CN105991504B - 无线通信装置及方法、基站、用户设备和通信系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种用于非正交多址通信系统的无线通信装置，包括：功率调整单元，用于针对所述通信系统中包括的至少部分用户设备，根据所述通信系统的信道状态信息，对所述至少部分用户设备中每个用户设备用于各个子载波的发送功率进行动态调整，以便所述至少部分用户设备以调整后的发送功率在相应的子载波上进行上行数据传输。根据本公开的装置、方法和系统能够获得如下技术益处中至少之一：提升了通信系统的信道容量；减小通信过程中的误比特率；减小了通信系统中相应用户设备之间的干扰。

Description

无线通信装置及方法、基站、用户设备和通信系统
技术领域
本发明的实施例总体上涉及无线通信领域，具体地涉及用于在非正交多址通信系统中实现的子载波功率分配的无线通信装置、方法和系统。
背景技术
交织多址是一种极具应用前景的非正交(Non-orthogonal)多址接入技术，相比于其它多址技术如频分多址(FDMA,Frequency Division Multiple Access)，正交频分多址(OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access)和码分多址(CDMA,CodeDivision Multiple Access)，交织多址具有高功率效率和低解码复杂度的优势，有望应用于下一代无线通信系统中。交织多址的高功率效率是由其非正交性决定的，并通过用户级的功率分配(User-wise Power Allocation)来实现。交织多址的低解码复杂度是由其接收端采用的逐码片检测算法保证的。为进一步降低复杂度并对抗信道衰落，可将正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术与交织多址(InterleaveDivision Multiple Access)技术结合起来，形成OFDM-IDMA通信系统，它继承了OFDM系统和交织多址系统的优势，成为下一代移动通信系统一个较好的候选多址方案。
但是，现有对诸如OFDM-IDMA系统的非正交多址通信系统的研究中，仅涉及用户级的功率分配方案，而更深一层的子载波级的功率分配问题未见研究。此外，现有技术中也不涉及能够改善系统性能的子载波级功率分配方案。
发明内容
鉴于上述现有技术的现状，希望提供一种在非正交多址通信系统中实现的子载波功率动态调整的技术方案。
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
根据本申请的一个方面，提供了一种用于非正交多址通信系统的无线通信装置，包括：功率调整单元，用于针对所述通信系统中包括的至少部分用户设备，根据所述通信系统的信道状态信息，对所述至少部分用户设备中每个用户设备用于各个子载波的发送功率进行动态调整，以便所述至少部分用户设备以调整后的发送功率在相应的子载波上进行上行数据传输。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于非正交多址通信系统的基站，所述基站包括：如上所述的无线通信管理装置，用于针对所述通信系统中包括的至少部分用户设备，根据所述通信系统的信道状态信息，对所述至少部分用户设备中每个用户设备的、用于各个子载波的上行发送功率进行动态调整，以便所述每个用户设备以调整后的发送功率在相应的子载波上向所述基站传输数据。
根据本公开的另一个方面，提供了一种用于非正交多址通信系统的用户设备，所述用户设备包括：如上所述的无线通信管理装置，用于根据所述通信系统的信道状态信息，对该用户设备用于各个子载波的发送功率进行动态调整，以便以该用户设备用于各个子载波的、动态调整后的发送功率，在相应的子载波上进行上行数据传输。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于非正交多址通信系统中的通信方法，包括：针对所述通信系统中包括的至少部分用户设备，根据所述通信系统的信道状态信息，对至少部分用户设备中每个用户设备的、用于各个子载波的发送功率进行动态调整，以便所述至少部分用户设备以调整后的发送功率在相应的子载波上进行上行数据传输。
根据本公开的另一个方面，还提供一种通信系统，包括如上所述的基站，或者包括如上所述的用户设备。
依据本公开的其它方面，还提供了用于实现上述用于无线通信的方法的计算机程序代码和计算机程序产品以及其上记录有该用于实现上述用方法的计算机程序代码的计算机可读存储介质。
根据本公开的装置、方法和系统通过在非正交多址通信系统中实现对子载波功率的动态分配，改善了通信系统的通信效率，例如可以获得如下技术益处中至少之一：提升了通信系统的信道容量；减小通信过程中的误比特率；减小了通信系统中相应用户设备之间的干扰。
通过以下结合附图对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的上述以及其他优点将更加明显。
附图说明
为了进一步阐述本发明的以上和其它优点和特征，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。具有相同的功能和结构的元件用相同的参考标号表示。应当理解，这些附图仅描述本发明的典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。在附图中：
