CN112838883B - 一种直径与中继协作的信号空间分集传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的直径与中继协作的信号空间分集传输方法，基站在第一时隙发射蜂窝中心用户信号实部与蜂窝边缘用户信号虚部的线性组合，中继节点和蜂窝中心用户对接收信号进行处理，蜂窝中心用户检测期望信号实部，中继节点检测蜂窝边缘用户信号虚部；在第二时隙，基站发射蜂窝中心用户信号的实部，中继节点发射蜂窝边缘用户信号的虚部；蜂窝中心用户利用第一时隙收到的蜂窝边缘用户信号的虚部进行干扰消除，检测得到第二时隙的期望信号；蜂窝边缘用户从中继接收并检测期望信号。本发明的直径与中继协作的信号空间分集传输方法，将不同用户信号星座点旋转一定角度，使得星座图中不同用户信号具有不重叠的星座点，提高了系统的传输可靠性和传输速率。

Description

一种直径与中继协作的信号空间分集传输方法
技术领域
本发明涉及一种直径与中继协作的信号空间分集传输方法，更具体的说，尤其涉及一种将不同用户信号星座点旋转一定角度，在两个连续时隙内分别通过基站和中继进行发射，使得星座图中不同用户信号具有不重叠的星座点，从而在接收端减少用户间干扰，避免复杂的信号检测处理，并提高系统的传输可靠性和传输速率的方法。
背景技术
随着无线数据流量需求的日益增长，要求无线通信网络能够提供更高的频谱效率，6G无线通信网络的研发也受到越来越多的重视。由于能够实现较高的频谱效率，非正交多址(non-orthogonal multiple access，NOMA)成为6G无线通信网络的一个多址接入候选方案。在NOMA工作机制中，多个用户的发射信号在功率域进行叠加，并在接收机处采用连续干扰消除。为了提高NOMA工作机制的传输性能，可将信号空间分集技术与NOMA工作机制相结合。在信号空间分集技术中，通过对信号星座进行一定程度的旋转，使得信号星座域中没有两个信号点具有相同的坐标。现有的针对NOMA的信号空间分集技术，只旋转一个用户的信号星座，而另一个用户的信号星座保持不变。在文献“Power domain non-orthogonaltransmission for cellular mobile broadcasting:basic scheme,system design,andcoverage performance,”(Z.Zhang,Z.Ma,X.Lei,M.Xiao,C.-X.Wang,and P.Fan,IEEEWireless Commun.,vol.25,no.2,pp.90–99,Apr.2018)和文献“Downlink nonorthogonalmultiple access(NOMA)constellation rotation,”(J.Zhang,X.Wang,T.Hasegawa,andT.Kubo,IEEE Veh.Tech.Conf.(VTC),Montreal,Canada,Sept.2016,pp.1–5.)中，通过采用信号空间分集技术，可以提高NOMA工作机制的传输性能。
但是，在目前针对NOMA工作机制的信号空间分集传输方法中，能够充分利用直径与中继协作传输，并结合信号空间分集的传输方法还缺乏成功的先例。现有基于NOMA的传输方法没有充分利用直径来配合中继进行协作传输，现有基于NOMA的信号空间分集传输方法，所取得的传输可靠性较差且传输速率较低。
在本发明中，发明人为了提高NOMA系统的系统性能而提出了一种直径与中继协作的信号空间分集传输方法。在本方法中，将不同用户信号星座点旋转一定角度，在两个连续时隙内分别通过基站和中继进行发射，使得星座图中不同用户信号具有不重叠的星座点，从而在接收端减少了用户间干扰，避免了复杂的信号检测处理，提高了系统的传输可靠性和传输速率。
发明内容
本发明为了克服现有技术问题的缺点，提出了一种直径与中继协作的信号空间分集传输方法。
