CN111565467A - 一种noma系统中基于时间反演的干扰消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法，包括：用户端向发送端发送探测信号；发送端接收探测信号后对该信号进行解析，确定探测信号的信道状态信息；根据信道状态信息得到信道冲激响应；对信道冲激响应进行时间反演操作；对经过时间反演处理的信号进行信道签名；将签名的信号进行功率分配以及线性叠加处理，并发送给用户端；用户端采用MMSE信号检测技术对发送端发送的信号进行解码，得到消除干扰的信号；本发明在信号发送端对用户发送的信号进行时间反演处理，加强信号的聚焦性，使得接收端在对信号进行解码时，降低了信号的干扰。

Description

一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法。

背景技术

近年来，随着同时移动无线通信技术的发展，频谱资源变得越来越紧张，而高频段频谱资源未得到开发。为了满足人们日益快速增长的移动业务需求，专家学者们开始研究既能满足用户业务体验的需求，又能进一步提升频谱效率的新一代移动通信技术。在这种背景下业界日本学者提出了非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)技术，其核心思想是在发射端采用线性叠加编码技术，接收端采用串行干扰消除(SerialInterference Cancellation，SIC)技术消除干扰用户的信号。在发射端，多个用户的信号被分配不同的功率因子并将其线性叠加为一个信号发送，在接收端，利用SIC的方式消除用户间干扰，实现多用户信号的正确解码，可以更高效地利用时频资源。当前研究显示采用NOMA技术作为多址技术的通信系统可以提升大约50％的系统吞吐量。与此同时，研究人员已经开始寻求更创新、更高效的通信技术，以满足5G无线通信系统对数据流量的日益增长的需求，同时具备先进的信号处理能力。预计在未来几年内，95％的数据流量将来自室内场所。与室外传播相比，室内环境下的无线媒体往往表现出更丰富的多路径传播，，这使得5G室内通信设计更具挑战性。

由于NOMA本身具有诸多优点，因而受到学术界广泛的关注，并且在很多技术层面上取得了较大的突破，但是由于NOMA在发送端引入多址干扰，因此在接收端会形成干扰问题；而SIC接收机复杂度过高是NOMA技术应用到实际的瓶颈，而且在多径室内环境下，这使得SIC技术更加难以实现；因此急需一种在NOMA接收端消除干扰的方法。

发明内容

为解决以上现有技术的问题，本发明提出了一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法，该方法包括：用户端向发送端发送探测信号；发送端接收探测信号后对该信号进行解析，确定探测信号的信道状态信息；根据信道状态信息得到信道冲激响应；对信道冲激响应进行时间反演操作；对经过时间反演处理的信号进行信道签名；将签名的信号进行功率分配以及线性叠加处理，将处理后的信号发送给用户端；用户端采用MMSE信号检测技术对发送端发送的信号进行解码，得到消除干扰的信号。

优选的，用户端包括近端用户和远端用户，远端用户和近端用户分别向发送端发送探测信号，其中远端用户发送的探测信号分配的功率小，近端用户分配的功率大。

优选的，用导频信号进行信道探测，获取信道冲激响应：

优选的，两个信号冲激响应的时间反演的过程包括：近端用户：x₁'[k]＝(x₁*g₁)[k]；远端用户：x₂'[k]＝(x₂*g₂)[k]。

优选的，将经过时间反演处理的信号进行信道签名的过程包括：

优选的，将签名的信号进行功率分配以及线性叠加处理的过程包括：

优选的，用户端接收到的信号的为：y_i'[k]＝x'[k]*h_i[k]+w_i[k](i＝1,2)。

优选的，采用MMSE信号检测技术对发送端发送的信号进行解码的过程包括：

步骤1：采用MMSE信号检测技术检测远端用户接收的信号，得到初始信号；

步骤2：对初始信号进行归一化处理，得到远端用户接收的解码信号；

步骤3：采用相同的方法处理近端用户接收的信号，得到近端用户接收的解码信号。

优选的，得到初始信号的公式为：

W_mmse＝(h₁ ^Hh₁+N₁I)^-1h₁ ^T

优选的，通过归一化处理得到远端用户和近端用户接收的解码信号为：

归一化处理得到近端用户的解码信号为：

归一化处理得到远端用户的解码信号为：

本发明在信号发送端对用户发送的信号进行时间反演处理，加强信号的聚焦性，使得接收端在对信号进行解码时，降低了信号的干扰；本发明种在接收端对信号进行解码过程中采用MMSE信号检测技术，降低了信号的干扰。

