CN105898702A - 基于稀疏编码多址接入技术的数据传输方法、基站及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于稀疏编码多址接入技术的数据传输方法、基站及系统，其中，所述基于稀疏编码多址接入技术的数据传输方法，应用于基站，所述基站将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组，针对每个小组，采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域，该方法包括：基站获取用户端位置信息，根据所述用户端位置信息确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束；基站在所述用户端所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端进行数据传输。本发明提出的方案，可以有效降低用户端接收信息的检测复杂度，节省存储空间。

Description

基于稀疏编码多址接入技术的数据传输方法、基站及系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及基于稀疏编码多址接入技术的数据传输方法、基站及系统。

背景技术

在未来5G无线通信中，无线通信网络需要同时容纳海量用户，且满足大容量、低时延的接入传输需求。非正交多址接入技术能够将用户码字在网络资源上非正交叠加，实现在同等网络资源条件下，同时服务更多用户，从而有效提升网络整体容量。因此，非正交多址接入技术成为当下对5G接入技术的研究重点。

稀疏编码多址接入(sparse code multiple access，SCMA)就是应5G需求设计产生的一种非正交多址接入技术。在发送端，将编码比特映射为复数域多维码字，不同用户的码字在相同资源块上以稀疏的扩频方式非正交叠加；接收端进行低复杂度的多用户联合检测，结合信道译码完成多用户比特串恢复。在SCMA传输中，由于不同用户的码字在相同资源块上非正交叠加，故接收端需要将所有用户的用户码字全部检测计算出来，特别对于用户端，用户不仅需要检测计算自己的数据，还要将其他用户的数据也全部检测出来。随着用户数量的增多，计算复杂度以及检测时存储空间都非常巨大。

发明内容

基于上述现有技术的缺点和不足，本发明提出一种基于稀疏编码多址接入技术的数据传输方法、基站及系统，可以有效降低接收端检测复杂度，节省存储空间。

一种基于稀疏编码多址接入技术的数据传输方法，应用于基站，所述基站将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组，针对每个小组，采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域，该方法包括：

基站获取用户端位置信息，根据所述用户端位置信息确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束；

基站在所述用户端所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端进行数据传输。

优选的，所述采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域，包括：

基站生成与所述小组内相互正交的区域同样个数的相互正交的窄波束；

基站调整每个窄波束的中心指向对应覆盖区域的中心位置；

基站调整所有窄波束在对应覆盖区域内天线增益最大，而在相邻覆盖区域内天线增益衰减至少3dB；所有窄波束在另一个窄波束中心区域内信号增益降至少低为0dB。

优选的，所述基站获取用户端位置信息，根据所述用户端位置信息确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束，包括：

基站获取用户端根据移动速度定时上报的位置信息；

基站根据所述位置信息分析确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束。

优选的，所述基站获取用户端根据移动速度定时上报的位置信息，包括：

所述基站获取移动速度快的用户端以较高频率定时上报的位置信息，以及获取移动速度慢的用户端以较低频率定时上报的位置信息。

一种基站，包括：

预处理单元，用于将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组，针对每个小组，采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域；

信道确认单元，用于获取用户端位置信息，根据所述用户端位置信息确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束；

数据传输单元，用于在所述用户端所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端进行数据传输。

优选的，所述预处理单元，具体包括：

波束生成单元，用于生成与所述小组内相互正交的区域同样个数的相互正交的窄波束；

波束调整单元，用于调整每个窄波束的中心指向对应覆盖区域的中心位置；调整所有窄波束在对应覆盖区域内天线增益最大，而在相邻覆盖区域内天线增益衰减至少3dB；所有窄波束在另一个窄波束中心区域内信号增益至少降低为0dB。

优选的，所述信道确认单元，具体包括：

位置信息获取单元，用于获取用户端根据移动速度定时上报的位置信息；

分析单元，用于根据所述位置信息分析确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束。

优选的，所述位置信息获取单元获取用户端根据移动速度定时上报的位置信息，具体包括：

获取移动速度快的用户端以较高频率定时上报的位置信息，以及获取移动速度慢的用户端以较低频率定时上报的位置信息。

一种基于稀疏编码多址接入技术的数据传输系统，包括：基站和用户端；

其中，所述基站预先将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组，针对每个小组，采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域；

