CN113099421B - 基于非正交传输和d2d传输的无线多播方法及系统、介质及终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法及系统，包括以下步骤：基站根据用户的信道条件将用户划分为多层；将多播内容划分为多个子流，且所述子流的数量与用户的分层数相同；基于非正交传输将各个子流叠加并广播出去；各个用户根据自身的信道条件接收匹配的子流，并基于D2D传输进行子流的分享，以使每个用户均能接收到所有子流。本发明的基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法及系统基于非正交调制中将多个信号子流在功率域上叠加占用同一时频资源，基于D2D传输能够使得设备与设备之间与蜂窝用户复用同一时频资源进行直接通信，从而实现更高的频谱效率和能量效率。

Description

基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法及系统、介质及 终端

技术领域

本发明涉及无线通信的技术领域，特别是涉及一种基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法及系统。

背景技术

在无线多播系统中，信息由基站通过无线的方式广播发出，系统中许多用户同时接收该广播信号并尝试成功解析出其中所包含的广播信息。无线多播的应用场景主要是数字电视的无线广播以及实时广告投放等。在最传统的广播方式中，基站广播的内容被安排成只有一个信号流，那么所有的目标终端针对该广播信号只有两种可能的接收结果，即一种是能够成功接收广播内容，另一种是不能成功接收到广播内容。其中，接收结果主要依赖每个目标终端的信道状态。若该用户信号状态较好(如好于某一个门槛)，则该用户可以成功解调广播内容；相反地，若该用户信道较差(如差于某一个门槛)，则该用户不能成功解调广播内容。该门槛与广播内容的码率、广播信道所占用的带宽以及基站广播的发射功率有关。也就是说，如果要保证系统中所有的目标终端能够成功接收到广播内容，在广播信道带宽和广播码率给定的情况下，基站广播所需的最低的发射功率由系统中信道最差的目标终端决定。具体地，若广播信道带宽为w，广播内容码率为R，目标终端中信道最差的为h_l，信道中加性高斯白噪声的功率密度为σ²，则在基站所需的最低的发射功率为当所有用户中信道的最差条件h_l非常小的时候，基站的发射功率就需要非常大才可以保证所有用户的成功接收，导致效率低下。而系统中一般会有用户处在深衰落的情况，尤其是在目标终端较多的时候。为了解决上述问题，通常采用以下两种方法：

(1)基于分层调制技术

分层调制技术被应用于无线多播已经有很长时间的历史。分层调制技术主要是指在物理层调制进行星座点映射时，将多播信息有计划地分成两部分进行映射，其中一部分是基础层信息，而另一部分是增强层信息。要在接收端解析出基础层的信息，一般的接收条件就可以，并不要求特别高的接收信噪比。但是，为了继续解出增强层的信息，对接收端的接收条件的要求就有所增加。这样做有一个好处，就是信道条件较差的用户以较低的速率接收多播内容(只解出基础层)，而信道条件较好的用户则能以较高的速率接收多播内容(同时解析出基础层与增强层两部分信息)。多播的速率不再被所有目标用户中最差的信道所限制，多播的平均速率被大大提高，用户体验得到提升。这样的分层调制在视频作为广播内容时有先天的优势，信道较差的用户以较低帧率和分辨率获取视频内容，信道较好的用户以较高帧率和分辨率获取视频内容，但所有用户都能流畅地欣赏视频内容。因此，分层调制使得系统的平均的多播传输速率被大大提高，系统的频谱效率和能量效率相比传统单流无线多播系统得到大大提高。

虽然分层调制有上述优点，但其在实现上也有诸多限制。具体地，分层调制的工作依赖于将基础层和增强层两个信息流在星座点映射时进行合并，这样的工作机制导致分层调制无法简单灵活地调整基础层和增强层的速率之比，也不容易实现多于两层的分层调制。同时，传输完成之后，信道条件差的用户依然只能接收到基础层的信息，并不是完整的多播内容。从分层调制为传统多播无线通信系统带来的增益来看，引入更一般的多层的分层调制可以为系统带来更大的增益，无论是系统的平均多播速率还是系统的能量效率都可以得到提高。因此，设计一般的多层分层调制为不同接收信道水平的用户灵活地分配接收速率对于无线多播系统有着重要的意义和价值。