附图说明

图1为本发明的下行链路TR-NOMA系统模型图；

图2为本发明下行链路NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法实施流程图；

图3为本发明与现有方案误比特率随信噪比变化的仿真对比图；

图4为本发明与现有方案系统容量随信噪比变得仿真对比图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，针对室内多径环境下NOMA系统中的接收端复杂度高的问题，利用时间反演技术特有的“空时聚焦特性”削弱甚至消除用户间干扰代替串行干扰消除技术。提出了一种基于时间反演的NOMA传输方案，在保证性能的前提下，降低了系统的复杂度。方法设计思路为：多径室内信道模型中，两用户的期望信号发射之前先通过时间反演腔，同时经过功率分配，叠加发送，在用户接收端有聚焦效果，达到干扰性消除的目的。

所提的上述方法中的下行两用户NOMA系统中，包括一个基站，两个用户，均配备单天线。根据两个用户的位置差异性，假设信道相互独立，在无线通信信道环境中，电磁波经过反射、折射、散射等多条路径传播到达接收机后，总信号的强度服从瑞利分布。

一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法，如图2所示，该方法包括：用户端向发送端发送探测信号；发送端接收探测信号后对该信号进行解析，确定探测信号的信道状态信息；根据信道状态信息得到信道冲激响应；对信道冲激响应进行时间反演操作；对经过时间反演处理的信号进行信道签名；将签名的信号进行功率分配以及线性叠加处理，将处理后的信号发送给用户端；用户端采用MMSE信号检测技术对发送端发送的信号进行解码，得到消除干扰的信号。

其中，NOMA表示非正交多址，MMSE表示最小均方误差。

所述对发送端接收探测信号后对该信号进行解析的过程包括：接收端发送一个已知的探测信号p(t)，通过信道h(t)到达发送端，发送端对探测信号进行解析，即y(t)＝p(t)*h(t)；当探测信号p(t)与解析后的信号y(t)已知时，根据解析公式可以检测出信道h(t)，从而确定信道的状态，其中，*表示卷积。

所述用户端向发送端发送探测信号过程中，在下行链路NOMA系统中，一个基站设置有两个用户，分别为远端用户和近端用户，两个用户分别向发送端发送一个探测信号，而发送端接收并记录发射的探测信号，并根据探测信号分析两个信道状态信息；发送端根据信道状态信息得出信道冲激响应，对信道冲激响应进行时间反演操作。

发送端给两个用户发送的信号x₁、x₂，基站发射功率为p。该模型包含三部分:基站(发送端)、远端用户(UE_f)、近端用户(UE_n)，且信道之间相互独立；在接收端，为了提升用户之间的公平性，UE_n的信道条件较好(近端用户)为其分配较小的信号功率p₁，UE_f的信道条件较差(远端用户)分配较大的信号功率p₂；在接收端，利用时间反演在多径室内环境下具有明显的聚焦效应。最后分别解调近端用户、远端用户的接收信号。假设p＝p₁+p₂，发送端和用户均配备一根天线。

发送端给两个用户发送的信号x₁、x₂分别先经过时间反演(TR)预滤波后，再编码线性叠加为一个信号调制发送。

通过探测信号求得发送端与远端、近端用户之间的信道冲激响应(channelimpulse response,CIR)可通过信道估计获得，信道冲激响应为：

其中，L表示可识别多径条数，σ_i,l、τ_i,l分别表示发送天线到接收端接收天线i的第l个抽头的幅度与时延；h_i[k]表示循环对称高斯随机变量，k表示离散信号，l表示抽头的编号，δ[.]表示单位冲激信号。

h_i[k]满足E[|h_i[k]|]＝0，

其中，E[|.|]表示信道冲激响应的均值，T_s为系统采样周期，σ_T为信道均方根延迟扩展。

信道冲激响应h_i经TR处理和归一化后进行签名得到信道签名g_i，每一个分量记为g_i[k]，并储存在时间反演镜(TRM)里，其表达式为：

其中，g_i[k]表示第i个用户到基站归一化时间反演波形即信道签名；h_i[l]表示第i个用户到基站具有长度l的信道延迟分布响应；

表示第i个用户发送的符号序列{X(k)}到基站的信道延迟分布响应(共轭表示此值为复数的情况)；L表示信道长度，式中

表示共轭，||·||表示Frobenius范数定义，Frobenius表示弗罗贝纽斯范数；其中Frobenius范数定义表达式为：

在发送端得到两个经过时间反演处理信号分别为：

近端用户：

x₁'[k]＝(x₁*g₁)[k]

远端用户：

x₂'[k]＝(x₂*g₂)[k]

