CN106452622B - 一种基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法。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。移动终端同时发射训练序列，使得基站能够估计瞬时信道状态信息。基站根据所获得的瞬时信道状态信息，对每个簇的发射信号进行叠加编码，然后把叠加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，然后对自身的信号进行解码。本发明为基于时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

一种基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法。

背景技术

非正交多接入(NOMA)技术利用多接入信道在功率域上的差异来同时支持多个无线设备共享同一个资源块，从而可以极大的提高频谱资源的利用效率，因此被作为第五代移动通信系统一项关键的接入技术。

在非正交多接入系统中，由于多个用户共享同一频谱资源，因而不可避免的存在着用户间干扰。虽然用户端采用干扰抵消技术可以消除部分干扰，但冗余干扰仍然严重限制了非正交多接入技术的性能。另一方面，由于串行干扰抵消技术的复杂度随着用户数的增加而急剧增长，一些低成本的移动终端无法支持大规模用户同时接入情况下的串行干扰抵消。为了同时解决干扰冗余和实现复杂度高这两大难题，多天线技术被引入到非正交多接入系统中。在无线通信中，多天线技术是一种被广泛采用的干扰抑制技术。具体而言，利用多天线系统的波束成形，可以有效控制信号的传播方向，从而避免对其它用户的干扰。另一方面，可以利用多天线系统的空间波束成形，将移动终端分为多个簇。每一个簇共享一个空间波束，且只包含有限个移动终端，这样就可以显著的降低串行干扰抵消的复杂度。因此，将多天线技术与非正交多接入相结合，可以有效的提高未来宽带移动通信系统的性能。

如上所言，实现基于多天线系统的非正交多接入方法，其关键是为每个簇设计有效的空间波束。众所周知，在多天线系统中进行空间波束成形的前提是获得信道状态信息。然而，在下行链路中，由于基站位于下行信道的发射端，很难直接获得下行信道的状态信息。基于此，英国兰卡斯特大学的丁志国教授等人在《The Application of MIMO to Non-Orthogonal Multiple Access》一文中，提出了一种在接收端进行迫零检测方法，可以完全消除来自其它簇的干扰。然而，这种方法需要移动终端配置比基站更多的天线，这在实际系统中是很难实现的。此外，这种方法没有很好的发挥基站的多天线优势，导致系统性能的损失。

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、移动终端需要配置较多天线和系统性能较差等问题，提出了一种基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法。

基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法，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)根据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，令α_n,k表示第n个簇中第k个移动终端的信道大尺度衰落；

3)移动终端利用上行信道同时发射训练序列，基站通过对上行信道的估计，获得第n个簇中第k个移动终端下行信道的信道状态信息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，然后所有波束成形后的信号一起进行发射；

6)移动终端接到信号后，对同一簇内的信号进行串行干扰抵消，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个组的第一个移动终端组成一个簇，所有排在第二位的终端组成另一个簇，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个移动终端；K优选设为2。

步骤3)中信道状态信息估计方法为：

a)为每个移动终端设计一个长度为τ个符号的训练序列，并将其同时存储在移动终端和基站处，τ必须大于N×K；令第n个簇中的第k个移动终端的训练序列为Φ_n,k，该训练序列须具有成对归一化正交性，即

b)移动终端同时通过上行链路向基站发射训练序列，其中第n个簇中的第k个移动终端的训练序列为Φ_n,k，发射功率为令基站的接收信号为Y_P；

c)基站在估计第n个簇中的第k个移动终端的上行信道时，首先把接收信号Y_P右乘Φ_n,k，从而消除其它移动终端的训练序列所产生的干扰。然后利用最小均方误差估计准则对Y_PΦ_n,k进行估计，获得第n个簇中的第k个移动终端的上行信道状态信息

d)根据时分复用系统上下行信道的互易性，基站将作为第n个簇中的第k个移动终端的下行信道状态信息；

e)重复步骤c)和d)，获得所有移动终端的下行信道状态信息。

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是第n个簇中的第k个移动终端的信号发射功率。

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基站通过估计获得的第n个簇中第k个移动终端的下行信道状态信息；

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：本发明利用时分复用系统上下行信道的互易性，提出了一种通过估计上行信道获得下行信道状态信息的方法。这种方法可以通过调整训练序列的发射功率控制基站获得的信道状态信息的精度，从而实现系统性能与资源开销之间的折中。另外，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是基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法的框图；

