CN108512585A - 基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法 - Google Patents

基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法 Download PDF

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CN108512585A CN201810301802.4A CN201810301802A CN108512585A CN 108512585 A CN108512585 A CN 108512585A CN 201810301802 A CN201810301802 A CN 201810301802A CN 108512585 A CN108512585 A CN 108512585A
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Abstract

基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法，本发明涉及动态协作中继传输方法。本发明的目的是为了解决现有基于功率域非正交多址接入技术的协作传输方案存在基站时隙资源浪费及基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案的边缘用户可靠性低的问题。过程为：在直接传输阶段，基站S广播中心用户U1所需信息x1和边缘用户U2所需信息x2的叠加编码信号xs，执行：U1、U3及中继R分别对自身接收信号采用最小均方误差算法解码x2，然后U1采用串行干扰消除算法解码x1；在协作传输阶段，S广播U3所需信息x3，R广播x2，U1按照动态协议广播x2，分别执行：U3对接收信号采用MMSE解码x3；U2对接收信号采用最大比合并及MMSE解码x2；本发明用于无线协作中继传输领域。

Description

基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法
技术领域
本发明涉及无线协作中继传输领域，具体涉及动态协作中继传输方法。
背景技术
移动互联网和物联网的快速发展为数据速率提出了更高要求，因此如何提高系统频谱效率和减少端到端延时将成为下一代移动通信技术关注的焦点。非正交多址接入技术应用于协作中继网络，可大大提高无线通信系统的频谱效率。第一，目前蜂窝网络中常用多址接入技术有：频分多址(FDMA)，时分多址(TDMA)，码分多址(CDMA)及其多种正交多址接入技术的混合方式等。由于不同用户使用正交的时间、频率及码域资源，所以在理想情况下多用户间不存在干扰。但正交多址接入方案不可能总是达到多用户无线系统的和速率，且其所能服务的用户数量受到正交资源总量和调度策略的限制。因此如何进一步提高系统的频谱效率将是下一代移动通信技术关键挑战之一。第二，传统通信网络为获得多天线性能增益，一般需要增加设备天线的数量。这样不仅会增大设备终端的体积、质量和功耗还会增加系统复杂度。而协作通信技术可以利用参与通信的单天线设备共享有限资源来构建一个虚拟多输入多输出天线系统，进而克服多径衰落，实现分集增益及进一步提高系统频谱效率。第三，基于功率域的非正交多址接入技术在发送端采用功率域的叠加编码，主动引入干扰信息，在接收端采用串行干扰消除实现信号解码。其实现多用户共享时频码资源，可以很好地提高频谱效率。但是在基站覆盖范围有限或者深衰落、高路径损耗场景下，单单使用非正交多址接入技术无法保证边缘用户的可靠性。而将非正交多址接入和协作中继技术结合既可以保证频谱效率又可以提高边缘用户的可靠性。第四，从无线移动通信的发展趋势来看，通信业务需求正向高数据速率、高可靠、低时延、高密度及大连接转变。非正交多址接入技术和协作中继传输技术都是未来无线通信技术中很重要的候选技术。基于功率域非正交多址接入技术的协作中继传输系统可以在一些特定场景下，保证系统可靠性的前提下，极大地提高系统频谱效率，符合现代通信技术的发展方向。
现主要存在四种基于非正交多址接入技术的协作中继传输方案，分别是基于无线信息和能量协同传输和功率域非正交多址接入技术的协作传输方案，基于功率域非正交多址接入技术的多用户多时隙协作传输方案，基于用户配对和功率域非正交多址接入技术的协作传输方案，基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案。
其中，基于无线信息和能量协同传输和功率域非正交多址接入技术的协作传输方案在协作阶段无需消耗额外的用户能量且能保证边缘用户的可靠性，但是其基站在协作阶段处于沉默状态，进而造成了资源浪费，而且其不能很好地适用于边缘用户与基站链路不可达的传输场景。基于功率域非正交多址接入技术的多用户多时隙协作传输方案，虽然可以更好地保证整个系统的可靠性，但是其消耗太多的用户能量和时隙资源且系统复杂度较高，不适用于中长程信息传输。基于用户配对和功率域非正交多址接入技术的协作传输方案，虽然可以降低系统复杂度，但是其仍存在基站资源无法充分利用的问题。