本发明的直径与中继协作的信号空间分集传输方法，其特征在于，通过如下步骤来实现：步骤一，基站发送星座旋转后的叠加信号χ(t1)，蜂窝中心用户与中继节点分别接收信号；步骤二，蜂窝中心用户和中继节点分别进行信号检测与处理；步骤三，基站和中继节点分别发送信号，蜂窝中心用户和蜂窝边缘用户分别接收信号，并进行信号检测与处理。
本发明的直径与中继协作的信号空间分集传输方法，所述步骤一通过以下分步骤来实现：
a)基站发送第一时隙的信号；对于一个服务蜂窝用户的直径与中继协作传输系统，其包含一个基站、一个中继节点和一个蜂窝中心用户和一个蜂窝边缘用户；将基站将要在第一时隙和第二时隙发送给蜂窝中心用户的信号表示为s(t1)和s(t2)，将基站将要发送给蜂窝边缘用户的信号表示为w(t1)；为了实现信号空间分集，s(t1)、s(t2)和w(t1)来源于能够实现信号空间分集的星座图集合；在第一时隙，基站发送信号为：
公式(1)中，和/>分别表示实部和虚部，/>ps和pw分别是蜂窝中心用户和蜂窝边缘用户信号的功率分配系数；此外，/> 其中E[·]表示期望算子；
b)中继节点和蜂窝中心用户接收信号；蜂窝中心用户和中继节点收到的信号分别为：
和
公式(2)和(3)中，nq(·)是零均值加性复高斯白噪声，q∈{c,r}，pb是基站发射功率，hcb和hrb分别是基站到蜂窝中心用户和中继节点的信道。
本发明的直径与中继协作的信号空间分集传输方法，所述步骤二通过以下分步骤来实现：
c)蜂窝中心用户处理接收的信号；蜂窝中心用户将接收到的信号yc(t1)乘以得到如下信号：
公式(4)中， 表示hj的复共轭，/>为等效噪声；y′c(t1)的同相分量包含有蜂窝中心用户的信息，可将其表示为：
公式(5)中，表示方差为N0/2的零均值加性复高斯白噪声；蜂窝中心用户取得数据传输速率为：
公式(6)中，代表信噪比，N0为噪声方差；由于传输信号s(t1)需要两个时隙，因此乘以系数1/2；同样，y′c(t1)的正交分量包含ω(t1)，因此，蜂窝中心用户将使用/>来解码蜂窝边缘用户的信息；蜂窝边缘用户取得的数据传输速率为：
公式(7)中，中继节点将接收到的信号与zγ相乘，得到以下信号：
y′γ(t1)＝zγyγ(t1)＝|hrb|χ(t1)+n′γ(t1) (8)公式(8)中，n′γ(t1)＝zγnγ(t1)为等效噪声；y′γ(t1)的正交分量包含ω(t1)，因此，中继节点使用/>将蜂窝边缘用户的信息解码为：
公式(9)中，为等效噪声。
本发明的直径与中继协作并结合信号空间分集的传输方法，所述步骤三通过以下分步骤来实现：
d)基站发送第二时隙的信号；基站发送s(t2)，与此同时，中继节点以功率pr发送解码信号w(t1),蜂窝中心用户和蜂窝边缘用户接收到的信号分别为：
和
e)蜂窝中心用户检测信号；为了检测信号s(t2)，蜂窝中心用户首先对在第一时隙获得的信号进行处理，即/>从/>中去除干扰信号/>之后，对/>进行检测得到s(t2)，其中/>
如果在第一时隙能够正确检测则在第二时隙，蜂窝中心用户取得的数据传输速率为：
公式(12)中，蜂窝边缘用户直接从/>解码得到w(t1)，其中/>根据最弱链路质量决定中继传输速率的准则，蜂窝边缘用户取得的数据传输速率为：
公式(13)中，
本发明的有益效果是：本发明的直径与中继协作的信号空间分集传输方法，将不同用户信号星座点旋转一定角度，在两个连续时隙内分别通过基站和中继进行发射，使得星座图中不同用户信号具有不重叠的星座点，从而在接收端减少了用户间干扰，避免了复杂的信号检测处理，提高了系统的传输可靠性和传输速率。
附图说明
图1为直径与中继协作的NOMA通信系统示意图；
图2为用户采用本发明的方法时的中断概率仿真结果图；
图3为本发明的方法所取得的总速率仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
考虑直径传播广泛存在无线物联网、微蜂窝和小蜂窝无线通信系统中，针对直径与中继协作的传输方法，本发明提出一种直径与中继协作的信号空间分集传输方法。为了提高频谱效率，本发明通过在信号星座域中旋转叠加多个用户信号，减少了接收端的连续干扰消除步骤，实现了提高NOMA系统的频谱效率的效果。
