CN108768483A - 基于大规模双极化天线的noma下行无干扰传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于大规模双极化天线的NOMA下行无干扰传输方法，包括如下步骤，步骤1：开始；步骤2：基站发射端确定信道状态信息；步骤3：基站对用户待发送信息做预编码处理；步骤4：基站向用户发送信息；步骤5：结束。本发明的方法用户K可以经过一次处理便获得自身信号，免去由于串行干扰消除技术造成的时延，而且不会产生错误传播；当用户K接收到叠加信号时，只会获得自己的信号，不会获得其他用户的信号，有效保障了系统中各用户的安全性。本发明的方法在处理速度上由于现有技术中的其它常用方法，尤其优于OMA系统方法。

Description

基于大规模双极化天线的NOMA下行无干扰传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于大规模双极化天线的NOMA下行无干扰传输方法。

背景技术

在正交多址接入方式中，一个正交资源只允许分配一个用户，严重限制了小区吞吐量和设备连接数。因此引入了功率域和编码域等维度，提高了用户的连接数和频谱 效率，能够获得更大的信道容量。

2010年，日本NTT DoCoMo公司首先提出了功率域非正交多址接入技术的概念并进行了相关研究。之后，Thomas等人详细介绍了该技术的基本原理，即在功率域上采 用叠加编码的思想来发送信号，使得信道条件不同的用户可以共享频谱资源，并通过 给信道条件差的用户分配更多的功率来保证用户的公平性。为提高系统的整体性能， 接收端采用串行干扰消除技术，根据用户信道条件的差异性逐级消除用户间干扰。

在现有基于功率域的非正交多址接入技术(PD-NOMA)中，由于采用串行干扰消 除技术，会导致较大的用户解码时延，逐级消除用户信号可能会造成错误传播现象， 用户的安全性亦无法得到有效保障；此外，无法获得准确信道状态信息便无法实现有 效传输。

而虽然功率域非正交多址接入技术可以明显提高用户的连接数和频谱效率，但是， 在下行传输系统接收端处，由于串行干扰消除技术根据用户信道条件的差异性逐级消除用户间干扰，当用户数目较多时，系统中信道条件好的用户由于需要逐级消除的用 户信号数较多，造成较大的时延。同时，如果该用户在消除用户间干扰时发生错误， 该错误会随着干扰的逐级消除而继续传播，最终影响该用户目标信号的正确解码。此 外，串行干扰消除技术逐级检测出信道条件差的用户信号再加以移除，信道条件好的 用户只有精确获得信道条件差的用户信号并移除后才能正确解调自身信号，这个过程 中，信道条件好的用户的信息会被信道条件差的用户获得，无法保障用户的安全性。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明所要解决上述现有技术的不足，提供一种基于大规模双极化天线的NOMA下行无干扰传输方法，能够有效解决时延、误差 传播、安全性及干扰等问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为提供一种基于大规模双极化天线的NOMA下行无干扰传输方法。

基于大规模双极化天线的NOMA下行无干扰传输方法，包括如下步骤：

步骤1：开始；

步骤2：基站发射端确定信道状态信息；

步骤3：基站对用户待发送信息做预编码处理；

步骤4：基站向用户发送信息；

步骤5：结束。

作为本发明的进一步改进，在基站发射端确定信道状态信息前，基站配置M根正交双极化天线，每个用户配备一根正交双极化天线，假定基站发送给用户k的信号为x_k， 即有发射功率为基站到用户k的空间衰落为其中，常数β_k为确定性的大尺度衰落(路径损耗和阴影衰落)、为小尺度衰落，基站到用户 k的极化衰落(去极化矩阵)为α_k∈C^2×2，基站对用户k的发射极化状态为φ_k∈C^2×1， 且每根天线对同一用户采用相同极化状态。

