CN111226404B - 无线通信网络以及发射机和接收机 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于向无线通信网络的接收机(BS)发送数据的发射机(UE)。该无线通信网络包括多个资源元素，多个资源元素的至少一子集由多个发射机(UE)共享，以用于从多个发射机(UE)向接收机(BS)发送数据。该发射机(UE)包括至少一个天线、编码器以及耦接到该编码器和天线的收发机。编码器接收要发送给无线通信网络的接收机(BS)的数据元素，并将该数据元素映射到码字。通过从唯一向量集合中选择至少一个向量来获得该码字。该唯一向量集合被专有地分配给发射机(UE)，并且每个向量都包含多个符号。每个符号将在无线通信网络的资源元素上发送。收发机经由天线在资源元素的子集上发送码字，并且该码字表示数据元素并在接收机(BS)处标识发射机。

Description

无线通信网络以及发射机和接收机
技术领域
本发明涉及无线或有线通信网络或系统的领域，更具体地涉及对这种通信网络的接入。本发明的实施例涉及使用结构化叠加编码通过共享资源进行的多个用户的数据到发射机的传输。
本发明涉及无线或有线通信网络或系统的领域，更具体地涉及对这种通信网络的接入。本发明的实施例涉及使用结构化叠加编码通过共享资源进行的多个用户的数据到发射机的传输。
背景技术
图1是包括核心网络102和无线电接入网络104的无线网络100 的示例的示意图。无线电接入网络104可以包括多个基站eNB1至eNB5，每个基站服务于基站周围的由相应的小区1061至1065示意性表示的特定区域。提供基站以服务于小区内的用户。用户可以是固定设备或移动设备。此外，连接到基站或用户的移动或固定IoT设备可以接入无线通信系统。移动设备或IoT设备可以包括：物理设备；诸如机器人或汽车之类的地面车辆；诸如有人驾驶或无人驾驶飞行器(UAV) (后者也称为无人机)之类的飞行器；建筑物；以及嵌入有电子器件、软件、传感器、致动器等以及使得这些设备能够在现有网络基础设施上收集和交换数据的网络连接的其他物品。图1示出了仅五个小区的示例性视图，然而，无线通信系统可以包括更多这样的小区。图1示出了位于小区1062中并且由基站eNB2服务的两个用户UE1和UE2，也称为用户设备(UE)。另一用户UE3在小区1064中示出，其由基站 eNB4服务。箭头1081、1082和1083示意性表示用于从用户UE1、UE2和UE3向基站eNB2、eNB4发送数据或者用于从基站eNB2、eNB4向用户UE1、UE2、UE3发送数据的上行链路/下行链路连接。此外，图1 示出了小区1064中的两个IoT设备1101和1102，其可以是固定设备或移动设备。IoT设备1101经由基站eNB4接入无线通信系统以接收和发送数据，如箭头1121示意性表示的。IoT设备1102经由用户UE3接入无线通信系统，如箭头1122示意性表示的。相应的基站eNB1至eNB5经由相应的回程链路1141至1145连接到核心网络102，这些回程链路在图1中由指向“核心”的箭头示意性表示。核心网络102可以连接到一个或多个外部网络。
对于数据传输，可以使用物理资源网格。物理资源网格可以包括资源元素集合，各种物理信道和物理信号被映射到该资源元素。例如，物理信道可以包括：承载用户特定数据(也称为下行链路和上行链路有效载荷数据)的物理下行链路和上行链路共享信道(PDSCH、PUSCH)、承载例如主信息块(MIB)和系统信息块(SIB)的物理广播信道(PBCH)、承载例如下行链路控制信息(DCI)的物理下行链路和上行链路控制信道(PDCCH、PUCCH)等。对于上行链路，物理信道还可以包括物理随机接入信道(PRACH或RACH)，一旦 UE同步并获得MIB和SIB，UE就使用该PRACH或RACH来接入网络。物理信号可以包括参考信号(RS)、同步信号等。资源网格可以包括在时域中具有一定持续时间(比如10毫秒)并且在频域中具有给定带宽的帧。帧可以具有一定数量的具有预定长度的子帧，例如，长度为1毫秒的2个子帧。每个子帧可以包括具有6个或7个OFDM符号的两个时隙，这取决于循环前缀(CP)长度。
无线通信系统可以是基于频分复用的任何单频或多载波系统，如正交频分复用(OFDM)系统、正交频分多址(OFDMA)系统、或具有或不具有CP的任何其他基于IFFT的信号，例如DFT-S-OFDM。可以使用如用于多路接入的非正交波形的其他波形，例如，滤波器组多载波(FBMC)、广义频分复用(GFDM)或通用滤波多载波(UFMC)。无线通信系统可以例如根据LTE-Advanced pro标准或5G或NR(新无线电)标准进行操作。
在以上参考图1描述的无线通信网络中，上行链路传输是由接入点(AP)(比如基站)使用请求-许可过程来调度的，即，移动设备或用户在注册过程中向AP发送调度请求(SR)。然后，AP执行调度，以便以集中方式向用户许可资源。请求-许可过程(即，用户与无线通信网络的初始关联)是以基于竞争的方式来执行的。在连接失败后，可以使用相同的机制来在用户和AP之间重新建立连接。传统的基于竞争的随机接入过程可以包括四个步骤，并且图2是成功的基于竞争的随机接入过程的信令图，如例如在参考文献[1]中所描述的。最初，用户UE将前导码发送给接入点eNB。在eNB检测到前导码后，发送随机接入响应，然后是从UE到eNB的另外两个消息，即L2/L3消息，以及在需要时从eNB到UE的用于早期竞争解决方案的消息。然而，在eNB没有检测到前导码的情况下，在UE处发生超时，UE再次发送相同前导码格式的另一随机接入序列。