本发明提出了一种直径与中继协作的信号空间分集传输方法，将不同用户信号星座点旋转一定角度，在两个连续时隙内分别通过基站和中继进行发射，使得星座图中不同用户信号具有不重叠的星座点，从而在接收端减少用户间干扰，避免复杂的信号检测处理，并提高系统的传输可靠性和传输速率的方法。本发明提出的直径与中继协作的信号空间分集传输方法，一次完整传输包括两个连续的时隙；在第一时隙，基站发射蜂窝中心用户信号实部与蜂窝边缘用户信号虚部的线性组合；接着，中继节点和蜂窝中心用户对接收信号进行处理，蜂窝中心用户检测期望信号实部，中继节点检测蜂窝边缘用户信号虚部；在第二时隙，基站发射蜂窝中心用户信号的实部，中继节点发射蜂窝边缘用户信号的虚部；然后，蜂窝中心用户利用第一时隙收到的蜂窝边缘用户信号的虚部进行干扰消除，检测得到第二时隙的期望信号；蜂窝边缘用户从中继接收信号，检测得到其期望信号。
如图1所示，给出了直径与中继协作的NOMA信号空间分集传输系统模型示意图，包括一个基站，一个中继节点和一个蜂窝中心用户以及一个蜂窝边缘用户。基站、中继节点、蜂窝中心用户和蜂窝边缘用户分别用下标b、r、c和e表示。t1和t2分别表示第一时隙和第二时隙。将信道视为频率平坦的块衰落信道，b-c、b-r、r-c和r-e之间的信道系数分别记为hcb、hrb、hcr和her。假设每个节点能够获得自己信道的完美信息。将蜂窝中心用户的数据信号记为设s(t1)和s(t2)，将蜂窝边缘用户的数据信号记为w(t1)，s(t1)、s(t2)和w(t1)来源于能够实现信号空间分集的星座图集合；将信号s(t1)、s(t2(和w(t1)的目标数据速率分别记为Rs(t1)、Rs(t2)和Rω。
本发明所提的方法中，在第一时隙，基站发送χ(t1)，其中和/>分别表示实部和虚部，/>ps和pω分别是蜂窝中心用户和蜂窝边缘用户信号的功率分配系数，ps+pw＝1。此外，/>其中E[·]表示期望算子。基站发送信号为：
蜂窝中心用户和中继节点接收到的信号为：
在第一时隙，蜂窝中心用户将接收到的信号yc(t1)乘以如下所示：
公式(4)中， 表示hj的复共轭，/>为等效噪声；y′c(t1)的同相分量包含蜂窝中心用户的信息，可将其表示为：
公式(5)中，表示方差为N0/2的实值零均值加性复高斯白噪声；蜂窝中心用户取得的数据传输速率为：
公式(6)中，代表信噪比，N0为噪声方差；由于传输信号s(t1)需要两个相位，因此乘以系数1/2；同样，y′c(t1)的正交分量包含ω(t1)，因此，蜂窝中心用户将使用/>检测蜂窝边缘用户的信息，蜂窝边缘用户取得的数据传输速率为：
公式(7)中，中继节点将接收到的信号与zγ相乘，得到以下信号：
y′γ(t1)＝zγyγ(t1)＝|hrb|χ(t1)+n′γ(t1) (8)
公式(8)中，n′γ(t1)＝zγnγ(t1)为等效噪声；y′γ(t1)的正交分量包含ω(t1)，因此，中继节点将使用/>将蜂窝边缘用户的信息解码为：
公式(9)中，为等效噪声。
在第二时隙，基站发送信号s(t2)，与此同时，中继节点以功率pr发送解码信号w(t1),蜂窝中心用户和蜂窝边缘用户的接收信号分别为：
和
为了检测s(t2)，蜂窝中心用户首先对在第一时隙获得的信号进行处理，即/>从/>中去除干扰信号/>之后，对/>进行检测得到s(t2)，其中/>如果在第一时隙能够正确检测则在第二时隙，蜂窝中心用户取得的数据传输速率为：
公式(12)中，蜂窝边缘用户直接从/>检测w(t1)，其中根据最弱链路质量决定中继传输速率的准则，蜂窝边缘用户取得的数据传输速率为：
公式(13)中，
图2给出了本发明的直径与中继协作的信号空间分集传输方法所取得的系统中断概率的仿真结果图。从图2可以看出，本发明的直径与中继协作的信号空间分集传输方法比没有采用信号空间分集的直径与中继协作的NOMA方案取得了更低的中断概率。在中断概率小于10-2时，本发明的直径与中继协作的信号空间分集传输方法比没有采用信号空间分集的直径与中继协作的NOMA方案取得了6dB的信噪比增益。