图1是示出了根据本公开的一个实施例的用于非正交多址通信系统的无线通信装置的结构框图；
图2是示出了如图1所示的通信装置中功率调整单元的一种具体实现方式的结构框图；
图3是示出了根据本公开的一种具体示例，在OFDM-IDMA通信系统中第k个用户设备的发送端的结构框图；
图4是示出了根据本公开的一种具体示例，在OFDM-IDMA通信系统中基站的接收端的结构框图；
图5示出了根据本公开实施例的用于非正交多址通信系统的基站的示意性框图；
图6示出了图5中基站的一种具体实现方式的示意性框图；
图7示出了根据本发明实施例的用于非正交多址通信系统的用户设备70的示意性框图；
图8示出了图7中用户设备的一种具体实现方式的示意性框图；
图9是示出了根据本公开实施例的对通信系统中用户的子载波发送功率进行动态调整的通信方法的示意流程图；
图10是示出了根据图9的通信方法的一种具体实现方式的流程图；
图11是示出了根据图9的通信方法的另一种具体实现方式的流程图；
图12是示出了根据本公开实施例的对子载波功率进行动态调整的装置和方法的一种具体配置方式下、与现有技术的技术方案的误比特率曲线的对比图；以及
图13是其中可以实现根据本发明的实施例的装置和/或方法和/或系统的通用个人计算机的示例性结构的框图。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
<第一实施例>
图1示出了根据本公开的一个实施例的用于非正交多址通信系统的无线通信装置10的示意性框图。该无线通信装置包括：功率调整单元12，用于针对通信系统中包括的至少部分用户设备，根据通信系统的信道状态信息，对上述至少部分用户设备中每个用户设备的、用于各个子载波的发送功率进行动态调整，以便上述至少部分用户设备以调整后的发送功率在相应的子载波上进行上行数据传输。
在本公开中，通信系统中包括的至少部分用户设备指的是活跃的用户设备、即处于数据连接通话过程中的用户设备。根据本公开的无线通信装置可以对这些活跃用户设备中的至少部分用户设备进行子载波功率调整。除非特别说明，否则下文中出现的用户设备均指处于数据连接通话过程中的活跃的用户设备。
为了说明清楚起见，将以OFDM-IDMA通信系统作为非正交多址通信系统的一个具体应用场景来描述本公开的各具体实施方式，但是，本领域技术人员应该理解，根据本公开的实施例所配置的技术方案可以适用于除了OFDM-IDMA通信系统之外的各种非正交多址通信系统，例如SC-FDMA-IDMA、SCMA。
在传统的OFDM-IDMA通信系统中，对于各个用户设备的各子载波的功率分配是固定不变的，无法进行动态调整。利用了根据本公开的实施例的子载波功率动态调整方法后，其子载波功率被调整的用户可以在不同的子载波上使用不同功率进行上行传输。由于子载波的动态调整考虑了通信系统的信道状态信息，所以使得通信效率得到改善。所利用的通信系统的信道状态信息例如可以表示如下中至少之一：用户在通信系统的各个子信道上的信道条件的信息和至少部分用户之间的干扰信息。
在一种具体实现方式中，功率调整单元12可以以优化通信系统的信道容量为目标，根据通信系统的信道状态信息对至少部分用户设备中每个用户设备的各个子载波的发送功率进行动态调整。
关于针对通信系统中哪些用户设备执行子载波功率调整，例如可以通过基站确定满足预定条件的至少部分用户设备来执行子载波功率调整。具体而言，上述预定条件例如可以包括如下中的至少之一：确定用户设备中对通信质量要求QoS满足预定条件(例如高于预定阈值)的用户设备；确定用户设备中子信道的质量高于预定标准的用户设备；随机选择的用户设备。其中，子信道的质量可以通过例如子信道增益的方差等参数来衡量。例如，子信道增益的方差大于预定阈值的，认为满足预定条件。
根据一种具体的实现方式，也可以针对通信系统中所有的用户设备都执行子载波的发送功率的动态调整方案。以下对根据本发明的子载波发送功率动态调整方案的具体例子的描述，有的是在针对通信系统中所有用户设备都执行子载波的发送功率的动态调整的场景下描述的，有的是在针对通信系统中部分用户设备执行子载波的发送功率的动态调整的场景下描述的，但是所涉及的核心工作原理都是类似的。
在此说明，根据本公开的子载波功率的调整涉及的是用户设备向基站端进行上行数据传输时子载波的发送功率的调整，因此本领域技术人员可以理解，本说明书中提及的子载波功率均指子载波的发送功率。
根据本公开，功率调整单元12被配置为根据通信系统的信道状态信息对至少部分用户设备中每个用户设备的各个子载波的发送功率进行动态调整，以优化所述通信系统的信道容量。
根据一种具体实现方式，图1中所示的功率调整单元12可以具有如图2的框图所示的具体配置。如图2所示，所述功率调整单元12包括：优化模型建立子单元122，用于以通信系统的信道容量为优化目标，以至少部分用户设备中每个用户设备的各个子载波的发送功率为待优化变量，基于信道状态信息建立优化模型；参数确定子单元124，用于确定通信系统的信道状态信息；以及功率确定子单元126，用于基于所述优化模型，根据通信系统的信道状态信息，确定至少部分用户设备中每个用户设备的各个子载波的发送功率，以使得通信系统的信道容量最大化。
