CN107343268A - 非正交多播和单播传输波束赋型方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种非正交多播和单播传输波束赋型方法及系统，包括：根据用户的多播服务请求对用户进行分组；根据当前系统参数和系统设计准则动态地确定每个基站要传输的多播服务和单播服务，以及对应的波束赋型向量，然后将每个基站要传输的服务及其对应的波束赋型向量发给基站；每个基站将其要传输的多播服务和单播服务在同一资源块中在波束赋型域进行叠加，生成叠加信号，然后发送给用户；采用串行干扰消除技术对叠加信号中的多播服务和单播服务进行解码。本发明能够提升系统性能，且能够大大地拓展单播‑多播速率域。

Description

非正交多播和单播传输波束赋型方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种非正交多播和单播传输波束赋型方法及系统。
背景技术
近年来，随着无线网络技术的飞速发展，物理层多播技术利用无线信道的广播特性将相同的信息在同一资源块传递给多个用户，相比于单播技术能显著提高能量和频谱效率，因而受到人们的广泛关注。多播场景已经在新一代蜂窝通信系统中扮演着越来越重要的角色，例如：在线视频直播、场馆现场直播、公共广告以及移动应用的下载更新等。然而，多播传输的发射功率和发送速率由最差信道的用户决定，对于信道状况较好的用户，频谱资源不能充分利用。另一方面，在传统的单播系统中，随着移动终端数量的爆炸性增长，现有蜂窝网络稀缺的频谱资源已经充分地用于单播服务，几乎没有多余的资源用于多播服务。现有能够提供多播和单播服务的系统大多采用正交的复用方案，即在正交的资源块上分别提供多播和单播服务，如时分复用(TDM)、频分复用(FDM)等。这种正交的方案在提供多播服务的同时，对现有单播服务影响较大，因为更多的资源分配给多播服务就意味着更少的资源用于单播服务。
相对于正交的方案，基于层分复用(LDM)的非正交复用方案能够支持在同一资源块上同时提供多播和单播服务，不仅对现有单播服务的影响较小，而且可以有效地提升频谱效率。但是，多播和单播数据流间的交叉干扰是不可忽视的，如果不能恰当地处理，将会对系统性能造成严重的影响。目前，关于非正交多播和单播传输干扰管理和优化设计的研究非常少，大多基于简单的功率分配做性能分析，对于如何进行干扰管理和优化提升系统性能并没有给出具体解决方案。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种非正交多播和单播传输波束赋型方法及系统。
根据本发明提供的一种非正交多播和单播传输波束赋型方法，包括：
用户分组步骤：根据用户的多播服务请求对用户进行分组；
动态基站分簇步骤：根据当前系统参数和系统设计准则动态地确定每个基站要传输的多播服务和单播服务，以及对应的波束赋型向量，然后将每个基站要传输的服务及其对应的波束赋型向量发给基站；
叠加步骤：每个基站将其要传输的多播服务和单播服务在同一资源块中在波束赋型域进行叠加，生成叠加信号，然后发送给用户；
解码步骤：采用串行干扰消除技术对叠加信号中的多播服务和单播服务进行解码。
优选的，所述根据用户的多播服务请求对用户进行分组包括：将请求相同多播服务的用户分在同一多播组，不同多播组之间用户请求的多播服务不同。
优选的，所述当前系统参数包括：用户信道状态信息和每个基站的回程链路容量峰值约束。
优选的，所述系统设计准则包括：基站传输功率最小化、系统的和速率最大化。
优选的，所述采用串行干扰消除技术对叠加信号中的多播服务和单播服务进行解码包括：先把多播服务之外其他信号的干扰当成背景噪声，先解码多播服务，如果成功，则将多播服务从叠加信号中减去，再解码单播服务。
根据本发明提供的一种非正交多播和单播传输波束赋型系统，包括：
用户分组模块：根据用户的多播服务请求对用户进行分组；