在通信系统(例如，以上参考图1描述的系统)中，可以存在数量增加的用户设备(如IoT设备)，其可以包括大量的始终在线的设备。这种设备可能偶尔发送小尺寸的数据分组，例如传感器读数、机器状况等。这种众多的用户设备可能需要无线通信网络来支持大规模的连接。如所提及的，用户设备可以发送短的数据分组，并且当与分组中发送的数据量相比时，任何信令开销(例如，用于信令控制数据等的任何开销)应当被最小化。其他用户设备可能需要以极低的延时被服务，因此需要立即连接到无线网络而无需耗时的注册过程。针对这种用户设备采用以上参考图2描述的注册过程导致增加的信令开销和/ 或导致增加的系统延时，这可能是不可接受的。因此，在存在高数量或大量用户设备(例如IoT设备)偶尔接入无线通信系统的情况下，基于竞争的随机接入过程与性能急剧下降和较大接入延迟相关联，从而使其不实用。换句话说，如参考图2所描述的传统的接入机制不能在时间约束系统中管理来自数千个设备的接入请求。
为了解决与参考图2所描述的注册过程相关联的上述缺陷，已经讨论了如参考文献[2]中的无许可接入方案，该对比文件描述了用于 IoT设备或应用的大量接入的无速率多址接入(RMA)方案。在注册之后，每个活动用户响应于由接入点(AP)广播的指示接入周期开始的信标信号，分别随机地向AP发送。在参考文献[3]中，参考基于上行链路竞争的稀疏码多址(SCMA)方案，描述了另一种无许可访问方案。
在参考文献[2]中，每个用户都有自己的用于RE的接入的唯一伪随机模式，其中假设活动用户的数量通常比接入模式空间小几个数量级。这种方法的潜在缺点是，假设用户应用稀疏模式来共享资源元素这可能限制网络中准许的用户总数以及可以同时被服务的活动用户的数量。另一方面，参考文献[3]提出了一种基于竞争的方法，该方法可能要求用户重复地重发数据直到其被实际解码为止，这具有延时的总体延时的缺点。
在参考文献[4]-[7]及其中引用的参考文献中描述了非正交多路接入方案(NOMA)类别中的其他已知方法。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种方法，该方法改进多个用户设备通过无线通信网络的共享资源进行的数据传输。
该目的通过独立权利要求中限定的主题来实现。
实施例在从属权利要求中限定。
附图说明
现在参考附图进一步详细描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了无线通信系统的示例的示意图；
图2是成功的基于竞争的随机接入过程的信令图；
图3是根据本发明实施例的用于在发射机与接收机之间发送信息的无线通信系统的示意图；
图4示出了根据本发明实施例的编码过程的示例，以及根据本发明实施例的从二进制信息消息映射到被发送向量的示例；以及
图5示出了计算机系统的示例，在该计算机系统上可以执行根据本发明方法描述的单元或模块以及方法的步骤。
具体实施方式
在下文中，参考附图更详细地描述了本发明的优选实施例，其中具有相同或类似功能的元件由相同的附图标记表示。
根据实施例，本发明提供了一种发射机(例如，UE)，用于将数据发送给无线通信网络的接收机(比如基站)。无线通信网络包括多个资源元素，并且多个资源元素的至少一子集由多个发射机共享，以用于从该多个发射机向接收机发送数据。发射机包括至少一个天线、编码器、以及耦接到编码器和天线的收发机。编码器被配置为接收要发送到无线通信网络的接收机(BS)的数据元素，并且将该数据元素映射到码字。通过从唯一向量集合中选择至少一个向量来获得该码字。唯一向量集合被专有地分配给发射机，并且每个向量包括多个符号。每个符号将通过无线通信网络的资源元素发送。收发机被配置为经由天线在资源元素的子集上发送码字，并且该码字表示数据元素并在接收机处标识发射机。
根据实施例，本发明提供一种接收机(比如基站)，用于从无线通信网络的多个接收机(比如UE)接收数据。无线通信网络包括多个资源元素，并且多个资源元素的至少一子集由多个发射机共享，以用于从该多个发射机向接收机发送数据。该接收机包括至少一个天线、耦接到该天线的收发机、以及耦接到该收发机的解码器。收发机被配置为经由天线在资源元素的子集上接收接收信号。接收信号包括来自多个发射机的多个向量，并且每个向量包括多个符号。每个符号通过无线通信网络的资源元素进行发送。解码器被配置为从接收信号中获得多个向量。向量表示来自特定发射机的码字，并且该向量是从专有地分配给该特定发射机的唯一向量集合中选择的。多个发射机的唯一向量集合在接收机处是已知的。解码器还被配置为：基于多个发射机 (UE)的已知的唯一向量集合，将码字解映射到与相应发射机(UE) 相关联的数据元素。
本发明方法的实施例提供了一种通信网络，该通信网络包括根据本发明方法实现的一个或多个接收机(比如UE)以及根据本发明方法实现的一个或多个发射机(比如基站)。
根据实施例，本发明提供了一种用于对数据元素进行编码的设备，该数据元素用于从无线通信网络的发射机传输到接收机。无线通信网络包括多个资源元素，并且多个资源元素的至少一子集由多个发射机共享，以用于从该多个发射机向接收机发送数据。该设备包括：用于保存唯一向量集合的存储设备(比如存储器)，该唯一向量集合被专有地分配给发射机，每个向量包括多个符号，每个符号将通过无线通信网络的资源元素进行发送；以及编码器，用于形成表示要发送的数据元素的码字，每个码字由编码器从唯一向量集合中选择的向量或向量的线性组合来定义。
根据本发明方法，提供了一种大规模接入方案，其解决了已知的大规模接入方案的缺点。根据本发明的实施例，教导了一种通信方案，该通信方案允许UE通过线性地组合来自预定义序列集合的序列来同时执行初始接入并将信息传送给联合接收机(比如基站)，其中每个 UE具有与其相关的唯一序列集合。本发明提供一种实现可在无线通信网络(例如5G网络)中使用的随机接入和多址技术的通信方案。