综上，现有基于功率域非正交多址接入技术的协作传输方案存在基站时隙资源浪费的问题。
基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案使用信道估计进行干扰消除，允许基站在协作阶段继续工作，相比其他方案可以进一步提高系统频谱效率，但是，基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案的边缘用户可靠性低。
综上，基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案的边缘用户可靠性低。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有基于功率域非正交多址接入技术的协作传输方案存在基站时隙资源浪费以及基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案的边缘用户可靠性低的问题，而提出基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法。
基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法具体过程为：
步骤一、设置一个包含N个移动用户的蜂窝小区，与基站S直接通信的中心用户数量为M，不能与基站S直接通信的边缘用户数量为L，L≥M/2，N＝L+M，对中心用户的信道质量进行排序，挑选信道质量最好的两个中心用户、一个信道质量最好的边缘用户以及一个离边缘用户最近的解码转发中继进行配对；
信息传输过程包括两个阶段：直接传输阶段和协作传输阶段；
定义中心用户分别为U1和U3，边缘用户为U2，U1、U3、U2的功率分配系数分别为a1、a3、a2；U1、U3、U2所需信息为x1、x3、x2，设置基站S的发送功率为PS，解码转发中继R的发送功率为PR，中心用户U1的发送功率为执行步骤二；
步骤二、在直接传输阶段，基站S广播中心用户U1所需信息x1和边缘用户U2所需信息x2的功率域叠加编码信号xs，分别执行步骤三、步骤八和步骤十二；具体过程为：
基站S在直接传输阶段广播的功率域叠加编码信号xs表示为：
式中，a1和a2分别是中心用户U1和边缘用户U2的功率分配系数，x1和x2分别是中心用户U1和边缘用户U2所需的信息，a2＞a1且
步骤三、在直接传输阶段，中心用户U3采用最小均方误差或迫零检测算法解码边缘用户U2的信息x2，执行步骤四；具体过程为：
中心用户U3的接收信号形式为
边缘用户U2的信息x2的信干噪比为
式中，ρS为基站S处的发送信噪比；为直接传输阶段中心用户U3处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声；为基站S到中心用户U3的信道系数。
步骤四、判断中心用户U3是否成功解码边缘用户U2的信息x2，是，执行步骤六；否，执行步骤五；
步骤五、在协作传输阶段，基站S在协作传输阶段保持沉默(不工作)；结束；
步骤六、在协作传输阶段，基站S广播 执行步骤七；
式中，为基站在协作传输阶段的发射信号；
步骤七、在协作传输阶段，中心用户U3利用信道估计消除来自中继R或中心用户U1的干扰信息x2，采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x3；结束；具体过程为：
若在协作传输阶段，基站S、中继R及中心用户U1均处于发送状态，则中心用户U3的接收信号表示为：
式中，为基站S到中心用户U3的信道系数，为中继R到中心用户U3的信道系数，为中心用户U1到中心用户U3的信道系数，为协作传输阶段中心用户U3处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声；
中心用户U3在估计和之后，解码中心用户U3所需信息x3，信息x3的信干噪比表示为
若在协作传输阶段，仅基站S及中继R处于发送状态，则中心用户U3的接收信号表示为：
中心用户U3在估计之后，解码中心用户U3所需信息x3，信息x3的信干噪比表示为
步骤八、在直接传输阶段，解码转发中继R对接收信号采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2，执行步骤九；具体过程为：
解码转发中继R的接收信号表达式为：
信息x2的信干噪比为：
式中，nR,1为直接传输阶段解码转发中继R处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声；hSR为基站S到中继R的信道系数；
步骤九、判断解码转发中继R是否成功解码信息x2，是，执行步骤十；否，执行步骤十一；
步骤十、在协作传输阶段，解码转发中继R在协作传输阶段以功率PR广播信息x2；
步骤十一、在协作传输阶段，解码转发中继R在协作传输阶段保持沉默；
步骤十二、在直接传输阶段，中心用户U1对接收信号采用最小均方误差(或迫零检测)检测解码信息x2，执行步骤十三；
