CN106953709B - 一种基于空间调制的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空间调制的多天线系统的下行非正交多接入方法。首先，用户通过信道估计获得下行链路的信道状态信息，并将部分信道状态信息通过反馈链路传递给基站。其次，基站根据所获得的信道状态信息，将N_t根发射天线分为K组，其中第i组含有N_i根天线。同时，基站将用户分为K个簇，每个簇包含两个用户，并为每个用户簇分配一组发射天线。然后，基站分别对K个簇的用户进行空间调制，并将空间调制后的信号经过空间波束成形后发射出去。在接收端，各用户采用最大似然检测方法对自身信号进行解调。本发明为未来宽带无线通信系统提供了一种简单有效的非正交多接入方法。

Description

一种基于空间调制的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，尤其涉及一种基于空间调制的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，获得了来自学术界和工业界的广泛关注，并且被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。而非正交多址接入技术利用功率域上的差异使得多用户可以采用同一码字同时同频地工作，这极大地提高了频谱利用效率。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。然而，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。因此，非正交多技术成为解决该难题的一个关键技术。

为了满足未来5G网络的要求，进一步提高通信系统的容量，将非正交多接入技术和多天线技术相结合成为当下研究的热点。例如，在下行链路中，基于用户簇的思想，基站将多个下行信道增益差异较大的用户组成一个簇，并对同一个簇内的发射信号进行叠加编码(SC)。为了减小簇间干扰，基站采用迫零波束成形的方法，为每个簇的叠加编码信号设计一个发射波束，然后将所有波束成形后的信号一起进行发射。在接收端，用户利用叠加编码信号在功率域上的差异对同一簇内的用户进行串行干扰抵消(SIC)，然后对自身信号进行解码。然而，基于用户簇的多天线非正交多接入技术虽然能够一定程度上降低接收复杂度，但连续干扰消除的高复杂性仍需要接收设备具有良好的计算能力，而这在很多实际通信系统中很难满足。例如，随着物联网的普及，大量低成本但计算能力有限的无线设备将接入到无线网，此时要求这些设备执行复杂的SIC操作是不现实的。此外，信道最差的用户在解调时面临着严重的簇内干扰，这使得用户公平性很难得到保证。

发明内容

为解决上述方案中接收复杂度高以及用户公平性难以保证的问题，本发明提出了一种基于空间调制的多天线系统的下行非正交多接入方法。

一种基于空间调制的多天线系统的下行非正交多接入方法，包括如下步骤：

(1)用户通过信道估计获得下行链路的信道状态信息，并将部分信道状态信息通过反馈链路传递给基站；

(2)基站根据所获得的信道状态信息，将基站中的N_t根发射天线分为K个组，其中，第i组包含N_i根天线，同时，基站将用户分为K个簇，其中，第i个用户簇包含两个用户UE_i,k(k＝1,2)，并为每个用户簇分配一组发射天线，第i个天线组服务于第i个用户簇，i的取值为1～K；

(3)各天线组分别对与其相对应的用户簇的信号进行空间调制，得到第i个天线组给第i个用户簇的调制信号

(4)基站根据其所获得的信道状态信息，设计波束成形矩阵将第i个用户簇的信号x⁽ⁱ⁾左乘第i个发射波束得到波束成形后的信号W_ix⁽ⁱ⁾，并将得到的所有的波束成形后的信号发射出去；

(5)用户接收到基站发射的信号后，采用最大似然检测方法对自身信号进行解调。

步骤(3)中的空间调制方法为(以第i个用户簇为例)：

(a)将UE_i,1的信息比特平均分组，每组包含log₂(N_i)个比特，记UE_i,1的一组比特流向量为b_i,1；将UE_i,2的信息比特平均分组，每组包含log₂(M_i)个比特，其中M_i是QAM调制阶数，记UE_i,2的一组比特流向量为b_i,2；

(b)将b_i,1映射到第i个天线组中的天线标号n_i，天线标号表示为其中b_i,1(j)表示b_i,1中的第j个比特信息；对b_i,2采用M_i-QAM调制，将b_i,2映射到第i个天线组中的星座图符号s_i；