其中，x₁'[k]表示近端用户通过时间反演处理的调制信号，x₁表示近端用户的调制信号，g₁表示近端用户信道的反转信道，k表示离散信号，x₂表示远端用户的调制信号，g₂表示远端用户信道的反转信道，x₂'[k]表示远端用户通过时间反演处理的调制信号。

根据得到的时间反演信号，进行固定功率分配(fixed power allocation，FPA)，其固定功率分配过程包括：根据两个用户端发送的信号分别计算两个用户端发送信号的等效信道增益，将两个用户的等效信道增益按照降序排列，设置功率分配的递归因子，利用迭代的思想为两个用户分配功率，等效信道增益越小的用户，分配的功率越大；再采用线性叠加法将两个用户的信号进行叠加，并将叠加后的信号发送给信道。

得到的发送信号经过编码后的叠加信号记为：

将发送的信号通过瑞利信道，在接收端使用MMSE信号检测，得到接收信号。

用户接收信号分别为：

y_i'[k]＝x'[k]*h_i[k]+w_i[k](i＝1,2)

其中，h_i表示用i的信道冲激响，y_i'[k]表示用户接受信号，k表示离散信号，x'pk]表示基站的发送信号，h_i[k]表示用户的信道，w_i[k]表示高斯白噪声。其中噪声的功率谱密度设为N_0,i。

分别将用户1(远端用户),用户2(近端用户)接收信号进行展开，对接收信号进行数学分析，现对其做进一步的展开。

对于接收用户，接收信号表示为

1)远端用户(用户1)的检测

经过无线信道，用户1的接收信号为：

y₁[k]＝x'[k]*h₁[k]+w₁[k]

其中，h₁[k]为信道矩阵，w₁[k]为用户1的接入高斯白噪声。

用户1检测算法如下：

步骤1：采用MMSE信号检测技术检测远端用户发送的信号，得到初始信号；

初始信号公式为：

W_mmse＝(h₁ ^Hh₁+N₁I)^-1h₁ ^H

其中，W_mmse表示目标矩阵，h₁ ^H表示近端用户的信道矩阵的共轭转置矩阵，h₁表示近端用户的信道矩阵，N₁表示近端用户接入的高斯白噪声，I表示单位矩阵，H表示共轭转置，y₁[k]表示近端用户的接收信号，k表示离散信号，h₁[k]表示信道矩阵，

表示近端用户时间反演信号分配的功率，s₁[k]表示近端用户通过时间反演处理的调制信号，

表示远端用户时间反演信号分配的功率，s₂[k]表示远端用户通过时间反演处理的调制信号，w₁[k]表示用户端接入的高斯白噪声。

步骤2：对初始信号进行归一化处理，得到远端用户接收的解码信号；近端用户的解码信号为：

其中，

表示远端用户的解码信号，

表示接收端接收的初始信号，

表示近端用户时间反演信号分配的功率。

2)近端用户(用户2)检测

同理经过无线信道，用户2的接收信号为：

其中，

表示远端用户时间反演信号分配的功率，

表示近端用户的解码信号。

本发明采用多用户SISO的下行链路信道模型，，其中SISO表示单入单出系统；在多径室内环境下，所提TR-NOMA方案与现有的SIC-NOMA方案进行比较。仿真中，信道均服从多径瑞利衰落信道，从两个方面验证了本发明的优势。

仿真结果如图3和图4所示.

图3是在室内多径环境，带宽设计为500MHZ，总功率为10db，误比特率随信噪比变化的仿真结果，发射天线与接收天线均设置为1根，用户数设置为2个。仿真结果从10000次独立的蒙特卡洛仿真取平均得到，系统两用户均采用QPSK调制。图中从左往右看，四条曲线的误比特率随信噪比增加都逐渐减小，从上往下看，第一条曲线是近端接收端采用SIC接收机误比特率，第二条曲线是近端用户采用TR技术下的误比特率，第三条曲线是传统的NOMA系统，远端用户直接采用最大似然译码解调的误比特率，第四条曲线是远端用户信号在发送端做了TR处理的误比特率。相同条件下近端用户、远端用户TR-NOMA的误比特率始终低于SIC-NOMA，不仅降低了系统的复杂度，而且提升了系统性能。图中分别代表近端、远端的P1，P2功率分配因子。

图4和图3的参数设置一样。系统的吞吐量随着信噪比变化的仿真结果，相同条件下，TR-NOMA的系统吞吐量相比于现有的方案也有小幅度提升。

本发明针对在多径室内环境下，现有的NOMA技术中接收端使用串行干扰技术复杂度过高问题，提出了一种低复杂度的TR-NOMA方案，在保证系统性能的前提下，降低了系统复杂度。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法，其特征在于，包括：用户端向发送端发送探测信号；发送端接收探测信号后对该信号进行解析，确定探测信号的信道状态信息；根据信道状态信息得到信道冲激响应；对信道冲激响应进行时间反演处理；对经过时间反演处理的信号进行信道签名；将签名的信号进行功率分配以及线性叠加处理，将处理后的信号发送给用户端；用户端采用MMSE信号检测技术对发送端发送的信号进行解码，得到消除干扰的信号；