步骤十三、判断中心用户U1是否成功解码信息x2，是，执行步骤十四；否，执行步骤十五；
步骤十四、中心用户U1采用串行干扰消除算法继续解码信息x1，并在协作传输阶段以功率广播信息x2；
步骤十五、中心用户U1在协作传输阶段处于接收状态，执行步骤十六；
步骤十六、判断中继R是否成功解码信号x2，是，执行步骤十七；否，结束；
步骤十七、在协作传输阶段，中心用户U1接收来自中继R发送的信息x2，采用最小均方误差(或迫零检测)和串行干扰消除算法依次解码信息x2和x1；结束；
步骤十八、在协作传输阶段，当同时满足步骤十和步骤十五时，边缘用户U2在协作传输阶段接收来自解码转发中继R发送的信号x2，并采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束；
步骤十九、在协作传输阶段，当同时满足步骤十一和步骤十四时，边缘用户U2接收来自U1发送的信息x2，采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束；
步骤二十、在协作传输阶段，当同时满足步骤十和步骤十四时，边缘用户U2在协作传输阶段接收来自R和U1发送的信号x2，并采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束。
本发明的有益效果为：
本发明的目的是提高无线协作中继传输系统的频谱效率，增大系统用户容量及增强系统可靠性，提出了一种基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输设计方法。本发明中发射机采用功率域信号叠加编码，接收机采用串行干扰消除算法进行信号解码，中心用户U1根据自身在直接传输阶段的解码情况判断其在协作阶段的工作模式，基站S根据中心用户U3在直接传输阶段的解码情况判断其在协作阶段的工作模式，解决现有基于功率域非正交多址接入技术的协作传输方案存在基站时隙资源浪费的问题。
本发明基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法可以在具有深衰落或较大路径损耗的蜂窝小区中使用，可以解决边缘用户可靠性较低的问题，且相比传统的正交多址接入方案可以提供更高的频谱效率，相比使用传统功率域非正交多址接入技术的协作中继系统可以充分利用设备终端的先验信息，保证系统频谱效率不降低的情况下，进一步提高系统可靠性。
本发明所能服务的用户数量不受时频码资源的限制。本发明能够通过用户配对实现小区内多用户同时工作。与传统的基于功率域非正交多址接入技术的协作传输方案相比，本发明能提供更高的系统可靠性和更好的系统的遍历和速率性能。与基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案相比，本发明能提供更高的系统可靠性且不影响系统的遍历和速率性能，并且相同条件下可以服务更多的用户。
图7展示了中心用户U1的中断概率随发送信噪比(ρs)的变化曲线。其中实曲线、虚曲线和符号点分别是在非频选瑞利块衰落信道下的理论值、高信噪比近似值和仿真值，理论值曲线和仿真值曲线能够很好的重合，高信噪比近似曲线在大于25dB的高信噪比情况下几乎与理论值重合。且与基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案相比，在Φ2>Φ1条件下本发明能够为用户U1提供更低的中断概率，例如，当发送信噪比为40dB时，本发明中用户1的中断概率约为对比方案的一半。在其他情况下两种方案为用户U1提供的中断概率相同。
图8展示了中心用户U2的中断概率随发送信噪比(ρs)的变化曲线。其中实曲线、虚曲线和符号点分别是在非频选瑞利块衰落信道下的理论值、高信噪比近似值和仿真值，理论值曲线和仿真值曲线能够很好的重合，高信噪比近似曲线在大于25dB的高信噪比情况下几乎与理论值重合。且与基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案相比，本发明能够为用户U2提供更低的中断概率。例如：在R1＝R2＝R3＝0.5，CaseI参数设置下，发送信噪比为30dB时，所提方案用户2的中断概率约为5×10-5，而对比方案用户2的中断概率约为5×10-3。
图10展示了系统遍历和速率随发送信噪比(ρs)的变化曲线。其中实曲线和符号点分别是在非频选瑞利块衰落信道下的理论值和仿真值，理论值曲线和仿真值曲线能够很好的重合。且与传统基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案相比，本发明能够提供相同的系统遍历和速率性能。与传统的正交多址接入方案相比，本方案能够提供更好的系统遍历和速率性能。例如：在，CaseI情况下，当发送信噪比为40dB时，本方案及传统基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案的遍历和速率均为12.2，而传统的正交多址接入方案的遍历和速率为10。
附图说明
图1是本发明动态协作中继传输流程图；