(c)第i个天线组给第i个用户簇的调制信号为其中s_i位于x⁽ⁱ⁾中的第n_i行。

步骤(4)中波束成形矩阵的设计方法为：

首先，引入等效信道矩阵A＝HW，其中H表示基站获得的信道状态信息；

其次，将A写成如下形式：

其中，H^(i,k)表示基站到UE_i,k的信道状态信息，W_j表示为第j个用户簇的信号x^(j)设计的发射波束；

然后，当i≠j时，令当i＝j时，其中，表示第i个天线组中标号为n_i的天线到UE_i,k的信道向量，并且位于的第n_i列；

最后，基于基站获取的信道状态信息H和等效信道矩阵A＝HW，得到波束成形矩阵W＝H^H(HH^H)^-1A。

步骤(5)中最大似然检测方法为：

其中，和分别表示UE_i,k对天线组i中相应天线标号的估计以及所选择发射的星座图符号的估计，y^(i，k)表示UE_i,k所接收的信号，表示第i个天线组中标号为m_i的天线到UE_i,k的信道向量，q_i表示第i个天线组的星座图符号集合中的任意一个符号。

本发明具有的有益效果是：本发明提出的基于空间调制的多天线系统的下行非正交多接入方法，一方面，完全消除了簇内干扰，因此，提高了系统容量，改善了用户公平性。另一方面，接收端只需采用简单的ML检测器，避免了传统NOMA中复杂的SIC操作，极大降低了接收复杂度。

附图说明

图1是基于空间调制的多天线系统的下行非正交多接入方法的框图；

图2是基于空间调制的多天线非正交多接入(SMN)和传统多天线非正交多接入(CMN)的速率的比较图；

图3是基于空间调制的多天线非正交多接入(SMN)和传统多天线非正交多接入(CMN)最差用户的速率的比较图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示的是本发明基于空间调制的多天线系统的下行非正交多接入方法的框图，具体包括如下过程：

步骤1，用户通过信道估计获得下行链路的信道状态信息，并将部分信道状态信息通过反馈链路传递给基站。

步骤2，基站根据所获得的信道状态信息，将基站中的N_t根发射天线分为K个组，其中，第i组包含N_i根天线，同时，基站将用户分为K个簇，其中，第i个用户簇包含两个用户UE_i,k(k＝1,2)，并为每个用户簇分配一组发射天线，第i个天线组服务于第i个用户簇，i的取值为1～K；

步骤3，各天线组分别对相应用户簇的信号进行空间调制，从而得到第i个天线组给第i个用户簇的调制信号

此步骤中，以用户簇i为例，空间调制的方法为：

首先，将UE_i,1的信息比特分组，每组包含log₂(N_i)个比特，记UE_i,1的一组比特流向量为b_i,1；将UE_i,2的信息比特分组，每组包含log₂(M_i)个比特，其中M_i是QAM调制阶数，记UE_i,2的一组比特流向量为b_i,2。

然后，将b_i,1映射到第i个天线组中的天线标号，天线标号表示为其中b_i,1(j)表示b_i,1中的第j个比特信息；对b_i,2采用M_i-QAM调制，将b_i,2映射到第i个天线组中的星座图符号s_i。

最后，第i个天线组给第i个用户簇的调制信号为其中s_i位于x⁽ⁱ⁾中的第n_i行。

步骤4，基站根据其所获得的信道状态信息，设计波束成形矩阵将第i个用户簇的信号x⁽ⁱ⁾左乘第i个发射波束得到波束成形后的信号W_ix⁽ⁱ⁾，并将得到的所有的波束成形后的信号发射出去；

此步骤中，波束成形矩阵的设计方法为：

首先，引入等效信道矩阵A＝HW，其中H表示基站获得的信道状态信息；

其次，将A写成如下形式

其中，H^(i，k)表示基站到UE_i,k的信道状态信息，W_j表示为第j个用户簇的信号x^(j)设计的发射波束；

然后，令其中表示第i个天线组中标号为n_i的天线到UE_i,k的信道向量，并且位于的第n_i列；

最后，基于基站获取的信道状态信息H和上述设计的等效信道矩阵A＝HW，得到波束成形矩阵W＝H^H(HH^H)^-1A。

步骤5，用户接收到基站发射的信号后，采用最大似然检测方法对自身信号进行解调。

此步骤中，最大似然检测方法为：

其中，和分别表示UE_i,k对天线组i中相应天线标号的估计以及所选择发射的星座图符号的估计，y^(i,k)表示UE_i,k所接收的信号，表示第i个天线组中标号为m_i的天线到UE_i,k的信道向量，q_i表示第i个天线组的星座图符号集合中的任意一个符号。

