CN106374989B - 一种基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法。基站根据信道长期统计信息，将移动终端分成若干个簇，每个簇包含为数不多的移动终端，以便移动终端进行低复杂度的串行干扰抵消。基站根据移动终端反馈的瞬时信道状态信息，为每个簇的发射信号进行叠加编码，然后把叠加编码后的信号经波束成形后发射出去，以减少簇与簇之间的干扰。移动终端在收到信号后，首先对同一簇内信道增益较弱的移动终端的信号进行解码，并将这些移动终端的信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码。本发明为基于频分复用的宽带移动通信系统提供了一种简单却有效的非正交多接入方法。

Description

一种基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法。

背景技术

非正交多接入(NOMA)技术由于其极高的频谱利用效率，而被广泛认为是第五代移动通信系统(5G)的一项关键技术。在传统的正交多接入技术中，如时分复用多接入(TDMA)、频分复用多接入(FDMA)和码分复用接入(CDMA)，一个无线资源块只能分配给一个移动终端，导致极低的资源利用效率。随着无线互联网的兴起，未来的5G网络需要支持大量无线设备的同时接入。在这种情况下，由于无线资源的稀缺性，传统的正交多接入技术很难支持大规模接入。

非正交多接入技术主要是利用功率域上的差异来同时支持多个无线设备的接入。例如，在下行链路中，基站调度多个下行信道增益差异较大的移动终端组成一个簇，并对一个簇内的发射信号进行叠加编码，而移动终端则利用叠加编码信号在功率域上的差异性进行串行干扰抵消，从而可以无差错的解码出自身所需要的信号。对于非正交多接入，影响其性能的主要是来自簇间和簇内其它移动终端信号的干扰。因此，为了进一步提高非正交多接入技术的性能，必须有效抑制来自簇间和簇内的干扰。众所周知，多天线技术是无线通信中一种可行且有效的干扰抑制手段。并且，多天线技术也是5G系统的关键技术之一。因此，可以将非正交多接入和多天线技术结合起来，有效增强系统的性能。基于此，英国兰卡斯特大学的丁志国等人在《A General MIMO Framework for NOMA Downlink and UplinkTransmission Based on Signal Alignment》一文中，提出了一种利用多天线技术进行信号对齐的方法，从而到达减少信号干扰的目的。然而，这种方法需要基站具有完全的下行信道状态信息，这在实际系统中是很难实现的。此外，信号对齐方法具有较高的实现复杂度。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述方案中信道状态信息无法获得和干扰抑制方法复杂度较高等问题，提出了一种基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法。

本发明所采用的具体技术方案如下:

基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法，包括如下步骤：

1)基站根据信道长期统计信息，获得所有下行信道的大尺度衰落信息α_i，i＝1,…,U，其中U为移动终端的数量；

2)基于下行信道的大尺度衰落信息，基站将移动终端分为N个簇，每个簇包含K个移动终端；

3)移动终端对信道状态信息进行估计，然后经码书量化后通过反馈链路传递给基站，使得基站获得第n个簇中第k个移动终端下行链路的信道状态信息n∈[1,N]，k∈[1,K]；

4)基站为第n个簇中第k个移动终端的信号s_n,k分配发射功率P_n,k，然后将每个簇的所有移动终端的信号进行叠加编码；

5)基站根据所获得的信道状态信息，基于迫零波束成形的方法，为每个簇经叠加编码的信号s_n设计一个发射波束w_n，然后将所有波束成形后的信号一起进行发射；

6)移动终端接到基站发射的信号后，对同一簇内的用户进行串行干扰抵消，然后对自身信号进行解码。

步骤2)中移动终端分簇方法为：将所有移动终端按照信道大尺度衰落从大到小排列，然后每N个相邻的移动终端分为一组，一共包括K个组；将所有K组的第一个移动终端组成一个簇，所有排在第二位的组成另一个簇，依次类推，所有排在第N位的组成一个簇；由此，所有终端被分为N个簇，每个簇包含K个终端；K优选设为2。