图2是本发明动态传输系统模型示意图，BS为基站；
图3是本发明功率域叠加编码信号示意图；
图4是本发明串行干扰消除算法流程图；
图5是本发明U1动态工作示意图；
图6是本发明基站动态工作示意图；
图7是中心用户U1的中断概率随发送信噪比(ρs)的变化曲线图，CaseⅠ为实验1，CaseⅡ为实验2，Prop为本发明方法，conv为传统基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方法；
图8是中心用户U2的中断概率随发送信噪比(ρs)的变化曲线图；
图9是中心用户U3的中断概率随发送信噪比(ρs)的变化曲线图；
图10是系统遍历和速率随发送信噪比(ρs)的变化曲线图，OMA为传统的正交多址接入方案。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法具体过程为：
步骤一、设置一个包含N个移动用户的蜂窝小区，与基站S直接通信的中心用户数量为M，不能与基站S直接通信的边缘用户数量为L，L≥M/2，N＝L+M，对中心用户的信道质量进行排序，挑选信道质量最好的两个中心用户、一个信道质量最好的边缘用户以及一个离边缘用户最近的解码转发中继进行配对。因此，可获得M/2个用户对，不同的用户对之间采用频分多址进行区分；
信息传输过程包括两个阶段：直接传输阶段和协作传输阶段；
在直接传输阶段中，每一个配对内的基站与对应的两个中心用户和一个解码转发中继进行直接通信；
在协作传输阶段中，每一个配对内的基站S与对应的中心用户U3进行通信，对应的解码转发中继和中心用户U1按照所提动态协议与对应的边缘用户U2进行通信以完成基站S与对应边缘用户U2的通信过程。
根据所提动态协议定义中心用户分别为U1和U3，边缘用户为U2，U1、U3、U2的功率分配系数分别为a1、a3、a2；U1、U3、U2所需信息为x1、x3、x2，设置基站S的发送功率为PS，解码转发中继R的发送功率为PR，中心用户U1的发送功率为执行步骤二；
(中心用户U3所需的信息，基站S知道x3，中心用户U3不知道；中心用户U1所需的信息，基站S知道x1，中心用户U3不知道；边缘用户U2所需的信息，基站S知道x2，边缘用户U2不知道；)
步骤二、在直接传输阶段，基站S广播中心用户U1所需信息x1和边缘用户U2所需信息x2的功率域叠加编码信号xs，分别执行步骤三、步骤八和步骤十二；具体过程为：
基站S在直接传输阶段广播的功率域叠加编码信号xs表示为：
式中，a1和a2分别是中心用户U1和边缘用户U2的功率分配系数，x1和x2分别是中心用户U1和边缘用户U2所需的信息，a2＞a1且
功率域叠加编码信号示意图如图3所示。
步骤三、在直接传输阶段，中心用户U3采用最小均方误差或迫零检测算法解码边缘用户U2的信息x2，执行步骤四；具体过程为：
中心用户U3的接收信号形式为
边缘用户U2的信息x2的信干噪比为
式中，ρS为基站S处的发送信噪比；为直接传输阶段中心用户U3处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声；为基站S到中心用户U3的信道系数。
步骤四、判断中心用户U3是否成功解码边缘用户U2的信息x2，是，执行步骤六；否，执行步骤五；
步骤五、在协作传输阶段，基站S在协作传输阶段保持沉默(不工作)；
步骤六、在协作传输阶段，基站S广播 执行步骤七；
式中，为基站在协作传输阶段的发射信号；
步骤七、在协作传输阶段，中心用户U3利用信道估计消除来自中继R或中心用户U1的干扰信息x2，采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x3；结束；具体过程为：
若在协作传输阶段，基站S、中继R及中心用户U1均处于发送状态，则中心用户U3的接收信号表示为：
式中，为基站S到中心用户U3的信道系数，为中继R到中心用户U3的信道系数，为中心用户U1到中心用户U3的信道系数，为协作传输阶段中心用户U3处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声；
中心用户U3在估计和之后，解码中心用户U3所需信息x3，信息x3的信干噪比表示为
若在协作传输阶段，仅基站S及中继R处于发送状态，则中心用户U3的接收信号表示为：
中心用户U3在估计之后，解码中心用户U3所需信息x3，信息x3的信干噪比表示为
步骤八、在直接传输阶段，解码转发中继R对接收信号采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2，执行步骤九；具体过程为：
解码转发中继R的接收信号表达式为：
信息x2的信干噪比为：
式中，nR,1为直接传输阶段解码转发中继R处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声；hSR为基站S到中继R的信道系数；
步骤九、判断解码转发中继R是否成功解码信息x2，是，执行步骤十；否，执行步骤十一；
步骤十、在协作传输阶段，解码转发中继R在协作传输阶段以功率PR广播信息x2；
