CN108990142B - 一种低信令开销的多载波非正交多址接入系统的传输方法 - Google Patents

一种低信令开销的多载波非正交多址接入系统的传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低信令开销的多载波非正交多址接入系统的传输方法。在发送端，发送信号根据某种预先定义的用户间功率分配算法和子载波功率分配算法实现信号的功率域复用，接着向接收端广播发送信号及时域信道冲激响应；在接收端，各个用户首先根据广播得到的时域信道冲激响应和与发送端相同的用户间功率分配算法和子载波功率分配算法来确定每个用户上的子载波功率，然后依据信道增益的排序确定执行串行干扰消除算法时的解调顺序。本发明通过收发端预先协定好的功率分配方法，只需要广播时域信道响应即可完成数据的传输和解调，不但更加高效，而且有效降低了传输数据过程中的信令开销。

Description

一种低信令开销的多载波非正交多址接入系统的传输方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，特别涉及了一种低信令开销的多载波非正交多址接入系统的传输方法。
背景技术
非正交多址接入(Non-orthogonal multiple access,NOMA)技术作为下一代移动通信系统的备选方案之一，因频谱利用率高、系统容量大等优点受到广泛关注，拥有广阔的应用前景。NOMA通过不同用户共享相同资源块的方式来支撑更多的用户接入。在发送端，采用非正交的叠加编码的方式，即分配给用户不同的发射功率，主动引入干扰信息；在接收端，通过串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)接收机，分离出不同用户。不同于传统的正交多址(Orthogonal MultipleAccess,OMA)技术，比如时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)和频分多址(FrequencyDivisionMultipleAccess,FDMA)，NOMA在海量用户连接场景下具有明显的性能优势。正交频分复用技术作为实现复杂度低、应用范围广、频谱效率高的多载波调制方案，也被运用于NOMA技术中。
在基于OFDM的NOMA(以下简称为NOMA-OFDM)系统中，数据传输方法对系统性能有着重要影响，然而传统的NOMA-OFDM系统采用的传输方法需要确定KN个频域信道响应和KN个功率分配系数。当数据量较小时，随着子载波或用户数目的增加，传统方法中解码需获得每个用户在每个子载波上的功率，信令开销甚至可能超过发送数据量本身，大大降低了传输效率，且计算复杂度变高，不适用于快速时变信道。因此，在不影响系统性能的条件下，如何减少信令开销而达到成功解调是非常关键的问题。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种低信令开销的多载波非正交多址接入系统的传输方法，提供高效的系统传输，同时降低系统传输数据过程中所需的信令开销。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种低信令开销的多载波非正交多址接入系统的传输方法，在下行多载波非正交多址接入系统中按照以下步骤处理：
(1)由用户k向基站发送导频序列，基站根据导频序列做信道估计，得到各用户的时域信道冲激响应hk＝[hk(0),hk(1),...,hk(L-1)]T，其中，k＝1,2,…,K，K为用户总数，hk(i)为用户k信道i的冲激响应，i＝0,1,…,L-1，L为信道总长度；
(2)基站根据用户的时域信道冲激响应，在总发送功率为P的约束条件下，运用收发端预先协定好的用户间功率分配算法得到每个用户分配到的实际功率
Figure BDA0001695910210000021
(3)基站根据
Figure BDA0001695910210000022
运用收发端预先协定好的子载波功率分配算法对每个用户的每个子载波上的功率进行分配，得到用户k在第n个子载波上的功率pk,n；
(4)基站将时域信道冲激响应集合
Figure BDA0001695910210000023
与功率复用后线性叠加的信号x分别经控制信道和数据信道广播给接收端的所有用户；