作为本发明的进一步改进，基站获得信道状态信息，对用户待发送信息做预编码处理时，假设基站能完全获得信道的空间和极化衰落信息，其预编码方法公式为：

其中，x_k是用户k的期望信号，是经过预编码处理后的用户k的信号。

在单用户场景下，不考虑加性噪声，用户k的接收信号可表示为

将代入

得：

不同用户间信道衰落相互独立，大规模MIMO下，根据中心极限定理，有

因此，又有

则在下行K用户场景下，基站的发射信号表示为：

对于用户k，其接收信号表示为

发射天线数目足够多，大规模MIMO下，对于j≠k，有

此时，r_k＝y_k，没有用户间干扰。

作为本发明的进一步改进，基站获得信道状态信息，对用户待发送信息做预编码处 理时，假定基站对用户k的信道存在估计误差e_h，即有：

则其预编码方法公式为：

得到用户k的接受信号为：

估计误差e_h和真实值h_k相互独立，在大规模MIMO下，有

即在不需要准确获得信道状态信息的情况下，实现无干扰传输。

本发明的有益效果是：

1、本发明的方法用户k可以经过一次处理便获得自身信号，免去由于串行干扰消除技术造成的时延，而且不会产生错误传播。

2、在本发明的方法中，当用户k接收到叠加信号时，只会获得自己的信号，不会 获得其他用户的信号，有效保障了系统中各用户的安全性。

3.本发明的方法在处理速度上由于现有技术中的其它常用方法，尤其优于OMA系统方法。

附图说明

图1是本发明提供的无干扰传输方法流程图；

图2是本发明提供的系统示意图；

图3是本发明提供的MMSE预编码技术和本发明实现的系统误码率性能的比较图；

图4是本发明提供的存在反馈误差时系统性能的实现情况示意图；

图5是本发明提供的NOMA和OMA系统的用户速率示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的基于大规模双极化天线的NOMA下行无干扰传输方法，包 括如下步骤：

步骤1：开始；

步骤2：基站发射端确定信道状态信息；

步骤3：基站对用户待发送信息做预编码处理；

步骤4：基站向用户发送信息；

步骤5：结束。

在本发明中，在实施方法时优先构造本发明的网络系统如图2所示系统示意图，设计基站配置M根正交双极化天线，每个用户配备一根正交双极化天线，令基站发送给用 户k的信号为x_k，发射功率为则基站到用户k的空间衰落为其中，常数β_k为确定性的大尺度衰落(主要为路径损耗和阴影衰落)、为小尺 度衰落，基站到用户k的极化衰落(需去极化矩阵)为α_k∈C^2×2，基站对用户k的发射极 化状态为φ_k∈C^2×1，且每根天线对同一用户采用相同极化状态。

在基站获得信道状态信息，对用户待发送信息做预编码处理时，假设基站能完全获得信道的空间和极化衰落信息，采用预编码方法计算如公式(1)：

其中，x_k是用户k的期望信号，是经过预编码处理后的用户k的信号。

在本实施例中，根据公知常识，在单用户场景下，不考虑加性噪声，则用户k的接收信号y_k可表示为(2)

由可知以下等式成立

将公式(3)代入(2)得到简化后的公式(4)

不同用户间信道衰落相互独立，如果发射天线数目足够多，即大规模MIMO下，根据中心极限定理，有

因此，又有

在下行K用户(多用户)场景下，基站的发射信号可表示为：

对于用户k，其接收信号r_k可表示为

如果发射天线数目足够多，即大规模MIMO下，对于j≠k，有

此时，r_k＝y_k，没有用户间干扰。

假定基站对用户k的信道存在估计误差时，即有用户k的空间衰落为

将(10)代入则得式(1)为

此时，用户k的接受信号为：

公知常识，估计误差e_h和真实值h_k相互独立，如果发射天线数目足够多，即大规模MIMO下，有

即由此表明该方法能在不需要准确获得信道状态信息的情况下，实现无干扰传输。

此时，用户k可以直接获得自己的期望信号，不再需要冗长的串行干扰消除序列，从根本上防止了误差传播的发生。同时在这样的情况下，用户只需要接收端处理一次 就可以获得自己的信号，对于串行干扰消除中分配得到的信号功率较弱的用户而言， 不需要再进行串行干扰消除过程，能够有效解决时延、误差传播、安全性及干扰等问 题。