本发明的通信方案
-改进无线网络的吞吐量，并实现无许可或免许可UL(上行链路)、 DL(下行链路)、D2D(设备到设备)或M2M(机器到机器)传输，
-允许以小的开销来发送短的分组，
-允许容纳大量的通信设备，比如移动用户、机器类型设备、车辆等，
-通过执行联合用户标识和数据传输减少了随机接入场景中的延时，
-提供非相干数据传输，而无需即时发送/接收信道知识；
-提供了一类新的随机接入和多路接入方案，
-提供了用于结构化叠加码的设计方法，
-提供了一种基于压缩感知的码检测算法，
-提供一种EXIT(外部信息传递)图表评估方法。
此外，根据实施例，本发明提供了一种适用于基于消息传递的接收机实现的编码/解码方案，该消息传递可以基于信念传播(BP)算法来从接收到的信号中恢复到原始信息。
根据实施例，本发明的方法可以包括UE在网络处的注册，例如，RACH过程，在此期间，向UE通知与要用于随机接入到网络的共享资源。例如，当与无线通信网络建立或重新建立连接时，发射机(比如UE)可以向无线通信网络进行注册，并且响应于该注册，UE接收指示共享资源的信息。在这样的实施例中，接收机(比如BS)可以仅使用向无线通信网络注册的那些UE的唯一向量集合。换句话说，在解映射过程中，BS不是对所有已知的唯一向量集合进行搜索，而是可以将搜索空间限制为那些实际注册的UE的唯一向量集合的子集。由于注册，这也被称为指示活动UE的活动模式，BS知道实际上是活动的并且发送数据的UE。该实施例是有利的，因为在BS处仅考虑实际发送数据的那些UE，从而改进了对接收信号的处理并加快了解码过程。
根据又一实施例，一个或多个发射机(比如UE)可以与激活模式相关联，该激活模式指示在预定时间段内(例如，在帧期间)UE 被激活的概率。激活模式在BS处是已知的，并且在解映射过程中被使用。BS可以根据发射机(UE)的激活概率例如从最高概率开始来访问与所有UE或仅活动的UE相关联的唯一向量集合。该实施例是有利的，因为BS将从在当前帧期间最有可能发送数据的那些UE的解映射开始，从而改进了对接收信号的处理并加快了解码过程。
根据其他实施例，本发明方法不需要UE的注册。这些实施例可以提供UE的无许可大规模随机接入。在这样的实施例中，UE知道共享的资源，并且在建立或重新建立与无线通信网络的连接以传输数据时接入无线通信网络，而无需执行注册过程，例如，同时发生对网络的接入和数据的传输。如上所述，基本网络功能是随机接入，它是由用户(也称为用户设备(UE))在首次接入系统时执行的。本发明方法的实施例针对用于处理预计将在无线通信网络中操作的数量增加的 UE的随机接入方法。例如，在即将到来的5G网络中，预计会有大量与物联网(IoT)应用相关的UE，这些UE可能偶发性地接入无线信道以发送数据。由于资源以固定和集中式的方式被分配给用户的，因此无竞争的正交多路接入协议(例如TDMA、(O)FDMA等)不满足处理此类设备的要求。这不可避免地导致大信令开销、高实现复杂度、以及低整体系统效率。另一方面，基于竞争的机制(例如，ALOHA/ 分时隙的ALOHA)由于存在与这些方案实现的回退/重传机制相关联的延迟而在大量用户的情况下遭遇吞吐量下降。
此外，基于结构化叠加编码的本发明方法的实施例允许基于宽松的信念传播(例如，近似消息传递)的接收机实现。低复杂度接收机实现还在非正交多路接入方案(NOMA)的类别上提供了由于其他方法(例如，参考文献[4]至[7]和其中引用的参考文献中所描述的方法) 的优势。另外，根据实施例，除了二阶统计之外，本发明方案在发射机侧和接收机侧均不需要信道知识。这在大规模的随机接入和多路接入应用中尤其有吸引力，在这些应用中，可靠的信道估计可能非常具有挑战性，甚至完全不可行。
本发明的实施例可以在如图1所示的无线通信系统中实现，该无线通信系统包括基站、用户，比如移动终端或IoT设备。图3是用于在基站300和多个UE4001至400N之间传送信息并根据本文描述的本发明方法的实施例来进行操作的无线通信系统200的示意图。基站300 和UE 4001至400N可以包括一个或多个天线ANTBS、ANTUE或具有多个天线元件的天线阵列。如箭头5001至500N示意性所示，信号经由无线通信链路(比如无线电链路)在基站300和UE 4001至400N之间传送。为了发送数据或信息，无线通信系统200可以使用如上所述的物理资源网格502，并且例如像在基于OFDM的系统中那样来使用物理资源网格。物理资源网格可以包括物理信号映射到的资源元素 504。物理资源网格可以包括在时域中具有一定持续时间(比如10毫秒)并且在频域中具有给定带宽的帧。帧可以具有一定数量的预定长度的子帧。每个子帧可以包括具有6或7个OFDM符号的两个时隙。
根据实施例，在由无线通信系统200(比如LTE系统)提供的用于数据通信的物理资源网格内，可以将资源元素504的子集506用于本发明的大规模随机接入方案。基站300和UE4001至400N知道资源元素504，更一般地，知道被分配用于实现大规模随机接入方案的资源。根据其他实施例，无线通信系统200(例如，传感器网络或工厂中链接机器的网络)可以使用本发明的大规模随机接入方案来专有地为UE服务。这样的无线通信系统200可以在专用资源上操作，并且可以将这样的系统504的所有资源用于本发明的大规模随机接入方案。
