CN109560844B - 一种基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法，分为两个时隙进行，在第一个时隙，基站BS和K个移动终端MS1,MS2,...,MSK同时发送信号给中继站RS，中继站接收到来自上述所有终端的叠加信号；在第二个时隙，中继站对接收信号进行检测和重新编码,然后广播给基站BS和K个移动终端MS1,MS2,...,MSK；在第二个时隙结束时，基站BS根据所接收到的来自中继站RS的广播信号来估计K个移动终端MS1,MS2,...,MSK的发送信号，而每个移动终端则分别根据自身接收到的信号来估计基站发送给自己的信号。基于信号空间对齐、非正交多址接入、以及串行干扰抵消技术，中继站只需要部署K根天线即可检测来自基站和K个移动终端的信号，不存在噪声放大问题，中继站部署天线数量大幅度减少。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其是涉及一种基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法。
背景技术
如图1所示为一个典型的多用户中继无线通信系统：包括一个基站(BS,BaseStation)、一个专用中继站(RS,Relay Station)和K个移动终端MS1,MS2,...,MSK，基站和移动终端之间需要互相传输信息。当基站和移动终端距离较远时，由于传播路径损耗较大,移动终端发射功率会大幅增加,并且传输误码率会显著增加,从而导致较低的数据传输速率。通过在基站和移动终端中间部署专用中继站进行信号的转发,可以降低移动终端功率消耗，提高传输效率。
如图1所示，在这种多用户中继无线通信系统中，基站和多个移动终端之间只需要2个时隙即可完成一次信息传输。在第一个时隙，基站和所有K个移动终端同时发送信号给中继站，中继站接收信号；在第二个时隙，中继站将接收到的信号进行处理后广播给基站和移动终端。这种多用户中继无线通信系统所能获得的传输速率与中继站采用的信号处理和转发方式密切相关。现有的中继传输方案基本上可以分为两类：放大转发(AF，Amplify-and-Forward)以及解码转发(DF,Decode-and-Forward)。基于放大转发的方案中，中继站只需要部署K根天线即可转发基站以及K个移动终端的信号，但是这种方法存在噪声放大和中继站能效过低的问题。在基于解码转发的方案中，中继站至少需要部署2K根天线来检测来自基站和K个移动终端的信号，与基于放大转发的方案相比，中继站需要部署的天线数量大幅增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种避免噪声放大、提高中继站能效，并且减少中继站天线数量的基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法。
本发明所采用的技术方案是，一种基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法，包括部署了NB根天线的基站BS、部署了NR根天线的中继站RS以及K个移动终端MS1,MS2,...,MSK，其中每个移动终端各部署一根天线，基站的发射功率为PB，中继站发射功率为PR，第k个移动终端发射功率为PU,k，k＝1,2,...,K，所述方法包括下列步骤：
(1)、在第一个时隙，根据移动终端的个数K将基站BS的发送信号分为K个数据流，基站BS和K个移动终端MS1，MS2，...，MSK同时发送信号给中继站RS，设基站BS需要发送给中继站RS的数据符号为sB，k，k＝1，2，...，K，K个移动终端需要发送给中继站的数据符号为sU，k，k＝1，2，...，K，中继站RS接收来自基站BS和K个移动终端MS1，MS2，...，MSK的叠加信号；
(2)、中继站对接收到的叠加信号进行线性均衡，再根据均衡后的信号检测来自基站的数据符号sB，k，并得到其相应的估计值
