CN113014371A - 基于非正交多址接入的空域tdd无线通信方法及基站、终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非正交多址接入的空域TDD无线通信方法，适用于包括宏基站、多个小基站、多个由宏基站服务的宏用户，以及多个由小基站服务的小小区用户的网络。该方法包括以下步骤：宏基站确定与小基站位于相同波束空间的宏用户的集合，将小基站与宏用户进行配对；宏基站在第一帧，利用相同波束在相同时频资源上，向小基站以及与小基站在同一波束空间的第一宏用户，发送信息；宏基站在第二帧，接收来自宏用户和小基站的信息；其中，第一帧与第二帧是同一时隙内的不同帧。本发明能够提高频率利用率。

Description

基于非正交多址接入的空域TDD无线通信方法及基站、终端

技术领域

本发明涉及一种基于非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，简写为NOMA)的空域TDD(时分双工)无线通信方法及基站、终端，属于无线通信技术领域。

背景技术

超密集异构网络(UDN)是处理5G网络中1000×数据挑战的潜在技术之一。超密集异构网络(UDN)中的无线回传方案，包括传统的OMA方案、基于空域TDD的无线回传方案以及基于非正交多址接入的无线回传方案等。

参见图4所示，现有基于空域TDD的无线回传方案，在相同的时频资源上，宏基站(简写为MBS)要么只能为宏用户提供无线接入，要么只能为小基站(简写为SBS)提供无线回传。而且，当SBS在给小小区用户(简写为SUE)和MBS发送信息时，如果宏用户(简写为MUE)也向MBS发送信息，那么MUE将会对SUE的接收信号和MBS的回传接收信号产生难以预测的干扰。这是因为MUE只有1根天线，不能采用波束形成发送。而且，就算MUE能用波束形成方案实现发送，MUE也不知道其与SUE之间的信道矩阵，还是会产生不可预测的干扰。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于非正交多址接入的空域TDD无线通信方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种使用上述空域TDD无线通信方法的基站。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种使用上述空域TDD无线通信方法的终端。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于非正交多址接入的空域TDD无线通信方法，适用于包括宏基站、多个小基站、多个由所述宏基站服务的宏用户，以及多个由所述小基站服务的小小区用户的网络，包括以下步骤：

宏基站确定与所述小基站位于相同波束空间的所述宏用户的集合，将所述小基站与所述宏用户进行配对；

所述宏基站在第一帧，利用相同波束，在相同时频资源上向所述小基站和与所述小基站在同一波束空间的所述第一宏用户发送信息；

所述宏基站在第二帧，接收来自所述宏用户和所述小基站的信息，

所述第一帧与所述第二帧是同一时隙内的不同帧。

其中较优地，在所述第一帧第二频段，所述宏基站向所述第二宏用户发送信息；

所述第一帧第二频段与所述时频资源具有不同的频段。

其中较优地，所述宏用户包括与所述小基站配对的第一宏用户，以及不同于所述第一宏用户的第二宏用户；

所述宏基站在所述第一帧第二频段，利用不同于所述相同波束的独立波束向所述第二宏用户发送信息。

其中较优地，所述宏基站在所述第二帧第一频段接收来自所述小基站的信息，在所述第二帧第二频段接收来自所述宏用户的信息。

其中较优地，所述小基站在所述第一帧接收来自所述小小区用户的信息；在所述第二帧向所述小小区用户发送信息。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种使用上述空域TDD无线通信方法的基站，所述基站利用非正交多址接入技术，在所述相同波束和相同时资源发送叠加信号给配对的所述小基站和所述宏用户；

所述叠加信号是所述宏基站发送给所述小基站的信号，加上所述宏基站发送给所述宏用户的信号。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种使用上述空域TDD无线通信方法的终端，由宏基站提供服务；其中，在第一帧，所述终端接收来自所述宏基站的叠加信号；在第二帧，所述终端向所述宏基站发送信息。

