1是根据本发明一个实施例的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法的流程图。如图1所示，根据本发明一个实施例的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法，包括如下步骤：
步骤S101：根据覆盖范围内的用户的信道质量和需求，对多个用户进行分组并确定分配给每组用户的信道资源的比例。在本发明的一个实施例中用户的需求包括但不限于用户传输率要求。
具体而言，可以根据覆盖范围内的多个用户的信道质量和需求，对用户分组进行优化并确定每组信道资源的比例。当然，还可以根据覆盖范围内的用户的信道质量和需求，对多个用户进行用户分组并确定每组信道资源的比例。
在以上描述中，每组用户的信道资源的比例指用于传输每组用户信号的符号占总符号的比例，其中符号指离散基带信道等效模型的离散符号，是信道资源的基本单位。
步骤S102：根据分配给每组用户信道资源的比例，将物理层信道资源进行正交分割，以得到多个符号层次的物理层子信道，其中，每个符号层次的物理层子信道用于传输一组用户的信号。
在本发明的一个实施例中，将物理层信道资源进行正交分割，可以采用如下方式：
1、设定每组信道资源的比例，其中，每组信道资源的比例为βi(0<βi<1，1≤i≤N，β1+...+βN＝1)，(N为整数，N>1)。
2、将比例为βi的符号归属为一个符号层次的物理层子信道，同时将用户分为N组，每组用户对应于一个符号层次的物理层子信道。
步骤S103：根据每组内的用户的信道质量和需求，在对应的物理层子信道中，组内用户各自采用基站指定的模式在相应的物理层子信道上进行信号发送。
具体而言，当组内用户的数量大于1时，使用面向串行干扰消除的编码调制模式或者使用面向联合译码的编码调制模式在相应的物理层子信道上进行信号发送；当组内用户的数量等于1时，使用面向单用户传输的编码调制模式在相应的物理层子信道上进行信号发送。
在本发明的一个实施例中，单个组内用户数量的最大值是根据编码调制模式和接收机实现的复杂度确定的。
根据本发明实施例的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法，通过将用户分组，极大地减小了单位信道资源上叠加用户数，在接收端可以使用复杂度适中的SIC或SD解码算法。同时相比正交接入可以更加接近多用户传输的容量域上界，克服传统正交多址接入与多用户传输容量界差距较大的问题，并具有实现复杂度低、降低用户接收延时的优点。
【实施例1】
设定M个用户，每一组中用户个数不超过2的上行多址信道下联合正交和非正交的大规模用户传输方法具体步骤如下：
S1.首先将M个用户进行分组并分配资源，包括：
S11.将M个用户按信噪比从小到大排序。
S12.选择一个常数s<＝M/2，用户配对策略为：第1个用户与第2s个用户配对，第2个用户与第s-1个用户配对，……，第s个用户与第s+1个用户配对。剩下的序号为2s+1，2s+2，……，M的用户单独为一组。其中第i个用户指的是信噪比按从低到高顺序排列的第i个用户。
S13.根据以上分组算法，结合基站给定的用户分组方案评价准则或用户的传输速率需求，确定分配给每个用户组的信道资源的比例。
在上述示例中，步骤S12中常数s可以使用枚举法进行优化。
S2.根据每组用户信道资源的比例，将物理层信道资源进行正交分割，得到多个符号层次的物理层子信道，每个符号层次的物理层子信道用于传输一组用户的信息；
S3.根据每组内用户的信道质量和需求，在第1到第s个分组中，组内用户各自采用基站指定的模式在这些物理层子信道上发送各自的信号。在第s+1及之后的分组中，用户独占信道，采用基站指定的模式在这个物理层子信道上发送信号。
具体地，所述步骤S3中，组内各用户采用的模式根据分组情况可以选用以下两种中的一种：
A：当组内用户数不少于2时，或者使用面向串行干扰消除的编码调制模式，或者使用面向联合译码的编码调制模式。
B：当组内用户数等于1时，使用面向单用户传输的编码调制模式。
【实施例2】
假设10个用户，各自的信噪比分别为{5,1,2,7,8,3,9,8,6,1}，每一组中用户个数不超过2的上行多址信道下联合正交和非正交的大规模用户传输方法具体步骤如下：
S1.首先将10个用户进行分组并分配资源，包括：
S11.将10个用户按信噪比从小到大排序，得到排序后的信噪比为：{1,1,2,3,5,6,7,8,8,9}，分别对应第1至第10个用户。