动态基站分簇模块：根据当前系统参数和系统设计准则动态地确定每个基站要传输的多播服务和单播服务，以及对应的波束赋型向量，然后将每个基站要传输的服务及其对应的波束赋型向量发给基站；
叠加模块：每个基站将其要传输的多播服务和单播服务在同一资源块中在波束赋型域进行叠加，生成叠加信号，然后发送给用户；
解码模块：采用串行干扰消除技术对叠加信号中的多播服务和单播服务进行解码。
优选的，所述根据用户的多播服务请求对用户进行分组包括：将请求相同多播服务的用户分在同一多播组，不同多播组之间用户请求的多播服务不同。
优选的，所述当前系统参数包括：用户信道状态信息和每个基站的回程链路容量峰值约束。
优选的，所述系统设计准则包括：基站传输功率最小化、系统的和速率最大化。
优选的，所述采用串行干扰消除技术对叠加信号中的多播服务和单播服务进行解码包括：先把多播服务之外其他信号的干扰当成背景噪声，先解码多播服务，如果成功，则将多播服务从叠加信号中减去，再解码单播服务。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
考虑了基于用户信道、基站峰值功率约束以及基站回程链路容量峰值约束的动态基站分簇，与基于静态的基站分簇的波束赋型方法相比，能够提升系统性能；此外，将多播和单播服务采用非正交的方式在波束赋型域叠加，相比于传统的正交的传输方案，能够大大地拓展单播-多播速率域。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为一个典型的多小区的蜂窝网络非正交多播和单播传输结构示意图；
图2为本发明实施例所述的非正交多播和单播传输波束赋型方法流程图；
图3为本发明实施例所述的波束赋型方法与现有基于静态分簇策略的波束赋型方法在加权和速率上的比较示意图；
图4为本发明实施例所述的非正交多播和单播传输波束赋型方法与现有基于时分复用的正交的传输方案在可达多播-单播速率域上的比较示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，在一个多小区的蜂窝网络中的下行链路，每个基站可同时提供多播和单播服务，所有用户的信道状态在基站端已知。
如图2所示，本发明提供的一种非正交多播和单播传输波束赋型方法，包括：
用户分组步骤：根据用户的多播服务请求对用户进行分组，将请求相同多播服务的用户分在同一多播组，不同多播组之间用户请求的多播服务不同。
动态基站分簇步骤：根据当前系统参数和系统设计准则动态地确定每个基站要传输的多播服务和单播服务，以及对应的波束赋型向量，然后将每个基站要传输的服务及其对应的波束赋型向量发给基站，所述当前系统参数包括：用户信道状态信息和每个基站的回程链路容量峰值约束，所述系统设计准则包括：基站传输功率最小化、系统的和速率(system sum-rate)最大化。
叠加步骤：每个基站将其要传输的多播服务和单播服务在同一资源块中在波束赋型域进行叠加，生成叠加信号，然后发送给用户；
解码步骤：采用串行干扰消除技术对叠加信号中的多播服务和单播服务进行解码，先把多播服务之外其他信号的干扰当成背景噪声，先解码多播服务，如果成功，则将多播服务从叠加信号中减去，再解码单播服务。
本发明适用于多基站非正交多播和单播传输网络。假设该网络包含N个基站，每个基站装备L个天线，在同一资源块上同时向K个单天线用户同时提供多播和单播服务，所有用户的信道状态在基站端已知。每个基站通过一个有限容量的回程链路连接到核心网。这里假设只有一个多播组，即所有的用户同时接收同一个多播服务，除此之外，每个用户分别接收一个单播服务。假设w0,n表示基站n上多播消息s0的波束赋型向量，wk,n表示基站n上用户k的单播消息sk的波束赋型向量，那么基站n的传输信号可以表示为另假设hk,n为用户k和基站n之间的信道信息，那么用户k接收到的信号可以表示为
其中表示用户k到所有基站的信道信息，表示所有基站多播波束赋型向量，表示所有基站上用户k的单播波束赋型向量，上标H表示向量或矩阵的共轭转置，nk是用户k上的接收噪声，可以建模为一个均值为零，方差为的复高斯随机变量。
