CN110049542B - 基于mimo系统的上行链路的数据传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法，其包括：多个用户端向基站发送通信请求信号；基站基于通信请求信号计算每个用户端的接收信噪比及任意两个用户端的接收信噪比的差值，基于差值与第一阈值，基站向用户端反馈应答信号，用户端基于应答信号，确定是否调整发射功率以满足第一阈值的要求；每个用户端的通信请求被允许后，基站计算每个路径信噪比和目标信噪比的距离，确定距离是否小于第二阈值，来识别每个用户端对应的信息信号的路径，并基于每个用户端的信息信号的路径对每个用户端进行最大比合并，并解码信息信号。根据本公开，提供一种低成本高效的多用户上行链路的数据传输方法及系统。

Description

基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法及系统

技术领域

本公开涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法及系统。

背景技术

随着用户对无线通信数据传输的需求越来越高，愈加需要高质量的无线通信技术的应用，为了达到高速度高容量的数据传输需求，多入多出MIMO技术(Multiple-InputMultiple-Output)受到市场的广泛关注，特别是多用户MIMO系统。多用户MIMO提供了用于无线通信的空分多址(Space Division Multiple Access，SDMA)架构，且多用户MIMO系统能够提供超越传统点对点MIMO系统的巨大优势。在SDMA中，多个用户使用相同的频率信道同时传输，从而增加可实现的容量，而无需额外的RF频谱。SDMA接收器的主要任务之一是区分源发送的信号。

为了实现高速可靠的通信，需要进行信道识别。在现有技术中，通常通过三种方法实现信道识别。这三种方法分别是发送训练序列、复杂的预编码器技术和利用发送信号的某些特殊属性。在第一种方法中，过多的训练序列引起导频污染问题，即可能由相邻小区中导频序列的重用引起残留干扰。在第二种方法中，当发射机预先知道信道中的干扰时，可以设计代码进行补偿，使得信道的容量与没有干扰的情况相同。然而，第二种方法不适用于实际的无线通信环境，这是因为可以先验地假设信道状态信息(CSI)的信息很少。

第三种方法利用与通过接收信号的时间和空间过采样产生的虚拟信道相关联的循环平稳特性。例如，引入具有投影的迭代最小二乘和具有枚举算法的迭代最小二乘，或者利用二进制移位键控(BSK)的有限字母属性，相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM)数字调制格式。还有单输入多输出(SIMO)系统识别策略扩展到MIMO情况。然而第三种方法存在两个主要问题：其一，传输信号是特殊类型而不是一般类型，其二，需要足够大的接收数据样本，并不适用于超可靠和低延迟通信(URLLC)。具体而言，URLLC是5G新无线电(NR)支持的新服务类别，其针对的是新兴应用，其中数据消息是时间敏感的，必须在高可靠性和低延迟要求的情况下端到端地安全地交付。低延迟要求意味着在截止日期之前无法在接收器处解码的数据传输无用且可从系统中丢弃，从而导致可靠性的损失。对于低延迟通信，即大约1ms的端到端延迟，建议使用短数据包。因此，第三种方法不适合这种情况。

在大规模MIMO系统中，信道识别越来越受到挑战。原因是除了基站(BS)配备大型天线以及之外，每个用户还配备了许多天线，这为每个用户产生了大量的多径。

发明内容

本公开是有鉴于上述的状况而提出的，其目的在于提供一种低成本高效的多用户上行链路的数据传输方法及系统的基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法及系统。

为此，本公开的第一方面提供了一种基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法，是包含用户端和基站的无线通信系统的MIMO系统的上行链路的数据传输方法，其特征在于，包括：多个所述用户端向所述基站发送通信请求信号；所述基站基于所述通信请求信号计算每个所述用户端的接收信噪比；计算任意两个所述用户端的接收信噪比的差值；基于所述差值与第一阈值，所述基站向所述用户端反馈应答信号，所述用户端基于所述应答信号，确定是否调整发射功率，以满足第一阈值的要求，使所述基站允许每个所述用户端的通信请求；当所述基站允许每个所述用户端的通信请求时，多个所述用户端向所述基站发送信息信号；所述基站通过空间滤波器分离所述信息信号，并计算每个路径信噪比和目标信噪比的距离，确定距离是否小于第二阈值，来识别每个所述用户端对应的信息信号的路径；并且所述基站基于每个所述用户端的所有所述路径，获得每个所述用户端的最大比合并，并解码每个所述用户端的信息信号。