S12.通过枚举法，确定参数s＝4，用户配对策略为：第1个用户与第8个用户一组，第2个用户与第7个用户一组，……，第4个用户与第5个用户一组，即为第1至第4个分组。第9个和第10个用户各自独占一个分组。若用标号U_x代表第x个用户，则分组策略为：{U_1,U_8},{U_2,U_7},{U_3,U_6},{U_4,U_5},{U_9},{U_10}。
S13.根据以上分组算法，结合基站给定的用户分组方案评价准则或用户的传输速率需求，确定分配给每个用户组的信道资源的比例。
S2.根据每组用户信道资源的比例，将物理层信道资源进行正交分割，得到多个符号层次的物理层子信道，每个符号层次的物理层子信道用于传输一组用户的信息；
S3.根据每组内用户的信道质量和需求，基站确定传输模式为：在第1组和第2组中，用户采用面向串行干扰消除的编码调制模式；在第3组和第4组中，用户采用面向联合译码的编码调制模式；在第5组和第6组中，用户采用面向单用户的编码调制模式。在第1到第6个分组中，组内用户各自采用基站指定的模式在这些物理层子信道上发送各自的信号。
S4.基站接收端接收物理层子信道的符号，结合信道状态、用户信息和步骤S3中确定的传输模式，在第1组和第2组对应的物理层子信道中各自采用串行干扰消除解码，在第3组和第4组对应的物理层子信道中各自采用联合译码进行解码，在第5组和第6组对应的物理层子信道中采用单用户编码调制模式进行解码。
【实施例3】
设定M个用户，每一组中用户个数不超过3的上行多址信道下联合正交和非正交的大规模用户传输方法具体步骤如下：
S1.首先将M个用户进行分组并分配资源，包括：
S11.将M个用户按信噪比从小到大排序。
S12.选择一个常数s<＝M/3，用户分组策略为：第1个用户、第s+1个用户和第3s个用户分为一组，第2个用户、第s+2个用户和第s-1个用户配对，……，第s个用户、第2s个用户和第2s+1个用户配对。剩下的序号为3s+1，3s+2，……，M的用户单独为一组。其中第i个用户指的是信噪比按从低到高顺序排列的第i个用户。
S13.根据以上分组算法，结合基站给定的用户分组方案评价准则或用户的传输速率需求，确定分配给每个用户组的信道资源的比例。
优选地，步骤S12中常数s使用枚举法进行优化。
S2.根据每组用户信道资源的比例，将物理层信道资源进行正交分割，得到多个符号层次的物理层子信道，每个符号层次的物理层子信道用于传输一组用户的信息；
S3.根据每组内用户的信道质量和需求，在第1到第s个分组中，组内用户各自采用基站指定的模式在这些物理层子信道上发送各自的信号。在第s+1及之后的分组中，用户独占信道，采用基站指定的模式在这个物理层子信道上发送信号。
具体地，所述步骤S3中，组内各用户采用的模式根据分组情况可以选用以下两种中的一种：
A：当组内用户数不少于2时，或者使用面向串行干扰消除的编码调制模式，或者使用面向联合译码的编码调制模式。
B：当组内用户数等于1时，使用面向单用户传输的编码调制模式。
【实施例4】
假设10个用户，各自的信噪比为{5,1,2,7,8,3,9,8,6,1}，每一组中用户个数不超过3的上行多址信道下联合正交和非正交的大规模用户传输方法具体步骤如下：
S1.首先将10个用户进行分组并分配资源，包括：
S11.将10个用户按信噪比从小到大排序，得到排序后的信噪比为：{1,1,2,3,5,6,7,8,8,9}，分别对应第1至第10个用户。
S12.通过枚举法，确定参数s＝3，用户配对策略为：第1个用户、第4个用户和第9个用户一组，第2个用户、第5个用户和第8个用户一组，第3个用户、第6个用户和第7个用户一组，即为第1至第3个分组。第10个用户独占一个分组。若用标号U_x代第x个用户，则分组策略为：{U_1,U_4,U_9},{U_2,U_5,U_8},{U_3,U_6,U_7},{U_10}。
S13.根据以上分组算法，再根据DRP准则，确定分配给每个用户组的信道资源的比例。
S2.根据每组用户信道资源的比例，将物理层信道资源进行正交分割，得到多个符号层次的物理层子信道，每个符号层次的物理层子信道用于传输一组用户的信息；
S3.根据每组内用户的信道质量和需求，基站确定传输模式为：在第1组和第2组中，用户采用面向串行干扰消除的编码调制模式；在第3组中，用户采用面向联合译码的编码调制模式；在第4组中，用户采用面向单用户的编码调制模式。在第1到第4个分组中，组内用户各自采用基站指定的模式在这些物理层子信道上发送各自的信号。
S4.基站接收端接收物理层子信道的符号，结合信道状态、用户信息和步骤S3中确定的传输模式，在第1组和第2组对应的物理层子信道中各自采用串行干扰消除解码，在第3组对应的物理层子信道中各自采用联合译码进行解码，在第4组对应的物理层子信道中采用单用户编码调制模式进行解码。
