CN109743768B - 基于非正交多址接入技术的双向中继通信方案 - Google Patents

Abstract

基于非正交多址接入技术的双向中继通信方案，引入双向中继技术，用户终端利用双向中继通过上下行NOMA实现信息交互。双向中继采用全双工模式，通过利用双向中继，同时实现两个终端之间的双向通信，从而交换相互的信息。中继端采用译码转发方式利用SIC技术实现终端用户信号的解码，由于该中继采用FD模式，所以在译码的同时中继端通过SC技术转发编码后的信息到终端。最后，终端再次利用SIC技术解码收到的重叠信号。本发明利用非正交多址接入技术，满足了人们对高数据率和多样性业务的需求；本发明通过使用中继链路，能够获得更大的容量，从而提高了整个通信系统的容量；中继端使用了全双工模式，避免了采用半双工模式时中继会占用额外时频资源的问题。

Description

基于非正交多址接入技术的双向中继通信方案

技术领域

本发明涉及非正交多址接入技术(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)协作通信领域，具体是一种基于非正交多址接入技术的双向中继(Two-Way Relaying,TWR)通信的方法。

背景技术

随着移动无线通信技术的日益发展，无线网络的各个应用领域的需求快速增长，导致频谱资源日益短缺，现有的正交多址接入技术(Orthogonal Multiple Access,OMA)已经不能满足人们对高数据率和多样性业务的需求。面对未来5G网络对于高频谱效率、高数据速率以及高通信容量的需求，业内人士提出了NOMA技术。不同于传统的OMA技术,NOMA的基本思想是在发送端采用叠加编码(Superposition Coding,SC)技术，通过分配不同的功率分配因子使多个用户共享相同的资源块(相同频域时域资源)。接收端利用连续干扰抵消(Successive Interference Cancellation,SIC)技术实现接收信号的正确解调。

在无线信道中，信道的特性复杂多变，通信的传输可靠性和传输速率深受信道衰落的影响，协作中继技术由于其可以提供空间分集，具有抗衰落的特性，使其成为业内人士研究的热点之一。在协作中继通信中，接收端接收的信息一般来自两个信道，分别是直接链路和中继链路，直接链路是指发送节点和接收节点之间的通信链路，中继链路就是中继节点与接收节点之间的信道链路。1979年，T.M.Cover等在《IEEE Transaction onInformation Theory》上发表了“Capacity theorems for the relay channel”(中继信道容量理论)。该文指出，相对于直接链路来说，中继链路能获得更大的容量，从而提高整个通信系统的容量。

NOMA的核心思想是给信道条件较差的用户分配更多的功率，但是对于小区边缘用户来说，其容量的提升仍然有限。针对这类容量提升有限的情形，可以采取协作中继技术来提高系统的性能。经对现有的文献检索发现，Ding等人在2015年《IEEE CommunicationsLetters》第19卷第8期第1462-1465页上发表了一篇名为“Cooperative Non-orthogonalMultiple Access in 5G Systems”(5G系统中的协作NOMA技术)的论文。该文提出了协作NOMA的方案，该方案充分利用了信道条件较好用户的信道信息，将信道条件较好用户看作中继，将其解码出的信道条件较差用户的信息通过协作的方式发送给信道条件差的用户，有效地降低信道条件差地用户地通信性能。另经检索发现，J.B.Kim等人在2015年《IEEECommunications Letters》上发表了“Capacity Analysis of Cooperative RelayingSystems Using Non-orthogonal Multiple Access”(非正交多址协作中继技术的容量分析)一文，该文研究了基于NOMA的协作中继系统，该系统中发送端利用SC技术同时传输两个不同的信号给中继和接收端，中继通过译码后转发分配功率较少的信号给接收端。上述协作NOMA方案都是针对下行单向通信链路且协作中继皆采用了半双工(Half-Duplex,HD)模式，半双工中继通常会占用额外的时频资源。

发明内容

本发明针对上述提出的不足，提出了基于非正交多址接入技术的双向中继通信技术，本发明引入了双向中继技术，用户终端利用双向中继通过上下行NOMA实现信息的交互。双向中继采用全双工(Full-Duplex,FD)模式，通过利用双向中继来同时实现两个终端之间的双向通信，从而交换相互之间的信息。中继端采用译码转发(Decode-and-Forward,DF)方式利用SIC技术实现终端用户信号的解码，由于该中继采用FD模式，所以在译码的同时中继端通过SC技术转发编码后的信息到终端。最后，终端再次利用SIC技术解码收到的重叠信号。

基于非正交多址接入技术的双向中继通信方案，所述通信方案设有两个终端节点U1和U2、和一个中继器R，所述U1和U2之间由于路径损失和衰落的影响不能直接通信，U1和U2之间不存在直通链路，需借助中继端R进行通信；