在本公开中，多个用户端向基站发送通信请求信号，基站基于通信请求信号计算多个用户端的接收信噪比，基站计算任意两个用户端的接收信噪比的差值，基站通过比较第一阈值与差值向用户端反馈应答信号，用户端基于应答信号，确定是否调整发射功率，以满足第一阈值的要求，使基站允许每个用户端的通信请求，当基站允许每个用户端的通信请求时，多个用户端向基站发送信息信号；基站通过空间滤波器分离信息信号，并通过比较每个路径信噪比和目标信噪比的距离，确定距离是否小于第二阈值，来识别每个用户端对应的信息信号的路径；基站基于每个用户端的所有路径，获得每个用户端的最大比合并，并解码每个用户端的信息信号。在这种情况下，能够避免导频污染、有效地改善接收信噪比并提高整个系统的安全性。

在本公开第一方面所涉及的数据传输方法中，可选地，第k个所述用户端的所述接收信噪比γ_k满足式(Ⅰ)：γ_k＝P_k|α_k|²(Ⅰ)，其中，α_k表示第k个所述用户端的大规模路径损耗，P_k表示第k个所述用户端的发射功率，所述差值满足式(Ⅱ)：Δ_k,j＝|γ_k-γ_j|(Ⅱ)，其中，γ_k表示第k个所述用户端的接收信噪比，γ_j表示第j个所述用户端的接收信噪比。由此，能够具体获得用户端的接收信噪比和任意两个用户端的接收信噪比的差值。

在本公开第一方面所涉及的数据传输方法中，可选地，所述接收信噪比基于所述基站的空间滤波器的输出信号获得，所述空间滤波器的第K个所述用户端的第l条路径的输出信号r_k,l(t)满足式(Ⅲ)：

其中，α_k表示第k个所述用户端的大规模路径损耗，h_k,l表示第k个所述用户端的第l条路径的小规模复衰落系数，P_k表示第k个所述用户端的发射功率，s_k(t)表示第k个所述用户端的发射信号，n_k,l(t)是第k个所述用户端的第l条路径经过空间滤波器的残余噪声。由此，能够基于用户端的发射信号获得基站的空间滤波器的输出信号。

在本公开第一方面所涉及的数据传输方法中，可选地，所述距离d_l满足式(Ⅳ)：

当d_l＜d₀时，所述基站识别每个所述用户端对应的信息信号的路径，其中，

表示所述目标信噪比，γ_l表示每个路径信噪比，d₀表示所述第二阈值。由此，能够具体获得每个路径信噪比和目标信噪比的距离。

在本公开第一方面所涉及的数据传输方法中，可选地，所述应答信号包括第一应答信号和第二应答信号，当所述差值大于所述第一阈值，所述基站向所述用户端反馈所述第一应答信号，并允许所述用户端的通信请求，所述用户端接收所述第一应答信号，保持所述发射功率；当所述差值小于或等于所述第一阈值，所述基站向所述用户端反馈所述第二应答信号，所述用户端接收所述第二应答信号，调整所述发射功率，以满足所述差值大于所述第一阈值，使所述基站允许所述用户端的通信请求。由此，能够具体根据第一应答信号或第二应答信号，确定是否调整用户端的发射功率。

本公开的第二方面提供了一种基于MIMO系统的上行链路的数据传输系统，是包含用户装置和接收装置的无线通信系统的MIMO系统的上行链路的数据传输系统，其特征在于，包括：多个所述用户装置，其用于向所述接收装置发送通信请求信号；以及所述接收装置，其用于基于所述通信请求信号计算每个所述用户装置的接收信噪比，计算任意两个所述用户装置的接收信噪比的差值，基于所述差值与所述第一阈值，所述接收装置向所述用户装置反馈应答信号，其中，所述用户装置基于所述应答信号，确定是否调整发射功率，以满足第一阈值的要求，使所述接收装置允许所述用户装置的通信请求，当所述接收装置允许所述用户装置的通信请求时，多个所述用户装置向所述接收装置发送信息信号，所述接收装置通过空间滤波器分离所述信息信号，并计算每个路径信噪比和目标信噪比的距离，确定距离是否小于第二阈值，来识别每个所述用户装置对应的信息信号的路径，所述接收装置基于每个所述用户装置的所有所述路径，获得每个所述用户装置的最大比合并，并解码每个所述用户装置的信息信号。

在本公开中，多个用户装置向接收装置发送通信请求信号，接收装置基于通信请求信号计算多个用户装置的接收信噪比，接收装置计算任意两个用户装置的接收信噪比的差值，接收装置通过比较第一阈值与差值向用户装置反馈应答信号，用户装置基于应答信号，确定是否调整发射功率，以满足第一阈值的要求，使接收装置允许每个用户装置的通信请求，当接收装置允许每个用户装置的通信请求时，多个用户装置向接收装置发送信息信号；接收装置通过空间滤波器分离信息信号，并通过比较每个路径信噪比和目标信噪比的距离，确定距离是否小于第二阈值，来识别每个用户装置对应的信息信号的路径；接收装置基于每个用户装置的所有路径，获得每个用户装置的最大比合并，并解码每个用户装置的信息信号。在这种情况下，能够避免导频污染、有效地改善接收信噪比并提高整个系统的安全性。

