CN113055917B - 一种基于多天线复用的上行数据传输方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多天线复用的上行数据传输方法与系统，发送端用户与接收端基站均使用多天线传输与接收，无需响应帧，用户与基站之间传输的数据帧划分为N个子帧，N为用户数量。每个用户选择一个子帧进行数据传输，每个用户同时在多根天线上发送数据，重复传输若干次，基站即可完成数据接收；基站持续接收数据，并在数据全部传输完成后对所有的接收数据进行解调。本发明简化多用户场景下数据传输的流程，减少了信令开销，同时提高了上行数据的传输效率，降低技术难度。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于多天线复用的上行数据传输方法与系统。
背景技术
近年来，随着新兴应用不断出现，如虚拟/增强现实(Virtual/AugmentedReality,VR/AR)，智能驾驶等，用户对无线移动通信要求越来越高。越来越多的终端接入给现有的移动通信系统带来很大的压力。数据传输速率、通信时延等都通信指标均需要进一步提升。
传统的无线通信数据传输中，均基于停等或者后退协议的自动重传机制(Automatic Repeat request,ARQ)。在现有的方案中，多使用混合自动重传机制(HybridAutomatic Repeat request,HARQ)。然而，在这两个方案中，用户需要根据基站返回的响应信号进行决策。而这种交互式的传输机制，一方面，在等待确认信息期间，信道是空闲的，不发送任何数据，由此带来的信道利用率低的问题。另一方面，信令交互带来巨大的信令开销问题，增加了传输资源的开销。在新兴的应用场景中(如高带宽通信eMBB，大规模机器类通信mMTC以及低时延通信uRLLC)，该形式的传输方法将会引入较大的时延，并且会影响系统的极限传输速率。
现代通信系统中，基站一般会装置多根天线，天线间距较大时，天线间的衰落相关性是较低的，因此恰当地设计发送方式可以获得空间发射分集。空间发射分集通过在发射端对所要发射的信号进行预处理，以引入接收端可以利用的分集，在接收端通过检测算法获得该分集。典型的例子如延迟发射分集，为了改善发射分集的性能，可以将编码与发射分集结合。为多天线传输设计的编码叫做空时(频)编码，该方案通过编码，在空间和时间(频率)域内引入冗余。由于对编码和发射分集进行了联合优化设计，空时编码在不牺牲带宽的情况下，可以同时获得发射分集与编码增益，空时编码还可以与多天线接收一起来对抗多径衰落，提高信道容量。同样地，随着硬件技术的发展，在用户终端也会配有多天线发射与接收技术。
因此，需要设计一种无交互机制的数据传输方法，不需要发送方与接收方传输信号传输状态指示信号，即可完成无错接收。另外，需要充分利用多天线的优势，降低接收数据的复杂度。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于多天线复用的上行数据传输方法与系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于多天线复用的上行数据传输方法，发送端用户与接收端基站均使用多天线传输与接收，无需响应帧，用户与基站之间传输的数据帧划分为N个子帧，N为用户数量。每个用户选择一个子帧进行数据传输，每个用户同时在多根天线上发送数据，重复传输若干次，基站即可完成数据接收；基站持续接收数据，并在数据全部传输完成后对所有的接收数据进行解调。
进一步地，在数据发送前，基站需要统计用户数目以及用户的天线数目，并且广播基站的天线数量。
进一步地，数据传输帧整体被划分为
数据帧，每个数据帧又细分为N个子帧，每个用户以等概率选择其中的一个子帧进行数据上传，其中，M表示基站天线的数目，N表示用户的数目，K表示用户的天线的数目。
进一步地，所有的用户需要在各个数据帧部分发送相同的数据信息。