所述基站进行数据传输时，用于获取用户端位置信息，根据所述用户端位置信息确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束；在所述用户端所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端进行数据传输；

所述用户端，用于响应所述基站在所述用户端所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端进行数据传输动作。

优选的，所述基站采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域，具体包括：

基站生成与所述小组内相互正交的区域同样个数的相互正交的窄波束；

基站调整每个窄波束的中心指向对应覆盖区域的中心位置；

基站调整所有窄波束在对应覆盖区域内天线增益最大，而在相邻覆盖区域内天线增益衰减至少3dB；所有窄波束在另一个窄波束中心区域内信号增益至少降低为0dB。

优选的，所述用户端还用于依据移动速度定时向所述基站上报位置信息；其中，

所述基站用于获取用户端位置信息，根据所述用户端位置信息确定所述用户端所对应的窄波束时，具体用于：

基站获取用户端根据移动速度定时上报的位置信息；

基站根据所述位置信息分析确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束。

优选的，所述用户端依据移动速度定时向所述基站上报位置信息时，具体用于：

移动速度快的用户端以较高频率定时向所述基站上报位置信息；移动速度慢的用户端以较低频率定时向所述基站上报位置信息。

本发明提供的基于稀疏编码多址接入技术的数据传输方法、基站及系统，通过基站将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组，针对每个小组，采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域，这样，在进行数据传输时，基站获取用户端位置信息，根据用户端位置信息确定用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束，基站在用户端对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术即可与用户端进行数据传输。该传输方法中，用户端只需检测所在窄波束内的数据信息，而不用检测所有窄波束内所有用户的数据信息，即可检测出自己的信息，降低了计算复杂度，节省了检测存储空间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明公开的一种基于稀疏编码多址接入技术的数据传输方法的流程示意图；

图2是基站确定用户端所对应的窄波束的流程示意图；

图3是本发明实施例公开的一种基站的结构示意图；

图4是本发明实施例公开的一种基于稀疏编码多址接入技术的数据传输系统的结构示意图；

图5是本发明公开的系统中基站确定用户端所对应的窄波束并与用户端实现数据传输的时序图；

图6是本发明实施例公开的系统实现数据传输时的时序图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于稀疏编码多址接入技术的数据传输方法，该方法应用于基站，所述基站将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组，针对每个小组，采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域，参见图1，该方法包括：

S101、基站获取用户端位置信息，根据所述用户端位置信息确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束；

本发明技术方案是通过基站为服务区域分配波束的方式，减少用户端检测数据量，用户端只检测其所在波束内的数据信息。因此，基站需要明确知道要通信的用户端在哪个波束，选择该波束传输数据，才能与用户端实现通信。由于每一波束都只服务其覆盖的区域，因此，根据用户端位置信息确定了用户端所处的区域，就可以根据区域选择覆盖该区域的波束与处于该区域中的用户端进行通信。

S102、基站在所述用户端所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端进行数据传输。

具体的，当基站和用户端发送数据时，采用稀疏编码多址接入(SCMA)码本进行码字映射。可以理解的是，同一波束内的基站和用户端使用相同稀疏结构的不同SCMA码本进行码字映射；不同波束之间的基站和用户端可以采用相同稀疏结构的SCMA码本进行码字映射，也可以采用不同稀疏结构的SCMA码本进行码字映射，即不同波束之间可以自由选择SCMA码本进行码字映射。

当基站和用户端接收数据时，使用对数信息传递算法(logarithm messagepassing algorithm,log-MPA)进行SCMA信号检测。具体的，用户端使用对数信息传递算法检测其所在波束内的所有用户信号，从中找出自己的数据信息；基站进行数据接收时，对其调度的波束集合中的所有波束分别使用对数信息传递算法进行SCMA信号检测。