图2是在不同簇内终端数时，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

基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入的框图如图1所示，基站有N_t根天线。由于尺寸限制，每个移动终端只配置1根天线。系统的上下行信道工作在同一频段，即每一数据帧被分为上行部分和下行部分。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。基站通过估计上行信道获得下行信道的状态信息，并利用估计获得的信道状态信息设计发射波束，以减少簇间干扰。移动终端接收到信息后，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。

基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法，具体包括如下步骤：

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)根据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，令α_n,k表示第n个簇中第k个移动终端的信道大尺度衰落；

3)移动终端利用上行信道同时发射训练序列，基站通过对上行信道的估计，获得第n个簇中第k个移动终端下行信道的信道状态信息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，然后所有波束成形后的信号一起进行发射；

6)移动终端接到信号后，对同一簇内的信号进行串行干扰抵消，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个组的第一个移动终端组成一个簇，所有排在第二位的终端组成另一个簇，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个移动终端；K优选设为2。

步骤3)中信道状态信息估计方法为：

a)为每个移动终端设计一个长度为τ个符号的训练序列，并将其同时存储在移动终端和基站处，τ必须大于N×K；令第n个簇中的第k个移动终端的训练序列为Φ_n,k，该训练序列须具有成对归一化正交性，即

b)移动终端同时通过上行链路向基站发射训练序列，其中第n个簇中的第k个移动终端的训练序列为Φ_n,k，发射功率为令基站的接收信号为Y_P；

c)基站在估计第n个簇中的第k个移动终端的上行信道时，首先把接收信号Y_P右乘Φ_n,k，从而消除其它移动终端的训练序列所产生的干扰。然后利用最小均方误差估计准则对Y_PΦ_n,k进行估计，获得第n个簇中的第k个移动终端的上行信道状态信息

d)根据时分复用系统上下行信道的互易性，基站将作为第n个簇中的第k个移动终端的下行信道状态信息；

e)重复步骤c)和d)，获得所有移动终端的下行信道状态信息。

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是第n个簇中的第k个移动终端的信号发射功率。

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基站通过估计获得的第n个簇中第k个移动终端的下行信道状态信息；

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，本发明的提出的基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法，可以根据基站所获得下行信道状态信息的精度，灵活的调整每个簇的大小，从而实现平均和速率的最大化。另外，图3表明本发明提出的非正交多接入策略比传统的正交多接入策略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，本发明提出的基于时分复用多天线下行链路的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 (7)

1.一种基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法，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)根据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，令α_n,k表示第n个簇中第k个移动终端的信道大尺度衰落；

3)移动终端利用上行信道同时发射训练序列，基站通过对上行信道的估计，获得第n个簇中第k个移动终端下行信道的信道状态信息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，然后所有波束成形后的信号一起进行发射；

6)移动终端接到信号后，对同一簇内的信号进行串行干扰抵消，然后对自身信号进行解码。

2.根据权利要求1所述的一种基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法，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个组的第一个移动终端组成一个簇，所有排在第二位的终端组成另一个簇，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个移动终端。

3.根据权利要求1所述的一种基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法，其特征是步骤3)中信道状态信息估计方法为：

a)为每个移动终端设计一个长度为τ个符号的训练序列，并将其同时存储在移动终端和基站处，τ必须大于N×K；令第n个簇中的第k个移动终端的训练序列为Φ_n,k，该训练序列须具有成对归一化正交性，即

b)移动终端同时通过上行链路向基站发射训练序列，其中第n个簇中的第k个移动终端的训练序列为Φ_n,k，发射功率为令基站的接收信号为Y_P；

c)基站在估计第n个簇中的第k个移动终端的上行信道时，首先把接收信号Y_P右乘Φ_n,k，从而消除其它移动终端的训练序列所产生的干扰；然后利用最小均方误差估计准则对Y_PΦ_n,k进行估计，获得第n个簇中的第k个移动终端的上行信道状态信息

d)根据时分复用系统上下行信道的互易性，基站将作为第n个簇中的第k个移动终端的下行信道状态信息；

e)重复步骤c)和d)，获得所有移动终端的下行信道状态信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法，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是第n个簇中的第k个移动终端的信号发射功率。

5.根据权利要求1所述的一种基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法，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基站通过估计获得的第n个簇中第k个移动终端的下行信道状态信息；

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所述的一种基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法，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。

7.根据权利要求2所述的一种基于时分复用多天线下行链路的非正交多接入方法，其特征是K设为2。