用户端采用串行干扰消除技术，先把单播消息作为背景噪声，解调多播消息，然后从接收信号中删除多播信号，再解调单播消息。那么，用户k接收到的多播消息的信干噪比和单播消息的信干噪比可以分别表示为
此时，考虑网络速率最大化问题，把多播和单播加权的和速率作为目标函数，对每个基站施加一个功率峰值约束和一个回程链路容量峰值约束，该优化问题可以表示为：
其中γ0是所有用户中多播消息的最小信干噪比，γk是用户k的单播消息的信干噪比，R0＝log2(1+γ0)和Rk＝log2(1+γk)分别是对应的传输速率(信道带宽为B)，和分别定义为可达的多播速率和单播速率，Pn和Cn分别表示基站n的峰值功率和峰值回程链路容量，η∈[0,1]是一个权重因子，||·||0表示向量的零模。为了简化符号，我们定义这里另外，和分别表示用户下标的集合和基站下标的集合。
上述问题考虑了较为实际的回程链路容量限制，每个单播或多播数据流并不一定能够由所有的基站服务，因为这样有可能使得回程链路的容量限制无法得到满足。所以，该问题隐含了基站分簇，即每个数据流(多播和单播)由哪些基站联合服务是要动态优化的，是一个稀疏波束赋型设计问题。由于信干噪比限制条件是非凸的，回程链路限制条件中含有零模，是非连续的，所以该优化问题是一个非凸非连续的，通常很难获得最优解。
基于上述研究，本发明提出了一种非正交多播和单播波束赋型设计方法，首先，为了近似地求解上述优化问题，本发明引入平滑函数来近似回程链路限制条件中的零模：
这里的平滑函数fθ(·)是单调递增的凹函数，比如对数函数、指数函数和反正切函数等等。其中θ是一个参数，用来控制近似函数的平滑性。当采用反正切函数时，平滑函数可以表示为当θ越小，平滑函数越接近零模函数。
进一步，近似后的优化问题依旧是非凸的。具体地，多播和单播的信干噪比限制条件是具有变量相除的形式，很难处理；近似后的回程链路容量限制(5)是两个非凸部分相乘的形式，也是非凸的。本发明提出一种统一的方法处理这些非凸的限制条件，即采用一些转化技巧，将上述优化问题中的非凸限制条件全部转化为DC(difference of convexfunctions)形式，从而将近似后的问题转化为DC规划问题。具体地，转化后的DC规划问题可以表示为：
其中为了将回程链路容量限制条件转化为DC形式，我们引入了辅助变量和上述问题是一个DC规划问题，可以通过CCP(concave-convex procedure)算法进行求解。CCP算法是一个迭代的算法，通过求解一系列凸的子优化问题来找到原DC规划问题的一个驻点。而迭代中的每个子问题是通过将原DC规划问题中非凸部分在上次迭代找到的最优点处进行一阶泰勒近似构造而成的。具体地，对问题采用CCP算法，每次迭代的子问题可以表示：
其中和为前一次迭代问题的最优解，表示一个复数的实部。上述问题是一个凸优化问题，可以采用通用凸优化工具包通过内点法求解。当迭代收敛，CCP算法会收敛到DC规划问题(6)的一个驻点。由于采用了平滑函数对回程链路限制中的零模做了近似，所以求解DC规划问题找到解是原问题的近似解。
进一步，为了得到原问题可行解，可以对DC规划问题的解进行改进。具体地，本发明首先根据DC规划问题的解，去掉功率比较小的数据链路，仅保留功率比较大的链路，从而确定基站分簇，即这里是保留的数据链路的集合，∈P是一个功率阈值。然后在确定了基站分簇以后，本发明通过求解如下问题来确定原问题可行解：
注意到该优化问题可以直接通过CCP算法求解。
