CN106685449B - 基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机，分别在前N‑1级消除装置的用户解调单元与用户调制单元之间依次增加选择开关单元、用户译码单元和用户编码单元，所述用户编码单元的结果输出给用户调制单元；所述选择开关分别与用户译码单元和用户调制单元相连接，将其接收到的用户解调单元结果发送给用户译码单元或者用户调制单元；本发明在传统串行干扰消除接收机基础上增加选择开关单元、用户译码单元和用户编码单元，利用译码和编码的纠错能力，可以减少每级信号的错误率，提高信号的正确性和可靠性。

Description

基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机。
技术背景
移动通信在几十年的时间里得到了飞速的发展，给人们的生活、工作以及社会的政治、经济等各方面都带来了巨大的影响。移动通信经历了从第一代移动通信系统(1G)到第四代移动通讯系统(4G)的发展，现在正研究第五代移动通信(5G)。随着无线移动通信系统带宽和能力的增加，面向个人和行业的移动应用快速发展，移动通信相关产业生态将逐渐发生变化，5G不再仅仅是更高速率、更大带宽、更强能力的空中接口技术，而是面向业务应用和用户体验的智能网络。
无线移动通信发展到今天，随着越来越多的设备的接入，新一代的移动通信必须满足更高的需求。1000倍的流量增长、100倍连接器件数目、10Gbps峰值速率、10Mbps的可获得速率、更小的时延、更低的能耗、更高的可靠性以及更高的频谱效率。为了满足这些需求，现在已提出了一些关于5G的相关技术，主要有2010年由贝尔实验室所提出来的大规模MIMO技术，毫米波通信、滤波器组多载波调制技术、致密组网和异构网络、D2D(device todevice)、车载网络、软件定义网络SDN、可见光通信以及日本学者提出来的非正交多址接入(NOMA)技术等。
非正交多址接入技术的优势在于能够同时同频的发送几个用户的数据信息，在发送端主动引入干扰信息，在接收端通过干扰消除算法来解出各用户的信息。与正交系统相比，非正交系统在接收机的设计要复杂一些，但它能获得更高的频谱效率。
非正交多址技术(NOMA)的基本原理是：在发射端通过采用功率复用的方式叠加用户信号，主动引入多址干扰，并在接收端通过串行干扰消除(Successive InterferenceCancellation，SIC)接收机消除干扰。NOMA技术在资源块上仍可以用正交频分多址(OFDMA)符号为最小单位，各子载波间采用OFDMA技术来保持各子载波间相互正交。NOMA系统上的每个子载波不止分配给一个用户，而是分给多个用户，每个用户可能会被分配到不同的功率而复用在一起，如图1所示。假设其中一子载波分有N个不同的用户，即N个用户共享同一子载波，如图2所示，假设其中一子载波分有3个用户，即用户1、用户2和用户3在同一小区下共享同一子载波，3个用户离基站的位置由近到远，即用户1离基站的距离最近，而用户3最远。选择合适的信道编码，对需要发送的三个用户的信息进行信道编码，然后进行调制，在功率分配算法中，基站根据这3个用户的远近分配了不同的功率，由于用户3距离基站最远，基站给用户3分配了最多的功率p3，用户1距离基站最近，分配了最少的功率p1，用户2所分得的功率p2大小则在用户1和用户3之间。接着把三个用户的信号叠加起来进行快速傅里叶反变换和加循环前缀，最后发送出去。研究发现，这种信号发送方式可能会在同一子载波上的用户之间产生多址干扰，为了克服此干扰，NOMA在接收端采用串行干扰消除技术(SIC)对在同一子载波上的多用户进行干扰检测和消除，以保障用户信息的正确接收。
串行干扰消除(SIC)接收机检测的顺序是采用逐级检测的，按照功率的大小从大到小依次检测消除，每一级只检测一个用户的信号，如果有N个用户，那么就需要N-1级串行干扰消除接收机。根据上述实例假设3个用户的情形，如图3所示，在接收端，根据信号所在的子载波，利用正交的原理先消去无关的正交信号，剩得的信号只包含用户1、用户2和用户3信号。然后将此子载波信号去循环前缀和快速傅里叶变换，接下来就是解出这三个用户的信号，由于存在p1<p2<p3，那么按照功率的大小从大到小依次解各用户信号，即对于用户1而言，解用户的顺序是：先解用户3的信号(第一级用户)，再解用户2的信号(第二级用户)，最后得到用户1的信号(第三级用户)，如图3(c)所示。即对于用户2而言，解用户的顺序是：先解用户3的信号，再解用户2的信号，如图3(b)所示。对于用户1而言，直接解用户1的信号，如图3(a)所示。
