CN111600826A

CN111600826A - 通信网络中一种非正交的接入-传输通信方法

Info

Publication number: CN111600826A
Application number: CN202010506073.3A
Authority: CN
Inventors: 贾敏; 高琦凌; 郭庆; 顾学迈; 刘晓锋
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2020-08-28

Abstract

通信网络中一种非正交的接入‑传输通信方法，涉及信息与通信技术领域，是为了在通信过程中提升信号误码率性能、充分利用频谱资源，本发明通过采用功率域NOMA接入技术与多载波传输技术的结合，通过NOMA技术可以实现在一定频带资源下容纳用户数量的提升，非正交多载波传输技术通过压缩载波间间隔实现相同传输速率下频谱利用效率的提升，充分利用现有频谱资源，获得更好的系统性能，通过采用接收端干扰消除方法，可以克服系统在主动引入干扰的情况下的性能恶化问题，深入考虑了串行迭代干扰消除方法，考虑接收信号受到载波间干扰及用户间干扰的影响，进一步分析该干扰消除方法的性能，该干扰消除方法对干扰由较好的抑制作用，同时在实现复杂度上优于其他方法。

Description

通信网络中一种非正交的接入-传输通信方法

技术领域

本发明涉及信息与通信技术领域，具体涉及通信网络中的一种非正交接入与非正交传输的接入及干扰消除方法。

背景技术

现行通信网络中，移动用户数量增长快速，为解决接入用户数量巨大问题，获得更高的频谱利用效率，非正交多址技术(non-orthogonal multiple access,NOMA)已经成为未来移动通信网络的一个关键技术，在NOMA技术中，分配给多个用户的资源块不再满足传统的正交特性，如时隙正交，码字正交等，而是多个用户共享同一资源块，在非正交接入技术中，主要包括功率域非正交接入及码域非正交接入，功率域非正交接入技术要求多用户在同频带同时隙传输，通过接入功率不同对多用户加以区分，可以实现在同等频谱资源条件下更大的用户接入数量，NOMA通过主动引入干扰的方式增加频谱利用效率，在接收端，为解决多用户信息间的干扰问题，采用串行干扰消除方法(successive interferencecancellation,SIC)，相比于其他非正交接入技术，如稀疏码分多址技术等，功率域非正交的优势主要有：第一，实现原理简单，串行干扰消除技术对接收机运算复杂度要求较低，对低信噪比灵敏度要求较高；第二，功率域非正交技术不受限于带宽条件，能够更好的融合宽窄带通信技术手段；第三，通过用户分组、功率分配等手段，NOMA技术具有较大的可扩展性。

同时，在多载波传输技术领域中，正交子载波传输技术(orthogonal frequencydivision,OFDM)可以实现更高的频谱利用效率及信息传输速率，而在此技术基础上发展的高效频分复用技术(spectrally efficiency frequency division multiplexing,SEFDM)通过压缩子载波间的间隔，使相邻子载波不再满足正交性，因此可以进一步提升传输过程中的频带利用效率，但是却引入了较高的子载波见干扰，相邻子载波上的数据干扰严重，这些干扰问题可以通过接收端的接收机设计及相应解调方法加以抑制。

结合非正交接入与非正交传输技术，可以结合两种技术手段的优势，进一步提升系统的频带效率及用户容量，满足未来通信网络需求，但是两种技术的结合将在一些方面带来挑战，包括主动引入的用户间干扰以及子载波间干扰造成的信号恢复困难，以及非正交接入时分配的功率差异带来的用户性能损失。这将给系统的实际应用带来极大的困难及挑战。

发明内容

针对上述问题及挑战，以及为了同时提升信号误码率性能\充分利用频谱资源，从而提供一种通信网络中一种非正交的接入-传输通信方法。

通信网络中一种非正交的接入-传输通信方法，它的信号发射方法具体为：

步骤一、逐一对每个用户原始信息进行比特调制，然后根据每个用户的信道状况差异为其分配相应的功率矩阵，在发射功率确定的情况下进行多用户信息的叠加编码；

步骤二、将步骤一获得的叠加编码进行傅里叶逆变换，其中：若傅里叶逆变换点数K大于数据个数N，则进行傅里叶逆变换；否则进行补零操作，即：如要完成K点IFFT，而数据点数为N，则需要对数据尾端补(K-N)个零值；K、N均为正整数；