在下文中，将更详细地描述UE 4001的结构和操作。注意，其余 UE 4002至400N可以具有与UE 4001相同或相似的结构，并且以相同或相似的方式进行操作。UE 4001包括一个或多个天线ANTUE、耦接到天线ANTUE的收发机4021、编码器4041和输入4061。UE 4001在输入4061处接收数据流4081，该数据流可以包括要从UE 4001发送给基站300的多个数据元素4101。编码器4041接收数据元素4101并将其映射到码字。根据实施例，UE 4001可以包括存储设备4121，比如存储器，其存储专有地分配给UE 4001的唯一K维向量a1,…,aM(K是可使用的资源元素的数量)的集合A。响应于要编码的数据元素4101，编码器4041从唯一向量集合A中选择至少一个向量，以获得表示要发送的数据元素或数据的码字s。码字s携带的信息包含在要被线性组合成来自集合A的向量的子集的向量的选择中，而不是包含在所产生的 K维信号向量s的元素(即，条目)中。通过将数据直接编码为多维向量的线性组合，与传统的RF数字调制一样，本文所述的结构化叠加编码技术避免了显式符号映射，并且因此可以被看作是一种高维编码调制的形式。由于未指定向量序列a1,…,aM的设计，因此也不排除单个向量元素是根据类似于RF数字调制(例如QPSK(四个可能的符号状态)、16-QAM(16个符号状态)或64-QAM(64个符号状态)) 的有限维星座图构建的。收发机4021耦接到编码器4041和天线ANTUE，以经由天线ANTUE在资源元素502的子集504上发送码字。由一个或多个向量a1,…,aM形成的码字不仅表示数据元素，而且还在基站300 处标识UE 4001，这是因为唯一向量集合A被专有地分配给了UE 4001。换句话说，接收由向量形成的码字的基站300可以区分并标识UE，因为每个UE使用一个或多个向量，该向量(仅)由相应的UE专有地使用，即，不存在由两个或更多的UE使用的向量。本发明的大规模随机接入方案允许UEs 4001-400N同时执行初始接入并将信息传送给基站300。
根据实施例，可以通过根据与每个UE专有地相关联的唯一或预定义集合A来线性组合多个向量(也称为序列)获得码字。例如，当活动时，每个UE 4001至400N通过包括nRB个资源元素(RE)504(其可以是时频时隙)的资源块(RB)508来发送其复数符号向量。例如，在基于OFDM的系统中，RB 508可以在时域中包括nO个OFDM符号，每个符号在频域中跨越nSC个子载波。因此，RB 508包括总共 nRB＝nO·nSC个资源元素，其中nO与RB持续时间有关，而nSC与相关联的带宽有关。
上文描述的用于对将通过由多个UE共享的资源发送的数据进行编码的方法可以在要求UE在网络或基站处进行注册过程(例如，类似于RACH的过程)的场景中以及在不需要这种注册过程以允许例如 UE的无许可大规模随机接入的场景中实现。
根据一个实施例，UE向网络注册其自身，并被通知要用于随机接入网络的共享资源。当建立或重新建立与无线通信网络的连接时， UE可以向无线通信网络注册。由于该注册，基站实际上知道多个可能的UE中实际上是活动的并且发送数据的那些UE。这也称为指示活动UE的活动模式。基站将仅使用向无线通信网络注册的那些UE的唯一向量集合。换句话说，在解映射过程中，不是搜索所有已知的唯一向量集合，而是基站可以将搜索空间限制为实际注册的那些UE的唯一向量集合的子集。该实施例是有利的，因为在基站处仅考虑实际发送数据的那些UE，从而改进了对接收信号的处理并加快了解码过程。UE 4001至400N的活动模式(也称为用户活动模式)在基站处是已知的，并且UE 4001至400N通过复用来自相应的活动UE的层来使用共享资源506。被复用的层可以包括可以使用网络的共享资源在其上传送多个数据流的任何层，例如MIMO空间层、OFDMA音调、 TDMA层等。
根据另一实施例，UE不向网络或基站注册，而是在其接入基站时发送数据，从而提供UE的无许可大规模随机接入。UE知道共享资源(例如，这些共享资源由网络规范定义)，并且UE在建立或重新建立与无线通信网络的连接以进行数据传输时接入无线通信网络，而不执行注册过程，例如，同时进行对网络的接入和数据的传输。根据其他实施例，可以在基站和UE之间提供点对点信道，并且信息的传送或传输可以包括来自不同用户的向量的叠加，这些向量是从相应的预定义或唯一向量集合A中获得的。
根据实施例，考虑参考图3描述的系统，其中存在N个UE 4001至400N，并且假设第n个UE通过线性组合来自唯一向量集合的向量或序列来发送信息，这些向量或序列可以被表示为大小为Mn的
Figure BDA0002423567660000111
其中上标(·)(n)用于表示第n个UE。
当活动时，第n个UE通过K个信道资源元素来发送由如下线性组合表示的K维复数向量s(n)：
s(n)＝A(n)c(n)，
其中矩阵A(n)的列水平地堆叠向量
Figure BDA0002423567660000112
并且向量c(n)的元素是复值系数。将由UEn发送的信息由向量s(n)传达给公共接收机，比如基站300。实际信息是通过组合集合
Figure BDA0002423567660000113
的维向量
Figure BDA0002423567660000114
以创建发送向量s(n)的方式来定义的。换句话说，信息被编码在支持元素(c(n)的非零元素的位置)中，即以向量c(n))选择矩阵A(n)的列的方式，而不是在向量s(n)的复符号(元素)中选择。这在示出了根据本发明实施例的编码过程的示例的图4中进行了说明。图4在中心示出了用户n，其具有向量
Figure BDA0002423567660000115
的唯一集合
Figure BDA0002423567660000116
每个向量
Figure BDA0002423567660000117