步骤十一、在协作传输阶段，解码转发中继R在协作传输阶段保持沉默；
步骤十二、在直接传输阶段，中心用户U1对接收信号采用最小均方误差(或迫零检测)检测解码信息x2，执行步骤十三；
步骤十三、判断中心用户U1是否成功解码信息x2，是，执行步骤十四；否，执行步骤十五；
步骤十四、中心用户U1采用串行干扰消除算法继续解码信息x1，并在协作传输阶段以功率广播信息x2；
步骤十五、中心用户U1在协作传输阶段处于接收状态，执行步骤十六；
步骤十六、判断中继R是否成功解码信号x2，是，执行步骤十七；否，结束；
步骤十七、在协作传输阶段，中心用户U1接收来自中继R发送的信息x2，采用最小均方误差(或迫零检测)和串行干扰消除算法依次解码信息x2和x1；结束；
步骤十八、在协作传输阶段，当同时满足步骤十和步骤十五时，边缘用户U2在协作传输阶段接收来自解码转发中继R发送的信号x2，并采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束；
步骤十九、在协作传输阶段，当同时满足步骤十一和步骤十四时，边缘用户U2接收来自U1发送的信息x2，采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束；
步骤二十、在协作传输阶段，当同时满足步骤十和步骤十四时，边缘用户U2在协作传输阶段接收来自R和U1发送的信号x2，并采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束。
本发明动态协作中继传输流程图如图1所示，图2是动态传输系统模型示意图。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤四中判断中心用户U3是否成功解码边缘用户U2的信息x2，是，执行步骤六；否，执行步骤五；
具体过程为：
设定误码率阈值(人为设定)，大于等于误码率阈值，解码失败；小于误码率阈值，解码成功；
误码率阈值为10-3-10-5。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤九中判断解码转发中继R是否成功解码信息x2，是，执行步骤十；否，执行步骤十一；具体过程为：
设定误码率阈值(人为设定)，大于等于误码率阈值，解码失败；小于误码率阈值，解码成功；
误码率阈值为10-3-10-5。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤十二中在直接传输阶段，中心用户U1对接收信号采用最小均方误差(或迫零检测)检测解码信息x2，具体过程为：
中心用户U1的接收信号为
式中，为基站S到中心用户U1的信道系数；为直接传输阶段中心用户U1处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声；
信号x2的信干噪比为
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤十三中判断中心用户U1是否成功解码信息x2，是，执行步骤十四；否，执行步骤十五；具体过程为：
设定误码率阈值(人为设定)，大于等于误码率阈值，解码失败；小于误码率阈值，解码成功；
误码率阈值为10-3-10-5；
中心用户U1若解码信息x2成功，则利用串行干扰算法继续解码中心用户U1所需信息x1，x1信干噪比表示为：
串行干扰消除流程如图4所示。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤十六中判断中继R是否成功解码信号x2，是，执行步骤十七；否，结束；具体过程为：
设定误码率阈值(人为设定)，大于等于误码率阈值，解码失败；小于误码率阈值，解码成功；
误码率阈值为10-3-10-5。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤十七中在协作传输阶段，中心用户U1接收来自中继R发送的信息x2，采用最小均方误差(或迫零检测)和串行干扰消除算法依次解码信息x2和x1；具体过程为：
协作传输阶段处于接收状态，中心用户U1接收来自中继的辅助信息x2以增强自身解码该信息的成功概率；
若在协作传输阶段，中心用户U1处于接收状态，基站S处于静默状态，则中心用户U1的接收信号为使用最大比合并后的信干噪比为分别表示为
其中PR和ρR分别为中继R处的发送功率和发送信噪比，为中继R到中心用户U1的信道系数，为协作传输阶段中心用户U1处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声；
若在协作传输阶段，中心用户U1处于接收状态，基站S处于发送状态，则中心用户U1的接收信号为使用最大比合并后的信干噪比分别表示为
其中a3为中心用户U3的功率分配系数，为基站S到中心用户U1的信道系数；
若在协作传输阶段，中心用户U1处于接收状态，基站S处于静默状态或发送状态，根据解码成功的信息x2解码信息x1，x1信干噪比表示为：