在本公开第二方面所涉及的数据传输系统中，可选地，在所述接收装置中，第k个所述用户装置的所述接收信噪比γ_k满足式(Ⅰ)：γ_k＝P_k|α_k|²(Ⅰ)，其中，α_k表示第k个所述用户装置的大规模路径损耗，P_k表示第k个所述用户装置的发射功率，所述差值满足式(Ⅱ)：Δ_k,j＝|γ_k-γ_j|(Ⅱ)，其中，γ_k表示第k个所述用户装置的接收信噪比，γ_j表示第j个所述用户装置的接收信噪比。由此，能够具体获得用户装置的接收信噪比和任意两个用户装置的接收信噪比的差值。

在本公开第二方面所涉及的数据传输系统中，可选地，在所述接收装置中，所述接收信噪比基于所述接收装置的空间滤波器的输出信号获得，所述空间滤波器的第K个所述用户装置的第l条路径的输出信号r_k,l(t)满足式(Ⅲ)：其中，α_k表示第k个所述用户装置的大规模路径损耗，h_k,l表示第k个所述用户装置的第l条路径的小规模的复衰落系数，P_k表示第k个所述用户装置的发射功率，s_k(t)表示第k个所述用户装置的发射信号，n_k,l(t)是第k个所述用户装置的第l条路径经过空间滤波器的残余噪声。由此，能够基于用户装置的发射信号获得接收装置的空间滤波器的输出信号。

在本公开第二方面所涉及的数据传输系统中，可选地，所述距离d_l满足式(Ⅳ)：

当d_l＜d₀时，所述接收装置识别每个所述用户装置对应的信息信号的路径，其中，

表示所述目标信噪比，γ_l表示每个路径信噪比，d₀表示所述第二阈值。由此，能够具体获得每个路径信噪比和目标信噪比的距离。

在本公开第二方面所涉及的数据传输系统中，可选地，在所述接收装置中，所述应答信号包括第一应答信号和第二应答信号，当所述差值大于所述第一阈值，所述接收装置向所述用户装置反馈所述第一应答信号，并允许所述用户装置的通信请求，所述用户装置接收所述第一应答信号，保持所述发射功率；当所述差值小于或等于所述第一阈值，所述接收装置向所述用户装置反馈所述第二应答信号，所述用户装置接收所述第二应答信号，调整所述发射功率，以满足所述差值大于所述第一阈值，使所述接收装置允许所述用户装置的通信请求。由此，能够具体根据第一应答信号或第二应答信号，确定是否调整用户装置的发射功率。

与现有技术相比，本公开的示例具备以下有益效果：

本公开涉及的基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法及系统，能够避免预编码器技术，并且支持URLLC服务，各个用户端可以使用相同的导频信号以避免导频污染。另外，本公开的数据传输方法及系统是多用户空间复用增强，其能够克服传统方法的缺点，适用于更一般的情况。其次，本公开的数据传输方法及系统可以有效地组合每个用户的所有多径信号以改善接收信噪比(SNR)，因为多径分类的过程在消息检测过程之前已经完成。最后，如果每条路径可以准确地分类到相应的用户，则可以应用物理层认证，通过将当前时隙中每个用户的信道状态信息(CSI)与先前时隙进行比较来提高整个系统的安全性。

附图说明

图1是示出了本公开的示例所涉及的基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法的用户端与基站信号传输示意图。

图2是示出了本公开的示例所涉及的基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法的流程示意图。

图3是示出了本公开的示例所涉及的基于MIMO系统的上行链路的数据传输系统的结构示意图。

具体实施方式

以下，参考附图，详细地说明本公开的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。

需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

另外，在本公开的下面描述中涉及的小标题等并不是为了限制本公开的内容或范围，其仅仅是作为阅读的提示作用。这样的小标题既不能理解为用于分割文章的内容，也不应将小标题下的内容仅仅限制在小标题的范围内。

本公开提供了基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法及系统。在本公开中，能够更加简单地调整用户端的发射功率、提高无线线通信网络的系统吞吐量、减少导频污染。以下结合附图进行详细描述本公开。

本公开涉及一种基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法及系统，可以是具有用户端和基站的无线通信系统的MIMO系统的上行链路的数据传输方法及系统。本公开涉及的基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法及系统可以可以简称为数据传输方法及系统。本公开涉及的数据传输方法及系统能够低成本高效地进行数据传输。以下结合附图进行详细描述。

图1是示出了本公开的示例所涉及的基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法的用户端与基站信号传输示意图。