对于单个用户而言，传统的SIC接收机结构可以从逻辑上描述为如图4所示，其接收的信号含有包括本用户在内的N个用户的信号，那么需要N级消除模块，传统接收机在前N－1级通过用户解调单元和用户调制单元去解出本用户的干扰信号并进行消除，在第N级消除模块通过本用户解调单元解出本用户信号。现有的非正交系统在接收机的串行干扰消除过程中，对于所需要消除的信号，只对它进行解调和调制的过程，然后再把它从总信号中减去，这种消除干扰的方式过程简单，但遇到信道较差的情形，性能会受到极大的影响，导致解出信号的质量不理想。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机。
本发明的基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机，包括：
分别在前N-1级消除模块的用户解调单元与用户调制单元之间依次增加选择开关单元、用户译码单元和用户编码单元，所述用户编码单元的结果输出给用户调制单元；所述选择开关分别与用户译码单元和用户调制单元相连接，将其接收到的用户解调单元结果发送给用户译码单元或者用户调制单元；所述N为同一个子载波上的用户数量。
优选地，所述基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机还包括依次相连接的信噪比计算单元、比较单元和编译码模块控制单元；
优选地，信噪比计算单元接受第N级消除模块的本用户调解单元的输出结果；
所述编译码模块控制单元的结果分别发送给前N－1级消除模块的选择开关单元。
优选地，所述信噪比计算单元用于计算本用户的实时信干噪比。
优选地，所述比较单元还包括存储单元，用于存储信干噪比区间与译码编码模块数量的对应关系。
优选地，所述基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机还包括误码率计算单元，与比较单元的存储单元相连接，用于根据本用户解调单元输出结果计算误码率。
优选地，所述信干噪比区间与译码编码模块数量的对应关系为在不同的信干噪比时，满足误码率要求下时，启用的译码编码模块数。
优选地，所述比较单元用于找到本用户实时信干噪比所在的信干噪比区间，确定该区间所对应的译码编码模块数，并比较实际译码编码模块数与该区间对应的模块数。
优选地，所述编译码模块控制单元根据比较单元的结果控制减少译码编码模块或增加译码编码模块。
优选地，所述编译码模块控制单元根据比较单元的结果控制减少译码编码模块包括：实际译码编码模块数大于该区间对应的模块数，则控制从功率最小的干扰信号消除机开始，依次关闭译码编码模块。
优选地，所述编译码模块控制单元根据比较单元的结果控制增加译码编码模块包括：实际模块数小于该区间对应的模块数，则控制从功率最大的干扰信号消除机开始，依次开启译码编码模块。
本发明在传统的SIC接收机基础上增加选择开关单元、用户译码单元和用户编码单元，利用译码和编码的纠错能力，可以减少每级信号的错误率，提高信号的正确性和可靠性，但会带来计算时延的增加。进一步地，信噪比计算单元、比较单元和编译码模块控制单元增加，利用根据设定的最大最小误码率门限，确定信干噪比区间与译码编码模块数量的对应关系，找到实时误码率所在的信干噪比区间，并比较实际模块数与该区间的模块数，自适应地减少或增加消除模块的译码编码模块，在计算延时和系统性能之间达到一个更优的平衡。
附图说明
图1为现有技术子载波功率复用示意图；
图2为现有技术基站到共享同一子载波的多用户示意图；
图3为现有传统的SIC接收机结构图；
图4为现有传统的SIC接收机逻辑结构图；
图5为本发明基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机第一优选实施例结构示意图；
图6为本发明基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机第二优选实施例结构示意图；
图7为本发明基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机第三优选实施例结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机，如图5所示，分别在前N-1级(从第一级到第N－1级)消除模块的用户解调单元与用户调制单元之间依次增加选择开关单元、用户译码单元和用户编码单元，所述用户编码单元的结果输出给用户调制单元；所述选择开关分别与用户译码单元和用户调制单元相连接，所述选择开关将其接收到的用户解调单元结果发送给用户译码单元或者用户调制单元；所述N为同一个子载波上的用户数量。本发明的一个译码编码模块包括一个用户译码单元和一个用户编码单元。
在接收端的解调调制过程中加入合适的信道译码和编码过程，提高接收信号的正确性，但会带来计算时延的增加，特别在信道条件较好时，若每级消除模块的用户译码单元和用户编码单元仍然工作，将极大增加系统延时。