与常用方法的对比试验，说明本发明的方法在时延、误差传播、安全性及干扰的有益效果。

实验一：

MMSE预编码技术和本发明实现的系统误码率性能的比较：

试验一将基于图2所示的系统，对本发明的方法与MMSE预编码技术同时进行仿真试验；得到如图3所示的两种预编码技术实现系统误码率性能的比较结果。

从图3所示实验结果，可以很直观发现，本发明的信噪比在3dB时，实现的误码 率性能就和MMSE预编码在信噪比为10dB的性能近似了，当信噪比增大到6dB时，误 码率接近10^-7，表明本发明的误码率性能优异。

实验二：

试验条件为：在基站配备8副双极化天线，用户配备一副双极化天线，基站天线 之间不存在相关性，并且传输信道环境有充足的散射体，反馈误差分别为0和0.2来 进行存在信道估计误差时本预编码技术实现系统误码率性能的比较，得到如图4所示 的存在反馈误差时系统性能的实现情况本发明的系统误码率性能的效果；

从图4的实验结果来看，可以发现本发明的预编码模型并不需要完美的CSI，也就是说可以为了减小系统开销，适当降低CSI的反馈精度。如图4，在反馈误差t＝0.2时， 虽然系统的性能恶化了一些，但仍然可以实现较好的误码率性能。

实验三：

对比OMA和NOMA在信道独立时，用户速率的差异：用户和基站各配备4副双极化 天线。基站天线之间不存在相关性，并且传输信道环境有充足的散射体。系统中同时 存在5个用户：

从图5仿真实验结果表明本发明的NOMA系统实现的系统方法和速率优于OMA系统方法实现的系统和速率，即使在信道存在空间相关性的情况下，本发明在时延、误差 传播、安全性及干扰的等方面的性能相比其他方法有显著的进步。

综上所述，本发明的方法用户k可以经过一次处理便获得自身信号，免去由于串行干扰消除技术造成的时延，而且不会产生错误传播。在本发明的方法中，根据公式(5) 和(9)可知，当用户k接收到叠加信号时，只会获得自己的信号，不会获得其他用户 的信号，有效保障了系统中各用户的安全性。而且本发明的方法在处理速度上由于现 有技术中的其它常用方法，尤其优于OMA系统方法，从能能够有效解决时延、误差传 播、安全性及干扰等问题。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本 发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于大规模双极化天线的NOMA下行无干扰传输方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：开始；

步骤2：基站发射端确定信道状态信息；

步骤3：基站对用户待发送信息做预编码处理；

步骤4：基站向用户发送信息；

步骤5：结束。

2.根据权利要求1所述的基于大规模双极化天线的NOMA下行无干扰传输方法，其特征在于：在基站发射端确定信道状态信息前，基站配置M根正交双极化天线，每个用户配备一根正交双极化天线，假定基站发送给用户k的信号为x_k，发射功率为基站到用户k的空间衰落为其中，常数β_k为确定性的大尺度衰落、为小尺度衰落，基站到用户k的极化衰落为α_k∈C^2×2，基站对用户k的发射极化状态为φ_k∈C^2×1，且每根天线对同一用户采用相同极化状态。

3.根据权利要求2所述的基于大规模双极化天线的NOMA下行无干扰传输方法，其特征在于：基站对用户待发送信息做预编码处理时，基站获得信道的空间和极化衰落信息采用的预编码方法公式为：

其中，x_k是用户k的期望信号，是经过预编码处理后的用户k的信号；

在单用户场景下，不考虑加性噪声，用户k的接收信号y_k表示为：

将代入

得：

由于，不同用户间信道衰落相互独立，大规模MIMO下，根据中心极限定理，有

因此，又有

在下行K用户场景下，得到基站的发射信号表示为：

对于用户k，其接收信号表示为

发射天线数目足够多，大规模MIMO下，对于j≠k，有

此时，r_k＝y_k，没有用户间干扰。

4.根据权利要求3所述的基于大规模双极化天线的NOMA下行无干扰传输方法，其特征在于：基站获得信道状态信息，对用户待发送信息做预编码处理时，假定基站对用户k的信道存在估计误差e_h，即有：

其预编码方法采用的公式为：

得到用户k的接受信号为：

估计误差e_h和真实值h_k相互独立，在大规模MIMO下，有

即在不需要准确获得信道状态信息的情况下，实现无干扰传输。