所述中继端R为双向中继，采用全双工模式，通过利用双向中继来同时实现两个终端之间的双向通信，从而交换相互之间的信息；

所述双向中继通信方案包括如下步骤：

步骤一：所述U1和U2利用上行NOMA技术分别发送信号到中继端R，假设U1的信道状态条件优于U2的信道状态条件；根据上行NOMA原理，U1和U2共享同一信道利用SC技术将信号同时发送至R；

步骤二：中继端R接收到该重叠信号后，利用SIC技术进行解码，由于U1的信道质量高于U2的信道质量，因此中继端R把U2的信号当作噪声对U1的信号进行解码；在解码完U1信号之后，将其从接收信号中减去，然后在只剩下噪声的背景下对U2的信号进行解码；

步骤三：中继端R解码完U1和U2的信号之后，利用SC技术将解码后的信号重新进行编码，然后将此编码后的信号转发给U1和U2；

步骤四：U1和U2利用SIC技术进行解码；

由于需要实现U1和U2之间的信息交换，所以U1需要解码出U2的信号且U2需要解码出U1的信号；由于U2的信道状态条件比U1的信道状态条件差，而U2应解码出U1的信号，根据NOMA的基本原理，x₁和x₂分别表示U1和U2的发送信号，中继端R分配给x₁的功率应多于分配给x₂的功率；因此在U1端U1首先要将x₁解码出来在解码信号x₁后，将其从接收到的信号中减去，此时接收信号中只剩下信号x₂和背景噪声；在U2处信号x₂被当作噪声，直接对x₁进行解码。

进一步地，所述步骤一中，根据上行NOMA原理，U1和U2分别以各自的发送功率共享同一信道将信号同时发送至R，此时R接收到的信号y_R可以表示为：

其中，x₁和x₁分别表示U1和U2的发送信号，P₁、P₂和P_R分别表示U1、U2和R的发送功率，h_1,R和h_2,R分别表示U1和U2到R的信道系数，n_R～CN(0,σ²)为中继节点处的加性高斯白噪声；另外，由于该中继节点采用全双工模式，所以该中继处存在自干扰，其中h_R,R表示自干扰信道且x_LI为自干扰信号。

进一步地，所述步骤二中，中继端R接收到该重叠信号后，利用SIC技术进行解码，由于U1的信道质量高于U2的信道质量，所以中继端R把U2的信号当作噪声对U1的信号进行解码，此时中继收到U1信号的信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)如下：

其中ρ_i＝P_i/σ²，i∈{1，2，R}表示U1和U2的传输SNR，λ_i＝|h_i,R|²表示两节点i和R之间的信道增益；在解码U1的信号后，将其从接收信号中减去，因此中继端R接收到U2信号的信干噪比(Signal-to-Interference Plus Noise Ratio,SINR)如下：

进一步地，所述步骤三中，由于中继端R采用译码转发方式，所以转发信号时存在处理时延，因此在U1和U2端接收到的信号y₁和y₂如下：

其中n₁,n₂～CN(0,σ²)分别表示U1和U2处的加性高斯白噪声，τ表示时延，a₁和a₂为中继端分配给U1和U2的功率分配因子且满足a₁+a₂＝1条件。

进一步地，所述步骤四中，

U1解码x₂：根据SIC技术，U1首先要将x₁解码出来，U2端接收x₁的SNR为：

在解码信号x₁后，将其从接收到的信号中减去，此时接收信号中只剩下信号x₂和背景噪声，因此U1端解码x₂时的SNR为：

U2解码x₁：在U2处信号x₂被当作噪声，直接对x₁进行解码，此时U2端接收x₁的SNR为：

本发明达到有益效果为：本发明利用非正交多址接入技术，满足了人们对高数据率和多样性业务的需求；本发明通过使用中继链路，能够获得更大的容量，从而提高了整个通信系统的容量；中继端使用了全双工(Full-Duplex,FD)模式，避免了采用半双工模式时中继会占用额外时频资源的问题。

附图说明

图1是基于NOMA的双向中继通信方案的系统模型。

图2是系统可达速率随系统总发射功率变化的曲线图。

图3是系统可达速率随中继端发射功率变化的曲线图。

图4是系统可达速率随中继端功率分配因子变化的曲线图。

图5是系统仿真的主要参数表。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

基于非正交多址接入技术的双向中继通信方案，所述通信方案设有两个终端节点U1和U2、和一个中继器R，所述U1和U2之间由于路径损失和衰落的影响不能直接通信，U1和U2之间不存在直通链路，需借助中继端R进行通信。