下面详细介绍根据本发明的实施例的用于对子载波功率进行动态调整的具体示例。为了描述清楚起见，在下面的示例中，具体应用场景为OFDM-IDMA通信系统。但这并非限定，如上所述，根据本公开实施例的技术方案也可以应用于其他非正交多址通信系统，只要这样的系统具备多个用户设备可以共享同一资源块的特点即可。
现有基于正交频分复用或正交频分多址技术的系统中，也会涉及到子载波的功率的动态调整，例如OFDM系统的“注水”算法(Water-Filling Algorithm)。但是，在这些系统中，任意一个数据子载波在任意一个符号周期中只能被某一个用户独占。与现有基于OFDM或OFDMA技术的系统不同，所述OFDM-IDMA通信系统中，任意一个数据子载波在任意一个符号周期中都被所有活跃用户同时共享，因此，所涉及的子载波功率分配问题在数学上有本质的不同，即使得优化模型建立子单元对优化模型的建立完全不同。可见，现有的一些子载波功率分配方法并不适用于本公开实施例所涉及的OFDM-IDMA通信系统。此外，在现有的基于正交频分复用或正交频分多址技术的系统中，对于子载波的功率的动态调整并不会使得通信系统的性能或者通信效率得到改进。
图3是示出了根据本公开的一种具体示例的、在OFDM-IDMA通信系统中第k个用户设备的发送端的结构框图。如图3所示，发送信息比特向量bk被送入扩展器302进行扩展，得到扩展后的码片(chip)向量ck，扩展器302以{+1，-1}交替序列作为扩展序列对发送信息比特向量bk进行扩展，扩展后的码片向量的长度记为S。然后，通过交织器304对扩展后的码片向量ck进行交织，得到交织后的码片向量
Figure BDA0000674663870000061
通常，在交织多址系统中，每个用户设备的交织器必须不同，交织器是系统区分用户设备的唯一标识。通过符号映射器306对交织后的码片向量
Figure BDA0000674663870000062
进行星座图调制(Modulation)，并通过串并转换单元308进行串并转换(S/P,Serial to Parallel)，得到调制后的符号向量Xk，Xk的长度等于子载波的数目N，并将其功率进行归一化。子载波功率分配器310根据本公开实施例的子载波功率调整方法对每个用户设备用于各个子载波的瞬时发送功率进行动态调整，得到调整后的发送功率，记为pk,n，其表示第k个用户第n个子载波的瞬时功率。然后将所得到的发送功率分配给相应的子载波，得到新的符号向量
Figure BDA0000674663870000075
随后通过逆离散傅里叶变换单元312对新的符号向量
Figure BDA0000674663870000076
进行逆离散傅里叶变换(IDFT,Inverse Discrete Fourier Transform)，得到时域信号xk。然后通过并串转换(P/S,Parallel to Serial)单元314对该时域信号xk进行并串转换，通过附加循环前缀单元316附加循环前缀(CP,Cyclic Prefix)，然后将附加了循环前缀的时域信号发送到信道中。在此说明，除了在子载波功率分配器310中实施的子载波功率调整方法以外，用户设备发送端中其他组成单元中的操作为本领域技术人员所熟知，其细节在此不再赘述。
上述根据本公开的OFDM-IDMA通信系统与现有系统的不同之处在于，现有系统不执行子载波功率动态调整处理，调制后的符号向量Xk采用相等功率进行发送，即
Figure BDA0000674663870000071
其中
Figure BDA0000674663870000072
是
Figure BDA0000674663870000073
的第n个元素；Xk(n)是Xk的第n个元素；Pk是用户k的平均发送功率，其不随子载波序号n变化。对比而言，根据本公开实施例的上述通信系统中，可以根据频域信道状态信息估计值，对至少部分用户的各子载波的瞬时发送功率进行动态调整，即
Figure BDA0000674663870000074
其中第n个子载波上的瞬时功率pk,n随序号n变化。如前所述，如图1所示的根据本发明的实施例的通信装置12可以在子载波功率分配器310中实现。子载波功率动态调整分配方法的具体步骤将在后面给出。
图4是示出了根据本公开的一种具体示例，在OFDM-IDMA通信系统中基站的接收端的结构框图。根据本公开，基站的接收端能够接收并处理其所管理的所有K个活跃用户设备的发送信号。如图4所示，接收信号首先通过去循环前缀单元402进行去循环前缀操作，然后经过串并转换单元404和离散傅里叶变换单元406进行离散傅里叶变换(DFT,DiscreteFourier Transform)得到频域接收信号Y。将频域接收信号Y送入基本信号估计器(ESE,Elementary Signal Estimator)408。基本信号估计器408的功能是分解多用户信号，以实际频域接收数据Y和码片的先验(A Priori)软信息
Figure BDA0000674663870000081
作为已知条件，通过在各子载波上独立进行的多用户干扰的软干扰消除操作，得到更新后的各用户各码片的外附(Extrinsic)软信息
Figure BDA0000674663870000082
对于第n个子载波，接收信号可以表示为：
Figure BDA0000674663870000083
其中，hk,n为第k个用户第n个子载波的信道状态信息，Z(n)为第n个子载波上的噪声。