(5)在接收端，用户k从控制信道接收到基站广播的时域信道冲激响应集合
Figure BDA0001695910210000024
后，运用收发端预先协定好的用户间功率分配算法得到每个用户分配到的实际功率Pk，每个用户再执行收发端预先协定好的子载波功率分配算法来获得自己和其它用户的子载波功率pk,n；
(6)用户k从数据信道接收到信号yk，根据平均信道增益的升序确定解调顺序，接收信号通过串行干扰消除算法依次解调并译码出干扰用户的信号并移除，最后完成用户k的信号检测。
进一步地，在步骤(2)中，对用户的时域信道冲激响应做离散Fourier变换后得到频域信道增益Hk＝[Hk(0),Hk(1),...,Hk(N-1)]T，然后计算各个用户的平均信道增益
Figure BDA0001695910210000025
在总发送功率为P的约束条件下，运用基于单载波非正交多址接入系统中的功率分配方法得到每个用户分配到的实际功率
Figure BDA0001695910210000026
其中，Hk(n)为第n个子载波的频率信道增益，n＝0,1,2…,N-1，N为子载波总数。
进一步地，用户的平均信道增益
Figure BDA0001695910210000027
按下式计算：
Figure BDA0001695910210000028
进一步地，用户k分配到的实际功率Pk按下式确定：
Figure BDA0001695910210000029
上式中，σ为功率衰减系数，0≤σ≤1。
进一步地，在步骤(3)中，所述子载波功率分配算法采用注水算法，每个用户每个子载波上的功率pk,n：
Figure BDA0001695910210000031
上式中，Nk(n)为噪声，λ为拉格朗日乘子，且满足功率约束
Figure BDA0001695910210000032
进一步地，噪声Nk(n)按如下方法确定：
1)
Figure BDA0001695910210000033
即用户间噪声相互独立，各用户噪声均为加性白高斯噪声
Figure BDA0001695910210000034
2)
Figure BDA0001695910210000035
即考虑其它用户的干扰噪声，各用户噪声等于加性白高斯噪声
Figure BDA0001695910210000036
与信道增益大于该用户的所有用户的干扰噪声之和。
进一步地，在步骤(4)中，线性叠加信号x的计算方法如下：
Figure BDA0001695910210000037
上式中，x(m)表示第m个时域采样点上的x，Xk(n)表示用户k在第n个子载波上待传输的信号，j为虚数单元，m＝0,1,2,…,N。
进一步地，在步骤(6)中，根据平均信道增益升序的解调顺序逐级对用户k的干扰信号进行解调，并通过译码器进行译码，得到干扰信号的信息比特，再将译码得到的干扰信号的信息比特进行调制恢复出原干扰信号，将其从接收信号中进行消除，再将消除该级干扰信号后的接收信号送进下一级检测，重复前述干扰信号消除过程，直至解调出用户k的信号。
一种低信令开销的多载波非正交多址接入系统的传输方法，在上行多载波非正交多址接入系统中按照以下步骤处理：
(a)由用户k向基站发送导频序列，基站根据导频序列做信道估计，得到各用户的时域信道冲激响应hk＝[hk(0),hk(1),...,hk(L-1)]T后向用户广播，其中，k＝1,2,…,K，K为用户总数，hk(i)为用户k信道i的冲激响应，i＝0,1,…,L-1，L为信道总长度；
(b)在总发送功率为P的约束条件下，用户k根据用户的时域信道冲激响应，运用收发端预先协定好的用户间功率分配算法得到每个用户分配到的实际功率
Figure BDA0001695910210000038
(c)用户k根据
Figure BDA0001695910210000039
运用收发端预先协定好的子载波功率分配算法对每个用户的每个子载波上的功率进行分配，得到用户k在第n个子载波上的功率pk,n，然后将调制后的信号经信道hk发送给基站；
(d)在接收端，基站基于时域信道冲激响应集合
Figure BDA00016959102100000310
运用收发端预先协定好的用户间功率分配算法得到每个用户分配到的实际功率Pk，再运用收发端预先协定好的子载波功率分配算法来获得每个用户的子载波功率pk,n；