都使用nRE个资源元素定义复符号。在图4所示的情况下，用户n使用只有元素
Figure BDA0002423567660000118
是非零条目的向量c(n)来从其集合
Figure BDA0002423567660000119
中选择三个向量
Figure BDA00024235676600001110
向量c(n)的所有其他元素均为零，因此不选择对应的向量(其他未被选择的向量未在图中显示)。因此，当活动时，用户(如用户n)通过线性地组合来自唯一集合
Figure BDA00024235676600001111
中的序列或向量来发送信息。信息序列b(n)被编码在 c(n)的支持(非零元素)中,b(n)→supp(c(n))。在图4的示例中，用户1使用向量c(1)(未示出)来组合两个向量
Figure BDA00024235676600001112
并且用户N使用向量c(N)来仅使用单个向量
Figure BDA00024235676600001113
进一步参考图4，示出了根据本发明实施例的从二进制信息消息 b(n)到所发送的向量s(n)的映射。在图4所示的示例中，假设用户n的唯一向量或序列集合包括Mn＝6个序列，即用户n具有Mn＝6个可使用的序列,
Figure BDA0002423567660000121
如图4所示，Mn＝6个序列中的每个序列都跨越了预定数量nRE个资源元素。作为发送码字s(n)的向量s(n)是通过线性地组合(六个可能的序列中的)两个序列来构造的，从而产生了可以用来选择两个序列的
Figure BDA0002423567660000122
种不同方式。当根据向量c(n)的非零元素的位置来索引发送码字
Figure BDA0002423567660000123
(其中
Figure BDA0002423567660000124
Figure BDA0002423567660000125
)时，获得以下内容：
Figure BDA0002423567660000126
消息
Figure BDA0002423567660000127
可以被解释为“用户n不活动”。
根据实施例，可以通过发送全零序列s(n)＝O来对不活动用户进行建模。在基站300处将所有UE使用的预定序列视为单独的码字，其以由UE业务/激活模式(即，由N个UE中每个UE的(一个帧内的)各个激活概率)确定的概率出现。接收机知道各个用户激活概率，并在检测过程中使用它们。
根据另外的实施例，向量c(n)可以被构造成使得它从矩阵A(n)中选择多达l个列，其中0<l≤Mn，即，从集合
Figure BDA0002423567660000128
中线性地组合多达l个序列或向量。UEn的传输速率由向量c(n)中的非零系数的位置和数量来确定。例如，当考虑l＝1的特定情况时，即，当向量的线性组合仅包括单个向量时，数据速率为Rn＝log2Mn。
根据更具体的定义，可以如下所示地选择矩阵A(n)的列：
c(n)＝G(n)b(n)
其中G(n)是与UEn相关联的线性码的生成器矩阵，而b(n)是信息比特的向量。为了区分活动和不活动的UE，对于活动的UEn，c(n)≠0成立，即，任何全零向量都被视为无效。
在图3的实施例中，基站300包括一个或多个天线ANTTX、耦接到天线ANTTX的收发机302、以及耦接到收发机302的解码器304。收发机302经由天线ANTTX在资源元素504的子集506上接收接收信号。接收信号包括来自UE 4001至400N的向量或向量的组合。解码器 304从接收信号中获得多个向量，并且使用多个UE的已知的唯一向量集合将码字解映射或解码为与相应的UE相关联的数据元素。根据实施例，基站300可以包括存储设备306，比如存储器，其存储所有 UE 4001至400N的唯一集合
Figure BDA0002423567660000131
(即矩阵A(n))。可以将解码的数据元素提供给输出308。
根据实施例，基站300通过利用以下项来执行联合UE活动检测和数据解码：
-对与各个用户或UE 4001至400N相关联的集合
Figure BDA0002423567660000132
的设计，
-通过向量c(n)的结构而施加给发送向量s(n)的结构，以及
-偶发性的UE活动引起的信号稀疏性。
例如，当假设信道相干带宽大于资源块nRB的大小时，在基站处接收到的信号可以表示为线性混合的函数
Figure BDA0002423567660000133
其中λn∈{0,1}表示用户活动，而hn是UEn和基站300之间的未知信道系数。函数f(·)考虑了可能的非线性，例如，量化、有限精度等。
基站300可以执行基于压缩感知的检测，该检测考虑所发送的信号的结构以及UE活动模式的稀疏性。由于由活动的UE传达的信息包含在向量c(n)的支持中，因此基站不需要了解信道实现的知识即可检测活动的用户及其相应的数据。换句话说，不需要显式信道估计。根据实施例，可以执行基于近似干扰技术(例如，近似消息传递或具有广义近似消息传递形式的扩展)的低复杂度检测方案。
本发明的其他实施例提供了一种代码设计或码本。例如，当考虑图3时，第n个UE由大小为Mn的预定义集合
Figure BDA0002423567660000141
来唯一地标识。当活动时，UEn发送序列
Figure BDA0002423567660000142
中的向量的线性组合s(n)，这意味着s(n)驻留在
Figure BDA0002423567660000143
的元素所跨越的子空间中,
Figure BDA0002423567660000144
如上所述，该码本可以在UE和BS处使用。