在一些示例中，如图1所示，基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法可以适用于一个包括多个用户端和一个基站的信号传输模型中。其中，多个用户端可以位于基站所覆盖的小区内。多个用户端可以通过无线通信的方式与基站进行信号传输。

在一些示例中，图1所示的多用户MIMO系统的上行链路中，多个用户端可以是K个，K是自然数。每个用户端都配备多个天线。假设图1所示的基站具有足够的大规模的天线以提供强大的空间分辨能力。第k个用户端与基站之间存在L_k个独立的路径。例如，第1个用户端与基站之间存在L₁个独立的路径。也即第k个用户端在基站处具有L_k个可解析的路径。可解析路径总数N_L表示为

在一些示例中，上述如图1所示的用户端可以包括但不限于用户设备。在一些示例中，用户设备可以包括但不限于智能手机、笔记本电脑、个人计算机(Personal Computer，PC)、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、移动互联网设备(MobileInternet Device，MID)、穿戴设备(如智能手表、智能手环、智能眼镜)等各类电子设备，其中，该用户设备的操作系统可包括但不限于Android操作系统、IOS操作系统、Symbian(塞班)操作系统、Black Berry(黑莓)操作系统、Windows Phone8操作系统等。

在一些示例中，上述如图1所示的基站可以包括但不限于指接入网中在空中接口上通过一个或多个扇区与无线终端通信的设备。基站可用于将收到的空中帧与IP分组进行相互转换，作为无线终端与接入网的其余部分之间的路由器，其中，接入网的其余部分可包括网际协议(IP)网络。基站还可以协调对空中接口的属性管理。例如，基站可以是GSM或CDMA中的基站(BTS，Base Transceiver Station)，也可以是WCDMA中的基站(NodeB)，还可以是LTE中的演进型基站(NodeB或eNB或e-NodeB，evolutional Node B)。

在一些示例中，如图1所示的信号传输模型中，用户端与基站之间可以通过短帧结构进行信号传输。其中，短帧结构可以通过无线信道的方式进行传输。无线信道可以是无记忆块衰落信道。由于短帧的传输持续时间较短，因此，信道衰落在一个数据帧期间可以保持恒定，但对于不同的数据帧和不同的路径信道衰落可以不同。其中，信道衰落可以包括大规模路径损耗和小规模复衰落系数。

在一些示例中，如图1所示的信号传输模型中，基站处可以具有空间滤波器。基站接收来自于不同用户端的发射信号，基站的空间滤波器的第K个所述用户端的第l条路径的输出信号r_k,l(t)满足式(1)：其中，α_k表示第k个用户端的大规模路径损耗，h_k,l表示第k个用户端的第l条路径的小规模复衰落系数，P_k表示第k个用户端的发射功率，s_k(t)表示第k个用户端的发射信号，n_k,l(t)是第k个用户端的第l条路径经过空间滤波器的残余噪声，其满足

在一些示例中，对于基站的空间滤波器的输出信号中的大规模路径损耗，第k个用户端的大规模路径损耗α_k可以满足

其中，路径损耗指数α_d满足α_d≥2。d_k可以表示用户端与基站之间的距离。发射信号的波长λ满足λ＝c/f_c，其中，c＝3×10⁸m/s，f_c表示发射信号的载波频率。第k个用户端的大规模路径损耗α_k可以由距离d_k确定，其与特定的路径无关。在本公开中，假设各个用户的位置都保持不变。

在一些示例中，对于基站的空间滤波器的输出信号中的小规模复衰落系数，在加性高斯白噪声(AWGN)信道中，信道衰落中的第k个用户端的第l条路径的小规模复衰落系数h_k,l满足h_k,l＝1。

在一些示例中，在Rayleigh和Nakagami-m信道中，小规模复衰落系数|h|的概率密度函数(PDF)满足f_Ray(|h|)＝2|h|exp(-|h|²)和

其中，m∈[1/2,￥)和Г(·)是Gamma功能。另外，Nakagami-m衰落信道在建模无线通信信道时被广泛使用。例如，在陆地移动和室内移动多径传播以及闪烁的电离层无线电链路中常常利用Nakagam-m分布，其中，可以调整参数m以表示不同的场景。

在一些示例中，较小的m值对应的信道具有严重的衰落。在极限m→∞情况下，Nakagami-m衰落信道接近于非衰落加性高斯白噪声(AWGN)信道。另外，Nakagami-m分布包括m＝1/2的单侧高斯分布和m＝1的瑞利分布。对于Rayleigh和Nakagami-m信道，两个信道可以被建模为[0,2π]之间的均匀分布。

在一些示例中，为了在不使用不同用户端的不同导频的情况下实现多径识别，在每个用户端没有先前的CSI，并且没有在每个路径中检测到消息的情况下，本公开提出一种基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法及系统。下面结合附图进行具体说明。

