CN106788651B - 基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息传输方法，信息传输的过程为：1)根据发射机与各接收区域之间的平均距离确定各区域内接收机的解码顺序，然后计算基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的波束形成的权值，发射机再将所有区域的期望信息按照权值进行叠加后广播发送；2)各区域内接收机均采用串行干扰抵消技术进行信息的解码，以完成基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息接收，该方法根据发射机与接收区域之间的距离定义地理区域，利用非正交多址接入技术实现信息的传输，满足接收机通信速率要求的同时仅需较小的发射功率。

Description

基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息传输方法
技术领域
本发明属于非正交多址接入技术领域，涉及一种基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息传输方法。
背景技术
基于位置信息的多地理区域广播(Multi-Region Geocasting)指的是，发射机将不同的信息传输给不同地理区域内的接收机，并且在同一区域内的接收机具有相同的期望信息的传输模式。利用基于位置信息的多地理区域广播，新的服务和应用如基于地理位置的广告，交通信息服务或者发布订阅服务等都成为了可能。从无线通信的物理层的角度来看，区域最明显的地理信息之一就是区域与发射机之间的物理距离。因此本发明首次将基于位置信息的多地理区域广播应用于无线通信物理层。
第五代移动通信系统(5G)将是一个高频谱效率和高能量效率的通信系统。新兴的无线通信技术中，非正交多址接入(Non-orthogonal multiple access,NOMA)作为5G关键备选技术之一，受到学术界、工业界的高度重视与肯定。NOMA这一新型的多址接入方式打破了传统正交多址接入方式(如TDMA，OFDMA等)的禁锢，利用用户设备的计算能力以及用户间的信道差异来实现同时、同频的数据传输。NOMA技术的应用将使得5G通信系统中频谱效率和能量效率得以显著提升，海量用户和设备的接入也将成为可能。
NOMA不同于传统的正交多址接入方式：在发射端，发射机采用叠加码的方式广播用户信息，主动引入多用户干扰。在接收端，串行干扰抵消(Successive InterferenceCancellation,SIC)技术通常用于NOMA系统中以实现多用户检测。与传统的正交多址接入相比，NOMA系统中的接收机复杂度有所提升，但可以获得更高的频谱效率。
工业界，以日本NTT DoCoMo公司为代表。早在2010年，DoCoMO公司就开始了关于NOMA的相关研究，并且提出了系统化的初步方案。在DoCoMo提出的5G构想中，以前只能为单一的无线资源(比如按频率和时间分割的块)分配一个用户，而NOMA方式可将一个资源分配给多个用户。DoCoMo公司通过模拟，验证了在城市地区采用NOMA的效果，并已证实，采用该方法可使无线接入宏蜂窝的总吞吐量提高50％左右。
学术界，大量关于NOMA的学术论文在近年出现，它们分别从协作通信，认知无线电，资源分配等各种角度出发对NOMA进行了理论分析与研究。然而，对于在发射端配置多天线的NOMA通信系统，对发射端的波束形成矢量设计的优化问题的研究非常有限，现有发明专利也仅限于单天线上行NOMA系统。因此多天线NOMA系统的研究具有非常大的意义与应用前景。
NOMA的本质是利用由于发射机不均匀的功率分配或者接收机天然的远近效应所产生的用户设备信干噪比差异来实现更高效的频谱利用。各接收机之间天然的信道增益差异是运用NOMA的巨大优势。因此，将NOMA运用于物理层的基于位置信息的多地理区域广播系统具有巨大的潜力和益处。具体而言，发射机和区域之间的距离，不仅可以作为划分区域的一个地理特征，同时使得不同区域内的接收机具有不同的信道增益。然而现有文献以及发明专利没有涉及物理层中基于位置信息多地理区域广播系统，更没提出使用NOMA的基于位置信息的多地理区域广播系统传输方案及其设计方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息传输方法，该方法根据发射机与接收区域之间的距离定义接收区域的解码顺序，利用非正交多址接入技术实现信息的传输，满足接收机通信速率要求的同时发射功率较小。
为达到上述目的，本发明所述的基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息传输方法中的系统包括一个发射机及G个接收区域，每个接收区域内有Ug个接收机的无线通信系统模型，1≤g≤G；发射机配置M根天线，所有接收机均配置单天线；发射机采用非正交多址接入的方式实现多路信息同时同频传输，不同接收区域内的接收机的期望信息不同，同一接收区域内各接收机的期望信息相同，所有接收机均利用串行干扰抵消技术实现信息解码，则信息传输的过程为：