其中，NOMA表示非正交多址，MMSE表示最小均方误差。

2.根据权利要求1所述的一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法，其特征在于，用户端包括近端用户和远端用户，远端用户和近端用户分别向发送端发送探测信号，其中远端用户发送的探测信号分配的功率小，近端用户分配的功率大。

3.根据权利要求1所述的一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法，其特征在于，用导频信号进行信道探测，获取信道冲激响应：

其中，L表示可识别多径条数，σ_i,l、τ_i,l分别表示发送天线到接收端接收天线i的第l个抽头的幅度与时延，h_i[k]表示循环对称高斯随机变量，k表示离散信号，l表示抽头的编号，δ[.]表示单位冲激信号。

4.根据权利要求1所述的一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法，其特征在于，所述将经过时间反演处理的信号进行信道签名的过程包括：

其中，g_i[k]表示第i个用户到基站归一化时间反演波形即信道签名，h_i[l]表示第i个用户到基站具有长度l的信道延迟分布响应，

表示第i个用户发送的符号序列到发送端的信道延迟分布响应，k表示离散信号，L表示信道长度，式中

表示共轭，||·||表示Frobenius范数定义，Frobenius表示弗罗贝纽斯范数。

5.据权利要求1所述的一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法，其特征在于，两个信号冲激响应的时间反演的过程包括：

近端用户：

x₁'[k]＝(x₁*g₁)[k]

远端用户：

x₂'[k]＝(x₂*g₂)[k]

其中，x₁'[k]表示近端用户通过时间反演处理的调制信号，x₁表示近端用户的调制信号，g₁表示近端用户信道的反转信道，k表示离散信号，x₂表示远端用户的调制信号，g₂表示远端用户信道的反转信道，x₂'[k]表示远端用户通过时间反演处理的调制信号。

6.根据权利要求1所述的一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法，其特征在于，所述将签名的信号进行功率分配以及线性叠加处理的过程包括：

其中，x'[k]表示基站的发送信号，k表示离散信号，

表示近端用户时间反演信号分配的功率，x₁'[k]表示给近端用户发送的时间反演信号，

表示远端用户时间反演信号分配的功率，x₂'[k]表示给远端用户发送的时间反演信号。

7.根据权利要求1所述的一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法，其特征在于，用户端接收到的信号的为：

y_i'[k]＝x'[k]*h_i[k]+w_i[k](i＝1,2)

其中，y_i'[k]表示用户接受信号，k表示离散信号，x'[k]表示基站的发送信号，h_i[k]表示用户的信道，w_i[k]表示高斯白噪声。

8.根据权利要求1所述的一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法，其特征在于，采用MMSE信号检测技术对发送端发送的信号进行解码的过程包括：

步骤1：采用MMSE信号检测技术检测远端用户接收的信号，得到初始信号；

步骤2：对初始信号进行归一化处理，得到远端用户接收的解码信号；

步骤3：采用相同的方法处理近端用户接收的信号，得到近端用户接收的解码信号。

9.根据权利要求8所述的一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法，其特征在于，得到初始信号的公式为：

W_mmse＝(h₁ ^Hh₁+N₁I)^-1h₁ ^H

其中，W_mmse表示目标矩阵，h₁ ^H表示近端用户的信道矩阵的共轭转置矩阵，h₁表示近端用户的信道矩阵，N₁表示近端用户接入的高斯白噪声，I表示单位矩阵，H表示共轭转置，y₁[k]表示近端用户的接收信号，k表示离散信号，h₁[k]表示信道矩阵，

表示近端用户时间反演信号分配的功率，s₁[k]表示近端用户通过时间反演处理的调制信号，

表示远端用户时间反演信号分配的功率，s₂[k]表示远端用户通过时间反演处理的调制信号，w₁[k]表示用户端接入的高斯白噪声。

10.根据权利要求8所述的一种NOMA系统中基于时间反演的干扰消除方法，其特征在于，通过归一化处理得到远端用户和近端用户接收的解码信号为：

归一化处理得到近端用户的解码信号为：

归一化处理得到远端用户的解码信号为：

其中，

表示远端用户的解码信号，

表示接收端接收的初始信号，

表示近端用户时间反演信号分配的功率，

表示远端用户时间反演信号分配的功率，

表示近端用户的解码信号。

Images