由于Xk(n)由相邻的若干码片调制而得，根据上述第n个子载波上的信号关系，基本信号估计器408将采用逐码片检测方法(Chip-by-Chip Detection Algorithm)估计出各用户各码片的外附软信息，用
Figure BDA0000674663870000084
表示。通过解交织器k 410对软信息序列
Figure BDA0000674663870000085
进行对应的解交织操作，得到对应的交织前的码片序列的软信息{eESE(ck(j))}，送入解码器k 416进行解码，得到新的外附软信息{eDEC(ck(j))}，通过交织器k 412再次进行交织得到交织后码片序列的软信息
Figure BDA0000674663870000086
将其作为先验信息输入到基本信号估计器408。在第一次迭代时，将先验软信息序列
Figure BDA0000674663870000087
置零。在最后一次迭代结束后，对解码器k 416的输出进行硬判决得到发送信息的估计值
Figure BDA0000674663870000091
可见，接收端的操作可认为是在各子载波上进行迭代软干扰消除。基本信号估计器408相应于如图3中所示的用户的发送端的子载波功率分配器310的子载波功率动态分配操作而相关地进行配置参数方面的调整。具体调整方式可以由本领域技术人员根据发送端的改进(主要涉及图3中的子载波功率分配器310的改进)来相应地进行，细节在此不再赘述。需要说明，除了在基本信号估计器408中实现的操作以外，基站的接收端的其他组成单元中的操作为本领技术所熟知，其细节在此不再赘述。
在此需要说明，图4中仅示出了基站的接收端中包括用于所有K个用户设备中第k个用户设备的解交织器k 410、交织器k 412和解码器k416，但是本领域技术人员可以理解，基站的接收端中包括了针对所有K个用户设备中每个用户设备的解交织器、交织器和解码器。为了使附图清楚简明，用于其他用户设备的解交织器、交织器和解码器以省略号的形式示出。
在此需要说明，虽然在上面的例子中，根据本发明的子载波发送功率动态调整方法是在用户设备的发送端实现的，但是，本领域技术人员容易理解，这种子载波发送功率动态调整方法当然也可以在基站端实现，或者，可以在除了用户设备和基站之外的独立的设备中实现。
下面将详细介绍如图2中所示的子载波功率调整单元12在图3中的子载波功率分配器310中实现的子载波功率动态调整的一种具体实施方式。
假设通信系统包括的、其子载波发送功率待被调整的用户设备的数目为K，第k个用户的平均发送功率为Pk(k＝1,2,...,K)，子载波的数目为N。参数确定单元124确定通信系统的信道状态信息，包括第k个用户第n个子载波的频域信道状态信息估计值
Figure BDA0000674663870000092
k＝1,2,...,K，n＝0,1,...,N-1。噪声方差
Figure BDA0000674663870000093
和系统的星座图调制方式是已知的，并且将第k个用户第n个子载波的瞬时发送功率定义为pk,n(其中，k＝1,2,...,K，n＝0,1,...,N-1)。
根据本公开，信道状态信息估计值
Figure BDA0000674663870000094
可以由所述至少部分用户设备在所述通信系统的各个子信道上的信道条件和/或所述至少部分用户设备之间的多用户干扰表示。
优化模型建立子单元122建立待求解的优化模型。以K个用户中各用户各子载波的瞬时发送功率pk,n(k＝1,2,...,K，n＝0,1,...,N-1)为待优化变量，并且以通信系统中的和信道容量(Sum Channel Capacity)最大化为优化目标，以各用户子载波的平均发送功率为第一组约束条件，即
Figure BDA0000674663870000101
k＝1,2,...,K，以各子载波瞬时发送功率为非负实数为第二组约束条件，即pk,n≥0，k＝1,2,...,K，n＝0,1,...,N-1。
功率确定子单元126基于所述优化模型，根据所述通信系统的信道状态信息，确定所述至少部分用户设备中每个用户设备的各个子载波的发送功率，以使得所述通信系统的信道容量最大化。根据本公开的一个实施例，功率确定子单元126根据参数确定子单元124确定的通信系统的信道状态信息，通过求解由优化模型建立子单元122建立的优化模型，得到各用户各子载波的瞬时发送功率pk,n(k＝1,2,...,K，n＝0,1,...,N-1)，用于所述正交频分复用交织多址通信系统中相应用户设备的发送端。
根据本公开，功率确定子单元126确定的用于每个用户设备的各个子载波的发送功率pk,n满足如下预定约束条件：针对该用户设备的各个子载波的发送功率之和等于用于该用户设备的平均发送功率与所述子载波的数目之积，即
Figure BDA0000674663870000102
其中k＝1,2,...,K。
根据本公开，每个用户设备的平均发送功率可以从服务该用户设备的基站获取。
在上面所提及的和信道容量由所有子载波上的子信道容量的和构成，每个子信道的容量计算方式由系统星座图调制方式决定。OFDM-IDMA系统一般采用M阶正交幅度调制(M-QAM)，最常用的是M＝4的星座图,即QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)调制。以此调制方式它所对应的和信道容量由下式给出：