为解决以上问题，作为一种优选实施方式，本发明基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机，还包括依次相连接的信噪比计算单元、比较单元和编译码模块控制单元，如图6所示。
所述比较单元还包括存储单元，用于存储信干噪比区间与译码编码模块数量的对应关系
优选地，所述信干噪比区间与模块数量的对应关系通过仿真实验确定；
优选地，如图7所示，作为本发明基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机一种可选实施方式，还包括误码率计算单元，与比较单元的存储单元相连接，用于根据本用户解调单元输出结果计算误码率，将误码率计算结果存储于比较单元的存储单元。
下面描述如何通过仿真实验确定信干噪比区间与模块数量的对应关系，具体过程描述如下：
首先将所有串行干扰消除接收机前N－1级消除模块的用户解调单元与用户调制单元之间都加上译码和编码模块，解出所需用户的信号，将解出来的信号与已知的发送信号对比，计算实时误码率，误码率的计算在图7所示结构中进行。
然后将计算出来的实时误码率首先与设定的最大最小误码率门限值比较。其中最大和最小误码率门限不规定具体的数值，根据实际中对信号质量的要求来设定。
若实时误码率在最大和最小误码率门限之间，则不做改变。若低于最小误码率门限值，则从第N-1级消除模块中关闭译码编码模块，并再计算误码率，若仍低于最小误码率门限，则从第N-2级消除模块中关闭译码编码模块，再计算误码率，再关闭，直到本用户误码率大于最小误码率门限。同理，若实时误码率高于最大误码率门限值，假设此时只有前M级消除模块开启了译码编码模块，则开启第M+1级消除模块的译码编码模块，再计算误码率，再开启，直到本用户误码率小于最大误码率门限。并记录本用户在当前信干噪比下的译码编码模块数。
接着在实验中从小到大依次增加本用户的信干噪比并重复上述过程，记录满足误码率要求时，即误码率在最大最小误码率门限之间，需要启用的译码编码模块数，当有n个消除模块开启了译码编码过程则译码编码模块数为n。当发生模块数量变化时，记录当前信干噪比为临界信干噪比。
最后确定译码编码模块数量变化时的所有的临界信干噪比，和各个信干噪比区间与模块数量的对应关系。
得到信干噪比区间与译码编码模块数的对应关系，作为示例，如下表所示。
表1信干噪比区间与译码编码模块数的对应关系示例
信干噪比区间(db) 译码编码模块数
[5，∞] 1
[3，5] 2
[0，3] 3
... ...
所述信噪比计算单元用于计算本用户的实时信干噪比计算本用户的实时信干噪比。
假设一个子信道内有n个复用的用户，用户按照功率递增的方式排序，即pn<pm,n<m。则信干噪比的计算公式为：
其中，SINRn表示第n个用户的信干噪比，pn、hn分别表示第n个用户的功率和信道增益，nn表示第n个用户端的高斯白噪声。
对于上述三个用户的实例，针对用户1，通过公式计算用户1的信干噪比，因为解用户1前已经消去了用户2和用户3信号的干扰，所以用户1的信干噪比也是用户1信噪比。
所述比较单元用于找到本用户实时信干噪比所在的信干噪比区间，确定该区间所对应的译码编码模块数，并比较实际译码编码模块数与该区间对应的模块数。
根据上一步求得的本用户实时信干噪比，找到本用户实时信干噪比所在的信干噪比区间，确定该区间所对应的译码编码模块数，并比较实际译码编码模块数与该区间对应的模块数。
所述编译码模块控制单元根据比较单元的结果控制减少译码编码模块或增加译码编码模块
本实施例编译码模块控制单元可根据比较单元的结果控制减少译码编码模块，使接收机自适应地减少译码编码模块
若实际译码编码模块数大于该区间对应的模块数，则从功率最小的干扰信号消除机开始，依次关闭译码编码模块，首先关闭功率最小的干扰信号接收机的译码编码模块，接着是功率次小的，依次类推，直到实际模块数不大于该区间对应的模块数。若所有译码编码模块已全部关闭，跳过此过程。
针对上述3个用户的实例，若实际的模块数比所在区间对应的模块数多2个，则全部关闭两级接收机的译码编码模块；若多1个，有两种情况，若第二级消除模块的译码编码模块已开启，则关闭该级译码编码模块，如果第二级消除模块的译码编码模块已关闭，则关闭第一级消除模块的译码编码模块；若实际的模块数不多于所在区间对应的模块数，则结束此过程。
本实施例编译码模块控制单元可根据比较单元的结果控制减少译码编码模块，使接收机自适应地增加译码编码模块；
若实际模块数小于该区间对应的模块数，则从功率最大的干扰信号消除机开始，依次开启译码编码模块，首先开启功率最大的干扰信号接收机的译码编码模块，接着是功率次大的，依次类推，直到实际模块数不小于该区间对应的模块数。若所有译码编码模块已全部启用，跳过此过程。