步骤3)中信道状态信息反馈方法为：

a)基于随机码书设计原则，为第n个簇中的第k个移动终端设计一个包含个码字的量化码书并将其同时存储在移动终端和基站处；其中B_n,k为第n个簇中第k个移动终端的反馈比特数；

b)基站向所有移动终端广播一段相同的训练序列，第n个簇中的第k个移动终端基于最小均方误差准则，估计出其所在的下行信道的状态信息；

c)第n个簇中的第k个移动终端从其量化码书中选出一个最佳的量化码字，使得这一量化码字与信道状态信息的乘积的绝对值最大；

d)第n个簇中的第k个移动终端将所选出的最佳量化码字的序号利用B_n,k个比特表征后，通过反馈链路传递给基站；

e)基于收到的反馈信息，基站从相同的量化码书中得到最佳的量化码字，将其作为第n个簇中的第k个移动终端所在的下行信道的状态信息

步骤4)中叠加编码方法为：基站对第n个簇内的发射信号s_n进行如下的叠加编码其中P_n,k为第n个簇中的第k个移动终端的信号的发射功率。

步骤5)中迫零波束成形方法为：

a)基于移动终端反馈的信道状态信息，基站为第n个簇构建一个补矩阵其中为第n个簇中第k个移动终端所反馈的信道状态信息；

b)对进行特征值分解，令w_n为的零特征值所对应的右特征矢量；

c)令基站的发射信号为

步骤6)中串行干扰抵消方法为：任一移动终端首先对同一簇内信道增益弱于自身的移动终端的信号进行解码，并将这些信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码。

本发明具有的有益效果是：本发明提出的移动终端分簇方法，具有实现简单且便于移动终端进行串行干扰抵消的特点。利用量化码书传递信道状态信息，可以花费较小的带宽资源使得基站获得瞬时的信道状态信息，并且可以根据系统的性能要求灵活的调整信道状态信息的反馈量。本发明提出的基于部分信道状态信息的迫零波束成形方法，具有实现复杂度低的优点，且可以有效的抑制其它终端信号的干扰，提高非正交多接入方法的性能。

附图说明

图1是基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法的框图；

图2是在不同反馈量时，非正交多接入方法的平均传输速率性能比较；

图3是非正交多接入和正交多接入的平均传输速率性能比较；

具体实施方式

基于频率复用多天线系统的非正交多接入的框图如图1所示，基站有N_t根天线，每个移动终端配置1根天线。基站将移动终端分成多个簇，每个簇包含为数不多的终端，以减少串行干扰抵消的复杂度。移动终端利用量化码书，将部分信道状态信息反馈给基站，而基站则利用反馈获得的信道状态信息设计发射波束，以减少簇间干扰。移动终端接收到信号后，对簇内信号进行串行干扰抵消，以进一步减少干扰，提高系统的性能。

基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法，包括如下步骤：

1)基站根据信道长期统计信息，获得所有下行信道的大尺度衰落信息α_i，i＝1,…,U，其中U为移动终端的数量；

2)基于下行信道的大尺度衰落信息，基站将移动终端分为N个簇，每个簇包含K个移动终端；

3)移动终端对信道状态信息进行估计，然后经码书量化后通过反馈链路传递给基站，使得基站获得第n个簇中第k个移动终端下行链路的信道状态信息n∈[1,N]，k∈[1,K]；

4)基站为第n个簇中第k个移动终端的信号s_n,k分配发射功率P_n,k，然后将每个簇的所有移动终端的信号进行叠加编码；

5)基站根据所获得的信道状态信息，基于迫零波束成形的方法，为每个簇经叠加编码的信号s_n设计一个发射波束w_n，然后将所有波束成形后的信号一起进行发射；

6)移动终端接到基站发射的信号后，对同一簇内的用户进行串行干扰抵消，然后对自身信号进行解码。

上述方法中，部分步骤中采用的具体方法如下：

步骤2)中移动终端分簇方法为：将所有移动终端按照信道大尺度衰落从大到小排列，然后每N个相邻的移动终端分为一组，一共包括K个组；将所有K组的第一个移动终端组成一个簇，所有排在第二位的组成另一个簇，依次类推，所有排在第N位的组成一个簇；由此，所有终端被分为N个簇，每个簇包含K个终端；K优选设为2。

步骤3)中信道状态信息反馈方法为：

a)基于随机码书设计原则，为第n个簇中的第k个移动终端设计一个包含个码字的量化码书并将其同时存储在移动终端和基站处；其中B_n,k为第n个簇中第k个移动终端的反馈比特数；