Figure BDA0000674663870000103
其中，C0表示作为优化目标的所述通信系统的信道容量；γn表示第n个子信道上的多用户信号的信噪比，其基于所述信道状态信息和所述至少部分用户中每个用户用于各个子载波的发送功率来确定；n为子载波的序号，N为子载波的数目。
更具体地，其中，γn可以通过
Figure BDA0000674663870000111
获得(其中，n＝0,1,...,N-1，k＝1,2,...,K，n＝0,1,...,N-1)，
Figure BDA0000674663870000112
表示第k个用户第n个子载波对应的第n个子信道的信道状态信息，其反映了第k个用户设备在所述通信系统的第n个子信道上的信道条件和/或各用户设备之间的多用户干扰；
Figure BDA0000674663870000113
表示第n个子信道上的噪声方差。
即，根据本公开的优选实施例，优化模型建立子单元122可以被配置为建立通过上述公式(2)来表示的优化模型。
如图4所示的OFDM-IDMA通信系统的接收端采用迭代干扰消除技术并行处理每一个子载波上的数据，因此，当迭代接收机收敛时，多用户之间的干扰功率将趋向于零，所述和信道容量可由下式近似给出：
Figure BDA0000674663870000114
其中，γk,n表示第k个用户设备在第n个子载波对应的第n个子信道上的信噪比，其可以通过公式
Figure BDA0000674663870000115
表示，其中，k＝1,2,...,K，n＝0,1,...,N-1。
采用C1作为和信道容量表达式，求解上述优化问题可得瞬时功率分配结果如下，即功率确定子单元126基于如下公式确定所述多个用户中每个用户用于各个子载波的发送功率:
Figure BDA0000674663870000116
其中，pk,n表示所述多个用户中第k个用户用于第n个子载波的发送功率；max为取最大值函数，其保证了pk,n的非负实数性质；参数λk为求解pk,n引入的拉格朗日算子，其值使得pk,n满足该第一组约束条件，即针对该用户设备的各个子载波的发送功率之和等于用于该用户设备的平均发送功率与所述子载波的数目之积，也即
Figure BDA0000674663870000121
k＝1,2,...,K。
从上面公式(4)可以看出，由于系统容量与pk,n、
Figure BDA0000674663870000122
和σ2有关，而
Figure BDA0000674663870000123
和σ2是与系统的配置相关的参数，即一旦系统配置确定，就不可调，因此，当以系统容量作为优化目标时，可以通过调整子载波的功率来实现该优化目标。
与常用子信道容量的表达式CG,n＝log2(1+γn)不同，在本公开中采用的各个子信道容量表达式为
Figure BDA0000674663870000124
原因如下：常用子信道容量的表达式CG,n仅在输入信号的分布呈连续的高斯(Gaussian)分布时才成立，但是，在实际的OFDM-IDMA系统的QPSK调制中，等效频域信道的输入信号都是离散的星座点，分布为有限的、等概率离散分布，而不是高斯分布，因此，如果采用输入信号呈现连续的高斯分布时才能成立的CG,n表达式，会因为与实际输入信号分布特性不相符而造成优化性能下降。对比而言，如果采用本发明上述的与实际通信系统中的输入信号(即有限的、离散分布的输入信号)的分布特性对应的子信道容量表达式
Figure BDA0000674663870000125
就能够获得令人满意的优化性能。
需要指出，上述结合图1-2描述的根据本公开实施例的用于实现子载波发送功率动态调整的无线通信装置，既可以作为独立的功能装置实现，也可以在通信系统的用户设备中实现，例如在参照图3描述的用户设备的发送端中实现，当然，也可以在通信系统的基站中实现，例如在参照图4描述的基站的接收端中实现。
图5示出了根据本发明实施例的用于非正交多址通信系统的基站50的示意性框图。如图所示，基站50包括如上述结合图1-2所示的无线通信管理装置10，用于针对通信系统中包括的至少部分用户设备，根据上述通信系统的信道状态信息，对至少部分用户设备中每个用户设备的、用于各个子载波的上行发送功率进行动态调整，以便每个用户设备以调整后的发送功率在相应的子载波上向基站50传输数据。
图6示出了图5中基站50的一种具体实现方式的示意性框图。如图10所示，基站50还包括：交织器分配装置502，用于响应于来自至少部分用户设备的数据连接请求，为至少部分用户设备中的每个用户设备分配不同的交织器；以及通信装置504，用于将所分配的交织器的标识发送给相应的用户设备。
根据一个实施例，通信装置504可以通过物理层的控制信道将所分配的交织器的标识发送给相应的用户设备。
根据一个实施例，通信装置504还可以响应于至少部分用户设备发出的数据连接请求，向该至少部分用户设备中的每个用户设备发送用于对所述通信系统中的信道状态进行估计的训练序列。训练序列例如可以为如下中任一种：未经调制的训练序列、经交织多址调制的训练序列、经正交频分复用调制的训练序列、经正交频分复用交织多址的训练序列以及与数据叠加在一起发送的训练序列。
如图5-6所述的基站50例如可以被配置为执行结合图1-2、4描述的通信装置的操作，细节可以参考图1-2及其说明获知，在此不再赘述。