其中较优地，所述终端与所述宏基站服务的小基站在同一波束空间，并且与所述小基站配对；

所述第一帧与所述第二帧是同一时隙内的不同帧；

所述叠加信号是所述宏基站发送给所述小基站的信号，加上所述宏基站发送给所述宏用户的信号。

其中较优地，所述终端在所述第一帧第一频段接收所述宏基站的信息；在所述第二帧第一频段向所述宏基站发送信息；

所述第一帧第一频段不同于所述第二帧第一频段。

根据本发明实施例的第四方面，提供一种使用上述空域TDD无线通信方法的终端，由宏基站提供服务；其中，在第一帧第二频段，所述终端接收来自所述宏基站的信息；在第二帧，所述终端向所述宏基站发送信息；而且，所述终端与所述宏基站没有配对，所述第一帧不同于所述第二帧，所述第一帧第二频段不同于所述第一帧第一频段，所述第一帧第一频段用于与所述宏基站配对的小基站接收来自所述宏基站的信息。

利用本发明所提供的空域TDD无线通信方法，宏基站在相同的时频资源中利用非正交多址接入技术在相同的空间波束内同时为小基站提供无线回传和为宏用户提供无线接入，显著提高了频率利用率。

附图说明

图1为用于实施本发明的超密集异构网络的示意图；

图2为本发明提供的空域TDD无线通信方法的示意图；

图3为本发明提供的空域TDD无线通信方法的操作流程图；

图4为现有技术的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步地详细说明。

如图1所示，在超密集异构网络(UDN)的一个示例中，宏基站(MBS)在正交的空域中为多个宏用户(MUE)服务，也为小基站(SBS)提供无线回传。SBS为多个小小区用户(SUE)服务。其中，每个大规模MBS与S个SBS共存。假设MBS有N根天线数，第S个SBS安装有M_s根天线，其中

MBS通过无线回传与SBS进行通信，而且各SBS可服务1个或多个单天线小小区用户(SUE)。用Λ_s表示与SBS相关联的用户集，K_s为Λ_s的势(即集合中元素的个数)。MBS服务F个宏用户(MUE)。需要说明的是，上述的F、M、N、S等均为正整数。

在基于MIMO空间复用和时间分割的空域TDD技术中，SBS利用MIMO技术与MBS进行通信，并服务其关联的单天线的小小区用户(SUE)，而下行链路(DL)和上行链路(UL)传输在时间上分开。而且，从SBS到MBS的信道，与从SBS到SUE的信道为正交信道。

非正交多址接入(NOMA)技术可以提高频谱效率(rate/bandwigth)和接入量。图2中给出了基于非正交多址接入的空域TDD传输技术的示意图。其中，上行链路(UL)和下行链路(DL)在相同的频带B不同时间传输。长度为T的时隙动态地分为2个帧：具有长度λ·T的第一帧和长度为(1-λ)·T的第二帧。系数λ∈(0,1)称为时间分割因子，需要动态地进行优化。

在第一帧中，各SBS均为接收模式。为了避免SUE的上行链路发送信号对MUE接收信号的干扰，在第一帧中将带宽B分割成2个部分，第一频段为λ₁B，用于MBS在相同的波束内同时为SBS提供下行链路的无线回传和SUE的上行链路的无线接入；第二频段为(1-λ₁)B，用于MBS为那些没有与SBS配对的MUE提供下行链路(DL)数据传输。λ₁为带宽分割因子，需要动态地进行优化。

具体地说，在第一帧进行的下行链路(DL)传输包括：在λ₁B频段的DL传输：从MBS到空域波束配对的SBS和MUE；以及在(1-λ₁)B频段的DL传输：MBS到没有配对的其他MUE。在第一帧进行的UL传输包括在λ₁B频段进行的SUE的UL传输。换言之，SBS处于接收模式，在第一帧第一频段接收来自MBS和在该频段工作的SUE的信号；MBS处于发射模式，不仅在第一帧第一频段向相同波束中的配对的SBS和MUE发出信息，还在第一帧第二频段向以不同于前述相同波束的独立波束，向未配对的MUE发出信息。在此，独立波束是指MBS的智能天线阵发出的波束中，只有MUE而没有配对的SBS的波束。例如，图2中指向MUE1的波束为独立波束；而非独立波束中存在配对的SBS和MUE，例如图1中指向MUE2和SBS3的波束。

