CN107483095A - 一种基于多中继协助的大规模非正交多接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多中继协助的大规模非正交多接入方法。基站在小区内布置一定数量的中继，每个移动用户选择一个距离最近的中继接入网络。基站通过信道估计，获得基站到所有中继的信道状态信息。基站根据所获得的信道状态信息，对每个中继所属用户的信号进行叠加编码，然后把叠加编码后的信号经迫零波束成形后发射出去，避免中继之间相互干扰。中继收到信号后，以适当功率转发出去。用户收到信号后，首先对同一中继内信道增益较弱的用户的信号进行解码，然后将这些用户的信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码，从而降低同一中继内用户之间的干扰。本发明为具有大规模用户接入的宽带移动通信系统提供了一种有效的非正交多接入方法。

Description

一种基于多中继协助的大规模非正交多接入方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于多中继协助的大规模非正交多接入方法。
背景技术
随着物联网和移动互联网的兴起与发展，未来的无线网络需要支持大规模移动用户的同时接入。在当前广泛采用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)和码分复用多接入(CDMA)，一个无线资源块只能分配给一个移动终端。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用户的同时接入。在这种情况下，非正交多接入技术得到了大量的研究，并被广泛认为是5G等未来宽带无线通信系统的关键技术之一。
非正交多接入技术主要利用发射端的叠加编码和接收端的串行干扰抵消实现高效的多用户接入。然而，当接入用户数较大时，串行干扰抵消的复杂度将非常大。另一方面，由于用户规模的庞大，基站对所有用户的信道状态信息的获取成为一个比较困难的任务。因此可以在小区内布置一定数量的中继，并只在每个中继内进行串行干扰抵消，从而有效降低了用户的计算复杂度。同时，基站只需要获取基站到中继的信道状态信息，就明显降低了获取信道状态信息的开销。然而，布置中继后将引入新的中继间干扰，即其他中继的信号会对目标中继产生干扰。为了提高大规模非正交多接入技术的性能，必须有效抑制中继间干扰。众所周知，大规模多天线技术是一种有效的干扰抑制技术。并且，大规模多天线技术也是5G系统的关键技术之一。因此，可以将非正交多接入和大规模多天线技术结合起来，就能避免中继之间的相互干扰，有效增强系统的性能。同时，引入中继后，在中继服务多个用户时也存在相互干扰，并且中继转发会引起噪声的放大，这就需要对基站发射功率和中继转发功率进行适当的分配，以便降低干扰。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有接入方案中大规模用户接入时训练序列较长、频谱效率较低和计算复杂度较高等问题，提出了一种基于多中继协助的大规模非正交多接入方法，并对基站发射功率和中继转发功率的分配提出了有效方法。
本发明所采用的具体技术方案如下:
基于多中继协助的大规模非正交多接入方法，包括如下步骤：
1)基站在小区内布置一定数量的中继，每个移动用户选择距离最近的一个中继接入无线网络；
2)基站根据信道长期统计信息，获得与中继之间的信道的大尺度衰落信息αi,i＝1,...,M，其中M为中继的数量；
3)中继根据信道长期统计信息，获得第m个中继与第i个中继所属的第j个用户之间的信道的大尺度衰落信息βm,i,j；m＝1,...,M；i＝1,...,M；j＝1,...,Ki，其中Ki为第i个中继所属用户的数量；
4)所有中继同时向基站发射正交的训练序列，基站基于训练序列进行信道估计，获得第i个中继的信道状态信息hi；
5)基站为第i个中继所属的第j个移动用户的信号si,j分配发射功率Pi,j，然后将第i个中继所属的所有移动用户的信号进行叠加编码，得到信号xi；
6)基站根据所获得的信道状态信息，基于迫零波束成形准则，为第i个中继的信号xi设计一个发射波束wi，然后将所有波束成形后的信号一起进行发射；
7)第i个中继接到基站发射的信号后，以发生功率Qi将信号转发出去；
8)用户接到中继发射的信号后，对同一中继内的用户信号进行串行干扰抵消，最后对自身信号进行解码。
上述步骤可具体通过如下优选方式实现：
步骤5)中的基站发射功率分配方法为：
a)将功率初始化，令其中Pmax为基站发射功率的总功率限制；
b)用表示当前功率分配情况下第i个中继所属的第j个用户的接收信号的信干噪比，令中间参数中间参数对所有拉格朗日乘子ξ、ρi,j,1、ρi,j,2进行初始化，令ξ＝1，ρi,j,1＝1，ρi,j,2＝1，
c)根据等式：