需要说明的是，所述基站将服务小区划分成多个相互正交的区域，是指基站将服务小区划分成多个空间上完全没有交集的区域，所划分的正交区域个数，依据基站服务区域的大小以及用户端密度确定。对于面积较大或用户端密度较大的服务区可以多划分几个区域，而对于面积较小或者用户端密度较小的区域，可以少划分几个区域。基站对所述相互正交的区域进行分组之后，针对每一小组，生成相互正交的窄波束分别覆盖小组内的正交区域，在实际通信传输中，基站以一定的频率轮流为各小组数据传输服务，即基站轮流调度各小组内的窄波束进行数据传输，进一步减轻了基站的工作负担；同样的，分组个数可以依据相互正交区域个数决定，如果相互正交区域数量较多，可以多分组，如果相互正交区域数量较少，可以少分组，或者只分为一组。

本发明提供的基于稀疏编码多址接入技术的数据传输方法，通过基站将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组，针对每个小组，采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域，这样，在进行数据传输时，基站获取用户端位置信息，根据用户端位置信息确定用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束，基站在用户端对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术即可与用户端进行数据传输。该传输方法中，用户端只需检测所在窄波束内的数据信息，而不用检测所有窄波束内所有用户的数据信息，即可检测出自己的信息；同时，基站只需获取用户端的位置信息，即可调度波束与用户端进行通信，降低了计算复杂度，节省了检测存储空间。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域，具体包括：

基站生成与所述小组内相互正交的区域同样个数的相互正交的窄波束；基站调整每个窄波束的中心指向对应覆盖区域的中心位置；基站调整所有窄波束在对应覆盖区域内天线增益最大，而在相邻覆盖区域内天线增益衰减至少3dB，所有窄波束在另一个窄波束中心区域内信号增益至少降低为0dB。

具体的，利用雷达中大规模阵列天线数字波束赋型技术生成与所述小组内相互正交的区域同样个数的相互正交的窄波束。需要说明的是，为了使得每个小组内波束正交性更好，可以选择将服务区域分成偶数个相互正交的区域，在满足每一小组内相互正交的区域个数为奇数的前提下确定分组个数。

所述中心位置为(g_x,g_y,g_z)：

$g_x=\frac{1}{N_d}\underset{n=1}{\overset{N_d}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n$

$g_y=\frac{1}{N_d}\underset{n=1}{\overset{N_d}{\mathrm{\Σ}}}{y}_n$

$g_z=\frac{1}{N_d}\underset{n=1}{\overset{N_d}{\mathrm{\Σ}}}{z}_n$

其中，N_d表示区域边缘点个数，(x_n,y_n,z_n)表示第n个边缘点在以基站为原点的直角坐标系中的坐标。

上文所述的波束正交是理想状态的正交，现有技术尚不能做到波束之间完全绝对正交。基于现有技术，技术人员可以通过调整波束，使波束之间尽量趋于正交，从而保证波束之间的干扰尽量小。减小波束在其他波束覆盖区域的增益，是减小不同波束间干扰的有效措施。

还需要说明的是，为了便于基站根据用户端反馈的位置信息确定用户端所在的窄波束，并进行窄波束切换，各小组内区域对应的窄波束必须正交，或是在现有技术能力范围内做到最趋近于正交。由于基站是轮流调度使用各个小组对应的波束进行通信的，不同时工作的小组波束之间本身不会互相产生干扰，或是干扰极小，因此对于不同小组之间的窄波束，可以不完全正交，甚至完全不正交。这样可以进一步减轻基站负担，扩大窄波束利用范围。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述基站获取用户端位置信息，根据所述用户端位置信息确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束，参见图2，具体包括：

S301、基站获取用户端根据移动速度定时上报的位置信息；

与传统SCMA传输方法中，基站需要获取用户端信息以及用户信道状态信息不同，在本发明提出的数据传输方法中，基站只需要获取用户端的位置信息。基站确定用户端所处的位置后，就能调度与用户端所在区域相对应的波束与其进行通信。

S302、基站根据所述位置信息分析确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束。

由于基站事先已经将服务区域划分成了多个相互正交的区域，并且对应每一个服务的区域，都分配一个窄波束用于本区域内用户端的通信，因此，基站根据所获取的用户端位置信息，就可以明确知道用户端所处的区域，进一步地，基站可以确定用户端所处区域对应的窄波束。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述基站获取用户端根据移动速度定时上报的位置信息，包括：