图2是示出了本公开的示例所涉及的基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法的流程示意图。

在一些示例中，如图2所示，基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法包括多个用户端向基站发送通信请求信号(步骤S10)。

在步骤S10中，基于上述图1所示的信号传输模型，各个用户端可以向基站发送通信请求信号。通信请求信号可以是短帧结构。另外，各个用户端发射的通信请求信号可以经过无记忆块衰落信道到达基站。

在一些示例中，如图2所示，基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法还可以包括基站基于通信请求信号计算每个用户端的接收信噪比，计算任意两个用户端的接收信噪比的差值(步骤S20)。

在步骤S20中，基于上述图1所示的信号传输模型，基站可以接收通信请求信号。基站可以包括用户注册数据库。基站通过用户注册数据库检查各个用户端的通信请求信号是否合法。

在一些示例中，当基站接收的各个用户端的通信请求信号不合法时，基站可以中断与各个用户端的通信。

在一些示例中，若基站接收的各个用户端的通信请求信号合法，则基站对通信请求信号进行估计并计算每个用户端的接收信噪比γ_k。也即基站基于通信请求信号估计每个用户端的缩放的大规模路径损耗P_k|α_k|²。

具体而言，各个用户端发射的通信请求信号到达基站后，经过基站的空间滤波器可以获得通信请求输出信号。通信请求输出信号可以通过式(1)获得，其中，第k个用户端的发射信号s_k(t)可以是通信请求信号。假设

基于通信请求输出信号可以获得每个用户端的缩放的大规模路径损耗进而获得各个用户端的接收信噪比(SNR)。第k个用户端的接收信噪比γ_k满足式(2)：γ_k＝P_k|α_k|²(2)，其中，α_k表示第k个用户端的大规模路径损耗，P_k表示第k个用户端的发射功率。第k个用户端的大规模路径损耗α_k可以参见上述图1中的相关具体描述。

在步骤S20中，基站可以计算任意两个用户端的接收信噪比的差值。例如，基站可以计算第k个用户端的接收信噪比γ_k与第j个用户端的接收信噪比γ_j的差值，其中，第k个用户端与第j个用户端是不同的用户端，也即k≠j。第k个用户端的接收信噪比γ_k与第j个用户端的接收信噪比γ_j的差值Δ_k,j满足式(3)：Δ_k,j＝|γ_k-γ_j|(3)。差值Δ_k,j的数量可以是多个。

在一些示例中，如图2所示，基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法还可以包括基于差值与第一阈值，基站向用户端反馈应答信号，用户端基于应答信号，确定是否调整发射功率，以满足第一阈值的要求，使基站允许每个用户端的通信请求(步骤S30)。

在步骤S30中，基站可以比较任一个差值与第一阈值ε_Δ，并基于比较结果向用户端反馈应答信号。应答信号可以包括第一应答信号和第二应答信号。用户端基于不同的应答信号确定是否调整发射功率。也即基站基于比较结果向用户端反馈不同的应答信号以调整用户端的发射功率。

具体而言，若基站计算的每个差值都大于第一阈值ε_Δ，基站向用户端反馈第一应答信号，并允许用户端的通信请求，各个用户端接收第一应答信号，保持发射功率。若基站计算的差值小于或等于第一阈值ε_Δ，基站向用户端反馈第二应答信号，用户端接收第二应答信号，调整发射功率，以满足差值大于第一阈值ε_Δ，使基站允许用户端的通信请求。也即，用户端接收第二应答信号，并调整发射功率后，向基站重新发送通信请求信号，基站重新计算每个差值并与第一阈值ε_Δ进行比较，直至每个差值都大于第一阈值ε_Δ，基站允许用户端的通信请求。在这种情况下，通过比较差值和第一阈值ε_Δ且满足要求时，能够确保后续正确识别每个用户端的每个路径。

在一些示例中，基站可以通过自动功率控制实现对每个用户端的功率的控制。例如，将基站的收发台接收的射频信号依次输入具有滤波功能的滤波器和变频器，进而获得中频信号，再将此中频信号输入到基站的自动功率控制模块中对功率进行控制。其中，自动功率控制模块包括A/D转换器、去直流单元、功率估计单元和功率反馈调整单元。

在一些示例中，自动功率控制模块的自动功率控制过程包括：将中频信号经过A/D转换器获得数字信号，该数字信号经过可变点数的去直流单元得到零均值的数字中频信号，该数字中频信号再经过点数可变的功率估计单元得到信号的功率估计，该功率估计值经过功率反馈调整单元得到新的增益系数值，新增益系数应用于下一时间段内的限幅调整过程，最终使数字中频信号的输出维持在稳定功率附近。