图7示出了根据本公开实施例的用于非正交多址通信系统的用户设备70的示意性框图。如图所示用户设备70包括如上述结合图1-2所示的无线通信管理装置10，用于根据通信系统的信道状态信息，对该用户设备用于各个子载波的发送功率进行动态调整，以便以该用户设备用于各个子载波的、动态调整后的发送功率，在相应的子载波上进行上行数据传输。
图8示出了图7中用户设备70的一种具体实现方式的示意性框图。如图所示，用户设备70还包括通信装置702，用于向基站发送数据连接请求，并从所述基站接收该基站响应于该数据连接请求而为该用户设备分配的交织器的标识。
根据一个实施例，通信装置702还配置为响应于数据连接请求，从基站接收用于对通信系统中的信道状态进行估计的训练序列。训练序列可以为为如下中任一种：未经调制的训练序列、经交织多址调制的训练序列、经正交频分复用调制的训练序列、经正交频分复用交织多址的训练序列以及与数据叠加在一起发送的训练序列。
如图7-8所述的用户设备70例如可以被配置为执行结合图1-3描述的通信装置的操作，细节可以参考图1-3及其说明获知，在此不再赘述。
图9是示出根据本发明实施例的子载波发送功率动态调整方法的示意性流程图。如图9所示，在步骤S920，针对通信系统中包括的至少部分用户设备，根据通信系统的信道状态信息，对至少部分用户设备中每个用户设备的、用于各个子载波的发送功率进行动态调整，以便上述至少部分用户设备以调整后的发送功率在相应的子载波上进行上行数据传输。S920可以参考例如结合图1-2描述的功率调整单元12的操作，在此省略其详细描述。
图10是示出了图9中的子载波功率动态调整方法的一个具体示例的流程图。在该示例中，子载波功率动态调整的方法在用户端的用户设备中实现。图10中的示例以时分双工(TDD,Time Division Duplex)上行数据传输系统为例，在系统的用户端的用户设备UE与基站BS之间执行的信令流程如下。
在步骤①，位于用户端的用户设备发起数据连接请求。在步骤②，基站同意该数据连接请求后，分配给用户不同的交织器，并发送数据连接应答请求。在步骤③，基站发送训练序列用于信道估计。在步骤④，用户端的用户设备根据接收到的训练序列进行各自的信道估计，得到信道状态信息估计值
Figure BDA0000674663870000141
并计算信道的平均增益
Figure BDA0000674663870000142
然后将其发送给基站端。在步骤⑤，基站根据接收到的各用户信道平均增益，进行平均功率分配处理，计算出各用户设备所需的平均发送功率Pk，反馈给各用户设备。在步骤⑥，各用户执行如本公开上述实施例所描述的子载波功率动态调整方法，得到各自的瞬时功率pk,n，并将该调整过的功率用于上行数据传输。在步骤⑦，基站处理接收到的数据并根据需要发送下行数据。
在上述信令交互过程中，大部分信令数据只涉及很少的数据量，可通过控制信道传输；只有训练序列和数据块的数据量较大，可通过数据信道传输。
图11是示出了图9中的子载波功率动态调整方法的另一个具体示例的流程图。其与图10的信令流程的不同之处在于，在图10的信令流程中是在用户端由用户设备UE执行子载波功率动态调整，而在图11中，是在基站端执行子载波功率动态调整。具体而言，在步骤①，位于用户端的用户设备发起数据连接请求。在步骤②，基站同意该数据连接请求后，分配给用户不同的交织器，并发送数据连接应答请求。在步骤③，用户设备向基站发送训练序列用于信道估计并且基站基于该训练序列对通信系统的信道状态进行估计。在步骤④，进行平均功率分配处理并实现子载波功率动态调整。在步骤⑤，基站通过物理下行控制信令将经调整的、用于子载波的发送功率经由物理下行链路控制信道(PDCCH)下发给相应的用户端。以及，在步骤⑥，便该用户端的用户设备以经调整的发送功率在相应的子载波上进行上行数据传输，即进行向基站端的数据传输。
如图10所述的通信方法例如可以通过如图6所示的用户设备来实现，而如图11所述的通信方法例如可以通过如图5所示的基站来实现，具体细节可以参考图5-6及其详细说明获知，在此不再赘述。
容易理解，包括根据本公开上述实施例的能够对用户设备子载波功率进行动态调整的基站，或者包括根据本公开上述实施例的能够对用户设备子载波功率进行动态调整的用户终设备的通信系统，也应当被认为包括在本公开的保护范围中。
图12是示出了根据本公开通信方法的一种具体配置方式下与现有技术的技术方案的误比特率曲线的对比图。在该仿真实验中，采用如图3所示的通信系统发送端(即，用户设备的发送端)以及如图4所示的通信系统接收端(即，基站的接收端)，信令流程参见图10。系统相关参数如下：扩展长度S＝4，用户设备数目K＝4，子载波数目N＝512，各用户设备采用随机交织器，星座图为QPSK调制，信道为12抽头瑞利(Rayleigh)衰落信道，接收机迭代次数为6。
图12给出系统相应的误比特率(BER,Bit Error Rate)曲线，包括现有系统的误比特率结果，即不进行子载波功率动态调整时的结果(曲线标记为“等功率”)，按照输入信号为Gaussian分布构建和信道容量目标函数进行优化得到的结果(曲线标记为“不等功率，高斯分布”)和按照本发明实施例所公开的子载波发送功率动态调整装置和方法得到的结果(曲线标记为“不等功率，本发明的功率动态调整”)。由图12可以看出，采用根据本发明实施例的子载波功率动态调整装置和方法所得到的误比特率性能最好，特别是在高信噪比时，其它两种方法的误比特率存在“平底”效应(Error Floor Effect)，而根据本发明实施例的方案不存在平底效应。另外，从图12可以看出，若目标函数采用传统的和信道容量公式，即假设输入信号为高斯(Gaussian)分布，造成的误比特率反而比现有的不进行子载波功率调整时的要更高，这一现象与常见的“注水”算法可优化系统性能的结论是相反的，原因就在于，两者优化的通信系统有根本的不同。应用“注水”算法的OFDM或OFDMA系统中，系统的每个子载波只被其中一个用户独占，而本发明所涉及OFDM-IDMA系统中，每个子载波被所有用户共享。