所述基站获取移动速度快的用户端以较高频率定时上报的位置信息，以及获取移动速度慢的用户端以较低频率定时上报的位置信息。

移动速度快的用户端采用短时反馈，即一个或几个传输时间间隔反馈一次；移动速度较慢的用户端采用长时反馈，即一段时间内反馈一次；固定位置的用户端由于其所处区域固定，所对应的波束也固定，因此不需要反馈位置信息。

其中，所述传输时间间隔即一个子帧长度，传输时间间隔与具体的系统设计有关，在LTE中为1ms。具体的，用户端多长时间反馈一次自己的位置，与用户端的移动速度及划分的区域大小有关。假设用户端在本波束中的初始位置与本区域在其移动方向上边缘的最小距离为d，用户端移动速度为v，那么这个时间不能超过d/v,且为传输时间间隔的整数倍。

本发明另一实施例公开了一种基站，参见图3，该基站包括：

预处理单元401，用于将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组，针对每个小组，采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域；

信道确认单元402，用于获取用户端位置信息，根据所述用户端位置信息确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束；

数据传输单元403，用于在所述用户端所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端进行数据传输。

具体的，本实施例中各个单元的具体工作内容请参见对应的方法实施例内容，此处不再赘述。

本发明提出的一种基站，通过预处理单元401将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组，针对每个小组，采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域。信道确认单元402获取用户端位置信息，根据用户端位置信息确定用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束。数据传输单元403在用户端对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与用户端进行数据传输。该基站只需由信道确认单元402获取用户端的位置信息，即可调度波束，利用数据传输单元403与用户端进行通信，降低了计算复杂度，节省了检测存储空间。

可选的，在本发明的另一个实施例中，如图3所示，所述预处理单元401，具体包括：

区域划分单元4011，用于将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组；

波束生成单元4012，用于生成与所述小组内相互正交的区域同样个数的相互正交的窄波束；

波束调整单元4013，用于调整每个窄波束的中心指向对应覆盖区域的中心位置；调整所有窄波束在对应覆盖区域内天线增益最大，而在相邻覆盖区域内天线增益衰减至少3dB，所有窄波束在另一个窄波束中心区域内信号增益至少降低为0dB。

具体的，本实施例中各个单元的具体工作内容请参见对应的方法实施例内容，此处不再赘述。

可选的，在本发明的另一个实施例中，如图3所示，所述信道确认单元402，具体包括：

位置信息获取单元4021，用于获取用户端根据移动速度定时上报的位置信息；

分析单元4022，用于根据所述位置信息分析确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束。

具体的，本实施例中各个单元的具体工作内容请参见对应的方法实施例内容，此处不再赘述。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述位置信息获取单元4021获取用户端根据移动速度定时上报的位置信息，具体包括：

获取移动速度快的用户端以较高频率定时上报的位置信息，以及获取移动速度慢的用户端以较低频率定时上报的位置信息。

具体的，本实施例中位置信息获取单元的具体工作内容请参见对应的方法实施例内容，此处不再赘述。

本发明另一实施例还公开了一种基于稀疏编码多址接入技术的数据传输系统，如图4所示，该系统包括：基站101和用户端102；

其中，所述基站101预先将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组，针对每个小组，采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域；

具体的，基站101可采用大规模阵列天线数字波束赋型装置，将服务小区划分成多个固定片区，并生成正交波束。

所述基站101进行数据传输时，用于获取用户端102位置信息，根据所述用户端102位置信息确定所述用户端102所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束；在所述用户端102所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端102进行数据传输。

由于每一波束都只服务其覆盖的区域，因此，根据用户端102位置信息确定了用户端102所处的区域，就可以根据区域选择覆盖该区域的波束与处于该区域中的用户端102进行通信。

当基站101和用户端102发送数据时，采用稀疏编码多址接入(SCMA)码本进行码字映射。可以理解的是，同一波束内的基站101和用户端102使用相同稀疏结构的不同SCMA码本进行码字映射；不同波束之间的基站101和用户端102可以采用相同稀疏结构的SCMA码本进行码字映射，也可以采用不同稀疏结构的SCMA码本进行码字映射，即不同波束之间可以自由选择SCMA码本进行码字映射。