(2)基于设备到设备(Device to Device，D2D)技术

D2D传输技术是一种在系统的控制下，允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的新型技术，在一定程度上解决无线通信系统频谱资源匮乏的问题。D2D通信在小区网络的控制下与小区用户共享资源，因此频谱的利用率将得到提升。此外，D2D技术还能带来的好处包括：减轻蜂窝网络的负担、减少移动终端的电池功耗、增加比特速率、提高网络基础设施故障的鲁棒性等，还能支持新型的小范围点对点数据服务。D2D可应用于多种本地通信业务，近距离或同一房间内的通信。

因此，如何实现一种更高系统效率的无线多播方法成为当前研究的热点课题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法及系统，基于非正交调制(Non Orthogonal Multiple Access，NOMA)中将多个信号子流在功率域上叠加占用同一时频资源，基于D2D传输能够使得设备与设备之间与蜂窝用户复用同一时频资源进行直接通信，从而实现更高的频谱效率和能量效率。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法，包括以下步骤：基站根据用户的信道条件将用户划分为多层；将多播内容划分为多个子流，且所述子流的数量与用户的分层数相同；基于非正交传输将各个子流叠加并广播出去；各个用户根据自身的信道条件接收匹配的子流，并基于D2D传输进行子流的分享，以使每个用户均能接收到所有子流。

于本发明一实施例中，根据所有用户的信道条件的概率密度函数将用户划分为多层。

于本发明一实施例中，根据所有用户的实时信道条件信息将用户划分为多层。

于本发明一实施例中，设定用户的最好信道条件为h_h，最差信道条件为h_l，将信道条件划分为K层，信道条件的分界点依次为h₀＞h₁＞...＞h_K，h₀＝h_h，h_K＝h_l，信道条件处于h_k-1与h_k之间的用户被划分在第k层，k＝1,2,...K。

于本发明一实施例中，各个子流叠加后的广播信号为x_i表示第i个子流的信息，p_i表示分配给第i个子流的发射功率，K表示子流个数。

于本发明一实施例中，处于第k层的用户接收到的信号为x_i表示第i个子流的信息，p_i表示分配给第i个子流的发射功率，n表示用户端的加性高斯白噪声，h位于区间[h_k,h_k-1]；所述用户根据串行干扰技术从所述信号中解析出第k到第K个子流。

于本发明一实施例中，第k个子流的最大传输速率不超过R_k＝w·log(1+SINR_k)，其中p_i表示分配给第i个子流的发射功率，w表示广播信道带宽，σ²表示信道中加性高斯白噪声的功率密度。

于本发明一实施例中，所述D2D传输复用小区用户的时频资源，或使用正交于小区用户的时频资源。

于本发明一实施例中，所述D2D传输基于所述基站的指导，或由用户自发完成。

对应地，本发明提供一种基于非正交传输和D2D传输的无线多播系统，包括非正交传输模块和D2D传输模块；

所述非正交传输模块用于令基站根据用户的信道条件将用户划分为多层；将多播内容划分为多个子流，且所述子流的数量与用户的分层数相同；基于非正交传输将各个子流叠加并广播出去；

所述D2D传输模块用于令各个用户根据自身的信道条件接收匹配的子流，并基于D2D传输进行子流的分享，以使每个用户均能接收到所有子流。

如上所述，本发明的基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法及系统，具有以下有益效果：

(1)用户被按照其信道条件划分成多个用户层(可以多于两个)，不同的用户层通过基站广播所能直接获得的多播速率有所差别，信道条件好的能直接获得较高的多播速率，而信道条件较差的用户只能获得较低的多播速率，这是由基站所使用的非正交调制传输和在用户端所使用的串行干扰消除所决定的，而因为更多的用户层的建立和非正交调制的灵活性，能够实现更高的系统效率，比如能量效率和频谱效率；

(2)用户之间通过D2D传输分享多播内容，所有用户都可以成功接收到所有的多播内容，因为D2D传输的系统开销往往较小，从而在不明显增加系统负担的情况下能够让所有用户都成功接收到高质量的多播内容。

附图说明

图1显示为本发明的基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法于一实施例中的流程图；

图2显示为本发明的信道条件分层于一实施例中的示意图；

图3显示为本发明的基于非正交传输和D2D传输的无线多播系统于一实施例中的结构示意图。

元件标号说明

31 非正交传输模块

32 D2D传输模块

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。需说明的是，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。

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，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明的基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法及系统通过NOMA将多个信号子流在功率域上叠加占用同一时频资源，通过D2D传输能够使得设备与设备之间在与蜂窝用户复用同一时频资源进行直接通信，从而既可以让所有用户都可以成功接收到所有的多播内容，又可以实现更高的频谱效率和能量效率。