步骤三、将步骤二进行K点IFFT后的信号进行并串转换后发送至信道，接收端对接收信号做傅里叶变化，对信号进行时—频恢复；

它的信号接收方法具体为：

步骤四、接收端从信道接收发射端发送的信号，将接收信号行做K点傅里叶变换，对接收信号进行时—频恢复，获得频域信号；

步骤五、将步骤四获得的频域信号进行并\串转换及干扰消除处理，获得干扰消除处理后的信号；

步骤六、对步骤五获得的干扰消除处理后的信号进行比特解调，获得每个用户的原始信息，完成一次通信网络中一种非正交的接入-传输通信。

本发明的有益效果在于，本发明针对通信网络中的频谱资源短缺问题，给出了一种接入传输非正交的通信体制，本发明通过采用功率域NOMA接入技术与多载波传输技术的结合，通过NOMA技术可以实现在一定频带资源下容纳用户数量的提升，非正交多载波传输技术通过压缩载波间间隔实现相同传输速率下频谱利用效率的提升，充分利用现有频谱资源，获得更好的系统性能，通过采用接收端干扰消除方法，可以克服系统在主动引入干扰的情况下的性能恶化问题，深入考虑了串行迭代干扰消除方法，考虑接收信号受到载波间干扰及用户间干扰的影响，进一步分析该干扰消除方法的性能，该干扰消除方法对干扰由较好的抑制作用，同时在实现复杂度上优于其他方法。

附图说明

图1是本发明考虑的系统模型示意图；

图2是系统实施原理框图；

图3是不同接入传输技术的容纳用户数对比示意图；

图4是用户容量随压缩因子变化情况对比示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、本发明的一种认知无线电网络中的一种非正交接入传输技术以及接收端干扰消除方法，所述方法包括如下步骤：

S1、根据用户地理位置，信道状况等对用户进行分组；

S2、组内根据用户需求及信道状况将总功率区别分配给多个用户，多用户信息在功率域叠加编码；

S3、用户信息通过非正交的子载波传输；子载波间隔由符号持续周期及压缩因子决定；

S4、接收到的信号经一定方法消除主要干扰后，信号形式为NOMA叠加信号形式，包含两用户信息，经SIC干扰消除及比特译码后即可得到用户实际信息。

首先，检测高功率用户信号，此时将低功率用户信号当作干扰，检测完成后，将NOMA叠加信号中的高功率信号剔除掉；然后，检测剩余用户信号。

该系统中的系统容量将实现较大的提升，多用户信号经过子载波映射后可以表示为：

其中，相邻子载波间的间隔可以表示为

α代表频带压缩因子，可以表示子载波距离的压缩幅度，T表示信号持续周期，经过数字采样后的结果表示为：

其中，N代表频带内的子载波个数，S_k,n代表映射在n^th子载波上的k^th叠加信号，T代表传输的符号周期，经过周期为T/N的采样后，信号可以进一步表示为：

其中，上式可以表示为：

式中，

代表K点IFFT矩阵，矩阵内元素值等于

p＝[p₁,p₂,…,p_m]代表用户获得的功率分配因子，多用户信息矩阵可以表示为：

经过子载波映射以及数据舍弃后，发送信号可以表示为：

其中，Ω{·}表示取数据的前N个值。

接收端的接收信号可以表示为：

y(t)＝x(t)+n(t) (7)

其中，n(t)代表时域高斯白噪声，均值为0，方差为

傅里叶变换后的结果可以表示为：

Y′＝CS+N (8)

其中，S是经过叠加编码后的多用户信号，C是一个N×N维矩阵，代表子载波间干扰，其中矩阵C可以被表示为

矩阵C中的p行q列元素可以表示为：

经过子载波映射的接收信号可以表示为：

式中包含多用户的叠加信息，其中，Ω(·)表示前N个有用数据。

附图说明

图1是本发明考虑的系统模型图，图2是系统实施原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

结合图1说明本实施方式，本实施方式中一种卫星地面通信网络中的非正交接入与传输的通信方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一、多用户信息经过比特调制后，根据信道状况差异分配一定的功率矩阵，在发射功率确定的情况下进行多用户信息的叠加编码，

其中，m表示功率域接入的用户个数，h_i为第i个用户的信道信息，p_i为第i个用户对应分配的发射功率，s_i表示第i个用户的发送信号，S表示多用户信息的最终叠加形式。