在一些示例中，基站可以把接收到的信号加以稳定再发送出去，这样可有效地减少或避免通信信号在无线传输中的损失，保证用户的通信质量。

在一些示例中，基站可以使用频分复用方式实现对信道使用数量的分配。在物理信道的可用带宽超过单个信息信号所需带宽情况下，可以将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信息信号带宽相同的子信道。在每个子信道上传输相应的信息信号，以实现在同一信道中同时传输多个信息信号(多路信号)。在多路信号进行频分复用前，需要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，以使各个信息信号的带宽不相互重叠。进行频谱搬移后，需要用不同的载波频率调制每一个信号。每个信号以其相应的载波频率为中心，在一定带宽的子信道上进行传输。另外，为了防止互相干扰，需要使用抗干扰保护措施带来隔离每一个子信道。

在一些示例中，步骤S10至步骤S30可以看做是基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法中的注册阶段。

在一些示例中，如图2所示，基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法还可以包括当基站允许每个用户端的通信请求时，多个用户端向基站发送信息信号(步骤S40)。在步骤S40中，当基站允许每个用户端的通信请求时，所有用户端通过相同的频率信道同时向基站发送消息信号。基于图1所示的信号传输模型，每个用户端与基站之间存在多个独立的路径，且基站不知道用户端的路径的数量。每个用户端通过相应的多个独立的路径向基站发送消息信号。

在一些示例中，如图2所示，基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法还可以包括基站通过空间滤波器分离信息信号，并计算每个路径信噪比和目标信噪比的距离，确定距离是否小于第二阈值，来识别每个用户端对应的信息信号的路径(步骤S50)。

在步骤S50中，基于图1所示的信号传输模型，基站可以通过空间滤波器分离各个路径，由上述可知，基站具有足够的大规模的天线以提供强大的空间分辨能力，故大多数的路径是空间可分辨的。在这种情况下，基站能够分离信息信号，获得各个路径中的信息信号。

在一些示例中，基站可以根据各个路径中的信息信号，计算每个路径信噪比和目标信噪比的距离。路径信噪比可以通过式(1)获得，此时的s_k(t)表示的发射信号是第k个用户端的信息信号。距离d_l满足式(4)：

其中，

表示目标信噪比，γ_l表示每个路径信噪比。在步骤S50中，比较距离d_l和第二阈值d₀，当d_l＜d₀时，基站识别每个用户端对应的信息信号的路径。

在一些示例中，如图2所示，基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法还可以包括基站基于每个用户端的所有路径，获得每个用户端的最大比合并，并解码每个用户端的信息信号(步骤S60)。

在步骤S60中，基站基于每个用户端的所有路径为每个用户端进行最大比率组合(即最大比合并)以改善基站的信噪比。在步骤S60中，基站能够收集每个用户端的所有路径并为每个用户端进行最大比率组合(MRC)以改善接收信噪比。另外，基站可以接收用户端的信息信号并解码信息信号，完成多用户MIMO系统的上行链路的传输。步骤S40至步骤S60可以看做是基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法中的消息传输阶段。

在本公开中，多个用户端向基站发送通信请求信号，基站基于通信请求信号计算多个用户端的接收信噪比，基站计算任意两个用户端的接收信噪比的差值，基站通过比较第一阈值与差值向用户端反馈应答信号，用户端基于应答信号，确定是否调整发射功率，以满足第一阈值的要求，使基站允许每个用户端的通信请求，当基站允许每个用户端的通信请求时，多个用户端向基站发送信息信号；基站通过空间滤波器分离信息信号，并通过比较每个路径信噪比和目标信噪比的距离，确定距离是否小于第二阈值，来识别每个用户端对应的信息信号的路径；基站基于每个用户端的所有路径，获得每个用户端的最大比合并，并解码每个用户端的信息信号。在这种情况下，能够避免导频污染、有效地改善接收信噪比并提高整个系统的安全性。

本公开所涉及的上行链路(UL)的数据传输方法可以适用于任意调制类型。

图3是示出了本公开的示例所涉及的基于MIMO系统的上行链路的数据传输系统的结构示意图。如图3所示，本公开涉及的基于MIMO系统的上行链路的数据传输系统1(简称数据传输系统1)是包含用户装置10和接收装置20的无线通信系统的MIMO系统的上行链路的数据传输系统1。其中，用户装置10与上述的用户端可以是相同的概念，接收装置20与上述的基站可以是相同的概念。用户装置10与接收装置20可以通过无线通信的方式进行信号传输。