图2和图3是计算机仿真的结果，其中N_u表示用户数，N_t表示基站的天线数，N_s表示QAM调制阶数。通过计算机仿真表明，如图2所示，相比于传统的多天线非正交多接入方法，本发明提出的基于空间调制的多天线系统的下行非正交多接入方法，对于具有大规模用户群的通信系统有更高的和速率。而且，增加基站的发射天线数还能进一步提高系统容量。另外，图3表明本发明提出的基于空间调制的多天线系统的下行非正交多接入方法相比于传统的多天线非正交多接入方法，在信噪比比较高时，有更好的用户公平性。因此，本发明提出的基于空间调制的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。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于空间调制的多天线系统的下行非正交多接入方法，包括如下步骤：

(1)用户通过信道估计获得下行链路的信道状态信息，并将部分信道状态信息通过反馈链路传递给基站；

(2)基站根据所获得的信道状态信息，将基站中的N_t根发射天线分为K个组，其中，第i组包含N_i根天线，同时，基站将用户分为K个簇，其中，第i个用户簇包含两个用户UE_i,k，其中k＝1,2，并为每个用户簇分配一组发射天线，第i个天线组服务于第i个用户簇，i的取值为1～K；

(3)各天线组分别对与其相对应的用户簇的信号进行空间调制，得到第i个天线组给第i个用户簇的调制信号

(4)基站根据其所获得的信道状态信息，设计波束成形矩阵将第i个用户簇的信号x⁽ⁱ⁾左乘第i个发射波束得到波束成形后的信号W_ix⁽ⁱ⁾，并将得到的所有的波束成形后的信号发射出去；

(5)用户接收到基站发射的信号后，采用最大似然检测方法对自身信号进行解调；

所述的空间调制方法为：

(a)将UE_i,1的信息比特平均分组，每组包含log₂(N_i)个比特，记UE_i,1的一组比特流向量为b_i,1；将UE_i,2的信息比特平均分组，每组包含log₂(M_i)个比特，其中M_i是QAM调制阶数，记UE_i,2的一组比特流向量为b_i,2；

(b)将b_i,1映射到第i个天线组中的天线标号n_i，天线标号表示为其中b_i,1(j)表示b_i,1中的第j个比特信息；对b_i,2采用M_i-QAM调制，将b_i,2映射到第i个天线组中的星座图符号s_i；

(c)第i个天线组给第i个用户簇的调制信号为其中s_i位于x⁽ⁱ⁾中的第n_i行。

2.如权利要求1所述的基于空间调制的多天线系统的下行非正交多接入方法，其特征在于，步骤(4)中波束成形矩阵的设计方法为：

首先，引入等效信道矩阵A＝HW，其中H表示基站获得的信道状态信息；

其次，将A写成如下形式：

其中，H^(i,k)表示基站到UE_i,k的信道状态信息，W_j表示为第j个用户簇的信号x^(j)设计的发射波束；

然后，当i≠j时，令当i＝j时，其中，表示第i个天线组中标号为n_i的天线到UE_i,k的信道向量，并且位于的第n_i列；

最后，基于基站获取的信道状态信息H和等效信道矩阵A＝HW，得到波束成形矩阵W＝H^H(HH^H)^-1A。

3.如权利要求1所述的基于空间调制的多天线系统的下行非正交多接入方法，其特征在于，步骤(5)中最大似然检测方法为：

其中，和分别表示UE_i,k对天线组i中相应天线标号的估计以及所选择发射的星座图符号的估计，y^(i,k)表示UE_i,k所接收的信号，表示第i个天线组中标号为m_i的天线到UE_i,k的信道向量，q_i表示第i个天线组的星座图符号集合中的任意一个符号。