当基站101和用户端102接收数据时，使用对数信息传递算法(logarithmmessage passing algorithm,log-MPA)进行SCMA信号检测。具体的，用户端102使用对数信息传递算法检测其所在波束内的所有用户信号，从中找出自己的数据信息；基站101进行数据接收时，对其调度的波束集合中的所有波束分别使用对数信息传递算法进行SCMA信号检测。

需要说明的是，所述基站将服务小区划分成多个相互正交的区域，是指基站将服务小区划分成多个空间上完全没有交集的区域，所划分的正交区域个数，依据基站服务区域的大小以及用户端密度确定。对于面积较大或用户端密度较大的服务区可以多划分几个区域，而对于面积较小或者用户端密度较小的区域，可以少划分几个区域。基站对所述相互正交的区域进行分组之后，针对每一小组，生成相互正交的窄波束分别覆盖小组内的正交区域，在实际通信传输中，基站以一定的频率轮流为各小组数据传输服务，即基站轮流调度各小组内的窄波束进行数据传输，进一步减轻了基站的工作负担；同样的，分组个数可以依据相互正交区域个数决定，如果相互正交区域数量较多，可以多分组，如果相互正交区域数量较少，可以少分组，或者只分为一组。

所述用户端102，用于响应所述基站在所述用户端所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端进行数据传输动作。

所述用户端102发送数据时，同一波束内的用户端102使用相同稀疏结构的不同SCMA码本进行码字映射，而不同波束之间的用户端102可以采用相同稀疏结构的SCMA码本，也可以使用不同稀疏结构的SCMA码本，即不同波束之间可以自由选择SCMA码本的码字长度。

所述用户端102接收数据时，使用对数信息传递算法进行SCMA信号检测，且只检测计算本波束内的信号。

本发明提供的基于稀疏编码多址接入技术的数据传输系统，通过基站101将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组，针对每个小组，采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域。基站101获取用户端102的位置信息，根据用户端102的位置信息确定用户端102所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束，基站101在用户端102对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与用户端102进行数据传输。该传输系统中，用户端102只需检测所在窄波束内的数据信息，而不用检测所有窄波束内所有用户的数据信息，即可检测出自己的信息；同时，基站101只需获取用户端102的位置信息，即可调度波束与用户端102进行通信，降低了计算复杂度，节省了检测存储空间。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述基站101采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域，具体包括：

基站101生成与所述小组内相互正交的区域同样个数的相互正交的窄波束；基站101调整每个窄波束的中心指向对应覆盖区域的中心位置；基站101调整所有窄波束在对应覆盖区域内天线增益最大，而在相邻覆盖区域内天线增益衰减至少3dB，所有窄波束在另一个窄波束中心区域内信号增益至少降低为0dB。

具体的，利用雷达中大规模阵列天线数字波束赋型技术生成与所述小组内相互正交的区域同样个数的相互正交的窄波束。需要说明的是，为了使得每个小组内波束正交性更好，可以选择将服务区域分成偶数个相互正交的区域，在满足每一小组内相互正交的区域个数为奇数的前提下确定分组个数。

所述中心位置为(g_x,g_y,g_z)：

$g_x=\frac{1}{N_d}\underset{n=1}{\overset{N_d}{\mathrm{\Σ}}}{x}_n$

$g_y=\frac{1}{N_d}\underset{n=1}{\overset{N_d}{\mathrm{\Σ}}}{y}_n$

$g_z=\frac{1}{N_d}\underset{n=1}{\overset{N_d}{\mathrm{\Σ}}}{z}_n$

其中，N_d表示区域边缘点个数，(x_n,y_n,z_n)表示第n个边缘点在以基站为原点的直角坐标系中的坐标。

上文所述的波束正交是理想状态的正交，现有技术尚不能做到波束之间完全绝对正交。基于现有技术，技术人员可以通过调整波束，使波束之间尽量趋于正交，从而保证波束之间的干扰尽量小。减小波束在其他波束覆盖区域的增益，是减少不同波束间干扰的有效措施。

还需要说明的是，为了便于基站101根据用户端102反馈的位置信息确定用户端102所在的窄波束，并进行窄波束切换，各小组内区域对应的窄波束必须正交，或是在现有技术能力范围内做到最趋近于正交。由于基站101是轮流调度使用各个小组对应的波束进行通信的，不同时工作的小组波束之间本身不会互相产生干扰，或是干扰极小，因此对于不同小组之间的窄波束，可以不完全正交，甚至完全不正交。这样可以进一步减轻基站负担，扩大窄波束利用范围。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述用户端102还用于依据移动速度定时向所述基站上报位置信息；其中，