(e)基站接收到信号y，根据平均信道增益的降序确定解调顺序，接收信号y通过串行干扰消除算法依次解调并译码出干扰用户的信号并移除，完成用户信号的检测。
进一步地，在步骤(b)中，对用户的时域信道冲激响应做离散Fourier变换后得到频域信道增益Hk＝[Hk(0),Hk(1),...,Hk(N-1)]T，然后计算各个用户的平均信道增益
Figure BDA0001695910210000041
在总发送功率为P的约束条件下，运用基于单载波非正交多址接入系统中的功率分配方法得到每个用户分配到的实际功率
Figure BDA0001695910210000042
其中，Hk(n)为第n个子载波的频率信道增益，n＝0,1,2…,N-1，N为子载波总数。
进一步地，用户的平均信道增益
Figure BDA0001695910210000043
按下式计算：
Figure BDA0001695910210000044
进一步地，用户k分配到的实际功率Pk按下式确定：
Figure BDA0001695910210000045
上式中，σ为功率衰减系数，0≤σ≤1。
进一步地，在步骤(c)中，所述子载波功率分配算法采用注水算法，每个用户每个子载波上的功率pk,n：
Figure BDA0001695910210000046
上式中，Nk(n)为噪声，λ为拉格朗日乘子，且满足功率约束
Figure BDA0001695910210000047
进一步地，噪声Nk(n)按如下方法确定：
1)
Figure BDA0001695910210000048
即用户间噪声相互独立，各用户噪声均为加性白高斯噪声
Figure BDA0001695910210000049
2)
Figure BDA00016959102100000410
即考虑其它用户的干扰噪声，各用户噪声等于加性白高斯噪声
Figure BDA00016959102100000411
与信道增益小于该用户的所有用户的干扰噪声之和。
进一步地，在步骤(e)中，接收信号y的计算方法如下：
Figure BDA0001695910210000051
上式中，y(m)表示第m个时域采样点上的y，Xk(n)表示用户k在第n个子载波上待传输的信号，j为虚数单元，m＝0,1,2,…,N。
进一步地，在步骤(e)中，根据平均信道增益降序的解调顺序，对用户的信号逐级解调。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明将传输方法中的功率分配分为两步：首先根据平均信道增益进行用户功率的分配，然后利用子载波功率分配方法进行子载波上的功率分配。该过程中，收发端使用某种协定好的相同的功率分配方法，使得接收端只需获取每个用户的时域信道冲激响应，在进行一定运算后就可以完成信号的检测，一方面使得系统的传输更加高效，另一方面降低了系统传输数据过程中所需的信令开销。
附图说明
图1是本发明方法的下行链路传输流程图；
图2是本发明方法的上行链路传输流程图；
图3是本发明方法的下行链路信令流程图；
图4是本发明方法的上行链路信令流程图；
图5是本发明方法的性能效果图；
图6是本发明方法的采用WF1和WF2算法性能对比图；
图7是本发明方法与传统方法的信令复杂度随子载波数目变化曲线图；
图8是本发明方法与传统方法的信令复杂度随信道长度变化曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明的下行和上行链路的传输流程分别如图1和图2所示，具体的收发端信令交互分别如图3和图4所示。本发明设计的一种低信令开销的多载波非正交多址接入系统在进行数据传输时，发送端和接收端需协定好传输过程中的功率分配方法。主要分为两方面：
(1)用户间的功率分配：在求得平均信道增益后，在已知总发送功率为P的约束条件下，利用如下所述算法来进行用户功率分配：分数阶传输分配(FTPA)方法。
(2)子载波间的功率分配：在由步骤(1)得到每个用户分配到的功率Pk后，利用如下之一来进行子载波间的功率分配：独立的频域注水算法(简称为WF1)、考虑其他用户干扰的频域注水算法(简称为WF2)。
以两用户场景的下行多载波非正交多址系统为例，则基站作为发送端，两个用户作为接收端。