所述中继端R为双向中继，采用全双工模式，通过利用双向中继来同时实现两个终端之间的双向通信，从而交换相互之间的信息。

所述双向中继通信方案包括如下步骤：

步骤一：所述U1和U2利用上行NOMA技术分别发送信号到中继端R，假设U1的信道状态条件优于U2的信道状态条件；根据上行NOMA原理，U1和U2共享同一信道利用SC技术将信号同时发送至R。

根据上行NOMA原理，U1和U2分别以各自的发送功率共享同一信道将信号同时发送至R，此时R接收到的信号y_R可以表示为：

其中，x₁和x₁分别表示U1和U2的发送信号，P₁、P₂和P_R分别表示U1、U2和R的发送功率，h_1,R和h_2,R分别表示U1和U2到R的信道系数，n_R～CN(0，σ²)为中继节点处的加性高斯白噪声。另外，由于该中继节点采用全双工模式，所以该中继处存在自干扰，其中h_R,R表示自干扰信道且x_LI为自干扰信号。

步骤二：中继端R接收到该重叠信号后，利用SIC技术进行解码，由于U1的信道质量高于U2的信道质量，因此中继端R把U2的信号当作噪声对U1的信号进行解码；在解码完U1信号之后，将其从接收信号中减去，然后在只剩下噪声的背景下对U2的信号进行解码。

中继端R接收到该重叠信号后，利用SIC技术进行解码，由于U1的信道质量高于U2的信道质量，所以中继端R把U2的信号当作噪声对U1的信号进行解码，此时中继收到U1信号的SNR如下：

其中ρ_i＝P_i/σ²，i∈{1,2,R+表示U1和U2的传输SNR，λ_i＝|h_i，R|²表示两节点i和R之间的信道增益；在解码U1的信号后，将其从接收信号中减去，因此中继端R接收到U2信号的SINR如下：

步骤三：中继端R解码完U1和U2的信号之后，利用SC技术将解码后的信号重新进行编码，然后将此编码后的信号转发给U1和U2。

所述步骤三中，由于中继端R采用译码转发方式，所以转发信号时存在处理时延，因此在U1和U2端接收到的信号y₁和y₂如下：

其中n₁,n₂～CN(0,σ²)分别表示U1和U2处的加性高斯白噪声，τ表示时延，a₁和a₂为中继端分配给U1和U2的功率分配因子且满足a₁+a₂＝1条件。

步骤四：U1和U2利用SIC技术进行解码。

由于需要实现U1和U2之间的信息交换，所以U1需要解码出U2的信号且U2需要解码出U1的信号；由于U2的信道状态条件比U1的信道状态条件差，而U2应解码出U1的信号，根据NOMA的基本原理，x₁和x₂分别表示U1和U2的发送信号，中继端R分配给x₁的功率应多于分配给x₂的功率；因此在U1端U1首先要将x₁解码出来在解码信号x₁后，将其从接收到的信号中减去，此时接收信号中只剩下信号x₂和背景噪声；在U2处信号x₂被当作噪声，直接对x₁进行解码。

U1解码x₂：根据SIC技术，U1首先要将x₁解码出来，U2端接收x₁的SNR为：

在解码信号x₁后，将其从接收到的信号中减去，此时接收信号中只剩下信号x₂和背景噪声，因此U1端解码x₂时的SNR为：

U2解码x₁：在U2处信号x₂被当作噪声，直接对x₁进行解码，此时U2端接收x₁的SNR为：

本实施例基于非正交多址的双向中继通信方案的仿真场景设置如图1所示，仿真区域由2个用户终端U1、U2和一个中继器R组成。仿真场景的主要参数如图2所示，假设该通信系统的所有链路服从瑞利衰落，其中β_1,R，β_2,R分别表示信道h_1,R，h_2,R的瑞利衰落因子。

图3是系统可达速率以及U1-U2、U2-U1通信链路可达速率随系统总发射功率变化的曲线。其中自干扰信号的能量设置为-20dB，a₁＝0.9，且U1端发射功率、U2端发射功率以及中继端R发射功率均相等，即P₁＝P₂＝P_R。如图3所示，随着系统总发射功率的增加，系统整体可达速率也随之增加。通过观察可以发现，U1-U2链路和U2-U1链路的可达速率也会随着系统总发射功率的增加而增加，同时当系统总发射功率达到一定值时，U2-U1链路可获得的信道速率将优于U1-U2链路的信道速率。

图4描述了该方案的可达速率随着中继端发射功率变化的曲线。在此仿真场景中设置P₁＝P₂，a₁＝0.9，同时考虑了自干扰信号对于系统整体速率的影响。通过观察可以看出，存在一个最优的中继发射功率能使系统速率最大，因此可以通过改变中继发射功率来提高系统速率。