1)首先根据发射机与各地理区域之间的平均距离确定各接收区域内接收机的解码顺序，然后计算基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的波束形成的权值，发射机再将所有区域的期望信息按照权值进行叠加后广播发送；
2)各区域内接收机均采用串行干扰抵消技术进行信息的解码，以完成基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息接收。
第g个接收区域内第u个接收机观察到的信号yu,g为：
Figure BDA0001216729910000041
其中，1≤u≤Ug，hu,g为从发射机到第g个接收区域内第u个接收机的瞬时信道状态信息，sg为第g个接收区域内接收机的期望信息，wg为sg的发射端多天线波束形成权值。
每个接收区域内的接收机对其期望信息成功解码的最小信干噪比为
Figure BDA0001216729910000042
则本发明所提出的多地理区域广播系统中接收区域的期望消息的速率为
Figure BDA0001216729910000043
其中，
Figure BDA0001216729910000044
即
Figure BDA0001216729910000045
Figure BDA0001216729910000046
为第g个接收区域内第u个接收机解码sg时的信干噪比。
设
Figure BDA0001216729910000047
为发射机与第g个接收区域之间的最小距离，
Figure BDA0001216729910000048
为发射机与第g个接收区域之间的最大距离，设
Figure BDA0001216729910000049
为第g个接收区域与发射机之间的平均距离，
Figure BDA00012167299100000410
对所有接收区域与发射机之间的平均距离进行排序，即
Figure BDA00012167299100000411
其中，设平均距离最远的一个接收区域为第一个接收区域，平均距离最近的一个接收区域为第G个接收区域，第g个接收区域内的接收机在解码其期望信息之前，先使用串行干扰抵消技术解码前g-1个接收区域的期望信息。
设第g个接收区域内所有接收机都能够成功解码前g-1个接收区域的期望信息，即
Figure BDA00012167299100000412
则第g个接收区域内第u个接收机解码第i个接收区域的期望信息的信干噪比
Figure BDA00012167299100000413
为：
Figure BDA00012167299100000414
计算基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的波束形成的权值的具体操作为：
设优化目标为最小化发射功率，约束条件为满足每个接收区域内所有接收机解码其期望信号的最小信干噪比，同时满足每个接收机能够实施串行干扰抵消技术，则优化问题为：
Figure BDA0001216729910000051
Figure BDA0001216729910000052
Figure BDA0001216729910000053
其中，PMin为最小所需发射功率，以上优化问题可以进一步写为：
Figure BDA0001216729910000054
Figure BDA0001216729910000055
通过利用连续凸近似的优化方法求解所述优化问题，得到基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的波束形成的权值。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息传输方法是利用非正交多址接入技术，首先根据发射机与接收区域之间的平均距离确定各接收区域内接收机的解码顺序，再计算发射机的波束形成的权值，然后再将所有区域的期望信息按照权值进行叠加后广播发送，从而提高系统的频谱效率，接收端采用串行干扰抵消技术进行信息的解码；当各地理区域之间的平均距离差距越大，本发明的性能增益越大，从而通过较小的发射功率就可以保证所有用户的通信速率要求。
附图说明
图1为本发明的系统信号模型；
图2为仿真实验中采用的地理区域分布模型；
图3为采用图2(A)中的区域分布模型时本发明与现有传输方案所需最小发射功率的对比图；
图4采用了图2(B)中的区域分布模型时本发明与现有传输方案所需最小发射功率的对比图；
图5采用了图2(A)中的区域分布模型时本发明与现有传输方案仿真结果的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息传输方法中所述系统包括一个发射机及G个接收区域，每个接收区域内有Ug个接收机的无线通信系统模型，1≤g≤G，发射机配置M根天线，所有接收机均配置单天线，发射机采用非正交多址接入的方式实现多路信息同时同频传输；不同接收区域内的接收机的期望信息不同，同一接收区域内各接收机的期望信息相同，所有接收机均利用串行干扰抵消技术实现信息解码，则信息传输的过程为：
1)首先根据发射机与各地理区域之间的平均距离确定各接收区域内接收机的解码顺序，然后计算基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的波束形成的权值，发射机再将所有区域的期望信息按照权值进行叠加后广播发送；