步骤二、待发送信号经串并转换后做傅里叶逆变换，其中傅里叶逆变换点数大于数据个数，如要完成K点IFFT，数据点数为N，则需要对数据尾端补(K-N)个零值。

步骤三、发送信号经过信道后，接收端对接收信号做傅里叶变化，对信号进行时—频恢复。

步骤四、将步骤三中经过时—频恢复的信号进行干扰消除。

a)规定步骤三中信号为R，矩阵e为单位矩阵，矩阵C代表多载波传输中的子载波间干扰，如公式(6)，(7)所示，λ为预设参数，规定λ＝1.1，此时信号可以表示为：

S_ir＝λR+(e-λC)S_z-1 (12)

式中，S_z-1表示z次迭代后的信号，z＝1时，S₀＝R，等于初始接收信号。

b)规定星座点临近范围

为可判别范围，

为调制星座点。

c)每次迭代需计算迭代判断范围，

z为当前迭代次数，v为迭代总次数。

d)若当前迭代次数下，S_ir在迭代范围d内，则将其判断为星座点

若不在，则保留原值，留待下一次迭代判决。

e)步骤d)得到单步迭代结果，经解调后得到功率最高用户的信息，s＝demo(y)。

f)串行干扰消除，将e)步骤结果减去后，解调得到用户信息。

g)重复e)，f)步骤，直到所有用户信息恢复完成。

h)达到迭代次数或多用户均无不确定星座点时，检测过程完成，否则，重复过程a)-e)。

步骤五、得到多用户信息，分析通信系统性能，如误码率等。

从优化系统性能角度考虑，本实施方案提出的非正交接入-传输系统面对的干扰严重，因此方案中的干扰消除方法具有解决该通信系统固有缺陷的能力，可帮助实现频谱利用效率的提升以及较优的通信技术指标，如误码率。

本实施方式考虑的是性地混合网络中的带宽压缩NOMA(BC-NOMA)通信系统，其中，地面基站为蜂窝用户提供通信服务，在卫星覆盖范围内，存在多个基站蜂窝网络，卫星主要为地面基站无法覆盖的偏远地区用户提供通信服务，因此，在本实施方案场景下，卫星通信将作为地面通信的补充手段，为部分地面用户提供通信业务保障，图一给出了星地网络下卫星做补充通信手段的系统模型，其中，在卫星覆盖范围下，总用户数量为U_T，卫星覆盖范围下的基站数目为L，l^th基站覆盖用户数为U_l，因此，卫星服务用户数可以表示为

在本实施方案场景下，卫星可以为多波束卫星，地面卫星用户接入卫星前，进行NOMA基准用户分组及功率分配。

经l^th基站传输的用户信息可以表示为：

其中，地面基站用户经过分组及功率分配，p_i表示功率分配因子，M_i表示组内用户个数。

地面卫星用户经NOMA后传输信号可以表示为：

其中，M_s表示地面卫星用户分组后，组内用户个数，p_j代表功率分配后，j^th用户的发射功率，经过功率归一化后，

用户符号归一化后，

在图1示系统模型中，考虑干扰后，ξ端的接收信号可以表示为：

y_ξ＝h_ξS_ξ+y_or+n (15)

其中，h_ξ代表发送端和ξ端的信道状态，ξ可以为s(卫星端)或l(地面基站)，y_OT代表组间干扰，其中，y_OT可以表示为

本实施方式中，系统模型如图1所示，具体的接入及传输方法在图二所示的原理框图中给出，本实施方法简称BC-NOMA接入方法，多用户信息经过NOMA接入，主要通过用户间的信道差异以及服务需求，将总发射功率分配给多个用户，在第一部分，多用户信息经过调至编码后，在功率分配矩阵的控制进行叠加编码，最终来自m个用户的mN个信息经叠加编码后变为N个信息，经串并转换后，将串行数据转为并行数据，进行K点IFFT做时频映射，由于K＞N，须对N个数据的尾端补零，使其满足数据处理长度，经IFFT变换后的数据同样为N个，将结果中的后(K-N)个数舍去，剩余的K个数据经过信道传输。

图2中经过信道后，数据到达接收端，首先，对接收信号进行频—时转换，和发送端相对应，对信号做FFT变换，在尾端对(K-N)个数据补零，所得结果舍去尾端(K-N)个数据，由于时—频转换时舍去了尾端的部分数据，相当于在频域多载波传输时对载波间隔进行压缩，因此产生的相邻载波上承载数据间的数据干扰需要一定的干扰消除算法进行抑制，以保证通信系统的性能，同样的，需要接收端多用户信息的恢复算法，实现叠加用户信息的成功恢复，在原理框图中，干扰消除算法及多用户信息恢复算法均在实现步骤四中详细给出。