在第二帧中，各SBS均为发射模式，此时MUE同样是UL发送模式。为了避免MUE的发射信号对SUE的接收信号和MBS的回传信号接收造成干扰，在该帧中将整个频段分成2部份，分别用于SBS和MUE的发射。其中，在第二帧第一频段λ₂B中，SBS发送信息到MBS和工作在该频段上的SUE；在第二帧第二频段(1-λ₂)B中，MUE发送UL信号到MBS。系数λ₂为第二帧中的频段分割因子，同样需要进行动态地调整。

因此，在第二帧进行的上行链路(UL)传输包括：在λ₂B频段的上行传输:从SBS到MBS以及在(1-λ₂)B频段的上行传输：从MUE到MBS。在第二帧进行的DL传输只有在λ₂B频段的SBS→SUE的下行传输。换言之，在第二帧，SBS处于发射模式，在第二帧第一频段向MBS和工作在该频段的SUE发送信息；MBS处于接收模式，在第二帧第二频段接收来自MUE的信息。

下面结合图2和图3具体介绍本发明所提供的空域TDD无线通信方法。

众所周知，线性预编码技术，例如迫零(ZF)波束形成在大规模MIMO系统中能实现接近最优的性能。当接收机安装1根天线时，ZF波束形成适合于下行链路传输。而且，当用户具有多根天线时，多用户干扰可利用低复杂度的块对角化(BD)来抑制，因此，本发明将BD技术作为从MBS到SBS的下行链路传输的波束形成技术，ZF技术作为SBS到SUE和MBS到MUE的下行链路传输。

在此基础上，本发明所提供的空域TDD无线通信方法包括以下步骤。

步骤1：MBS基于波束空间，确定在相同波束中的SBS与MUE的配对。

首先，为了利用非正交多址接入技术使MUE与SBS复用相同的空域波束，需要确定，相对于MBS，与第s个SBS位于相同的波束空间的宏用户(MUE)集合，s＝1,2,…,S，S为由宏基站(MBS)提供回传的小基站(SBS)的数量。假设MBS与第s个SBS之间具有波束空间，用F_s表示位于该波束空间中的MUE的集合，且F_s＝|F_s|表示F_s中宏用户(MUE)的个数。例如，图2中，MUE2与SBS 3位于相同的波束空间，这样MBS可利用非正交多址接入技术在相同的时频资源上，利用相同波束，同时为SBS 3和MUE 2提供服务。

MBS确定F_s中MUE个数的具体方法如下：

首先计算MBS与第s个SBS之间的特征波束空间。

MBS与第s个SBS之间的无线回传信道经历瑞利衰落，并且用

表示，其元素为具有0均值的复高斯变量。假设完全已知CSI，MBS利用最小均方误差(MMSE)估计信道，因此估计的信道矩阵为

其中0≤ξ≤1表示估计的可靠性，E为误差矩阵。

用户k∈Λ_s和第s个SBS之间的接入链路信道表示为

M_s×1维矢量b_s,k为用户k和第s个SBS之间的小尺度衰落信道矢量，α_s,k表示大尺度衰落信道因子。整个信道矩阵表示为

使用符号(·)^a,b，其中a为关于接入链路的ac和关于回传链路的bh，而b则为关于上行链路的ul或下行链路的dl。

假设从MBS到第f个MUE的信道矩阵为

f＝1,2,…,F，宏基站与全部(F个)宏用户之间的信道矩阵可由式(1)表示：

假设U_s＝M_s-K_s，为关于MBS与SBS之间回传链路的波束数量，则MBS与第s个SBS之间的特征波束空间可计算为(H_s)^T的前U_s个左奇异矢量

其次，判断各MUE是否在特征波束

中。

具体方法如下：

对于第f个MUE(f＝1,2,…,F)，计算

与

的各列矢量的相关系数，根据现有技术中的计算方法，依据相关系数的大小，判断第f个MUE是否位于特征波束

中，s＝1,2,…,S。如果第f个MUE位于特征波束

中，则将第f个MUE放到集合F_s中。在此假设F_s中的MUE数量为g_s。然后，将所有SBS的用户集合F_s表示为宏用户集合F^S＝F₁∪F₂∪…∪F_S。而且，F^S的补集表示为F_c ^S＝F\F^S，则F_c ^S中的用户数为