b)基站向所有移动终端广播一段相同的训练序列，第n个簇中的第k个移动终端基于最小均方误差准则，估计出其所在的下行信道的状态信息；

c)第n个簇中的第k个移动终端从其量化码书中选出一个最佳的量化码字，使得这一量化码字与信道状态信息的乘积的绝对值最大；

d)第n个簇中的第k个移动终端将所选出的最佳量化码字的序号利用B_n,k个比特表征后，通过反馈链路传递给基站；

e)基于收到的反馈信息，基站从相同的量化码书中得到最佳的量化码字，将其作为第n个簇中的第k个移动终端所在的下行信道的状态信息

步骤4)中叠加编码方法为：基站对第n个簇内的发射信号s_n进行如下的叠加编码其中P_n,k为第n个簇中的第k个移动终端的信号的发射功率。

步骤5)中迫零波束成形方法为：

a)基于移动终端反馈的信道状态信息，基站为第n个簇构建一个补矩阵其中为第n个簇中第k个移动终端所反馈的信道状态信息；

b)对进行特征值分解，令w_n为的零特征值所对应的右特征矢量；

c)令基站的发射信号为

步骤6)中串行干扰抵消方法为：任一移动终端首先对同一簇内信道增益弱于自身的移动终端的信号进行解码，并将这些信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码。

通过计算机仿真表明，如图2所示，本发明提出的基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法，可以灵活的调整信道状态信息的量化比特数，从而实现系统性能和反馈量之间的折中。另外，图3表明本发明提出的非正交多接入方法比传统的正交多接入方法具有明显的性能优势。尤其是随着信道状态信息精度的增加，所取得的性能增益将急剧增加。因此，本发明提出的基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法可以为第五代移动通信系统提供一种有效的多接入方法。

Claims (6)

1.一种基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法，其特征在于包括如下步骤：

1)基站根据信道长期统计信息，获得所有下行信道的大尺度衰落信息α_i，i＝1,…,U，其中U为移动终端的数量；

2)基于下行信道的大尺度衰落信息，基站将移动终端分为N个簇，每个簇包含K个移动终端；

3)移动终端对信道状态信息进行估计，然后经码书量化后通过反馈链路传递给基站，使得基站获得第n个簇中第k个移动终端下行链路的信道状态信息n∈[1,N]，k∈[1,K]；其中信道状态信息反馈方法为：

a)基于随机码书设计原则，为第n个簇中的第k个移动终端设计一个包含个码字的量化码书并将其同时存储在移动终端和基站处；其中B_n,k为第n个簇中第k个移动终端的反馈比特数；

b)基站向所有移动终端广播一段相同的训练序列，第n个簇中的第k个移动终端基于最小均方误差准则，估计出其所在的下行信道的状态信息；

c)第n个簇中的第k个移动终端从其量化码书中选出一个最佳的量化码字，使得这一量化码字与信道状态信息的乘积的绝对值最大；

d)第n个簇中的第k个移动终端将所选出的最佳量化码字的序号利用B_n,k个比特表征后，通过反馈链路传递给基站；

e)基于收到的反馈信息，基站从相同的量化码书中得到最佳的量化码字，将其作为第n个簇中的第k个移动终端所在的下行信道的状态信息

4)基站为第n个簇中第k个移动终端的信号s_n,k分配发射功率P_n,k，然后将每个簇的所有移动终端的信号进行叠加编码；

5)基站根据所获得的信道状态信息，基于迫零波束成形的方法，为每个簇经叠加编码的信号s_n设计一个发射波束w_n，然后将所有波束成形后的信号一起进行发射；

6)移动终端接到基站发射的信号后，对同一簇内的用户进行串行干扰抵消，然后对自身信号进行解码。

2.根据权利要求1所述的一种基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法，其特征是步骤2)中移动终端分簇方法为：将所有移动终端按照信道大尺度衰落从大到小排列，然后每N个相邻的移动终端分为一组，一共包括K个组；将所有K组的第一个移动终端组成一个簇，所有排在第二位的组成另一个簇，依次类推，所有排在第N位的组成一个簇；由此，所有终端被分为N个簇，每个簇包含K个终端。

3.根据权利要求1所述的一种基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法，其特征是K设为2。

4.根据权利要求1所述的一种基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法，其特征是步骤4)中叠加编码方法为：基站对第n个簇内的发射信号s_n进行如下的叠加编码其中P_n,k为第n个簇中的第k个移动终端的信号的发射功率。

5.根据权利要求1所述的一种基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法，其特征是步骤5)中迫零波束成形方法为：

a)基于移动终端反馈的信道状态信息，基站为第n个簇构建一个补矩阵其中为第n个簇中第k个移动终端所反馈的信道状态信息；

b)对进行特征值分解，令w_n为的零特征值所对应的右特征矢量；

c)令基站的发射信号为

6.根据权利要求1所述的一种基于频分复用多天线系统的下行非正交多接入方法，其特征是步骤6)中串行干扰抵消方法为：任一移动终端首先对同一簇内信道增益弱于自身的移动终端的信号进行解码，并将这些信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码。