图5展示了中心用户U1动态工作示意图，图6展示了基站动态工作示意图。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述步骤十八中在协作传输阶段，当同时满足步骤十和步骤十五时，边缘用户U2在协作传输阶段接收来自解码转发中继R发送的信号x2，并采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束；
具体过程为：
边缘用户U2的接收信号表示为：
信息x2的信干噪比表示为：
式中，为中继R到边缘用户U2的信道系数，为协作传输阶段边缘用户U2处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述步骤十九中在协作传输阶段，当同时满足步骤十一和步骤十四时，边缘用户U2接收来自U1发送的信息x2，采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束；
具体过程为：
边缘用户U2的接收信号表示为：
信息x2的信干噪比表示为：
式中，为中心用户U1到边缘用户U2的信道系数；为中心用户U1处的发送信噪比。
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述步骤二十中在协作传输阶段，当同时满足步骤十和步骤十四时，边缘用户U2在协作传输阶段接收来自R和U1发送的信号x2，并采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束；具体过程为：
使用最大比合并之后的信干噪比表示为：
其中ρ1分别为中心用户U1处的发送信噪比。
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法具体是按照以下步骤制备的：
假设三个配对用户的功率分配系数分别为a1＝a3＝0.05和a2＝0.95，发送信噪比满足ρR＝ρS/2和三个用户的目标速率R1，R2和R3设置为三种情况：情况一，R1＝R2＝R3＝0.5；情况二，R1＝R3＝0.75,R2＝2；情况三，R1＝R2＝R3＝3；信道归一化方差设置为：CaseI，和CaseII，
对基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方案进行性能评估。
图7展示了中心用户U1的中断概率随发送信噪比(ρs)的变化曲线。其中实曲线、虚曲线和符号点分别是在非频选瑞利块衰落信道下的理论值、高信噪比近似值和仿真值，理论值曲线和仿真值曲线能够很好的重合，高信噪比近似曲线在大于25dB的高信噪比情况下几乎与理论值重合。且与基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案相比，在Φ2>Φ1条件下本发明能够为用户U1提供更低的中断概率，例如，当发送信噪比为40dB时，本发明中用户1的中断概率约为对比方案的一半。在其他情况下两种方案为用户U1提供的中断概率相同。
图8展示了中心用户U2的中断概率随发送信噪比(ρs)的变化曲线。其中实曲线、虚曲线和符号点分别是在非频选瑞利块衰落信道下的理论值、高信噪比近似值和仿真值，理论值曲线和仿真值曲线能够很好的重合，高信噪比近似曲线在大于25dB的高信噪比情况下几乎与理论值重合。且与基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案相比，本发明能够为用户U2提供更低的中断概率。例如：在R1＝R2＝R3＝0.5，CaseI参数设置下，发送信噪比为30dB时，所提方案用户2的中断概率约为5×10-5，而对比方案用户2的中断概率约为5×10-3。
图9展示了中心用户U3的中断概率随发送信噪比(ρs)的变化曲线。其中实曲线、虚曲线和符号点分别是在非频选瑞利块衰落信道下的理论值、高信噪比近似值和仿真值，理论值曲线和仿真值曲线能够很好的重合，高信噪比近似曲线在高信噪比情况下也十分趋近于理论值。且与基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案相比，本发明能够为用户U2提供相同的中断概率。
图10展示了系统遍历和速率随发送信噪比(ρs)的变化曲线。其中实曲线和符号点分别是在非频选瑞利块衰落信道下的理论值和仿真值，理论值曲线和仿真值曲线能够很好的重合。且与传统基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案相比，本发明能够提供相同的系统遍历和速率性能。与传统的正交多址接入方案相比，本方案能够提供更好的系统遍历和速率性能。例如：在，CaseI情况下，当发送信噪比为40dB时，本方案及传统基于功率域非正交多址接入技术的直接和中继协同传输方案的遍历和速率均为12.2，而传统的正交多址接入方案的遍历和速率为10。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一、设置一个包含N个移动用户的蜂窝小区，与基站S直接通信的中心用户数量为M，不能与基站S直接通信的边缘用户数量为L，L≥M/2，N＝L+M，对中心用户的信道质量进行排序，挑选信道质量最好的两个中心用户、一个信道质量最好的边缘用户以及一个离边缘用户最近的解码转发中继进行配对；