而且，令

为由集合F_c ^S中g_c个MUEs的信道矢量组成的信道矩阵。

F_c ^S中的MUE由MBS直接通过独立波束服务，F_s中的MUE和第s个SBS则由MBS利用非正交多址接入技术同时进行MUE的无线接入和第s个SBS的无线回传。换言之，位于相同波束空间的MUE和SBS，在相同时频资源中接收到MBS的信息。

在本发明的实施例中，将与SBS完成配对的MUE，称为第一宏用户(即F_s中的MUE)；将未与SBS完成配对的MUE，称为第二宏用户(即F_c ^S中的MUE)。本发明实施例中的配对是在同一波束下进行的，不同于现有技术中在不同波束下利用SBS信道增益的强弱进行配对。

步骤2：MBS在第一帧，利用不同波束向MUE和SBS发送信息

在第一帧第一频段，λ₁B频段中，MBS以相同的波束，向该波束中配对的SBS和MUE发送信息，在第一帧第二频段，(1-λ₁)B频段，MBS向没有与MBS波束配对的MUE发送信息。

进一步，针对与前述相同空间波束中配对的SBS和MUE，MBS在λ₁B频段向配对的SBS和MUE发送信息。

同时，在λ₁B频段中，SBS接收来自SUE的信息。

下面进一步介绍在第一帧第一频段λ₁B频段中，MBS基于非正交多址接入的空域发射-接收方法。

在该频段中，第s个SBS为接收模式。MBS利用非正交多址接入技术，在相同的空域资源中同时为第s个SBS提供无线回传和为F_s中的MUE提供无线接入，s＝1,2,…,S。同时，第s个SBS服务的SUE发送UL信息到该SBS。