所述基站101用于获取用户端位置信息，根据所述用户端102位置信息确定所述用户端102所对应的窄波束，在所述用户端102所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端102进行数据传输，参见图5所示，该过程具体包括：

S501、基站101获取用户端102根据移动速度定时上报的位置信息；

与传统SCMA传输方法中，基站101需要获取用户端102信息以及用户信道状态信息不同，在本发明提出的数据传输方法中，基站101只需要获取用户端102的位置信息。基站101确定用户端102所处的位置后，就能调度与用户端102所在区域相对应的波束与其进行通信。

S502、基站101根据所述位置信息分析确定所述用户端102所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束。

由于基站101事先已经将服务区域划分成了多个相互正交的区域，并且对应每一个服务的区域，都分配一个窄波束用于本区域内用户端102的通信，因此，基站101根据所获取的用户端102位置信息，就可以明确知道用户端102所处的区域，进一步地，基站101可以确定用户端102所处区域对应的窄波束。

S503、基站101在所述用户端102所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端102进行数据传输动作；

具体的，所述基站101与所述用户端102进行数据传输动作，包括基站101向用户端102发送数据，以及基站101接收用户端102发送过来的数据信息。

当基站101向用户端102发送数据时，采用稀疏编码多址接入(SCMA)码本进行码字映射。可以理解的是，对于发往同一波束内的用户端102的数据信息使用相同稀疏结构的不同SCMA码本进行码字映射；对于发往不同波束的用户端102的数据信息可以采用相同稀疏结构的SCMA码本进行码字映射，也可以采用不同稀疏结构的SCMA码本进行码字映射。

当基站101接收用户端102发送过来的数据信息时，使用对数信息传递算法(logarithm message passing algorithm,log-MPA)进行SCMA信号检测。具体的，基站101进行数据接收时，对其调度的波束集合中的所有波束分别使用对数信息传递算法进行SCMA信号检测。

S504、用户端102响应基站101的数据传输动作。

具体的，用户端102响应基站101的数据传输动作，包括用户端102接收基站101发送过来的数据信息，以及用户端102向基站101发送数据信息。

当用户端102接收基站101发送过来的数据信息时，使用对数信息传递算法(logarithm message passing algorithm,log-MPA)检测其所在波束内的所有用户信号，从中找出自己的数据信息。

当用户端102向基站101发送数据时，采用稀疏编码多址接入(SCMA)码本进行码字映射。可以理解的是，同一波束内的用户端102使用相同稀疏结构的不同SCMA码本进行码字映射；不同波束之间的用户端102可以采用相同稀疏结构的SCMA码本进行码字映射，也可以采用不同稀疏结构的SCMA码本进行码字映射。

可选的，在本发明的另一个实施例中，所述用户端102依据移动速度定时向所述基站101上报位置信息时，具体用于：

移动速度快的用户端102以较高频率定时向所述基站101上报位置信息；移动速度慢的用户端102以较低频率定时向所述基站101上报位置信息。

具体的，移动速度快的用户端102采用短时反馈，即一个或几个传输时间间隔反馈一次；移动速度较慢的用户端102采用长时反馈，即一段时间内反馈一次；固定位置的用户端102由于其所处区域固定，所对应的波束也固定，因此不需要反馈位置信息。

其中，所述传输时间间隔即一个子帧长度，传输时间间隔与具体的系统设计有关，在LTE中为1ms。具体的，用户端102多长时间反馈一次自己的位置，与用户端102的移动速度及划分的区域大小有关。假设用户端102在本波束中的初始位置与本区域在其移动方向上边缘的最小距离为d，用户端102移动速度为v，那么这个时间不能超过d/v,且为传输时间间隔的整数倍。

下面以上行链路和下行链路的工作过程为例说明本发明所述系统的工作过程，参见图6所示：

在上行链路中，基站101通过窄波束接收数据信息，而用户端102所处区域必定有相应的窄波束覆盖，因此，在用户端102需要发送数据的时候，直接发送即可，基站101通过用户端102所在区域对应的窄波束接收所发送数据。基站101从用户端102所处区域对应的窄波束中使用对数信息传递算法提取数据信息即可。