根据本发明实施例的方法，以实施例2中的用户分组策略为例，通过分析前述理想吞吐率，并与传统TDMA比较，以证明该方法提出的分组策略的优越性。为此，对用户的信噪比分布做出如下假设：一共有M(M>1)个用户，其中信噪比最低用户的信噪比为0dB，信噪比最高用户的信噪比为12dB，其他用户的信噪比在0～12dB内均匀分布。即：若M＝5，则所有用户的信噪比分别为0dB,3dB,6dB,9dB,12dB。
如图2所示，其横坐标为接入用户数，纵坐标为系统总吞吐率。使用空心圆标识的点即为本发明所述的多址接入传输方法，使用实心圆标识的点即为传统TDMA传输方法。对于上述用户信噪比分布的典型场景，在实施例3中所述的用户配对策略下，理想吞吐率相比于传统的TDMA提升40％以上。
综上，本发明实施例的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法能够克服传统正交多址接入与多用户传输容量界差距较大的问题，并具有实现复杂度低、降低用户延时的优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据覆盖范围内的用户的信道质量和需求，对多个用户进行分组并确定分配给每组用户的信道资源的比例；
根据分配给所述每组用户信道资源的比例，将物理层信道资源进行正交分割，以得到多个符号层次的物理层子信道，其中，每个符号层次的物理层子信道用于传输一组用户的信号；
根据每组内的用户的信道质量和需求，在对应的物理层子信道中，组内用户各自采用基站指定的模式在相应的物理层子信道上进行信号发送。
2.根据权利要求1所述的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法，其特征在于，所述根据覆盖范围内的用户的信道质量和需求，对多个用户进行分组并确定分配给每组用户的信道资源的比例，进一步包括：
根据覆盖范围内的用户的信道质量和需求，对用户分组方式进行优化并确定每组信道资源的比例。
3.根据权利要求1所述的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法，其特征在于，所述根据覆盖范围内的用户的信道质量和需求，对多个用户进行分组并确定分配给每组用户的信道资源的比例，进一步包括：
根据覆盖范围内的用户的信道质量和需求，对多个用户进行用户分组并确定每组信道资源的比例。
4.根据权利要求1所述的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法，其特征在于，所述根据每组内的用户的信道质量和需求，在对应的物理层子信道中，组内用户各自采用基站指定的模式在相应的物理层子信道上进行信号发送，进一步包括：
当组内用户的数量大于1时，使用面向串行干扰消除的编码调制模式或者使用面向联合译码的编码调制模式在相应的物理层子信道上进行信号发送；
当组内用户的数量等于1时，使用面向单用户传输的编码调制模式在相应的物理层子信道上进行信号发送。
5.根据权利要求1所述的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法，其特征在于，所述用户的需求包括用户传输率要求。
6.根据权利要求1所述的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法，其特征在于，所述每组用户的信道资源的比例为用于传输每组用户信号的符号占总符号的比例，其中符号指离散基带信道等效模型的离散符号，是信道资源的基本单位。
7.根据权利要求1所述的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法，其特征在于，其中，单个组内用户数量的最大值是根据编码调制模式和接收机实现的复杂度确定的。
8.根据权利要求1-7任一项所述的联合正交和非正交的大规模用户上行多址传输方法，其特征在于，所述将物理层信道资源进行正交分割，包括：
设定每组信道资源的比例，其中，每组信道资源的比例为βi(0<βi<1，1≤i≤N，β1+...+βN＝1)，(N为整数，N>1)；
将比例为βi的符号归属为一个符号层次的物理层子信道，同时将用户分为N组，每组用户对应于一个符号层次的物理层子信道。
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