利用块对角化(BD)技术设计关于第s个SBS的回传链路的波束形成矩阵

用

表示关于第s个SBS的波束形成矩阵。该矩阵设计为满足约束

和

对于所有i≠s。

在矩阵

的零空间中，其中

定义为

第s个SBS的波束形成矩阵为：

其中

由

的右奇异矢量中的最后

个右奇异矢量，

表示

的前L_s个右奇异矢量，

和

假设U_s＝M_s-K_s为MBS关于第s个SBS的波束数量，则MBS到第s个SBS的波束形成矩阵可表示为

其中

由此可见，

的前U_s个波束形成矢量分配给了第s个SBS的回传链路，剩余的K_s＝M_s-U_s个波束形成则分配给了K_s个SUE的上行链路(UL)发送。

为了使MBS能利用非正交多址接入技术在相同的空域资源中同时为第s个SBS提供无线回传和为F_s中的MUE提供无线接入，需要确定F_s中第

个MUE(i＝1,2,…,g_s)位于

的哪个波束形成矢量中。假设F_s中第

个MUE(i＝1,2,…,U_s)位于

的第i个波束形成矢量中，那么MBS在i个波束形成矢量中能同时为SBS提供无线回传和为F_s中第

个MUE提供下行链路(DL)数据发送。

假设

为第s个SBS的回传链路数据符号矢量，

表示MBS分配给第s个SBS的功率份额，p^ac,ul表示用户的固定发射功率。此外，令

为MBS发送给F_s中第

个MUE的下行链路数据符号，令

为相应的功率份额。那么，利用非正交多址接入，MBS端发送的叠加信号矢量为：

因此，第s个SBS的接收信号可以表示为：

上式中，

为具有单位能量的数据符号，

表示从与第i个SBS关联的用户j到第s个SBS的信道矢量，

表示噪声矢量。

上述方法在各SBS端采用迫零ZF检测算法，分离来自MBS和用户SUEs的信号。因此，第s个SBS端的解调矩阵Z_s可表示为

其中

可得，rank(G_s)＝K_s，

因此，有rank(O_s)≤K_s+U_s＝M_s。因此，第s个SBS的天线数M_s大于矩阵O_s的秩。来自MBS和用户的接收信号可分开成

然后，第s个SBS利用SIC解调来自回传链路的信号

和来自其本小区SUE的上行链路信号

此外，F_s中第

个MUE的接收信号可表示为：

然后，F_s中第

个MUE利用SIC技术解调其信息符号

接下来，介绍在(1-λ1)B频段中MBS与没有配对的其他MUE的无线传输方案。在(1-λ1)B频带中，MBS对于那些没有参与配对的MUE，采用常规的多用户MIMO方案进行DL传输。MBS采用常规的迫零(ZF)预编码方案，而且MUE采用常规的无线接收方案(例如ZF)来获取自己的信息符号。

因此在第一帧，SBS和MUE为接收模式，MBS和SUE为发送模式。

步骤3：MBS在第二帧，接收来自MUE和SBS的信息。

在该帧中，SBS和MUE均为发射模式。各SBS同时给MBS和其关联的SUE发送信息。具体为：λ₂B频带内:SBS向MBS和SUE发送信息；在(1-λ₂)B频带内，MBS接收来自MUE的信息。

在第二帧第一频段(λ₂B频带)中，SBS为发射模式，向MBS和SUE发送信息。

首先，SBS发送给用户SUE的信号利用ZF进行预编码，这样就消除了用户间的干扰。波束形成矩阵为

用

表示与第s个SBS相关联的用户k的波束形成矢量。

既然MBS安装有大量的天线，SBS发送到MBS的信号在与SUE用户所用的信道相正交的信道中进行发送，以防止在用户SUE处产生过大干扰。关于MBS的波束形成矢量

是利用Gram-Schmidt正交化基于用户信道矩阵的零空间的投影矢量，并且需要满足

因此，第s个SBS的发送信号可表示为：

式中，

和

分别表示发送到MBS和用户k的具有单位能量的数据符号，

表示分配给MBS的功率部分，

表示分配给用户k∈Λ_s的功率部分。

与第s个SBS关联的SUE用户k，利用其接收到的信号，解调并得到发送给该SUE的信息符号。

与第s个SBS关联的SUE用户k的速率可表示为：

式中，来自其他SBS的干扰可以表示为：

另一方面，MBS的接收信号为：

式中，n^mbs表示噪声矢量。MBS处接收的来自SBSs的信号利用ZF检测器进行分开：r^mbs＝Q^Hy^mbs，其中检测矩阵为Q＝D(D^HD)^-1和

然后，通过解调得到来自各SBS的信息。

然而，SBS发送给用户SUE的信号被看作为干扰。因此，MBS接收的来自第s个SBS的数据速率可以表示为：

式中，由第s个SBS发送给MBS的信号产生的干扰可表示为：

在第二帧第二频段(即(1-λ₂)B频带)内，MUE进行UL发送。

在此帧中，MUE为发射模式。利用常规的多用户MIMO的上行链路发送方案，MUE将信息符号发送给MBS。

然后，MBS采用常规的无线接收方案(例如ZF)接收和解调接收到的信号，从而得到各MUE发送的信息。

本发明实施例中利用非正交多址接入技术，使宏基站(MBS)在相同的时频资源和波束资源内，同时为该波束中配对的小基站(SBS)和MUE提供无线回传和无线接入。而且，当SBS处于发射模式时(即第二帧)，SBS利用第一频段给SUE和MBS发送信息时，MUE利用第二频段向MBS发送信息，避免了MUE对SUE接收信号和MBS的回传接收信号的干扰。

在第一帧中，宏基站(MBS)基于波束空间对MUE和SBS进行配对；然后利用非正交多址接入技术，在下行链路中，使用相同的时-频资源，对已配对的MUE和SBS(例如图2中的MUE2和SBS 3)提供服务，实现MUE的接入以及SBS与MBS之间的回传，从而显著提高了频谱利用率。