为了进一步说明本发明的技术效果，在此还对本发明实施例所提出的波束赋型方法进行了仿真，其仿真结果如图3和4所示。其中，图3显示了本发明实施例所述的波束赋型方法与基于静态分簇策略的波束赋型方法的性能比较结果。在静态分簇策略中，多播服务由所有的基站传输，每个用户的单播服务由其距离最近的M(M＝2,3,4)个基站传输。其中，带圆形的曲线表示本发明所述的动态的波束赋型方法，带方形的曲线、带菱形的曲线以及带三角形的曲线分别代表M＝2、M＝3以及M＝4时的性能曲线。图4显示了本发明实施例所述的非正交的预编码方法与现有基于时分复用的正交的方案在多播-单播速率域上的比较，其中，带圆形的曲线和带方形的曲线分别代表传输功率为20dBm和30dBm的结果。实线表示所述的非正交预编码方法得到的结果，虚线表示基于时分复用的正交方案。其中，非正交方案的曲线是通过改变η的值来获得的，正交方案的曲线是通过改变TM的值来获得的，这里TM∈[0,1]是时分复用方案中分配给多播传输的时间比例。从图3的各个曲线可以看出，本发明实施例所提出的动态的波束赋型方法优于基于静态分簇策略的波束赋型方法。另外，从图4可以看出，本发明实施例所提出的非正交的方案比传统的正交的方案所获得的多播-单播速率域要大。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种非正交多播和单播传输波束赋型方法，其特征在于，包括：
用户分组步骤：根据用户的多播服务请求对用户进行分组；
动态基站分簇步骤：根据当前系统参数和系统设计准则动态地确定每个基站要传输的多播服务和单播服务，以及对应的波束赋型向量，然后将每个基站要传输的服务及其对应的波束赋型向量发给基站；
叠加步骤：每个基站将其要传输的多播服务和单播服务在同一资源块中在波束赋型域进行叠加，生成叠加信号，然后发送给用户；
解码步骤：采用串行干扰消除技术对叠加信号中的多播服务和单播服务进行解码。
2.根据权利要求1所述的非正交多播和单播传输波束赋型方法，其特征在于，所述根据用户的多播服务请求对用户进行分组包括：将请求相同多播服务的用户分在同一多播组，不同多播组之间用户请求的多播服务不同。
3.根据权利要求1所述的非正交多播和单播传输波束赋型方法，其特征在于，所述当前系统参数包括：用户信道状态信息和每个基站的回程链路容量峰值约束。
4.根据权利要求1所述的非正交多播和单播传输波束赋型方法，其特征在于，所述系统设计准则包括：基站传输功率最小化、系统的和速率最大化。
5.根据权利要求1所述的非正交多播和单播传输波束赋型方法，其特征在于，所述采用串行干扰消除技术对叠加信号中的多播服务和单播服务进行解码包括：先把多播服务之外其他信号的干扰当成背景噪声，先解码多播服务，如果成功，则将多播服务从叠加信号中减去，再解码单播服务。
6.一种非正交多播和单播传输波束赋型系统，其特征在于，包括：
用户分组模块：根据用户的多播服务请求对用户进行分组；
动态基站分簇模块：根据当前系统参数和系统设计准则动态地确定每个基站要传输的多播服务和单播服务，以及对应的波束赋型向量，然后将每个基站要传输的服务及其对应的波束赋型向量发给基站；
叠加模块：每个基站将其要传输的多播服务和单播服务在同一资源块中在波束赋型域进行叠加，生成叠加信号，然后发送给用户；
解码模块：采用串行干扰消除技术对叠加信号中的多播服务和单播服务进行解码。
7.根据权利要求6所述的非正交多播和单播传输波束赋型系统，其特征在于，所述根据用户的多播服务请求对用户进行分组包括：将请求相同多播服务的用户分在同一多播组，不同多播组之间用户请求的多播服务不同。
8.根据权利要求6所述的非正交多播和单播传输波束赋型系统，其特征在于，所述当前系统参数包括：用户信道状态信息和每个基站的回程链路容量峰值约束。
9.根据权利要求6所述的非正交多播和单播传输波束赋型系统，其特征在于，所述系统设计准则包括：基站传输功率最小化、系统的和速率最大化。
10.根据权利要求6所述的非正交多播和单播传输波束赋型系统，其特征在于，所述采用串行干扰消除技术对叠加信号中的多播服务和单播服务进行解码包括：先把多播服务之外其他信号的干扰当成背景噪声，先解码多播服务，如果成功，则将多播服务从叠加信号中减去，再解码单播服务。
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