以上结合具体实施例描述了本发明的基本原理，但是，需要指出的是，对本领域的技术人员而言，能够理解根据本发明实施例的装置和方法的全部或者任何步骤或部件，可以在任何计算装置(包括处理器、存储介质等)或者计算装置的网络中，以硬件、固件、软件或者其组合的形式实现，这是本领域的技术人员在阅读了本发明的描述的情况下利用其基本电路设计知识或者基本编程技能就能实现的。
本领域的技术人员可以理解，上文所述的装置中的各组成部件，例如优化模型建立子单元、参数确定子单元、功率确定子单元等，可以由一个或更多个处理器来实现，而例如通信装置等，可以由天线、滤波器、调制解调器及编解码器等电路元器件实现。
而且，本发明还提出了一种存储有机器可读取的指令代码的程序产品。所述指令代码由机器读取并执行时，可执行上述根据本发明实施例的方法。
相应地，用于承载上述存储有机器可读取的指令代码的程序产品的存储介质也包括在本发明的公开中。所述存储介质包括但不限于软盘、光盘、磁光盘、存储卡、存储棒等等。
在通过软件或固件实现本发明的情况下，从存储介质或网络向具有专用硬件结构的计算机(例如图13所示的通用计算机1300)安装构成该软件的程序，该计算机在安装有各种程序时，能够执行各种功能等。
在图13中，中央处理单元(CPU)1301根据只读存储器(ROM)1302中存储的程序或从存储部分1308加载到随机存取存储器(RAM)1303的程序执行各种处理。在RAM 1303中，也根据需要存储当CPU 1301执行各种处理等等时所需的数据。CPU 1301、ROM 1302和RAM 1303经由总线1304彼此连接。输入/输出接口1305也连接到总线1304。
下述部件连接到输入/输出接口1305：输入部分1306(包括键盘、鼠标等等)、输出部分1307(包括显示器，比如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等，和扬声器等)、存储部分1308(包括硬盘等)、通信部分1309(包括网络接口卡比如LAN卡、调制解调器等)。通信部分1309经由网络比如因特网执行通信处理。根据需要，驱动器1310也可连接到输入/输出接口1305。可移除介质1311比如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等根据需要被安装在驱动器1310上，使得从中读出的计算机程序根据需要被安装到存储部分1308中。
在通过软件实现上述系列处理的情况下，从网络比如因特网或存储介质比如可移除介质1311安装构成软件的程序。
本领域的技术人员应当理解，这种存储介质不局限于图13所示的其中存储有程序、与设备相分离地分发以向用户提供程序的可移除介质1311。可移除介质1311的例子包含磁盘(包含软盘(注册商标))、光盘(包含光盘只读存储器(CD-ROM)和数字通用盘(DVD))、磁光盘(包含迷你盘(MD)(注册商标))和半导体存储器。或者，存储介质可以是ROM 1302、存储部分1308中包含的硬盘等等，其中存有程序，并且与包含它们的设备一起被分发给用户。
还需要指出的是，在本发明的装置、方法和系统中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应该视为本发明的等效方案。并且，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。
最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上虽然结合附图详细描述了本发明的实施例，但是应当明白，上面所描述的实施方式只是用于说明本发明，而并不构成对本发明的限制。对于本领域的技术人员来说，可以对上述实施方式作出各种修改和变更而没有背离本发明的实质和范围。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求及其等效含义来限定。

Claims (19)

1.一种用于非正交多址通信系统的无线通信装置，包括：
功率调整单元，用于针对所述通信系统中包括的至少部分用户设备，根据所述通信系统的信道状态信息，对所述至少部分用户设备中每个用户设备用于各个子载波的发送功率进行动态调整，以便所述至少部分用户设备以调整后的发送功率在相应的子载波上进行上行数据传输，
其中，所述至少部分用户设备为所述通信系统中包括的所有用户设备。
2.根据权利要求1所述的无线通信装置，其中，所述信道状态信息由所述至少部分用户设备在所述通信系统的各个子信道上的信道条件和/或所述至少部分用户设备之间的多用户干扰表示。
3.根据权利要求1或2所述的无线通信装置，其中，所述功率调整单元被配置为根据所述通信系统的信道状态信息对所述至少部分用户设备中每个用户设备的各个子载波的发送功率进行动态调整，以优化所述通信系统的信道容量。