在上述实施例中，UE被描述为向单个接收机(比如基站)进行发送。然而，本发明不限于这样的实施例，而是，根据其他实施例， UE可以向多个基站发送数据。在到目前为止描述的实施例中，UE被描述为发射机，而基站被描述为接收机。然而，本发明不限于这样的实施例，而是，根据其他实施例，一个或多个基站可以是用于向作为接收机的一个或多个UE发送数据的发射机。此外，本发明不限于基站作为接收机，而是无线系统中的任何其他设备都可以充当接收机，比如D2D通信中的其他用户或M2M通信中的其他机器。因此，根据实施例，接收机可以是无线通信网络的移动终端、IoT设备或基站中的一个或多个，并且发射机可以是无线通信网络的移动终端、IoT设备或基站中的一个或多个。
对于以上描述显而易见的是，本发明的特定实施例提供：
-一种用于复用数据的方法，根据该方法，每个发射机(活动的或不活动的)(比如UE)都与专有地分配的多维向量集合相关联。每个活动的发射机将其数据流映射到多维码字，该多维码字是作为其对应集合中的多维向量的线性组合而获得的。信息包含在对向量的选择中，该向量要被线性组合成来自相关联的集合的向量的子集，而不是包含在所产生的多维信号向量的元素(即，条目)中。通过将数据直接编码为多维向量的线性组合，本文所述的结构化叠加编码技术避免了 PAM/BPSK/QPSK/QAM符号映射。此外，本发明的方法通过为每个复用层分配不同的集合来提供多路接入。本发明的方法不需要信道发送/接收信道知识，因为每个用户的数据被编码在通过选择线性组合的向量而不是发送向量的坐标所跨越的子空间中。这种编码信息的方式对于相干长度不小于发送向量的维度的块衰落假设下的信道动作是不变的。这样，本发明的方法避免了对通过发送导频序列来执行显式信道估计的需要。本发明的方法还包括通过网络的共享资源发送活动用户的复用码字；
-一种用于活动的发射机的随机接入的方法，其中，不活动的发射机被认为发送“全零”码字(即，是无声的)。这对应于不活动的用户选择了空向量集合(该空集合在数学上是每个集合的子集)。基于复用的发射信号，基于用户与唯一集合的关联性，在接收机侧执行主动用户检测；
-一种用于在承载复用的多维向量的信号上接收数据的方法。每个复用的多维向量代表与对应用户相关联的向量集合中的选定向量的线性组合，其中每个集合都被分配给不同的复用层。本发明的方法还包括由接收机标识复用码字内的线性组合向量的集合；
-一种设计结构化叠加码的方法，该方法包括生成多个多维向量集合，以及根据多个多维向量集合生成多个码本；
-一种用于执行信道估计的方法。一旦接收机在复用码字内标识出线性组合向量的集合，它就可以在特定信道模型(例如具有附加噪声的块衰落)的假设下进行追溯，即，根据接收到的信号向量估计信道系数；
-一种根据用户活动来进行发射机速率适配的方法。当接收机性能在设置的基数Mn，n＝1,..,N与活动用户的数量之间进行权衡时，各个数据速率(取决于Mn)可以例如根据用户激活的概率来适应活动用户的预计数量。例如，在用户激活的概率较小的情况下，可以在不牺牲接收机性能(即可靠性)的情况下增加各个数据速率；
-一种通过点对点和多用户无线信道进行非相干通信的方法，即，无需即时发送/接收信道知识；以及
-一种解决/减少冲突的方法。
本发明方法的实施例既可以应用于从一个或多个发射机(比如UE) 到接收机(比如基站)的上行链路通信，也可以应用于从发射机(比如基站或UE)到一个或多个接收机(比如UE)的下行链路。
尽管已经在装置的上下文中描述了所述的构思的一些方面，但是显然这些方面也表示对应方法的描述，其中块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤上下文中描述的方面也表示对相应块或项或者相应装置的特征的描述。
本发明的各种元件和特征可以以使用模拟和/或数字电路的硬件、软件、通过一个或多个通用或专用处理器执行指令、或者作为硬件和软件的组合来实现。例如，本发明的实施例可以在计算机系统或另一处理系统的环境中实现。图5示出了计算机系统600的示例。可以在一个或多个计算机系统600上执行这些单元或模块以及由这些单元执行的方法的步骤。计算机系统600包括一个或多个处理器602，如专用或通用数字信号处理器。处理器602连接到通信基础设施604，如总线或网络。计算机系统600包括：主存储器606，例如随机存取存储器(RAM)；以及辅助存储器608，例如硬盘驱动器和/或可移动存储驱动器。辅助存储器608可以允许将计算机程序或其他指令加载到计算机系统600中。计算机系统600还可以包括通信接口610，以允许软件和数据在计算机系统600和外部设备之间传输。通信可以是电、电磁、光或能够由通信接口处理的其他信号的形式。通信可以使用电线或电缆、光纤、电话线、蜂窝电话链路、RF链路和其他通信信道 612。
术语“计算机程序介质”和“计算机可读介质”通常用于指代有形存储介质，例如可移动存储单元或安装在硬盘驱动器中的硬盘。这些计算机程序产品是用于向计算机系统600提供软件的装置。计算机程序也被称为计算机控制逻辑，被存储在主存储器606和/或辅助存储器608中。也可以经由通信接口610接收计算机程序。计算机程序在被执行时使计算机系统600能够实现本发明。特别地，计算机程序在被执行时使处理器602能够实现本发明的过程，例如本文所述的任何方法。因此，这样的计算机程序可以代表计算机系统600的控制器。在使用软件实现本公开的情况下，软件可以存储在计算机程序产品中并使用可移动存储驱动器、接口(如通信接口610)加载到计算机系统600中。