然后从均衡后的信号中移除来自基站的数据符号的估计值
移除后得到的信号记为zR，k，最后根据zR，k检测来自第k个移动终端的数据符号sU，k，并得到其相应的估计值
(3)、在第二个时隙，中继站RS将步骤(2)中得到的估计值
和
进行线性网络编码，然后将编码后的信号广播给基站BS和K个移动终端MS1，MS2，...，MSK；
(4)、基站接收到广播信号，并对接收到的广播信号进行线性均衡，在第二个时隙结束时，基站根据均衡后的信号检测中继站的发送信号并得到其相应的信号估计值，将中继站的发送信号记为sR，k，k＝1，2，...，K，则其相应的信号估计值为
然后基站根基在第一个时隙的发送数据符号sB，k进行异或运算估计来自移动终端的发送信号；同时，第k个移动终端根据接收到的广播信号来检测中继站的发送信号sR，k，并得到其相应的估计值
最后移动终端根据在第一个时隙的发送数据符号sU，k进行异或运算估计来自基站的发送信号。
本发明的有益效果是：上述基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法，基于信号空间对齐、非正交多址接入以及串行干扰抵消技术，中继站只需要部署K根天线就可检测来自基站和K个移动终端的信号，本发明提出的方案与传统基于放大转发的方案相比，不存在噪声放大问题，与传统基于解码转发的方案相比，中继站部署天线数量大幅度减少，并且提高了中继站能效。
作为优先，在步骤(1)中，基站的发送信号记为：xB＝GBDBsB，其中GB为基站的发射预编码矩阵，所述预编码矩阵为：
其中HBR表示从基站到中继站的信道矩阵，HUR表示从K个移动终端到中继站的信道矩阵，(·)+表示求伪逆；DB为基站的功率分配矩阵，该矩阵为对角矩阵，其对角线上第k个元素值为
其中PB表示基站发射功率，gB，k为基站发射预编码矩阵GB的第k列向量，sB＝[sB，1，…，sB，K]T为K×1的数据符号向量，第k个移动终端MSK的发送信号记为
其中PU，k表示移动终端发送功率，sU，k表示移动终端需要发送给中继站的数据符号，则中继站接收到的叠加信号为yR＝HBRGBDBsB+HURDUsU+nR，其中HBR表示从基站到中继站的信道矩阵，HUR表示从K个移动终端到中继站的信道矩阵，DU表示K个移动终端的发送功率矩阵，该矩阵为对角矩阵，其对角线上的第k个元素为
sU＝[sU，1，…，sU，K]T表示K个移动终端的发送信号向量，nR表示中继站的高斯白噪声。
作为优先，步骤(2)中，中继站对接收到的信号进行线性均衡后得到的信号记为
其中yR表示中继站接收到的叠加信号，
表示中继站的线性均衡矩阵，均衡后的信号
的第k个元素
可以表示为
其中
表示均衡后的噪声；中继站根据
检测来自基站的发送数据符号sB，k得到相应的估计值
然后中继站从
中移除来自基站的信号后得到的信号记为
其中
表示来自基站的信号，最后根据zR，k检测来自第k个移动终端的信号sU，k得到相应的估计值
作为优先，步骤(3)中，中继站RS将信号估计值
和
进行线性网络编码表示为
其中
表示异或运算。
作为优先，步骤(3)中，中继站广播给基站和移动终端的信号为xR＝WTsR，其中sR＝[sR，1，…，sR，K]T表示中继站进行线性网络编码得到的信号向量，
表示中继站的发送预编码矩阵，其中HRU表示从中继站到K个移动终端的信道矩阵，αR是中继站的功率放大系数，其值取为
其中PR表示中继站的发射功率，trace()表示求矩阵的迹。
作为优先，步骤(4)中，基站接收到的广播信号为yB＝HRBxR+nB，其中HRB表示从中继站到基站的信道矩阵，xR表示中继站广播给基站BS和K个移动终端MS1，MS2，...，MSK的信号，nB表示基站的高斯白噪声；基站对接收到的信号进行线性均衡得到的信号记为
其中
表示基站的线性均衡矩阵，其中WT表示中继站的发送预编码矩阵；基站根据均衡后的信号
检测中继站的发送数据符号sR，k并得到相应的估计值
最后基站根据其已知的在第一个时隙的发送数据符号sB，k进行异或运算估计来自移动终端的发送数据符号，即