在一些示例中，用户装置10的数量可以是多个。多个用户装置10可以向接收装置20发送通信请求信号。可以参见步骤S10。

在一些示例中，接收装置20可以基于通信请求信号计算每个用户装置10的接收信噪比γ_k。在接收装置20中，第k个用户装置10的接收信噪比γ_k满足式(2)，其中，α_k表示第k个用户装置10的大规模路径损耗，P_k表示第k个用户装置10的发射功率。计算任意两个用户装置10的接收信噪比γ_k的差值Δ_k,j，差值Δ_k,j满足式(3)，其中，γ_k表示第k个用户装置10的接收信噪比，γ_j表示第j个用户装置10的接收信噪比。基于差值Δ_k,j与第一阈值ε_Δ，接收装置20向用户装置10反馈应答信号。可以参见步骤S20和步骤S30。

在一些示例中，接收信噪比基于接收装置20的空间滤波器的输出信号获得。空间滤波器的输出信号满足式(1)，其中，α_k表示第k个用户装置10的大规模路径损耗，h_k,l表示第k个用户装置10的第l条路径的小规模的复衰落系数，P_k表示第k个用户装置10的发射功率，s_k(t)表示第k个用户装置10的发射信号，n_k,l(t)是第k个用户装置10的第l条路径经过空间滤波器的残余噪声。

在一些示例中，用户装置10可以基于应答信号，确定是否调整发射功率，以满足第一阈值的要求，使接收装置20允许用户装置10的通信请求。在接收装置20中，应答信号包括第一应答信号和第二应答信号，当差值大于第一阈值，接收装置20向用户装置10反馈第一应答信号，并允许用户装置10的通信请求，用户装置10接收第一应答信号，保持发射功率；当差值小于或等于第一阈值，接收装置20向用户装置10反馈第二应答信号，用户装置10接收第二应答信号，调整发射功率，以满足差值大于第一阈值，使接收装置20允许用户装置10的通信请求。可以参见步骤S30。

在一些示例中，当接收装置20允许用户装置10的通信请求时，多个用户装置10向接收装置20发送信息信号。接收装置20通过空间滤波器分离信息信号，并计算每个路径信噪比γ_l和目标信噪比

的距离，确定距离d_l是否小于第二阈值d₀，来识别每个用户装置10对应的信息信号的路径。距离d_l满足式(4)。当d_l＜d₀时，接收装置20识别每个用户装置10对应的信息信号的路径。可以参见步骤S40和步骤S50。

在一些示例中，接收装置20可以基于每个用户装置10的所有路径，获得每个用户装置10的最大比合并，并解码每个用户装置10的信息信号。可以参见步骤S60。

本公开涉及的基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法及系统，能够避免预编码器技术，并且支持URLLC服务，各个用户端可以使用相同的导频信号以避免导频污染。另外，本公开的数据传输方法及系统是多用户空间复用增强，其能够克服传统方法的缺点，适用于更一般的情况。其次，本公开的数据传输方法及系统可以有效地组合每个用户的所有多径信号以改善接收信噪比(SNR)，因为多径分类的过程在消息检测过程之前已经完成。最后，如果每条路径可以准确地分类到相应的用户，则可以应用物理层认证，通过将当前时隙中每个用户的信道状态信息(CSI)与先前时隙进行比较来提高整个系统的安全性。

虽然以上结合附图和实施例对本公开进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本公开。本领域技术人员在不偏离本公开的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本公开进行变形和变化，这些变形和变化均落入本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种基于MIMO系统的上行链路的数据传输方法，是包含用户端和基站的无线通信系统的MIMO系统的上行链路的数据传输方法，其特征在于，

包括：

多个所述用户端向所述基站发送通信请求信号；

所述基站基于所述通信请求信号计算每个所述用户端的接收信噪比，计算任意两个所述用户端的接收信噪比的差值；

基于所述差值与第一阈值，所述基站向所述用户端反馈应答信号，所述用户端基于所述应答信号，确定是否调整发射功率，以满足第一阈值的要求，使所述基站允许每个所述用户端的通信请求；

当所述基站允许每个所述用户端的通信请求时，多个所述用户端向所述基站发送信息信号；

所述基站通过空间滤波器分离所述信息信号，并计算每个路径信噪比和目标信噪比的距离，确定距离是否小于第二阈值，来识别每个所述用户端对应的信息信号的路径；并且

所述基站基于每个所述用户端的所有所述路径，获得每个所述用户端的最大比合并，并解码每个所述用户端的信息信号。

2.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于：

第k个所述用户端的所述接收信噪比γ_k满足式(Ⅰ)：

γ_k＝P_k|α_k|² (Ⅰ)，

其中，α_k表示第k个所述用户端的大规模路径损耗，P_k表示第k个所述用户端的发射功率，

所述差值满足式(Ⅱ)：

Δ_k,j＝|γ_k-γ_j| (Ⅱ)，

其中，γ_k表示第k个所述用户端的接收信噪比，γ_j表示第j个所述用户端的接收信噪比。

3.根据权利要求2所述的数据传输方法，其特征在于：

所述接收信噪比基于所述基站的空间滤波器的输出信号获得，所述空间滤波器的第K个所述用户端的第l条路径的输出信号r_k,l(t)满足式(Ⅲ)：

其中，α_k表示第k个所述用户端的大规模路径损耗，h_k,l表示第k个所述用户端的第l条路径的小规模复衰落系数，P_k表示第k个所述用户端的发射功率，s_k(t)表示第k个所述用户端的发射信号，n_k,l(t)是第k个所述用户端的第l条路径经过空间滤波器的残余噪声。