信息传输过程包括两个阶段：直接传输阶段和协作传输阶段；
定义中心用户分别为U1和U3，边缘用户为U2，U1、U3、U2的功率分配系数分别为a1、a3、a2；U1、U3、U2所需信息为x1、x3、x2，设置基站S的发送功率为PS，解码转发中继R的发送功率为PR，中心用户U1的发送功率为执行步骤二；
步骤二、在直接传输阶段，基站S广播中心用户U1所需信息x1和边缘用户U2所需信息x2的功率域叠加编码信号xs，分别执行步骤三、步骤八和步骤十二；具体过程为：
基站S在直接传输阶段广播的功率域叠加编码信号xs表示为：
式中，a1和a2分别是中心用户U1和边缘用户U2的功率分配系数，x1和x2分别是中心用户U1和边缘用户U2所需的信息，a2＞a1且
步骤三、在直接传输阶段，中心用户U3采用最小均方误差或迫零检测算法解码边缘用户U2的信息x2，执行步骤四；
具体过程为：
中心用户U3的接收信号形式为
边缘用户U2的信息x2的信干噪比为
式中，ρS为基站S处的发送信噪比；为直接传输阶段中心用户U3处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声；为基站S到中心用户U3的信道系数。
步骤四、判断中心用户U3是否成功解码边缘用户U2的信息x2，是，执行步骤六；否，执行步骤五；
步骤五、在协作传输阶段，基站S在协作传输阶段保持沉默；
步骤六、在协作传输阶段，基站S广播 执行步骤七；
式中，为基站在协作传输阶段的发射信号；
步骤七、在协作传输阶段，中心用户U3利用信道估计消除来自中继R或中心用户U1的干扰信息x2，采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x3；结束；
具体过程为：
若在协作传输阶段，基站S、中继R及中心用户U1均处于发送状态，则中心用户U3的接收信号表示为：
式中，为基站S到中心用户U3的信道系数，为中继R到中心用户U3的信道系数，为中心用户U1到中心用户U3的信道系数，为协作传输阶段中心用户U3处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声；
中心用户U3在估计和之后，解码中心用户U3所需信息x3，信息x3的信干噪比表示为
若在协作传输阶段，仅基站S及中继R处于发送状态，则中心用户U3的接收信号表示为：
中心用户U3在估计之后，解码中心用户U3所需信息x3，信息x3的信干噪比表示为
步骤八、在直接传输阶段，解码转发中继R对接收信号采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2，执行步骤九；
具体过程为：
解码转发中继R的接收信号表达式为：
信息x2的信干噪比为：
式中，nR,1为直接传输阶段解码转发中继R处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声；hSR为基站S到中继R的信道系数；
步骤九、判断解码转发中继R是否成功解码信息x2，是，执行步骤十；否，执行步骤十一；
步骤十、在协作传输阶段，解码转发中继R在协作传输阶段以功率PR广播信息x2；
步骤十一、在协作传输阶段，解码转发中继R在协作传输阶段保持沉默；
步骤十二、在直接传输阶段，中心用户U1对接收信号采用最小均方误差检测解码信息x2，执行步骤十三；
步骤十三、判断中心用户U1是否成功解码信息x2，是，执行步骤十四；否，执行步骤十五；
步骤十四、中心用户U1采用串行干扰消除算法继续解码信息x1，并在协作传输阶段以功率广播信息x2；
步骤十五、中心用户U1在协作传输阶段处于接收状态，执行步骤十六；
步骤十六、判断中继R是否成功解码信号x2，是，执行步骤十七；否，结束；
步骤十七、在协作传输阶段，中心用户U1接收来自中继R发送的信息x2，采用最小均方误差和串行干扰消除算法依次解码信息x2和x1；结束；
步骤十八、在协作传输阶段，当同时满足步骤十和步骤十五时，边缘用户U2在协作传输阶段接收来自解码转发中继R发送的信号x2，并采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束；
步骤十九、在协作传输阶段，当同时满足步骤十一和步骤十四时，边缘用户U2接收来自U1发送的信息x2，采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束；
步骤二十、在协作传输阶段，当同时满足步骤十和步骤十四时，边缘用户U2在协作传输阶段接收来自R和U1发送的信号x2，并采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束。
2.根据权利要求1所述基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法，其特征在于：所述步骤四中判断中心用户U3是否成功解码边缘用户U2的信息x2，是，执行步骤六；否，执行步骤五；具体过程为：