4.根据权利要求3所述的无线通信装置，其中，所述功率调整单元包括：
优化模型建立子单元，用于以所述通信系统的信道容量为优化目标，以所述至少部分用户设备中每个用户设备的各个子载波的发送功率为待优化变量，基于所述信道状态信息建立优化模型；
参数确定子单元，用于确定所述通信系统的信道状态信息；以及
功率确定子单元，用于基于所述优化模型，根据所述通信系统的信道状态信息，确定所述至少部分用户设备中每个用户设备的各个子载波的发送功率，以使得所述通信系统的信道容量最大化。
5.根据权利要求4所述的无线通信装置，其中，所述功率确定子单元确定的用于每个用户设备的各个子载波的发送功率满足如下预定约束条件：针对该用户设备的各个子载波的发送功率之和等于用于该用户设备的平均发送功率与所述子载波的数目之积。
6.根据权利要求5所述的无线通信装置，其中，每个用户设备的平均发送功率从服务该用户设备的基站获取。
7.根据权利要求5或6所述的无线通信装置，其中所述优化模型建立子单元被配置为建立通过以下公式来表示的优化模型：
Figure FDA0002605734090000021
其中，C0表示作为优化目标的所述通信系统的信道容量；γn表示第n个子信道上的多用户信号的信噪比，其基于所述信道状态信息和所述至少部分用户设备中每个用户设备用于各个子载波的发送功率来确定；n为子载波的序号，N为子载波的数目。
8.根据权利要求7所述的无线通信装置，其中功率确定子单元基于如下公式确定所述至少部分用户设备中每个用户设备用于各个子载波的发送功率：
Figure FDA0002605734090000022
其中，pk,n表示所述至少部分用户设备中第k个用户设备用于第n个子载波的发送功率；max为取最大值函数；
Figure FDA0002605734090000023
表示第k个用户设备用于第n个子载波的信道状态信息；
Figure FDA0002605734090000024
表示第n个子信道上的噪声方差，参数λk为求解pk,n引入的拉格朗日算子，其值使得pk,n满足所述预定约束条件。
9.根据权利要求1或2所述的无线通信装置，其中，所述至少部分用户设备是从所述通信系统中包括的多个用户设备中选择的、符合如下条件的用户设备：
对服务质量QoS的要求高于预定条件的用户设备；
子信道的质量高于预定标准的用户设备；以及
随机选择的用户设备。
10.根据权利要求1或2所述的无线通信装置，其中，所述非正交多址通信系统是正交频分复用交织多址通信系统。
11.一种用于非正交多址通信系统的基站，所述基站包括：
根据权利要求1-10中任一项所述的无线通信装置，用于针对所述通信系统中包括的至少部分用户设备，根据所述通信系统的信道状态信息，对所述至少部分用户设备中每个用户设备的、用于各个子载波的上行发送功率进行动态调整，以便所述每个用户设备以调整后的发送功率在相应的子载波上向所述基站传输数据。
12.根据权利要求11所述的基站，还包括：
交织器分配装置，用于响应于来自所述至少部分用户设备的数据连接请求，为所述至少部分用户设备中的每个用户设备分配不同的交织器；以及
通信装置，用于将所分配的交织器的标识发送给相应的用户设备。
13.根据权利要求12所述的基站，其中，所述通信装置用于通过物理层的控制信道将所分配的交织器的标识发送给相应的用户设备。
14.根据权利要求12或13所述的基站，其中，所述通信装置还配置为从所述至少部分用户设备中的每个用户设备接收训练序列，以基于所述训练序列对所述通信系统中的信道状态进行估计，
其中，所述训练序列为如下中任一种：未经调制的训练序列、经交织多址调制的训练序列、经正交频分复用调制的训练序列、经正交频分复用交织多址的训练序列以及与数据叠加在一起发送的训练序列。
15.一种用于非正交多址通信系统的用户设备，所述用户设备包括：
根据权利要求1-10中任一项所述的无线通信装置，用于根据所述通信系统的信道状态信息，对该用户设备用于各个子载波的发送功率进行动态调整，以便以该用户设备用于各个子载波的、动态调整后的发送功率，在相应的子载波上进行上行数据传输。
16.根据权利要求15所述的用户设备，其中所述用户设备还包括通信装置，用于向基站发送数据连接请求，并从所述基站接收该基站响应于该数据连接请求而为所述用户设备分配的交织器的标识。
17.根据权利要求16所述的用户设备，其中，所述通信装置还配置为响应于所述数据连接请求，从所述基站接收用于对所述通信系统中的信道状态进行估计的训练序列，
其中，所述训练序列为如下中任一种：未经调制的训练序列、经交织多址调制的训练序列、经正交频分复用调制的训练序列、经正交频分复用交织多址的训练序列以及与数据叠加在一起发送的训练序列。
18.一种用于非正交多址通信系统中的通信方法，包括：
针对所述通信系统中包括的至少部分用户设备，根据所述通信系统的信道状态信息，对至少部分用户设备中每个用户设备的、用于各个子载波的发送功率进行动态调整，以便所述至少部分用户设备以调整后的发送功率在相应的子载波上进行上行数据传输，
其中，所述至少部分用户设备为所述通信系统中包括的所有用户设备。
19.一种通信系统，包括如权利要求15-17中任一项所述的用户设备，或者包括如权利要求11-14中任一项所述的基站。
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