作为优先，步骤(4)中，第k个移动终端接收到的广播信号为
其中
表示从中继站到第k个移动终端的信道向量，nU，k表示高斯白噪声，第k个移动终端根据接收信号yU，k检测中继站的发送数据符号sR，k来得到其相应的估计值
然后根据在第一个时隙的发送数据符号sU，k并进行异或运算估计来自基站的发送信号，即
附图说明
图1为本发明中多用户中继无线通信系统的示意图；
图2本发明提出的基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法的过程图；
具体实施方式
以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。
本发明针对图1所示的多用户中继无线通信系统，提出一种基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法，该系统中基站BS部署NB根天线，中继站RS部署NR根天线，每个移动终端各部署一根天线，基站的发射功率为PB，中继站发射功率为PR，第k个移动终端发射功率为PU，k，k＝1，2，...，K。该方法包括下列步骤：
(1)、在第一个时隙，根据移动终端的个数K将基站BS的发送信号分为K个数据流，基站BS和K个移动终端MS1，MS2，...，MSK同时发送信号给中继站RS，设基站BS需要发送给中继站RS的数据符号为sB，k，k＝1，2，...，K，K个移动终端需要发送给中继站的数据符号为sU，k，k＝1，2，...，K，中继站RS接收来自基站BS和K个移动终端MS1，MS2，...，MSK的叠加信号；
(2)、中继站对接收到的叠加信号进行线性均衡，再根据均衡后的信号检测来自基站的数据符号sB，k，并得到其相应的估计值
然后从均衡后的信号中移除来自基站的数据符号的估计值
移除后得到信号记为zR，k，最后根据信号zR，k检测来自第k个移动终端的数据符号sU，k，并得到其相应的估计值
(3)、在第二个时隙，中继站RS将步骤(2)中得到的信号估计值
和
进行线性网络编码，然后将编码后的信号广播给基站BS和K个移动终端MS1，MS2，...，MSK；
(4)、基站接收到广播信号，并对接收到的广播信号进行线性均衡，在第二个时隙结束时，基站根据均衡后的信号检测中继站的发送信号并得到其相应的信号估计值，将中继站的发送信号记为sR，k，k＝1，2，...，K，则其相应的信号估计值为
同时，第k个移动终端根据接收到的广播信号也来检测中继站的发送信号sR，k，并得到其相应的估计值
最后移动终端根据在第一个时隙的发送数据符号sU，k进行异或运算估计来自基站的发送信号。
在步骤(1)中，基站的发送信号为：xB＝GBDBsB，其中GB为基站的发射预编码矩阵，所述预编码矩阵为：
其中HBR表示从基站到中继站的信道矩阵，HUR表示从K个移动终端到中继站的信道矩阵，(·)+表示求伪逆；DB为基站的功率分配矩阵，该矩阵为对角矩阵，其对角线上第k个元素值为
其中PB表示基站发射功率，gB，k为基站发射预编码矩阵GB的第k列向量，sB＝[sB，1，…，sB，K]T为K×1的数据符号向量，第k个移动终端MSK的发送信号为
其中PU，k表示移动终端发送功率，sU，k表示移动终端需要发送给中继站的数据符号，则中继站接收到的叠加信号为yR＝HBRGBDBsB+HURDUsU+nR，其中HBR表示从基站到中继站的信道矩阵，HUR表示从K个移动终端到中继站的信道矩阵，DU表示K个移动终端的发送功率矩阵，该矩阵为对角矩阵，其对角线上的第k个元素为
sU＝[sU，1，…，sU，K]T表示K个移动终端的发送信号向量，nR表示中继站的高斯白噪声。
在步骤(2)中，中继站对接收到的信号进行线性均衡后得到的信号记为
其中yR表示中继站接收到的叠加信号，
表示中继站的线性均衡矩阵，均衡后的信号
的第k个元素
可以表示为
其中
表示均衡后的噪声，中继站根据
检测来自基站的发送数据符号sB，k得到相应的估计值
然后中继站从
中移除来自基站的信号后得到的信号记为
其中