在下行链路中，数据信息是从基站101发送到用户端102，由于一个基站101为众多用户端102服务，因此针对每个不同的用户端102，基站101需要明确知道用户端102所处的位置，才能够确定与用户端102所处区域对应的窄波束，从而通过该窄波束将属于用户端102的数据信息准确地发送至用户端102。因此，在下行链路中，数据传输过程为：

1)用户端102以固定频率向基站101上报位置信息；

2)基站101根据用户端102上报的位置信息确定用户端102所处区域对应的窄波束；

3)基站101调度用户端102所处区域对应的窄波束，将需要发送至用户端102的数据信息通过所述窄波束发送给用户端102；

4)用户端102使用对数信息传递算法接收所处区域对应的窄波束中所有用户数据，从中检测出自己的数据。

需要说明的是，在上行链路中，同一基站101要检测接收所服务区域内所有用户端102发送来的数据信息，与传统SCMA传输方法不同的是，在本发明中，基站101事先将服务区域划分成相互正交的区域，并且将相互正交的区域分组，轮流为各个小组服务。与现有技术相比，本发明提出的系统将多个用户端102分到多个波束，这就意味着，在每个波束中使用SCMA进行数据传输时，由于波束内用户数量减少，码本长度会相应缩短，从而在相同数量的用户端102的情况下，基站101的运算量和存储量明显下降。例如，假设使用现有的技术同时传输70个用户端102的数据，每个用户端102数据的码本集合里面有4个码字，那么需要8个资源元素来传输这些码字，每个用户端102使用4个资源元素。此时，基站101需要的存储量为70*4*4*2。但如果70个用户端102分散在12个波束，那么每个波束内只需要使用4个资源元素来传输码字，每个用户端102占用2个资源元素就可以完成70个用户端102数据同时传输。此时，基站101的存储空间仅为70*4*2*2，即存储量明显下降。同理，基站101的计算复杂度也会明显下降。

在下行链路中，由于用户端102所处的不同区域之间是相互正交的，且与区域对应的窄波束之间也是相互正交或几乎正交的，因此，当用户端102处于某一区域对应的窄波束时，其他波束内的信号不会对本波束内信号产生干扰，用户端102只需检测所在区域对应窄波束内的数据信息即可。相对于传统SCMA数据传输方法中，用户端需要检测基站服务区域内所有用户端的信息，从中检测出自己的数据信息来说，在本发明所使用的数据传输方法中，用户端102的计算量和所需存储空间都大大降低。

例如，假设基站将服务小区划分成S个片区，产生S个相互正交的窄波束，S为偶数。波束i覆盖J_i个用户端，每个波束内覆盖的用户端的个数不一定一样。将S个波束划分成2组，每组为S/2个波束，且限定S/2为奇数，两组波束循环使用。波束i中的用户端j，在第k个资源元素上接收到的信号可表示为：

$y_{jk}=H_{jk}{W}_i{X}_i+H_{jk}\underset{s\∈set\left\{i\right\}}{\underset{s\≠i}{\mathrm{\Σ}}}{W}_s{X}_s+n_{jk}$

其中，y_jk表示在第k个RE上接收到的频域信号；H_jk表示用户端j在第k个RE上的频域信道估计值；W_i为第i个波束的成型因子；s∈set{i},set{i}表示调度第i个波束的波束集合；X_i为第i个波束中覆盖的J_i个用户端的信号之和；n_jk为第k个RE上的高斯白噪声。

由于基站产生的波束是相互正交的，即调度第i个波束的波束集合内的所有波束之间都是相互正交的，第i个波束内不会掺杂其所在波束集合内其他波束中的信息，所以，波束i中的用户端j在第k个RE上接收到的信号可以等效为：

其中，表示第k个资源元素上的等效高斯白噪声，波束i中的用户端j只需要使用对数信息传递算法对X_i进行检测，就可以得到所需信息，从而降低了计算复杂度，节省了存储空间。