2)各区域内接收机均采用串行干扰抵消技术进行信息的解码，以完成基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息接收。
第g个接收区域内第u个接收机观察到的信号yu,g为：
Figure BDA0001216729910000061
其中，1≤u≤Ug，hu,g为从发射机到第g个接收区域内第u个接收机的瞬时信道状态信息，sg为第g个接收区域内接收机的期望信息，wg为sg的发射端多天线波束形成权值。
每个接收区域内的接收机对其期望信息成功解码的最小信干噪比为
Figure BDA0001216729910000071
则本发明所提出的多地理区域广播系统中接收区域的期望消息的速率为
Figure BDA0001216729910000072
其中，
Figure BDA0001216729910000073
即
Figure BDA0001216729910000074
Figure BDA0001216729910000075
为第g个接收区域内第u个接收机解码sg时的信干噪比。
设
Figure BDA0001216729910000076
为发射机与第g个接收区域之间的最小距离，
Figure BDA0001216729910000077
为发射机与第g个接收区域之间的最大距离，设
Figure BDA0001216729910000078
为第g个接收区域与发射机之间的平均距离，
Figure BDA0001216729910000079
对所有接收区域与发射机之间的平均距离进行排序，即
Figure BDA00012167299100000710
其中，设平均距离最远的一个接收区域为第一个接收区域，平均距离最近的一个接收区域为第G个接收区域，第g个接收区域内的接收机在解码其期望信息之前，先使用串行干扰抵消技术解码前g-1个接收区域的期望信息。
设第g个接收区域内所有接收机都能够成功解码前g-1个接收区域的期望信息，即
Figure BDA00012167299100000711
则第g个接收区域内第u个接收机解码第i个接收区域的期望信息的信干噪比
Figure BDA00012167299100000712
为：
Figure BDA00012167299100000713
计算基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的波束形成的权值的具体操作为：
设优化目标为最小化发射功率，约束条件为满足每个接收区域内所有接收机解码其期望信号的最小信干噪比，同时满足每个接收机能够实施串行干扰抵消技术，则优化问题为：
Figure BDA0001216729910000081
Figure BDA0001216729910000082
Figure BDA0001216729910000083
其中，PMin为最小所需发射功率，以上优化问题可以进一步写为：
Figure BDA0001216729910000084
Figure BDA0001216729910000085
通过利用连续凸近似方法可以求解该非凸优化问题的一个近似解，具体过程为：首先对
Figure BDA0001216729910000086
作如下变换，并设
Figure BDA0001216729910000087
Figure BDA0001216729910000088
Figure BDA0001216729910000089
Figure BDA00012167299100000810
Figure BDA00012167299100000811
Figure BDA00012167299100000812
令
Figure BDA00012167299100000813
为y(Φu,g,i)在
Figure BDA00012167299100000814
处的一阶泰勒展开，则：
Figure BDA00012167299100000815
由于
Figure BDA00012167299100000816
为线性表达式，且小于等于y(Φu,g,i)，因此利用
Figure BDA00012167299100000817
代替原优化问题中的y(Φu,g,i)，则可以得到原始优化问题的一个内部凸近似优化问题，如下所示：
Figure BDA00012167299100000818
Figure BDA00012167299100000819
其中，
Figure BDA00012167299100000820
因此给定初始解为
Figure BDA00012167299100000821
再通过迭代方式求得原始问题在初始解
Figure BDA00012167299100000822
附近的一个次优近似解，从而求出局部最优的波束形成的权值。
初始点
Figure BDA0001216729910000091
的生成方法如下：
由于
Figure BDA0001216729910000092
因此求解以下优化问题即可得到一个可行初始解：
Figure BDA0001216729910000093
Figure BDA0001216729910000094
用传统凸优化方法求解上式，则可得到初始解