进一步地，整体的数据传输以及解调的过程具体如下：
S1：基站通过随机接入的结果统计上行用户的数目N以及用户的天线的数目K；
S2：基站计算用户的数据传输次数
S3：基站广播接收天线数目M；
S4：每个用户随机以时分的方式在每子帧传输数据，并在接下来的
帧中重复传输数据；
S5：基站在连续接收每数据帧的数据，并在
个帧传输结束后进行数据解调。
进一步地，数据解调的过程是一个求解线性方程组的过程，可以表示如下：
Y＝HTX，
其中，Y表示基站接收的数据，X表示用户发送的数据信息，H表示用户天线与基站天线之间的信道增益，T为转置符号。
进一步地，所述的接收数据可以直接表示为：
X＝H-1Y，
其中，H-1为H的逆运算。
本发明还提供一种基于多天线复用的上行数据传输系统，包括：
数据发送模块，即多个带有无线通信功能的终端，每个终端配有多个收发天线；
数据接收模块，即配有多个收发天线的基站；
数据处理模块，即具有计算能力的处理单元，能够完成对接收数据的解调。
本发明的有益效果：
1.抛弃传统的停等协议数据传输方法，本发明所提出的多用户上行传输方法无需额外的发成状态指示位，简化了数据传输协议，降低了信令开销与系统复杂度；
2.本发明解决了数据传输发生冲突的问题，降低了数据解调的复杂度，降低数据重传的成本。只需要重复传输一定的次数，且该次数与发射与接收天线的数量成反比，很大程度上降低了解调数据的复杂度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例一一种基于多天线复用的上行数据传输方法数据传输流程图；
图2是本发明实施例一一种基于多天线复用的上行数据传输方法的数据帧结构图；
图3是本发明实施例一一种基于多天线复用的上行数据传输方法的信令交互过程图；
图4是本发明实施例二一种基于多天线复用的上行数据传输方法中接收数据处理流程图；
图5是本发明实施例二一种基于多天线复用的上行数据传输系统的组成框图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明实施例一的场景为N个用户，具备K个天线同时进行数据传输，基站具有M个天线进行接收。为了减少多用户上行传输的场景下，复杂的信令开销问题，提供了一种基于多天线的多用户数据上行传输方法，与传统的停等协议不同，所述方法无需响应帧，多个用户同时在多帧上发送数据，就可以实现多个用户同时进行正确的数据上传服务，所述的响应帧即为发送状态指示位，发送状态包括发送成功ACK与发送不成功NACK状态。
基于上述思想，本发明实施例一提出一种基于多天线复用的上行数据传输方法，其传输过程如图1所示，包括以下步骤：
S1：基站根据随机接入结果统计用户上传的数量N以及用户的天线数量K。
本发明提出的方法面向多天线系统，因此需要提前获取用户的天线的数量。另外，可以根据随机接入的结果，基站获取成功接入的用户的数目，以便计算出所需要的帧的结构。
S2：基站计算用户的数据传输次数
基站需要计算用户的数据传输次数，从而进行准确的数据接收与解调任务。
S3：基站广播天线数量M。
由于基站也可以采用多天线收发的模式，因此，基站需要将天线的信息广播至各个用户。
S4：每个用户以
概率在每帧传输数据，并在接下来的
子帧中重复传输数据，可以减少数据传输碰撞的影响。
为了去掉传统数据传输协议中的停等交互，即成功传输确认信号与失败传输确认信号，多个用户可以在连续的数据帧上重读发送数据，在数据冲突或者不冲突的情况下，基站都能成功解调。本发明将帧结构按用户的个数分为
个数据帧。每个数据帧又分为N子帧。用户可以以时分的方式等概率随机选择其中的一个子帧进行数据传输。特别地，当用户选定时，用户需要在接下来的数据帧中重复发送相同的数据信息。数据帧格式如图2所示。
S5：基站在连续接收每帧的数据，并在所有的数据帧传输结束后进行数据解调。
基站与用户无需进行额外的信令交互，等待数据传输完成后即可进行数据解调任务。