可以使用数字存储介质来执行硬件中或软件中的实现方式，数字存储介质例如云存储、软盘、DVD、蓝光、CD、ROM、PROM、EPROM、 EEPROM或FLASH存储器，其上存储有电子可读控制信号，其与可编程计算机系统协作(或能够与之协作)，从而执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。
根据本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，其能够与可编程计算机系统协作以便执行本文所述的方法之一。
通常，本发明的实施例可以实现为具有程序代码的计算机程序产品，该程序代码可操作用于在计算机程序产品在计算机上运行时执行这些方法之一。程序代码可以例如存储在机器可读载体上。
其他实施例包括存储在机器可读载体上的计算机程序，该计算机程序用于执行本文所述的方法之一。换言之，本发明方法的实施例因此是具有程序代码的计算机程序，该程序代码用于在计算机程序在计算机上运行时执行本文所述的方法之一。
因此，本发明方法的另一实施例是其上记录有计算机程序的数据载体(或者数字存储介质或计算机可读介质)，该计算机程序用于执行本文所述的方法之一。因此，本发明方法的另一实施例是表示计算机程序的数据流或信号序列，所述计算机程序用于执行本文所述的方法之一。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信连接(例如，经由互联网)传送。另一实施例包括处理装置，例如，计算机或可编程逻辑器件，所述处理装置被配置为或适于执行本文所述的方法之一。另一实施例包括其上安装有计算机程序的计算机，该计算机程序用于执行本文所述的方法之一。
在一些实施例中，可编程逻辑器件(例如，现场可编程门阵列) 可以用于执行本文所述的方法的功能中的一些或全部。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作以执行本文所述的方法之一。通常，方法优选地由任意硬件装置来执行。
上述实施例对于本发明的原理仅是说明性的。应当理解的是，本文所述的布置和细节的修改和变形对于本领域其他技术人员将是显而易见的。因此，旨在仅由所附专利权利要求的范围来限制而不是由借助对本文的实施例的描述和解释所给出的具体细节来限制。
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Claims (24)

1.一种用于向无线通信网络的接收机(BS)发送数据的发射机(UE)，所述无线通信网络包括多个资源元素，所述多个资源元素的至少一子集由多个发射机(UE)共享，以用于从所述多个发射机(UE)向接收机(BS)发送数据，所述发射机(UE)包括：
至少一个天线，
编码器，被配置为：
接收要发送给所述无线通信网络的接收机(BS)的数据元素，以及
将所述数据元素映射到码字，所述码字是通过从唯一向量集合中选择至少一个向量而获得的，所述唯一向量集合被专有地分配给发射机(UE)，每个向量包括多个符号，每个符号通过所述无线通信网络的资源元素进行发送，以及
收发机，耦接到所述编码器和所述天线，所述收发机被配置为经由所述天线在资源元素的子集上发送码字，所述码字表示所述数据元素并且在所述接收机(BS)处标识所述发射机，
其中，所述编码器被配置为通过从所述唯一向量集合中选择并线性组合多个向量来获得所述码字。
2.根据权利要求1所述的发射机(UE)，其中
所述编码器被配置为：
接收包括要发送给所述接收机(BS)的多个数据元素的数据流，以及
将每个数据元素映射到相应码字。
3.根据权利要求1所述的发射机(UE)，包括：
存储设备，被配置为存储所述唯一向量集合，
其中，响应于要发送的所述码字，所述编码器被配置为从所述存储设备中选择一个或多个向量。
4.根据权利要求1所述的发射机(UE)，其中
所述多个向量的组合包括在所述唯一向量集合中提供的向量的子集。
5.根据权利要求4所述的发射机，其中，
所述子集中的向量的数量取决于传输速率，并且
所述传输速率由所述接收机(BS)依据所述无线通信网络中的活动发射机(UE)的数量来设置。
6.根据权利要求1所述的发射机(UE)，其中
在没有数据要发送的情况下，所述编码器被配置为使用预定义的向量或生成预定义的向量组合，其中，所述无线通信网络中的所有发射机(UE)在没有数据要发送的情况下都发送相同的预定义的向量或向量组合。
7.根据权利要求6所述的发射机(UE)，其中，
所述预定义的向量或预定义的向量组合包括一个或多个全零向量。
8.根据权利要求1所述的发射机(UE)，其中
所述发射机(UE)被配置为在建立或重新建立与所述无线通信网络的连接时向所述无线通信网络注册，响应于所述注册，所述发射机(UE)接收指示共享资源的信息。
9.根据权利要求1所述的发射机(UE)，其中
所述发射机(UE)具有指示共享资源的信息，并且所述发射机(UE)在建立或重新建立与所述无线通信网络的连接时接入所述无线通信网络，而无需执行注册过程。
10.一种用于从无线通信网络的多个发射机(UE)接收数据的接收机(BS)，所述无线通信网络包括多个资源元素，所述多个资源元素的至少一子集被提供为由多个发射机(UE)共享，以用于从所述多个发射机(UE)向所述接收机(BS)发送数据，所述接收机(BS)包括：
至少一个天线，
耦接到所述天线的收发机，所述收发机被配置为经由所述天线在资源元素的所述子集上接收接收信号，所述接收信号包括来自多个发射机(UE)的多个向量，每个向量包括多个符号，每个符号通过所述无线通信网络的资源元素进行发送，以及
解码器，被耦接到所述收发机，所述解码器被配置为：
从所述接收信号中获得所述多个向量，向量表示来自特定发射机(UE)的码字，所述向量是从专有地分配给所述特定发射机(UE)的唯一向量集合中选择的，所述多个发射机(UE)的所述唯一向量集合在所述接收机(BS)处是已知的，以及