计算Ui,j，其中，中间参数 中间参数中间参数ιi,j＝βi,i,jQi,max，中间参数Qi,max为第i个中继的最大转发功率；；获得Ui,j后，令
d)更新 λ为梯度法的步长，Ptot为基站的总发射功率限制；如果本步骤中的拉格朗日乘子ξ、ρi,j,1、ρi,j,2没有收敛，则跳回步骤c)；
e)如果Pi,j收敛，则按此结果进行功率分配，否则跳回步骤b)。
步骤6)中的波束设计方法为：
a)根据所获得的第i个中继的信道状态信息，基站为第i个中继构建如下的发射波束：其中中间参数Hm＝[h1,h2,…,hi-1,hi+1,…,hM]，I为单位矩阵；
b)令基站的发射信号为
步骤7)的中继发射功率决定方法为：
a)将转发功率初始化，令Qm,max为第m个中继的最大转发功率；
b)用表示当前功率分配情况下第i个中继所属的第j个用户的接收信号的信干噪比，令令拉格朗日乘子
c)根据等式计算Di，其中中间参数计算式如下
中间参数N＝Nt-(M-1)，Nt为基站的天线数；获得Di后，令
d)更新τm＝τm-λ(ln(Qm,max)-Dm)；如果τm没有收敛，则跳回步骤c)；
e)如果Qi没有收敛，则跳回步骤b)，否则将此结果作为中继的转发功率。
步骤8)中的串行干扰抵消方法为：任一移动终端首先对同一中继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：本发明提出的基站发射功率分配方法，可以基于有限的天线、功率等资源，在有利于串行干扰抵消执行的前提下，明显提高频谱效率。本发明提出的中继转发功率决定算法，可以降低中继发射信号的相互干扰，提高大规模非正交多接入方法的性能。
附图说明
图1是基于多中继协助的大规模非正交多接入方法的场景示意图；
图2是在中继转发功率变化的情况下，非正交多接入方法的总频谱效率与天线数的关系；
图3是在基站限制功率变化的情况下，我们的功率分配方法与其他常用功率分配方法的总频谱效率对比；
图4是在基站限制功率变化的情况下，非正交多接入方法与两种正交多接入方法性能的对比。
具体实施方式
基于多中继的协助的非正交多接入方法的框图如图1所示，基站有Nt根天线，每个移动终端配置1根天线。小区内分布一定数量的中继，移动用户与最近的一个中继连接，每个中继服务为数不多的终端，以降低串行干扰抵消的复杂度。基站利用训练序列获得中继的信道状态信息，并基于这些信道状态信息，以及大尺度衰落信息为每个用户的信号分配功率，并为发往每个中继的信号设计发射波束。中继收到信号后，就将信号转发出去。移动终端接收到信号后，对同一中继内的用户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。
基于多中继协助的大规模非正交多接入方法，其特征在于包括如下步骤：
1)基站在小区内布置一定数量的中继，每个移动用户选择距离最近的一个中继接入无线网络；
2)基站根据信道长期统计信息，获得与中继之间的信道的大尺度衰落信息αi,i＝1,...,M，其中M为中继的数量；
3)中继根据信道长期统计信息，获得第m个中继与第i个中继所属的第j个用户之间的信道的大尺度衰落信息βm,i,j；m＝1,...,M；i＝1,...,M；j＝1,...,Ki，其中Ki为第i个中继所属用户的数量；
4)所有中继同时向基站发射正交的训练序列，基站基于训练序列进行信道估计，获得第i个中继的信道状态信息hi；
5)基站为第i个中继所属的第j个移动用户的信号si,j分配发射功率Pi,j，然后将第i个中继所属的所有移动用户的信号进行叠加编码，得到信号xi；
该步骤中的基站发射功率分配方法为：
a)将功率初始化，令其中Pmax为基站发射功率的总功率限制；
b)用表示当前功率分配情况下第i个中继所属的第j个用户的接收信号的信干噪比，令中间参数中间参数对所有拉格朗日乘子ξ、ρi,j,1、ρi,j,2进行初始化，令ξ＝1，ρi,j,1＝1，ρi,j,2＝1，
c)根据等式：
计算Ui,j，其中，中间参数 中间参数中间参数ιi,j＝βi,i,jQi,max，中间参数Qi,max为第i个中继的最大转发功率；；获得Ui,j后，令
d)更新 λ为梯度法的步长，Ptot为基站的总发射功率限制；如果本步骤中的拉格朗日乘子ξ、ρi,j,1、ρi,j,2没有收敛，则跳回步骤c)；
e)如果Pi,j收敛，则按此结果进行功率分配，否则跳回步骤b)。
6)基站根据所获得的信道状态信息，基于迫零波束成形准则，为第i个中继的信号xi设计一个发射波束Wi，然后将所有波束成形后的信号一起进行发射；
该步骤中的波束设计方法为：
a)根据所获得的第i个中继的信道状态信息，基站为第i个中继构建如下的发射波束：其中中间参数Hm＝[h1,h2,…,hi-1,hi+1,…,hM]，I为单位矩阵；
b)令基站的发射信号为
7)第i个中继接到基站发射的信号后，以发生功率Qi将信号转发出去；
该步骤的中继发射功率决定方法为：