该发明的主要优势在于提升系统可容纳用户数量以及系统频带利用效率，下面给出本发明提出的BC-NOMA方案的系统容量性能分析及容纳用户数分析，同时针对本方案中提出的BC-NOMA方案对应的干扰消除方法的复杂度进行了分析对比。

A、系统容量分析

在传统的OFDM技术中，假设总频带宽度为B，子信道个数为M，因此，相邻子载波间的间隔可以表示为：

对于带宽压缩因子为α的非正交传输机制，相邻子载波间的频带宽度可以表示为：

和OFDM系统相同，子信道内载波个数为N，也就是说，假设带宽压缩系统与传统的OFDM系统具有相同的信息传输速率，经过α倍的带宽压缩后，所需要的总传输带宽可以表示为：

对于非正交接入-传输体制，系统容量可以表示为：

其中，SINR_k，i是i^th用户在k^th子信道上的信干噪比，m是通过NOMA技术接入的用户个数K，代表子信道个数，在串行干扰消除技术中，低功率用户将被视为干扰，则SINR_k,i可以被表示为：

上式中，

代表第i^th用户在k^th子信道上的信号功率，在第k^th子信道上的第i^th用户的SINR可以表示为：

其中，p_k,i代表分配给第i^th用户的功率，h_k代表信道状态，P_total代表基站所能提供的总功率，假定多用户的功率分配因子表示为p₁＞p₂＞...＞p_i＞...＞p_m，对于功率最低的用户，不存在来自其他用户的干扰，则其容量可以表示为：

其中，

可以得到：

将用户速率表示为

对于第(m-1)^th用户，功率仅高于最低功率用户来说，可以得到：

简单的，

对于任意的i^th用户，其容量可以表示为：

B、多用户迭代干扰消除算法复杂度分析

在传统的最大似然检测及多用户信息恢复方法中，检测方法可以表示为：

其中，s是确定星座点S_rec，S_rec是最终的估计信号，则此算法的复杂度可以表示为：

针对本发明中给出的多用户迭代干扰消除算法，复杂度可以表示为：

t_I＝4mZN³v+2(m-1)N²v (29)

经过对比可以发现，多用户迭代干扰消除算法的复杂度要明显优于最大似然多用户信息干扰消除算法，为了保证可比性，两个干扰抑制方法(用户迭代干扰消除及最大似然多用户信息干扰消除)的处理数据个数及调制方式等参数一致，如上式(28)及(29)中，Z代表调制星座点数，m代表NOMA接入组内用户个数，N表示子载波个数，v表示迭代次数，本实施方式的性能在星座点数及载波个数较小时与传统方法差异不大，但在调制方式复杂，子载波个数增加后，传统方法复杂度呈指数增长，本方法所提算法复杂度优势明显，考虑到具体应用中，这样的范围几乎涵盖了绝大多数实际系统，所以本发明接入方案可以解决干扰消除算法在实际应用中的复杂度缺陷，同时，误码率性能较好，因此使用范围很广。

本发明具有以下特点和显著进步：

1、本发明的系统容量及用户容纳数量要明显好于用正交多址接入以及正交载波传输的对比方案。

2、本发明通过带宽压缩的NOMA技术，保证多用户信息分组叠加编码，充分利用系统的频带资源，同时在固定频带内采用压缩的子载波传输数据，有效改善频谱利用效率低的问题，并获得更优的系统频谱效率。

3、对应的，本发明针对BC-NOMA技术中的多种干扰问题，给出一种可在多种场景下使用的干扰抑制方案，该方案相比于传统的最大似然多用户检测方法，第一，在计算复杂度上拥有极大的优势，尤其是咋调制方式复杂，子载波数目较大时，有效克服了传统方法复杂度指数级增长的劣势，传统方法在逻辑上以及应用上存在较大漏洞，而本方案中提及的方法有效改善了复杂度性能，使其更利于接收端实现，降低接收解调压力，使得本发明中提出的BC-NOMA技术更具有实际应用价值；第二，降低算法复杂度一般要以接收端性能作为代价，以误码率为例，复杂度降低通常带来误码率性能恶化，在本发明中提及的干扰抑制方法，综合考虑实际应用难度以及系统性能，具有较大的应用空间。