表示来自基站的信号，最后根据zR，k检测来自第k个移动终端的信号sU，k得到相应的估计值
在步骤(3)中，中继站RS将信号估计值
和
进行线性网络编码表示为
其中
表示异或运算。
在步骤(3)中，中继站广播给基站和移动终端的信号为xR＝WTsR，其中sR＝[sR，1，…，sR，K]T表示中继站进行线性网络编码得到的信号向量，
表示中继站的发送预编码矩阵，其中HRU表示从中继站到K个移动终端的信道矩阵，αR是中继站的功率放大系数，其值取为
其中PR表示中继站的发射功率，trace()表示求矩阵的迹。
在步骤(4)中，基站接收到的广播信号为yB＝HRBxR+nB，其中HRB表示从中继站到基站的信道矩阵，xR表示中继站广播给基站BS和K个移动终端MS1，MS2，...，MSK的信号，nB表示基站的高斯白噪声，基站对接收到的信号进行线性均衡得到的信号记为
其中
表示基站的线性均衡矩阵，其中WT表示中继站的发送预编码矩阵，基站根据均衡后的信号
检测中继站的发送数据符号sR，k并得到相应的估计值
最后基站根据其已知的在第一个时隙的发送数据符号sB，k进行异或运算估计来自移动终端的发送数据符号，即
在步骤(4)中，第k个移动终端接收到的广播信号为
其中
表示从中继站到第k个移动终端的信道向量，nU，k表示高斯白噪声，第k个移动终端根据接收信号yU，k检测中继站的发送数据符号sR，k来得到其相应的估计值
然后根据在第一个时隙的发送数据符号sU，k并进行异或运算估计来自基站的发送信号，即
上述基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法，基于信号空间对齐、非正交多址接入以及串行干扰抵消技术，中继站只需要部署K根天线就可检测来自基站和K个移动终端的信号，本发明提出的方案与传统基于放大转发的方案相比，不存在噪声放大问题，与传统基于解码转发的方案相比，中继站部署天线数量大幅度减少，并且提高了中继站能效。
Claims (6)
1.一种基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法，包括部署了NB根天线的基站BS、部署了NR根天线的中继站RS以及K个移动终端MS1，MS2，...，MSK，其中每个移动终端各部署一根天线，基站的发射功率为PB，中继站发射功率为PR，第k个移动终端发射功率为PU，k，k＝1，2，...，K，其特征在于：包括下列步骤：
(1)、在第一个时隙，根据移动终端的个数K将基站BS的发送信号分为K个数据流，基站BS和K个移动终端MS1，MS2，...，MSK同时发送信号给中继站RS，设基站BS需要发送给中继站RS的数据符号为sB，k，k＝1，2，...，K，K个移动终端需要发送给中继站的数据符号为sU，k，k＝1，2，...，K，中继站RS接收来自基站BS和K个移动终端MS1，MS2，...，MSK的叠加信号；
基站的发送信号记为：xB＝GBDBsB，其中GB为基站的发射预编码矩阵，所述预编码矩阵为：
其中HBR表示从基站到中继站的信道矩阵，HUR表示从K个移动终端到中继站的信道矩阵，(·)+表示求伪逆；DB为基站的功率分配矩阵，该矩阵为对角矩阵，其对角线上第k个元素值为
其中PB表示基站发射功率，gB，k为基站发射预编码矩阵GB的第k列向量，sB＝[sB，1，...，sB，K]T为K×1的数据符号向量，第k个移动终端MSK的发送信号记为
其中PU，k表示移动终端发送功率，sU，k表示移动终端需要发送给中继站的数据符号，则中继站接收到的叠加信号为yR＝HBRGBDBsB+HURDUsU+nR，其中HBR表示从基站到中继站的信道矩阵，HUR表示从K个移动终端到中继站的信道矩阵，DU表示K个移动终端的发送功率矩阵，该矩阵为对角矩阵，其对角线上的第k个元素为
sU＝[sU，1，...，sU，K]T表示K个移动终端的发送信号向量，nR表示中继站的高斯白噪声；
(2)、中继站对接收到的叠加信号进行线性均衡，再根据均衡后的信号检测来自基站的数据符号sB，k，并得到其相应的估计值