在一个示例中，用户先向基站发送导频序列，然后基站根据导频做信道估计得到时域信道冲激响应hk＝[hk(0),hk(1),...,hk(L-1)]T。接着，根据相应的频域信道响应计算得到每个用户的平均信道增益
Figure BDA0001695910210000061
基站采用分数阶传输分配(FTPA)方法进行用户间功率分配，并且向接收端的所有用户广播这KL长度的时域信道集合
Figure BDA0001695910210000062
其中，确定各个用户的功率Pk的方法与平均信道增益有关，可以表示为：
Figure BDA0001695910210000063
上式中，σ为功率衰减系数，0≤σ≤1。σ越大，表示给平均信道增益小的用户分配的功率越多。
当基站获得所有用户分配到的功率Pk后，采用WF1或WF2算法进行子载波间的功率分配。其中，WF2算法的特点在于每个用户在运用注水算法时，总噪声等于信道噪声与信道增益大于该用户的其它用户的干扰噪声之和。假设第n个子载波上的信道增益大小满足，|H1(n)|2＜|H2(n)|2，则WF2算法中噪声计算方式具体实现如下：
(a)由于用户2需要通过串行干扰消除算法解调并移除用户1的信息，此时用户1在运用WF2算法时的总噪声即为信道噪声，可表示为：
Figure BDA0001695910210000064
其中，
Figure BDA0001695910210000065
表示加性白高斯噪声。
(b)由于用户1不需要执行串行干扰消除，将用户2的信息直接视作噪声，此时用户2
在运用WF2算法时的总噪声可以表示为：
Figure BDA0001695910210000066
其中，p1,n是由根据步骤(b)得到的。
基站在获取了两个用户在每个子载波上的功率pk,n(k＝1,2)后，将待发送信号进行功率域的线性叠加后发送。
在接收端，用户1和用户2将接收到的信号yk和基站广播的时域信道冲激响应集合
Figure BDA0001695910210000067
进行离散Fourier变换后分别得到Yk和吗每个用户的Hk，则用户k的第n个子载波上的接收信号即为Yk(n)。用户k根据每个用户的Hk计算得平均信道增益，然后运用和FTPA算法得到每个用户分配到的实际功率Pk，每个用户接着运用WF1或者WF2算法来获得每个用户的每个子载波上的功率pk,n(k＝1,2)。
利用求得的pk,n，再根据平均信道增益
Figure BDA0001695910210000071
的升序确定解调顺序，借助串行干扰消除算法逐次解调并译码出干扰用户的信号并移除，最后可以求得自己的信号。
首先通过译码器进行译码，则第n个子载波上的干扰信号的信息比特可以表示为：
Figure BDA0001695910210000072
其中，
Figure BDA0001695910210000073
表示解调和译码的过程，再对译码得到的干扰信号的信息比特进行重构恢复出原信号，然后从接收信号中进行消除：
Figure BDA0001695910210000074
其中，
Figure BDA0001695910210000075
是
Figure BDA0001695910210000076
经过重新编码和调制后的干扰信号的估计。再将干扰消除后的接收信号
Figure BDA0001695910210000077
进行下一级检测，重复上述干扰信号消除过程，直至解调出用户k的信号。
如图5所示，两用户场景下子载波数目N＝4，总发送功率P＝20W时的性能效果图。其中，容量域的边界(Bound)是通过穷举搜索(exhaustive search)获得的。图示表明改进的注水算法WF2接近容量域的边界，且优于传统的注水算法WF1。
如图6所示，多用户场景下，用户数目K＝10，子载波数目N＝256，总功率限制P＝20W时，WF1和WF2算法的性能相近，因此从降低计算复杂度的角度，可以选取WF1作为子载波功率分配算法。
为了进一步说明算法的有效性，我们考察该发明中提出的传输方法的信令复杂度。其中，信令复杂度的定义为：解码过程中所需要的交互的符号数，用符号Q表示。在传统方法中，解码所需交互的信令为每个用户在每个子载波上的信道增益以及功率大小，即信令复杂度Q1＝2KN。在本发明方法中，解码所需交互的信令为时域信道的长度，即信令复杂度Q2＝KL。