4.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于：

所述距离满足式(Ⅳ)：

其中，d_l表示所述距离,当d_l＜d₀时，所述基站识别每个所述用户端对应的信息信号的路径，其中，

表示所述目标信噪比，γ_l表示每个路径信噪比，d₀表示所述第二阈值。

5.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于：

所述应答信号包括第一应答信号和第二应答信号，

当所述差值大于所述第一阈值，所述基站向所述用户端反馈所述第一应答信号，并允许所述用户端的通信请求，所述用户端接收所述第一应答信号，保持所述发射功率；

当所述差值小于或等于所述第一阈值，所述基站向所述用户端反馈所述第二应答信号，所述用户端接收所述第二应答信号，调整所述发射功率，以满足所述差值大于所述第一阈值，使所述基站允许所述用户端的通信请求。

6.一种基于MIMO系统的上行链路的数据传输系统，是包含用户装置和接收装置的无线通信系统的MIMO系统的上行链路的数据传输系统，其特征在于，

包括：

多个所述用户装置，其用于向所述接收装置发送通信请求信号；以及

所述接收装置，其用于基于所述通信请求信号计算每个所述用户装置的接收信噪比，计算任意两个所述用户装置的接收信噪比的差值，基于所述差值与第一阈值，所述接收装置向所述用户装置反馈应答信号，

其中，所述用户装置基于所述应答信号，确定是否调整发射功率，以满足第一阈值的要求，使所述接收装置允许所述用户装置的通信请求，当所述接收装置允许所述用户装置的通信请求时，多个所述用户装置向所述接收装置发送信息信号，所述接收装置通过空间滤波器分离所述信息信号，并计算每个路径信噪比和目标信噪比的距离，确定距离是否小于第二阈值，来识别每个所述用户装置对应的信息信号的路径，所述接收装置基于每个所述用户装置的所有所述路径，获得每个所述用户装置的最大比合并，并解码每个所述用户装置的信息信号。

7.根据权利要求6所述的数据传输系统，其特征在于：

在所述接收装置中，第k个所述用户装置的所述接收信噪比γ_k满足式(Ⅰ)：

γ_k＝P_k|α_k|² (Ⅰ)，

其中，α_k表示第k个所述用户装置的大规模路径损耗，P_k表示第k个所述用户装置的发射功率，

所述差值满足式(Ⅱ)：

Δ_k,j＝|γ_k-γ_j| (Ⅱ)，

其中，γ_k表示第k个所述用户装置的接收信噪比，γ_j表示第j个所述用户装置的接收信噪比。

8.根据权利要求6所述的数据传输系统，其特征在于：

在所述接收装置中，所述接收信噪比基于所述接收装置的空间滤波器的输出信号获得，所述空间滤波器的第K个所述用户装置的第l条路径的输出信号r_k,l(t)满足式(Ⅲ)：

其中，α_k表示第k个所述用户装置的大规模路径损耗，h_k,l表示第k个所述用户装置的第l条路径的小规模的复衰落系数，P_k表示第k个所述用户装置的发射功率，s_k(t)表示第k个所述用户装置的发射信号，n_k,l(t)是第k个所述用户装置的第l条路径经过空间滤波器的残余噪声。

9.根据权利要求6所述的数据传输系统，其特征在于：

所述距离满足式(Ⅳ)：

其中，d_l表示所述距离,当d_l＜d₀时，所述接收装置识别每个所述用户装置对应的信息信号的路径，其中，

表示所述目标信噪比，γ_l表示每个路径信噪比，d₀表示所述第二阈值。

10.根据权利要求6所述的数据传输系统，其特征在于：

在所述接收装置中，所述应答信号包括第一应答信号和第二应答信号，

当所述差值大于所述第一阈值，所述接收装置向所述用户装置反馈所述第一应答信号，并允许所述用户装置的通信请求，所述用户装置接收所述第一应答信号，保持所述发射功率；

当所述差值小于或等于所述第一阈值，所述接收装置向所述用户装置反馈所述第二应答信号，所述用户装置接收所述第二应答信号，调整所述发射功率，以满足所述差值大于所述第一阈值，使所述接收装置允许所述用户装置的通信请求。

Images