针对上述3个用户的实例，若实际的模块数比所在区间对应的模块数少2个，则全部开启两级消除模块的译码编码模块；若少1个，此时有两种情况，若第一级消除模块的译码编码模块已关闭，则开启该级译码编码模块，如果第一级消除模块的译码编码模块已开启，则开启第二级消除模块的译码编码模块；若不少，则结束此过程。
本发明所述的非正交多址接入(NOMA)系统，可以采用诸如卷积码、LDPC码、Turbo码、Turbo乘积码等编码方式。
本发明所述的非正交多址接入(NOMA)系统，可以采用诸如正交振幅调制(QAM)、正交相移键控调制(QPSK)、多进制数字相位调制(MPSK)等多种调制方式。
针对上述3个用户的实例而言，利用本发明求解用户信号，用户3信号的性能并未得到改善，但对用户1和用户2的接收机的求解性能得到了较大的提高。
传统的非正交多址系统接收机在串行干扰消除过程中，通过同一子载波上不同用户功率的不同，从大到小依次解出各个用户，在解用户的过程中只采用了解调和调制的过程。本发明在传统的SIC接收机基础上增加选择开关单元、用户译码单元和用户编码单元，利用译码和编码的纠错能力，可以减少每级信号的错误率，提高信号的正确性和可靠性，但会带来计算时延的增加。进一步地，信噪比计算单元、比较单元和编译码模块控制单元增加，利用根据设定的最大最小误码率门限，确定信干噪比区间与译码编码模块数量的对应关系，找到实时误码率所在的信干噪比区间，并比较实际模块数与该区间的模块数，自适应地减少或增加消除模块的译码编码模块，在计算延时和系统性能之间达到一个更优的平衡。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机，其特征在于：
分别在前N-1级消除模块的用户解调单元与用户调制单元之间依次增加选择开关单元、用户译码单元和用户编码单元，所述用户编码单元的结果输出给用户调制单元；所述选择开关分别与用户译码单元和用户调制单元相连接，将其接收到的用户解调单元结果发送给用户译码单元或者用户调制单元；所述N为同一个子载波上的用户数量；
其中，还包括依次相连接的信噪比计算单元、比较单元和编译码模块控制单元；
所述信噪比计算单元接受第N级消除模块的本用户调解单元的输出结果；
所述编译码模块控制单元的结果分别发送给前N－1级消除模块的选择开关单元。
2.根据权利要求1所述基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机，其特征在于：所述信噪比计算单元用于计算本用户的实时信干噪比。
3.根据权利要求1所述基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机，其特征在于：所述比较单元还包括存储单元，用于存储信干噪比区间与译码编码模块数量的对应关系。
4.根据权利要求3所述基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机，其特征在于：还包括误码率计算单元，与比较单元的存储单元相连接，用于根据本用户解调单元输出结果计算误码率。
5.根据权利要求3所述基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机，其特征在于：所述信干噪比区间与译码编码模块数量的对应关系为在不同的信干噪比时，满足误码率要求下时，启用的译码编码模块数。
6.根据权利要求1所述基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机，其特征在于：所述比较单元用于找到本用户实时信干噪比所在的信干噪比区间，确定该区间所对应的译码编码模块数，并比较实际译码编码模块数与该区间对应的模块数。
7.根据权利要求6所述基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机，其特征在于：所述编译码模块控制单元根据比较单元的结果控制减少译码编码模块或增加译码编码模块。
8.根据权利要求6所述基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机，其特征在于：所述编译码模块控制单元根据比较单元的结果控制减少译码编码模块包括：实际译码编码模块数大于该区间对应的模块数，则控制从功率最小的干扰信号消除机开始，依次关闭译码编码模块。
9.根据权利要求8所述基于非正交多址系统的高性能串行干扰消除接收机，其特征在于：所述编译码模块控制单元根据比较单元的结果控制增加译码编码模块包括：实际模块数小于该区间对应的模块数，则控制从功率最大的干扰信号消除机开始，依次开启译码编码模块。
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