如图7所示，当用户数目K分别为2和10，信令长度L＝10时，观察本发明和传统方法的信令复杂度Q随子载波数目N的变化曲线，可以发现本发明方法的信令复杂度明显低于传统方法，且随着子载波数目的增加，本发明的降低信令开销的效果更加明显。
如图8所示，当用户数目K分别为2和10，子载波数目N＝128时，观察本发明和传统方法的信令复杂度随信道长度的变化曲线，可以发现本发明方法子载波数相同，信道长度不同时，所需交互的信令复杂度远低于传统方法。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低信令开销的多载波非正交多址接入系统的传输方法，其特征在于，在下行多载波非正交多址接入系统中按照以下步骤处理：
(1)由用户k向基站发送导频序列，基站根据导频序列做信道估计，得到各用户的时域信道冲激响应hk＝[hk(0),hk(1),...,hk(L-1)]T，其中，k＝1,2,…,K，K为用户总数，hk(i)为用户k信道i的冲激响应，i＝0,1,…,L-1，L为信道总长度；
(2)基站根据用户的时域信道冲激响应，在总发送功率为P的约束条件下，运用收发端预先协定好的用户间功率分配算法得到每个用户分配到的实际功率
Figure FDA0002871741100000011
对用户的时域信道冲激响应做离散Fourier变换后得到频域信道增益Hk＝[Hk(0),Hk(1),...,Hk(N-1)]T，然后计算各个用户的平均信道增益
Figure FDA0002871741100000012
在总发送功率为P的约束条件下，运用基于单载波非正交多址接入系统中的功率分配方法得到每个用户分配到的实际功率
Figure FDA0002871741100000013
其中，Hk(n)为第n个子载波的频率信道增益，n＝0,1,2…,N-1，N为子载波总数；
用户的平均信道增益
Figure FDA0002871741100000014
按下式计算：
Figure FDA0002871741100000015
用户k分配到的实际功率Pk按下式确定：
Figure FDA0002871741100000016
上式中，σ为功率衰减系数，0≤σ≤1；
(3)基站根据
Figure FDA0002871741100000017
运用收发端预先协定好的子载波功率分配算法对每个用户的每个子载波上的功率进行分配，得到用户k在第n个子载波上的功率pk,n；
所述子载波功率分配算法采用注水算法，每个用户每个子载波上的功率pk,n：
Figure FDA0002871741100000018
上式中，Nk(n)为噪声，λ为拉格朗日乘子，且满足功率约束
Figure FDA0002871741100000019
噪声Nk(n)按如下方法确定：
1)
Figure FDA0002871741100000021
即用户间噪声相互独立，各用户噪声均为加性白高斯噪声
Figure FDA0002871741100000022
2)
Figure FDA0002871741100000023
即考虑其它用户的干扰噪声，各用户噪声等于加性白高斯噪声
Figure FDA0002871741100000024
与信道增益大于该用户的所有用户的干扰噪声之和；
(4)基站将时域信道冲激响应集合
Figure FDA0002871741100000025
与功率复用后线性叠加的信号x分别经控制信道和数据信道广播给接收端的所有用户；
(5)在接收端，用户k从控制信道接收到基站广播的时域信道冲激响应集合
Figure FDA0002871741100000026
后，运用收发端预先协定好的用户间功率分配算法得到每个用户分配到的实际功率Pk，每个用户再执行收发端预先协定好的子载波功率分配算法来获得自己和其它用户的子载波功率pk,n；
(6)用户k从数据信道接收到信号yk，根据平均信道增益的升序确定解调顺序，接收信号通过串行干扰消除算法依次解调并译码出干扰用户的信号并移除，最后完成用户k的信号检测。
2.根据权利要求1所述低信令开销的多载波非正交多址接入系统的传输方法，其特征在于，在步骤(4)中，线性叠加信号x的计算方法如下：
Figure FDA0002871741100000027
上式中，x(m)表示第m个时域采样点上的x，Xk(n)表示用户k在第n个子载波上待传输的信号，j为虚数单元，m＝0,1,2,…,N。