图3给出了本发明的直径与中继协作的信号空间分集传输方法所取得的系统总速率的仿真结果图。从图3可以看出，本发明的直径与中继协作的信号空间分集传输方法比没有采用信号空间分集的直径与中继协作的NOMA方案有很大的优势，特别是在高信噪比时取得了较大的总速率增益。
综上可知，本发明的直径与中继协作的信号空间分集传输方法，通过将不同用户信号星座点旋转一定角度，在两个连续时隙内分别通过基站和中继进行发射，使得星座图中不同用户信号具有不重叠的星座点，从而在接收端减少了用户间干扰，避免了复杂的信号检测处理，提高了系统的传输可靠性和传输速率的方法。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (3)

1.一种直径与中继协作的信号空间分集传输方法，其特征在于，通过如下步骤来实现：步骤一，基站发送星座旋转后的叠加信号χ(t1)，蜂窝中心用户与中继节点分别接收信号；步骤二，蜂窝中心用户和中继节点分别进行信号检测与处理；步骤三，基站和中继节点分别发送信号，蜂窝中心用户和蜂窝边缘用户分别接收信号，并进行信号检测与处；所述步骤一通过以下分步骤来实现：
a)基站发送第一时隙的信号；对于一个服务蜂窝用户的直径与中继协作传输系统，其包含一个基站、一个中继节点和一个蜂窝中心用户和一个蜂窝边缘用户；将基站将要在第一时隙和第二时隙发送给蜂窝中心用户的信号表示为s(t1)和s(t2)，将基站将要发送给蜂窝边缘用户的信号表示为w(t1)；为了实现信号空间分集，s(t1)、s(t2)和w(t1)来源于能够实现信号空间分集的星座图集合；在第一时隙，基站发送信号为：
公式(1)中，和/>分别表示实部和虚部，/>ps和pw分别是蜂窝中心用户和蜂窝边缘用户信号的功率分配系数；此外，/>＝1/2，其中E[·]表示期望算子；
b)中继节点和蜂窝中心用户接收信号；蜂窝中心用户和中继节点收到的信号分别为：
和
公式(2)和(3)中，nq(·)是零均值加性复高斯白噪声，q∈{c,r}，pb是基站发射功率，hcb和hrb分别是基站到蜂窝中心用户和中继节点的信道。
2.根据权利要求1所述的直径与中继协作的信号空间分集传输方法，其特征在于，所述步骤二通过以下分步骤来实现：
c)蜂窝中心用户处理接收的信号；蜂窝中心用户将接收到的信号yc(t1)乘以得到如下信号：
公式(4)中， 表示hj的复共轭，/>为等效噪声；y′c(t1)的同相分量包含有蜂窝中心用户的信息，其表示为：
公式(5)中，表示方差为N0/2的零均值加性复高斯白噪声；蜂窝中心用户取得数据传输速率为：
公式(6)中，代表信噪比，N0为噪声方差；由于传输信号s(t1)需要两个时隙，因此乘以系数1/2；同样，y′c(t1)的正交分量包含ω(t1)，因此，蜂窝中心用户将使用/>来解码蜂窝边缘用户的信息；蜂窝边缘用户取得的数据传输速率为：
公式(7)中，中继节点将接收到的信号与zγ相乘，得到以下信号：
y′γ(t1)＝zγyγ(t1)＝|hrb|χ(t1)+n′γ(t1) (8)
公式(8)中，n′γ(t1)＝zγnγ(t1)为等效噪声；y′γ(t1)的正交分量包含ω(t1)，因此，中继节点使用/>将蜂窝边缘用户的信息解码为：
公式(9)中，为等效噪声。
3.根据权利要求1所述的直径与中继协作的信号空间分集传输方法，其特征在于，所述步骤三通过以下分步骤来实现：
d)基站发送第二时隙的信号；基站发送s(t2)，与此同时，中继节点以功率pr发送解码信号w(t1),蜂窝中心用户和蜂窝边缘用户接收到的信号分别为：
和
e)蜂窝中心用户检测信号；为了检测信号s(t2)，蜂窝中心用户首先对在第一时隙获得的信号进行处理，即/>从/>中去除干扰信号/>之后，对/>进行检测得到s(t2)，其中/>
如果在第一时隙能够正确检测则在第二时隙，蜂窝中心用户取得的数据传输速率为：
公式(12)中，蜂窝边缘用户直接从/>解码得到w(t1)，其中根据最弱链路质量决定中继传输速率的准则，蜂窝边缘用户取得的数据传输速率为：
公式(13)中，
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