如图1所示，于一实施例中，本发明的基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法包括以下步骤：

步骤S1、基站根据用户的信道条件将用户划分为多层；将多播内容划分为多个子流，且所述子流的数量与用户的分层数相同；基于非正交传输将各个子流叠加并广播出去。

具体地，设定用户的最好信道条件为h_h，最差信道条件为h_l，将信道条件划分为K层，信道条件的分界点依次为h₀＞h₁＞...＞h_K，h₀＝h_h，h_K＝h_l，信道条件处于h_k-1与h_k之间的用户被划分在第k层，k＝1,2,...K。不同的系统对各种性能指标有不同的倾向性，比如更高的频率效率、更高的能量效率、更大的信道容量等等，这些不同的性能指标在用户的分层以及分界点的选择上都有非常重要的指导意义。因此，对于不同的系统，所采用的层数K和信道条件的分界点都可采用不同的设计。

于本发明一实施例中，根据所有用户的信道条件的概率密度函数将用户划分为多层。如图2所示，采用一个概率密度函数来精细的描述所有用户的信道条件。所述概率密度函数包含了可能影响信道条件的无线环境中的大尺度和小尺度衰落。当不知道某个用户包括位置信息在内的具体状态信息时，通过所述用户服从的概率密度分布来判断其信道条件。该方法依赖于信道的统计信息，较长时间内不需要做更改，系统实现复杂度低，但由于其并不是每个时刻最优的设计故使系统性能有所下降。

于本发明另一实施例中，根据所有用户的实时信道条件信息将用户划分为多层。在每个时隙的多播传输开始之前，基站估计并收集所有用户的信道条件信息，将用户的信道条件按大小排序，并依赖这些信息设计合理的层数K和具体的分界点。该方法实时性较好，但在每个时隙都需要重新设计划层及后续的相关传输过程，使得系统复杂度较高。

非正交调制是区别于正交调制的一种无线调制技术。在下行通信时，不同用户的信息被放在同一个时频资源上进行传输，但其所对应的发射功率有所区别，信道较强的用户分配到较少的发射功率，而信道较差的用户分配到较大的发射功率。在解调时，信道较差的用户直接解出自己的信号，将另一用户的信号作为加性噪声处理；信道较好的用户首先如同上述一样先解出另一用户的信号，将其从接收信号中剔除之后再解出自己的信号，这样的做法被称为串行干扰消除技术(SIC)。非正交调制的优势在于它有更高的系统频谱利用率，虽然在接收端产生了更高的解调信号的复杂度。

所述基站基于非正交传输将各个子流叠加并广播出去时，各个子流叠加后的广播信号为其中，x_i表示第i个子流的信息，p_i表示分配给第i个子流的发射功率，K表示子流个数。一般地，在下行非正交传输中，给信道较差的用户分配更多的发射功率。但在本发明所涉及的多播系统中，并不做这样的限制。需要说明的是，本发明中的非正交传输的参数的具体设计，如调制阶数、信道编码码率、发射功率分配等不做具体的限制。

步骤S2、各个用户根据自身的信道条件接收匹配的子流，并基于D2D传输进行子流的分享，以使每个用户均能接收到所有子流。

于本发明一实施例中，处于第k层的用户接收到的信号为x_i表示第i个子流的信息，p_i表示分配给第i个子流的发射功率，n表示用户端的加性高斯白噪声，h位于区间[h_k,h_k-1]。所述用户在接收到所述信号指挥，根据串行干扰技术从所述信号中解析出第k到第K个子流，从而使一些信道较好的用户可以成功接收更多的子流，而信道较差的用户能够成功接收的子流个数就相对较少。具体地，对于处于第k层的用户，首先解析出第K个子流的信号x_K，然后依次是x_K-1、x_K-2，直至x_k被成功解析。在串行干扰消除过程中，每当一个子流的信号被成功解出，就被从接收信号中剔除以助于后续子流的分析，而还未解出的所有子流都被当做白噪声来处理。为了保证第k层的用户都能成功解出第k个子流的信息，第k个子流的最大传输速率不能超过R_k＝w·log(1+SINR_k)，其中p_i表示分配给第i个子流的发射功率，w表示广播信道带宽，σ²表示信道中加性高斯白噪声的功率密度。