另一方面，本发明实施例中的终端—宏用户(MUE)，由宏基站提供服务。在相同的波束中，利用非正交多址接入技术，在相同的时-频资源与配对的SBS同时接收来自MBS的信息，可以提高频谱利用率。该终端在第一帧接收来自宏基站的叠加信号；在第二帧向宏基站发送信息，其中，终端与宏基站服务的小基站在同一波束空间，并且与小基站配对；第一帧与第二帧是同一时隙内的不同帧；叠加信号是宏基站发送给小基站的信号，加上宏基站发送给宏用户的信号。

以上对本发明所提供的基于非正交多址接入的空域TDD无线通信方法及基站、终端进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种基于非正交多址接入的空域TDD无线通信方法，适用于包括宏基站、多个小基站、多个由所述宏基站服务的宏用户，以及多个由所述小基站服务的小小区用户的网络，该方法包括以下步骤：

宏基站确定与所述小基站位于相同波束空间的所述宏用户的集合，将所述小基站与所述宏用户进行配对；

所述宏基站在第一帧，利用相同波束在相同时频资源上，向所述小基站以及与所述小基站在同一波束空间的所述第一宏用户，发送信息；

所述宏基站在第二帧，接收来自所述宏用户和所述小基站的信息；其中，所述第一帧与所述第二帧是同一时隙内的不同帧。

2.如权利要求1所述的空域TDD无线通信方法，其特征在于：

在所述第一帧第二频段，所述宏基站向所述第二宏用户发送信息；

所述第一帧第二频段与所述时频资源具有不同的频段。

3.如权利要求2所述的空域TDD无线通信方法，其特征在于：

所述宏用户包括与所述小基站配对的第一宏用户，以及不同于所述第一宏用户的第二宏用户；

所述宏基站在所述第一帧第二频段，利用不同于所述相同波束的独立波束向所述第二宏用户发送信息。

4.如权利要求3所述的空域TDD无线通信方法，其特征在于：

所述宏基站在所述第二帧第一频段，接收来自所述小基站的信息；在所述第二帧第二频段，接收来自所述宏用户的信息。

5.如权利要求1～4中任意一项所述的空域TDD无线通信方法，其特征在于：

所述小基站在所述第一帧接收来自所述小小区用户的信息，在所述第二帧向所述小小区用户发送信息。

6.一种使用权利要求1～4中任意一项所述的空域TDD无线通信方法的基站。

7.如权利要求6所述的基站，其特征在于：

所述基站利用非正交多址接入技术，在所述相同波束和相同时资源发送叠加信号给配对的所述小基站和所述宏用户；

所述叠加信号是所述宏基站发送给所述小基站的信号，加上所述宏基站发送给所述宏用户的信号。

8.一种使用权利要求1～4中任意一项所述的空域TDD无线通信方法的终端，由宏基站提供服务，其特征在于：

所述终端在第一帧，接收来自所述宏基站的叠加信号，

所述终端在第二帧，向所述宏基站发送信息，

其中，所述终端与所述宏基站服务的小基站在同一波束空间，并且与所述小基站配对；所述第一帧与所述第二帧是同一时隙内的不同帧；所述叠加信号是所述宏基站发送给所述小基站的信号，加上所述宏基站发送给所述宏用户的信号。

9.如权利要求8所述的终端，其特征在于：

所述终端在所述第一帧第一频段接收所述宏基站的信息；在所述第二帧第一频段向所述宏基站发送信息；

所述第一帧第一频段不同于所述第二帧第一频段。

10.一种使用权利要求1～4中任意一项所述的空域TDD无线通信方法的终端，由宏基站提供服务，其特征在于：

所述终端在第一帧第二频段，接收来自所述宏基站的信息；

所述终端在第二帧向所述宏基站发送信息；

其中，所述终端与所述宏基站没有配对；所述第一帧不同于所述第二帧，所述第一帧第二频段不同于所述第一帧第一频段；所述第一帧第一频段用于与所述宏基站配对的小基站接收来自所述宏基站的信息。

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