a)将转发功率初始化，令Qm＝Qm,max,Qm,max为第m个中继的最大转发功率；
b)用表示当前功率分配情况下第i个中继所属的第j个用户的接收信号的信干噪比，令令拉格朗日乘子
c)根据等式计算Di，其中中间参数计算式如下
中间参数N＝Nt-(M-1)，Nt为基站的天线数；获得Di后，令
d)更新τm＝τm-λ(ln(Qm,max)-Dm)；如果τm没有收敛，则跳回步骤c)；
e)如果Qi没有收敛，则跳回步骤b)，否则将此结果作为中继的转发功率。
8)用户接到中继发射的信号后，对同一中继内的用户信号进行串行干扰抵消，最后对自身信号进行解码。该步骤中，串行干扰抵消方法为：任一移动终端首先对同一中继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，本发明提出的基于多中继协助的大规模非正交多接入方法中，随着天线数量的增多，性能可以获得明显提高。图3表明本发明中的功率分配方案相比于传统的功率分配明显地提高了性能。另外，图4表明本发明提出的大规模非正交多接入方法相较于正交的多接入方法均有明显优势。因此，本发明提出的基于多中继协助的大规模非正交多接入方法可以为第五代移动通信系统提供一种高效的大规模用户接入方法。

Claims (5)

1.一种基于多中继协助的大规模非正交多接入方法，其特征在于包括如下步骤：
1)基站在小区内布置一定数量的中继，每个移动用户选择距离最近的一个中继接入无线网络；
2)基站根据信道长期统计信息，获得与中继之间的信道的大尺度衰落信息αi,i＝1,...,M，其中M为中继的数量；
3)中继根据信道长期统计信息，获得第m个中继与第i个中继所属的第j个用户之间的信道的大尺度衰落信息βm,i,j；m＝1,...,M；i＝1,...,M；j＝1,...,Ki，其中Ki为第i个中继所属用户的数量；
4)所有中继同时向基站发射正交的训练序列，基站基于训练序列进行信道估计，获得第i个中继的信道状态信息hi；
5)基站为第i个中继所属的第j个移动用户的信号si,j分配发射功率Pi,j，然后将第i个中继所属的所有移动用户的信号进行叠加编码，得到信号xi；
6)基站根据所获得的信道状态信息，基于迫零波束成形准则，为第i个中继的信号xi设计一个发射波束wi，然后将所有波束成形后的信号一起进行发射；
7)第i个中继接到基站发射的信号后，以发生功率Qi将信号转发出去；
8)用户接到中继发射的信号后，对同一中继内的用户信号进行串行干扰抵消，最后对自身信号进行解码。
2.根据权利要求1所述的一种基于多中继协助的大规模非正交多接入方法，其特征是步骤5)中的基站发射功率分配方法为：
a)将功率初始化，令其中Pmax为基站发射功率的总功率限制；
b)用表示当前功率分配情况下第i个中继所属的第j个用户的接收信号的信干噪比，令中间参数中间参数对所有拉格朗日乘子ξ、ρi,j,1、ρi,j,2进行初始化，令ξ＝1，ρi,j,1＝1，
c)根据等式：
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计算其中，中间参数 中间参数中间参数ιi,j＝βi,i,jQi,max，中间参数Qi,max为第i个中继的最大转发功率；；获得Ui,j后，令
d)更新 λ为梯度法的步长，Ptot为基站的总发射功率限制；如果本步骤中的拉格朗日乘子ξ、ρi,j,1、ρi,j,2没有收敛，则跳回步骤c)；
e)如果Pi,j收敛，则按此结果进行功率分配，否则跳回步骤b)。
3.根据权利要求1所述的一种基于多中继协助的大规模非正交多接入方法，其特征是步骤6)中的波束设计方法为：
a)根据所获得的第i个中继的信道状态信息，基站为第i个中继构建如下的发射波束：其中中间参数Hm＝[h1,h2,…,hi-1,hi+1,…,hM]，I为单位矩阵；
b)令基站的发射信号为
4.根据权利要求1所述的一种基于多中继协助的大规模非正交多接入方法，其特征是步骤7)的中继发射功率决定方法为：
a)将转发功率初始化，令Qm,max为第m个中继的最大转发功率；
b)用表示当前功率分配情况下第i个中继所属的第j个用户的接收信号的信干噪比，令令拉格朗日乘子
c)根据等式计算Di，其中中间参数计算式如下
中间参数N＝Nt-(M-1)，Nt为基站的天线数；获得Di后，令
d)更新τm＝τm-λ(ln(Qm,max)-Dm)；如果τm没有收敛，则跳回步骤c)；
e)如果Qi没有收敛，则跳回步骤b)，否则将此结果作为中继的转发功率。
5.根据权利要求1所述的一种基于多中继协助的大规模非正交多接入方法，其特征是步骤8)中的串行干扰抵消方法为：任一移动终端首先对同一中继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。
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