然后从均衡后的信号中移除来自基站的数据符号的估计值
移除后得到的信号记为zR，k，最后根据zR，k检测来自第k个移动终端的数据符号sU，k，并得到其相应的估计值
(3)、在第二个时隙，中继站RS将步骤(2)中得到的估计值
和
进行线性网络编码，然后将编码后的信号广播给基站BS和K个移动终端MS1，MS2，...，MSK；
(4)、基站接收到广播信号，并对接收到的广播信号进行线性均衡，在第二个时隙结束时，基站根据均衡后的信号检测中继站的发送信号并得到其相应的信号估计值，将中继站的发送信号记为sR，k，k＝1，2，...，K，则其相应的信号估计值为
然后基站根据在第一个时隙的发送数据符号sB，k进行异或运算估计来自移动终端的发送信号；同时，第k个移动终端根据接收到的广播信号来检测中继站的发送信号sR，k，并得到其相应的估计值
最后移动终端根据在第一个时隙的发送数据符号sU，k进行异或运算估计来自基站的发送信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法，其特征在于：步骤(2)中，中继站对接收到的信号进行线性均衡后得到的信号记为
其中yR表示中继站接收到的叠加信号，
表示中继站的线性均衡矩阵，均衡后的信号
的第k个元素
可以表示为
其中
表示均衡后的噪声；中继站根据
检测来自基站的发送数据符号sB，k得到相应的估计值
然后中继站从
中移除来自基站的信号后得到的信号记为
其中
表示来自基站的信号，最后根据zR，k检测来自第k个移动终端的信号sU，k得到相应的估计值
3.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法，其特征在于：步骤(3)中，中继站RS将信号估计值
和
进行线性网络编码表示为
其中
表示异或运算。
4.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法，其特征在于：步骤(3)中，中继站广播给基站和移动终端的信号为xR＝WTsR，其中sR＝[sR，1，...，sR，K]T表示中继站进行线性网络编码得到的信号向量，
表示中继站的发送预编码矩阵，其中HRU表示从中继站到K个移动终端的信道矩阵，αR是中继站的功率放大系数，其值取为
其中PR表示中继站的发射功率，trace()表示求矩阵的迹。
5.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法，其特征在于：步骤(4)中，基站接收到的广播信号为yB＝HRBxR+nB，其中HRB表示从中继站到基站的信道矩阵，xR表示中继站广播给基站BS和K个移动终端MS1，MS2，...，MSK的信号，nB表示基站的高斯白噪声；基站对接收到的信号进行线性均衡得到的信号记为
其中
表示基站的线性均衡矩阵，其中WT表示中继站的发送预编码矩阵；基站根据均衡后的信号
检测中继站的发送数据符号sR，k并得到相应的估计值
最后基站根据其已知的在第一个时隙的发送数据符号sB，k进行异或运算估计来自移动终端的发送数据符号，即
6.根据权利要求4所述的一种基于非正交多址接入技术的多用户中继传输方法，其特征在于：步骤(4)中，第k个移动终端接收到的广播信号为
其中
表示从中继站到第k个移动终端的信道向量，nU，k表示高斯白噪声，第k个移动终端根据接收信号yU，k检测中继站的发送数据符号sR，k来得到其相应的估计值
然后根据在第一个时隙的发送数据符号sU，k并进行异或运算估计来自基站的发送信号，即
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2018
- 2018-11-19 CN CN201811375216.0A patent/CN109560844B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
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