图5是系统可达速率随中继端功率分配因子a₁(a₂＝1-a₁)变化的曲线。其中设置P₁＝P₂且P＝P₁+P₂+P_R，图中3条曲线由上到下分别表示P_R＝20dB,P_R＝25dB,P_R＝30dB时的系统可达速率。经观察发现，中继端存在一个最优的功率分配系数能使系统速率达到最大，因此可以通过改变中继端的功率分配因子来提高系统速率。同时，可以发现系统分配给中继端的能量大于20dB(该仿真参数下最优的中继发射能量)时，系统的可达速率变差，这一结论是与图4的结果相吻合的。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.基于非正交多址接入技术的双向中继通信方案，其特征在于：

所述通信方案设有两个终端节点U1和U2、和一个中继器R，所述U1和U2之间由于路径损失和衰落的影响不能直接通信，U1和U2之间不存在直通链路，需借助中继端R进行通信；

所述中继端R为双向中继，采用全双工模式，通过利用双向中继来同时实现两个终端之间的双向通信，从而交换相互之间的信息；

所述双向中继通信方案包括如下步骤：

步骤一：所述U1和U2利用上行NOMA技术分别发送信号到中继端R，假设U1的信道状态条件优于U2的信道状态条件；根据上行NOMA原理，U1和U2共享同一信道利用SC技术将信号同时发送至R；

步骤二：中继端R接收到重叠信号后，利用SIC技术进行解码，由于U1的信道质量高于U2的信道质量，因此中继端R把U2的信号当作噪声对U1的信号进行解码；在解码完U1信号之后，将其从接收信号中减去，然后在只剩下噪声的背景下对U2的信号进行解码；

步骤三：中继端R解码完U1和U2的信号之后，利用SC技术将解码后的信号重新进行编码，然后将此编码后的信号转发给U1和U2；

步骤四：U1和U2利用SIC技术进行解码；

由于需要实现U1和U2之间的信息交换，所以U1需要解码出U2的信号且U2需要解码出U1的信号；由于U2的信道状态条件比U1的信道状态条件差，而U2应解码出U1的信号，根据NOMA的基本原理，x₁和x₂分别表示U1和U2的发送信号，中继端R分配给x₁的功率应多于分配给x₂的功率；因此在U1端U1首先要将x₁解码出来在解码信号x₁后，将其从接收到的信号中减去，此时接收信号中只剩下信号x₂和背景噪声；在U2处信号x₂被当作噪声，直接对x₁进行解码。

2.根据权利要求1所述的基于非正交多址接入技术的双向中继通信方案，其特征在于：所述步骤一中，根据上行NOMA原理，U1和U2分别以各自的发送功率共享同一信道将信号同时发送至R，此时R接收到的信号y_R可以表示为：

其中，x₁和x₁分别表示U1和U2的发送信号，P₁、P₂和P_R分别表示U1、U2和R的发送功率，h_1,R和h_2,R分别表示U1和U2到R的信道系数，n_R～CN(0,σ²)为中继节点处的加性高斯白噪声；另外，由于该中继节点采用全双工模式，所以该中继处存在自干扰，其中h_R,R表示自干扰信道，且x_LI为自干扰信号。

3.根据权利要求1所述的基于非正交多址接入技术的双向中继通信方案，其特征在于：所述步骤二中，中继端R接收到该重叠信号后，利用SIC技术进行解码，由于U1的信道质量高于U2的信道质量，所以中继端R把U2的信号当作噪声对U1的信号进行解码，此时中继收到U1信号的信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)如下：

其中ρ_i＝P_i/σ²，i∈{1,2,R}表示U1和U2的传输SNR，λ_i＝|h_i,R|²表示两节点i和R之间的信道增益；在解码U1的信号后，将其从接收信号中减去，因此中继端R接收到U2信号的信噪比(Signal-to-Interference Plus Noise Ratio,SINR)如下：

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4.根据权利要求1所述的基于非正交多址接入技术的双向中继通信方案，其特征在于：所述步骤三中，由于中继端R采用译码转发方式，所以转发信号时存在处理时延，因此在U1和U2端接收到的信号y₁和y₂如下：

其中n₁,n₂～CN(0,σ²)分别表示U1和U2处的加性高斯白噪声，τ表示时延，a₁和a₂为中继端分配给U1和U2的功率分配因子且满足a₁+a₂＝1条件。

5.根据权利要求1所述的基于非正交多址接入技术的双向中继通信方案，其特征在于：所述步骤四中，

U1解码x₂：根据SIC技术，U1首先要将x₁解码出来，U2端接收x₁的SNR为：

在解码信号x₁后，将其从接收到的信号中减去，此时接收信号中只剩下信号x₂和背景噪声，因此U1端解码x₂时的SNR为：

U2解码x₁：在U2处信号x₂被当作噪声，直接对x₁进行解码，此时U2端接收x₁的SNR为：

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