基于所述多个发射机(UE)的已知的唯一向量集合，将所述码字解映射到与相应发射机(UE)相关联的数据元素，
其中，来自所述多个发射机的一个或多个码字是来自所述唯一向量集合的多个向量的线性组合。
11.根据权利要求10所述的接收机(BS)，被配置用于与根据权利要求1所述的多个发射机进行无线通信。
12.根据权利要求10所述的接收机(BS)，其中
所述解码器被配置为：响应于预定义的向量或预定义的向量组合，识别不发送数据的不活动发射机，其中，在没有数据要发送的情况下，所述无线通信网络中的所有发射机(UE)都使用相同的预定义的向量或向量组合。
13.根据权利要求10所述的接收机(BS)，包括：
信道估计器，用于估计所述发射机与所述接收机之间的无线电信道的状态，
其中，所述信道估计器被配置为在特定信道模型的假设下，如具有附加噪声的块衰落的假设下，根据接收到的向量来估计信道系数。
14.根据权利要求10所述的接收机(BS)，其中
所述解码器被配置为：从所述多个发射机中识别发送数据的多个活动发射机和不发送数据的多个不活动发射机，并设置用于从所述活动发射机向所述接收机发送数据的传输速率，以及
所述收发机被配置为经由所述天线发信号通知所述传输速率，响应于发信号通知的传输速率，所述活动发射机设置要被线性组合的多个向量。
15.根据权利要求14所述的接收机(BS)，其中
要被线性组合的所述多个向量仅包括来自所述唯一向量集合中的一个向量。
16.根据权利要求10所述的接收机(BS)，其中
所述发射机(UE)被配置为：在建立或重新建立与所述无线通信网络的连接时，向所述无线通信网络进行注册，所述接收机(BS)被配置为仅使用向所述无线通信网络注册的这些发射机(UE)的所述唯一向量集合。
17.根据权利要求10所述的接收机(BS)，其中
所述发射机(UE)中的一个或多个发射机已经与激活模式相关联，所述激活模式指示所述发射机(UE)在预定时间段内的激活概率，并且
为了所述解映射，接收机(BS)被配置为：从最高概率开始，根据所述发射机(UE)的激活概率来访问所述唯一向量集合。
18.一种无线通信网络，包括：
根据权利要求1所述的多个发射机，以及
根据权利要求10所述的接收机，
其中，来自所述多个发射机的信号被复用并通过所述无线通信网络的共享资源发送给发射机。
19.根据权利要求18所述的无线通信网络，其中，所述接收机是移动终端、IoT设备或所述无线通信网络的基站，并且其中，所述发射机是移动终端、IoT设备、或所述无线通信网络的基站。
20.根据权利要求18所述的通信网络，使用基于IFFT(快速傅里叶逆变换)的信号，其中所述基于IFFT的信号包括具有CP的OFDM、具有CP的DFT-s-OFDM、不具有CP的基于IFFT的波形、f-OFDM、FBMC、GFDM或UFMC。
21.一种用于对数据元素进行编码的装置，所述数据元素从无线通信网络的发射机(UE)发送到接收机(BS)，所述无线通信网络包括多个资源元素，所述多个资源元素的至少一子集由多个发射机(UE)共享，以用于从所述多个发射机(UE)向所述接收机(BS)发送数据，所述装置包括：
存储设备，保存唯一向量集合，所述唯一向量集合被专有地分配给所述发射机(UE)，每个向量包括多个符号，每个符号将通过所述无线通信网络的资源元素进行发送，以及
编码器，用于形成表示要发送的数据元素的码字，每个码字由从所述唯一向量集合中选择的向量或向量的线性组合来定义，
其中，所述编码器被配置为通过从所述唯一向量集合中选择并线性组合多个向量来获得所述码字。
22.一种用于从无线通信网络的发射机(UE)向接收机(BS)发送数据的方法，所述无线通信网络包括多个资源元素，所述多个资源元素的至少一子集由多个发射机(UE)共享，以用于从所述多个发射机(UE)向所述接收机(BS)发送数据，所述方法包括：
接收要发送给所述无线通信网络的接收机(BS)的数据元素，
将所述数据元素映射到码字，所述码字是通过从唯一向量集合中选择至少一个向量而获得的，所述唯一向量集合被专有地分配给所述发射机(UE)，每个向量包括多个符号，每个符号通过所述无线通信网络的资源元素进行发送，以及
在资源元素的所述子集上发送所述码字，所述码字表示所述数据元素并在所述接收机(BS)处标识所述发射机，
其中，通过从所述唯一向量集合中选择并线性组合多个向量来获得所述码字。
23.一种用于在无线通信网络的接收机(BS)处从多个发射机(UE)接收数据的方法，所述无线通信网络包括多个资源元素，所述多个资源元素的至少一子集由多个发射机(UE)共享，以用于从所述多个发射机(UE)向所述接收机(BS)发送数据，所述方法包括：
在资源元素的所述子集上接收接收信号，所述接收信号包括来自由所述接收机(BS)服务的多个发射机(UE)的多个向量，每个向量包括多个符号，每个符号通过所述无线通信网络的资源元素进行发送，
从所述接收信号中获得所述多个向量，向量表示来自特定发射机的码字，所述向量是从专有地分配给所述特定发射机(UE)的唯一向量集合中选择的，所述多个发射机(UE)的所述唯一向量集合在所述接收机(BS)处是已知的，以及
基于所述多个发射机(UE)的已知的唯一向量集合，将所述码字解映射到与相应发射机(UE)相关联的数据元素，
其中，通过从所述唯一向量集合中选择并线性组合多个向量来获得所述码字。
24.一种存储有指令的计算机可读介质，所述指令当在计算机上执行时，执行根据权利要求22或23所述的方法。
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