完整的信令交互过程如图3所示。基站首先需要根据用户的随机接入结果确定用户接入的数目以及传输的次数，接着等待数据传输完成即可得到用户的发送数据。可见，本发明提出的数据传输方法减少了信令开销，减少了数据传输的协议，降低了系统的复杂度。
本发明实施例二介绍基站的数据恢复过程。基站在接收完整的数据后，需要很低的复杂度即可完成数据的恢复工作。具体过程如图4所示。主要的步骤如下：
S1：基站接收完成的数据信息Y。
基站需要等待
个数据帧接收完成后，才能开始对数据进行解调。
S2：获取用户的发送天线与基站接收天线之间的增益矩阵H。
本发明的本质是利用了发送天线与接收天线之间增益的多样性。天线之间的增益随着无线传输通道的不同而表现出不同的特点。这种多样性减少了MK倍数据传输次数。
S3：计算出增益矩阵的逆矩阵HT。
S4：根据公式HTY得到用户的发送数据X。
数据的解调即为求解线性方程组的过程。该线性方程组可以表示为：
Y＝HTX
该求解过程具有简单，复杂度低的优点。
接收数据可以直接表示为：
X＝H-1Y，
其中，H-1为H的逆运算。
本发明还提供了一种基于多天线复用的上行数据传输系统，整体的传输系统由三部分组成，如图5所示。
一是数据发送模块，即多个带有无线通信功能的终端，每个终端配有多个收发天线；
二是数据接收模块，即配有多个收发天线的基站；
三是数据处理模块，即具有一定计算能力的处理单元，能够完成对接收数据的解调。当接收端接收到子帧数据时通过信令广播接收端接收数据的状态。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种基于多天线复用的上行数据传输方法，其特征在于，发送端用户与接收端基站均使用多天线传输与接收，无需响应帧，用户与基站之间传输的数据帧划分为N个子帧，N为用户数量；每个用户选择一个子帧进行数据传输，每个用户同时在多根天线上发送数据，重复传输若干次，基站即可完成数据接收；基站持续接收数据，并在数据全部传输完成后对所有的接收数据进行解调；
数据传输以及解调的过程具体如下：
S1：基站通过随机接入的结果统计上行用户的数目N以及用户的天线的数目K；
S2：基站计算用户的数据传输次数
S3：基站广播接收天线数目M；
S4：每个用户随机以时分的方式在每子帧传输数据，并在接下来的
帧中重复传输数据；
S5：基站在连续接收每数据帧的数据，并在
个帧传输结束后进行数据解调。
2.根据权利要求1所述的一种基于多天线复用的上行数据传输方法，其特征在于，在数据发送前，基站需要统计用户数目以及用户的天线数目，并且广播基站的天线数量。
3.根据权利要求2所述的一种基于多天线复用的上行数据传输方法，其特征在于，数据传输帧整体被划分为
数据帧，每个数据帧又细分为N个子帧，每个用户以等概率选择其中的一个子帧进行数据上传，其中，M表示基站天线的数目，N表示用户的数目，K表示用户的天线的数目。
4.根据权利要求3所述的一种基于多天线复用的上行数据传输方法，其特征在于，所有的用户需要在各个数据帧部分发送相同的数据信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于多天线复用的上行数据传输方法，其特征在于，数据解调的过程是一个求解线性方程组的过程，可以表示如下：
Y＝HTX，
其中，Y表示基站接收的数据，X表示用户发送的数据信息，H表示用户天线与基站天线之间的信道增益，T为转置符号。
6.根据权利要求5所述的一种基于多天线复用的上行数据传输方法，其特征在于，所述的接收数据可以直接表示为：
X＝H-1Y，
其中，H-1为H的逆运算。
7.一种实现权利要求1所述的基于多天线复用的上行数据传输方法的系统，其特征在于，包括：
数据发送模块，即多个带有无线通信功能的终端，每个终端配有多个收发天线；
数据接收模块，即配有多个收发天线的基站；
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