对于基站101来说，只需从用户端102上报的位置信息中得知用户端102所处的区域，进一步确定用户端102所处区域对应的窄波束，就可以调度所述窄波束与用户端102实现通信。与传统SCMA数据传输方法中基站需要接收用户端发送的信道信息相比，本发明提出的数据传输方法，需要的反馈信息更少，数据传输更快速，精度更高。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种基于稀疏编码多址接入技术的数据传输方法，其特征在于，应用于基站，所述基站将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组，针对每个小组，采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域，该方法包括：

基站获取用户端位置信息，根据所述用户端位置信息确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束；

基站在所述用户端所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域，包括：

基站生成与所述小组内相互正交的区域同样个数的相互正交的窄波束；

基站调整每个窄波束的中心指向对应覆盖区域的中心位置；

基站调整所有窄波束在对应覆盖区域内天线增益最大，而在相邻覆盖区域内天线增益衰减至少3dB；所有窄波束在另一个窄波束中心区域内信号增益至少降低为0dB。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基站获取用户端位置信息，根据所述用户端位置信息确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束，包括：

基站获取用户端根据移动速度定时上报的位置信息；

基站根据所述位置信息分析确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基站获取用户端根据移动速度定时上报的位置信息，包括：

所述基站获取移动速度快的用户端以较高频率定时上报的位置信息，以及获取移动速度慢的用户端以较低频率定时上报的位置信息。

5.一种基站，其特征在于，包括：

预处理单元，用于将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组，针对每个小组，采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域；

信道确认单元，用于获取用户端位置信息，根据所述用户端位置信息确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束；

数据传输单元，用于在所述用户端所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端进行数据传输。

6.根据权利要求5所述的基站，其特征在于，所述预处理单元，具体包括：

波束生成单元，用于生成与所述小组内相互正交的区域同样个数的相互正交的窄波束；

波束调整单元，用于调整每个窄波束的中心指向对应覆盖区域的中心位置；调整所有窄波束在对应覆盖区域内天线增益最大，而在相邻覆盖区域内天线增益衰减至少3dB；所有窄波束在另一个窄波束中心区域内信号增益至少降低为0dB。

7.根据权利要求5所述的基站，其特征在于，所述信道确认单元，具体包括：

位置信息获取单元，用于获取用户端根据移动速度定时上报的位置信息；

分析单元，用于根据所述位置信息分析确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束。

8.根据权利要求7所述的基站，其特征在于，所述位置信息获取单元获取用户端根据移动速度定时上报的位置信息，具体包括：

获取移动速度快的用户端以较高频率定时上报的位置信息，以及获取移动速度慢的用户端以较低频率定时上报的位置信息。

9.一种基于稀疏编码多址接入技术的数据传输系统，其特征在于，包括：基站和用户端；

其中，所述基站预先将服务小区划分成多个相互正交的区域，并将所述多个相互正交的区域划分成至少一个小组，针对每个小组，采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域；

所述基站进行数据传输时，用于获取用户端位置信息，根据所述用户端位置信息确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束；在所述用户端所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端进行数据传输；

所述用户端，用于响应所述基站在所述用户端所对应的窄波束内使用稀疏编码多址接入技术与所述用户端进行数据传输动作。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述基站采用与所述小组内相互正交的区域同样个数、且相互正交的窄波束分别覆盖所述小组内每个区域，具体包括：

基站生成与所述小组内相互正交的区域同样个数的相互正交的窄波束；

基站调整每个窄波束的中心指向对应覆盖区域的中心位置；

基站调整所有窄波束在对应覆盖区域内天线增益最大，而在相邻覆盖区域内天线增益衰减至少3dB；所有窄波束在另一个窄波束中心区域内信号增益至少降低为0dB。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述用户端还用于依据移动速度定时向所述基站上报位置信息；其中，

所述基站用于获取用户端位置信息，根据所述用户端位置信息确定所述用户端所对应的窄波束时，具体用于：

基站获取用户端根据移动速度定时上报的位置信息；

基站根据所述位置信息分析确定所述用户端所处的区域，并确定与所述区域对应的窄波束。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述用户端依据移动速度定时向所述基站上报位置信息时，具体用于：

移动速度快的用户端以较高频率定时向所述基站上报位置信息；移动速度慢的用户端以较低频率定时向所述基站上报位置信息。