Figure BDA0001216729910000095
为了进一步展示本发明的传输方案的性能以及与参数之间的关系，图3至图5给出了仿真结果，从图中可以看出，使用本发明在相同通信速率条件下，消耗功率更少。

Claims (6)

1.一种基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息传输方法，其特征在于，所述多地理区域广播系统包括一个发射机及G个接收区域，每个接收区域内有Ug个接收机的无线通信系统模型，1≤g≤G；发射机配置M根天线，所有接收机均配置单天线；发射机采用非正交多址接入的方式实现多路信息同时同频传输，不同接收区域内的接收机的期望信息不同，同一接收区域内各接收机的期望信息相同，所有接收机均利用串行干扰抵消技术实现信息解码，则信息传输的过程为：
1)根据发射机与各接收区域之间的平均距离确定各接收区域内接收机的解码顺序，然后计算基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的波束形成的权值，发射机再将所有区域的期望信息根据基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的波束形成的权值进行叠加后广播发送；
2)各接收区域内接收机均采用串行干扰抵消技术进行信息的解码，完成基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息接收。
2.根据权利要求1所述的基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息传输方法，其特征在于，第g个接收区域内第u个接收机观察到的信号yu,g为：
Figure FDA0002375885720000011
其中，1≤u≤Ug，hu,g为从发射机到第g个接收区域内第u个接收机的瞬时信道状态信息，sg为第g个接收区域内接收机的期望信息，wg为sg的发射端多天线波束形成权值。
3.根据权利要求2所述的基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息传输方法，其特征在于，每个接收区域内的接收机对其期望信息成功解码的最小信干噪比为
Figure FDA0002375885720000021
则多地理区域广播系统中接收区域的期望消息的速率为
Figure FDA0002375885720000022
其中，
Figure FDA0002375885720000023
即
Figure FDA0002375885720000024
为第g个接收区域内第u个接收机解码sg时的信干噪比。
4.根据权利要求3所述的基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息传输方法，其特征在于，
设
Figure FDA0002375885720000025
为发射机与第g个接收区域之间的最小距离，
Figure FDA0002375885720000026
为发射机与第g个接收区域之间的最大距离，设
Figure FDA0002375885720000027
为第g个接收区域与发射机之间的平均距离，
Figure FDA0002375885720000028
对所有接收区域与发射机之间的平均距离进行排序，即
Figure FDA0002375885720000029
其中，设平均距离最远的一个接收区域为第一个接收区域，平均距离最近的一个接收区域为第G个接收区域，第g个接收区域内的接收机在解码其期望信息之前，先使用串行干扰抵消技术解码前g-1个接收区域的期望信息。
5.根据权利要求4所述的基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息传输方法，其特征在于，
设第g个接收区域内所有接收机都能够成功解码前g-1个接收区域的期望信息，即
Figure FDA00023758857200000210
则第g个接收区域内第u个接收机解码第i个接收区域的期望信息的信干噪比
Figure FDA00023758857200000211
为：
Figure FDA00023758857200000212
6.根据权利要求5所述的基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的信息传输方法，其特征在于，计算基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的波束形成的权值的具体操作为：
设优化目标为最小化发射功率，约束条件为满足每个接收区域内所有接收机解码其期望信号的最小信干噪比，同时满足每个接收机能够实施串行干扰抵消技术，则优化问题为：
Figure FDA0002375885720000031
其中，PMin为最小所需发射功率，以上优化问题可以进一步写为：
Figure FDA0002375885720000032
通过利用连续凸近似的优化方法求解所述优化问题，得到基于非正交多址接入的多地理区域广播系统的波束形成的权值。
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