3.根据权利要求1所述低信令开销的多载波非正交多址接入系统的传输方法，其特征在于，在步骤(6)中，根据平均信道增益升序的解调顺序逐级对用户k的干扰信号进行解调，并通过译码器进行译码，得到干扰信号的信息比特，再将译码得到的干扰信号的信息比特进行调制恢复出原干扰信号，将其从接收信号中进行消除，再将消除该级干扰信号后的接收信号送进下一级检测，重复前述干扰信号消除过程，直至解调出用户k的信号。
4.一种低信令开销的多载波非正交多址接入系统的传输方法，其特征在于，在上行多载波非正交多址接入系统中按照以下步骤处理：
(a)由用户k向基站发送导频序列，基站根据导频序列做信道估计，得到各用户的时域信道冲激响应hk＝[hk(0),hk(1),...,hk(L-1)]T后向用户广播，其中，k＝1,2,…,K，K为用户总数，hk(i)为用户k信道i的冲激响应，i＝0,1,…,L-1，L为信道总长度；
(b)在总发送功率为P的约束条件下，用户k根据用户的时域信道冲激响应，运用收发端预先协定好的用户间功率分配算法得到每个用户分配到的实际功率
Figure FDA0002871741100000028
对用户的时域信道冲激响应做离散Fourier变换后得到频域信道增益Hk＝[Hk(0),Hk(1),...,Hk(N-1)]T，然后计算各个用户的平均信道增益
Figure FDA0002871741100000031
在总发送功率为P的约束条件下，运用基于单载波非正交多址接入系统中的功率分配方法得到每个用户分配到的实际功率
Figure FDA0002871741100000032
其中，Hk(n)为第n个子载波的频率信道增益，n＝0,1,2…,N-1，N为子载波总数；
用户的平均信道增益
Figure FDA0002871741100000033
按下式计算：
Figure FDA0002871741100000034
用户k分配到的实际功率Pk按下式确定：
Figure FDA0002871741100000035
上式中，σ为功率衰减系数，0≤σ≤1；
(c)用户k根据
Figure FDA0002871741100000036
运用收发端预先协定好的子载波功率分配算法对每个用户的每个子载波上的功率进行分配，得到用户k在第n个子载波上的功率pk,n，然后将调制后的信号经信道hk发送给基站；
所述子载波功率分配算法采用注水算法，每个用户每个子载波上的功率pk,n：
Figure FDA0002871741100000037
上式中，Nk(n)为噪声，λ为拉格朗日乘子，且满足功率约束
Figure FDA0002871741100000038
噪声Nk(n)按如下方法确定：
1)
Figure FDA0002871741100000039
即用户间噪声相互独立，各用户噪声均为加性白高斯噪声
Figure FDA00028717411000000310
2)
Figure FDA00028717411000000311
即考虑其它用户的干扰噪声，各用户噪声等于加性白高斯噪声
Figure FDA00028717411000000312
与信道增益小于该用户的所有用户的干扰噪声之和；
(d)在接收端，基站基于时域信道冲激响应集合
Figure FDA00028717411000000313
运用收发端预先协定好的用户间功率分配算法得到每个用户分配到的实际功率Pk，再运用收发端预先协定好的子载波功率分配算法来获得每个用户的子载波功率pk,n；
(e)基站接收到信号y，根据平均信道增益的降序确定解调顺序，接收信号y通过串行干扰消除算法依次解调并译码出干扰用户的信号并移除，完成用户信号的检测。
5.根据权利要求4所述低信令开销的多载波非正交多址接入系统的传输方法，其特征在于，在步骤(e)中，接收信号y的计算方法如下：
Figure FDA0002871741100000041
上式中，y(m)表示第m个时域采样点上的y，Xk(n)表示用户k在第n个子载波上待传输的信号，j为虚数单元，m＝0,1,2,…,N。
6.根据权利要求4所述低信令开销的多载波非正交多址接入系统的传输方法，其特征在于，在步骤(e)中，根据平均信道增益降序的解调顺序，对用户的信号逐级解调。
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