设定误码率阈值，大于等于误码率阈值，解码失败；小于误码率阈值，解码成功；
误码率阈值为10-3-10-5。
3.根据权利要求2所述基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法，其特征在于：所述步骤九中判断解码转发中继R是否成功解码信息x2，是，执行步骤十；否，执行步骤十一；具体过程为：
设定误码率阈值，大于等于误码率阈值，解码失败；小于误码率阈值，解码成功；
误码率阈值为10-3-10-5。
4.根据权利要求3所述基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法，其特征在于：所述步骤十二中在直接传输阶段，中心用户U1对接收信号采用最小均方误差检测解码信息x2，具体过程为：
中心用户U1的接收信号为
式中，为基站S到中心用户U1的信道系数；为直接传输阶段中心用户U1处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声；
信号x2的信干噪比为
5.根据权利要求4所述基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法，其特征在于：所述步骤十三中判断中心用户U1是否成功解码信息x2，是，执行步骤十四；否，执行步骤十五；具体过程为：
设定误码率阈值，大于等于误码率阈值，解码失败；小于误码率阈值，解码成功；
误码率阈值为10-3-10-5；
中心用户U1若解码信息x2成功，则利用串行干扰算法继续解码中心用户U1所需信息x1，x1信干噪比表示为：
6.根据权利要求5所述基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法，其特征在于：所述步骤十六中判断中继R是否成功解码信号x2，是，执行步骤十七；否，结束；具体过程为：
设定误码率阈值，大于等于误码率阈值，解码失败；小于误码率阈值，解码成功；
误码率阈值为10-3-10-5。
7.根据权利要求6所述基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法，其特征在于：所述步骤十七中在协作传输阶段，中心用户U1接收来自中继R发送的信息x2，采用最小均方误差和串行干扰消除算法依次解码信息x2和x1；具体过程为：
协作传输阶段处于接收状态，中心用户U1接收来自中继的辅助信息x2；
若在协作传输阶段，中心用户U1处于接收状态，基站S处于静默状态，则中心用户U1的接收信号为使用最大比合并后的信干噪比为分别表示为
其中，PR和ρR分别为中继R处的发送功率和发送信噪比，为中继R到中心用户U1的信道系数，为协作传输阶段中心用户U1处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声；
若在协作传输阶段，中心用户U1处于接收状态，基站S处于发送状态，则中心用户U1的接收信号为使用最大比合并后的信干噪比分别表示为
其中a3为中心用户U3的功率分配系数，为基站S到中心用户U1的信道系数；
若在协作传输阶段，中心用户U1处于接收状态，基站S处于静默状态或发送状态，根据解码成功的信息x2解码信息x1，x1信干噪比表示为：
8.根据权利要求7所述基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法，其特征在于：所述步骤十八中在协作传输阶段，当同时满足步骤十和步骤十五时，边缘用户U2在协作传输阶段接收来自解码转发中继R发送的信号x2，并采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束；具体过程为：
边缘用户U2的接收信号表示为：
信息x2的信干噪比表示为：
式中，为中继R到边缘用户U2的信道系数，为协作传输阶段边缘用户U2处的均值为0方差为N0的加性高斯白噪声。
9.根据权利要求8所述基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法，其特征在于：所述步骤十九中在协作传输阶段，当同时满足步骤十一和步骤十四时，边缘用户U2接收来自U1发送的信息x2，采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束；具体过程为：
边缘用户U2的接收信号表示为：
信息x2的信干噪比表示为：
式中，为中心用户U1到边缘用户U2的信道系数；为中心用户U1处的发送信噪比。
10.根据权利要求9所述基于功率域非正交多址接入技术的动态协作中继传输方法，其特征在于：所述步骤二十中在协作传输阶段，当同时满足步骤十和步骤十四时，边缘用户U2在协作传输阶段接收来自R和U1发送的信号x2，并采用最小均方误差或迫零检测算法解码信号x2；结束；具体过程为：
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