需要说明的是，在串行干扰消除技术中，处于第k层的用户不仅仅解出了第k个子流的信号，同时也解出了从第K到第k+1个子流的信。因此，第k层的用户实际上所获得的实际的多播速率由上式可知，非正交传输在多播系统中天然的适应性。非正交技术作为多址技术被运用时，信道条件较强的用户可以解出信道较差的用户的信息，但这部分信息除了增加系统的安全问题之外，对该信道条件的用户并没有任何好处。但在多播系统中，所有的子流都被所有的用户需要。

由第k层的用户实际上所获得的实际的多播速率可知，信道条件最好的第1层用户获得的多播速率为/>除了第1层的用户以外，其他层的用户所获得的多播速率均小于期望得到的速率R，即有一部分子流的信息未被成功解出而造成多播内容的缺失，即信道条件较差的用户不能解出增强层的信号。故在本发明中，所有的子流在用户之间通过D2D传输进行分享，由成功接收该子流的用户发送给未成功接收该子流的用户，直至所有用户都成功接收到多播内容的所有子流。在视频内容广播的场景里，表现为所有的用户都在以最大的码率和分辨率欣赏广播的视频资源，从而实现了更高的频谱效率和能量效率。

于本发明一实施例中，所述D2D传输复用小区用户的时频资源，或使用正交于小区用户的时频资源。所述D2D传输基于所述基站的指导，或由用户自发完成。需要说明的是，多播内容在用户之间通过D2D传输进行分享的路由不做具体的限制。但无论怎么样的实现方式，由于D2D本身有高能量效率、高频谱效率的特征，能够保证所有用户成功接收所有子流的情况下，所产生的系统开销也可以控制。另外，D2D传输的路由也不做具体的限制。所述路由是指：对于某一个子流和某一个未在广播阶段成功接收该子流的用户，应该选择系统中另外哪一个用户为这个用户进行服务以获得该子流；应该选择单跳还是多跳的D2D传输等。不同的路由算法设计对系统的性能的各项指标比如，带宽占用、能量消耗或者系统干扰都有不同的影响。优选地，缺失某一个子流的用户选择从距离最近的拥有该部分缺失子流的用户手里通过D2D传输获得，但实际系统的设计并不限制于这种做法。

如图3所示，于一实施例中，本发明的基于非正交传输和D2D传输的无线多播系统包括非正交传输模块31和D2D传输模块32。

所述非正交传输模块31用于令基站根据用户的信道条件将用户划分为多层；将多播内容划分为多个子流，且所述子流的数量与用户的分层数相同；基于非正交传输将各个子流叠加并广播出去；

所述D2D传输模块32用于令各个用户根据自身的信道条件接收匹配的子流，并基于D2D传输进行子流的分享，以使每个用户均能接收到所有子流。

上述非正交传输模块31和D2D传输模块32的结构和原理与上述基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法中的步骤一一对应，故在此不再赘述。

需要说明的是，应理解以上装置的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现，也可以全部以硬件的形式实现，还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如：x模块可以为单独设立的处理元件，也可以集成在上述装置的某一个芯片中实现。此外，x模块也可以以程序代码的形式存储于上述装置的存储器中，由上述装置的某一个处理元件调用并执行以上x模块的功能。其它模块的实现与之类似。这些模块全部或部分可以集成在一起，也可以独立实现。这里所述的处理元件可以是一种集成电路，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)，一个或多个微处理器(Digital Singnal Processor，简称DSP)，一个或者多个现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)等。当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，如中央处理器(CentralProcessing Unit，简称CPU)或其它可以调用程序代码的处理器。这些模块可以集成在一起，以片上系统(System-on-a-chip，简称SOC)的形式实现。

综上所述，本发明的基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法及系统用户被按照其信道条件划分成多个用户层(可以多于两个)，不同的用户层通过基站广播所能直接获得的多播速率有所差别，信道条件好的能直接获得较高的多播速率，而信道条件较差的用户只能获得较低的多播速率，这是由基站所使用的非正交调制传输和在用户端所使用的串行干扰消除所决定的，而因为更多的用户层的建立和非正交调制的灵活性，能够实现更高的系统效率，比如能量效率和频谱效率；用户之间通过D2D传输分享多播内容，所有用户都可以成功接收到所有的多播内容，因为D2D传输的系统开销往往较小，从而在不明显增加系统负担的情况下能够让所有用户都成功接收到高质量的多播内容。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法，其特征在于：包括以下步骤：

基站根据用户的信道条件将用户划分为多层；将多播内容划分为多个子流，且所述子流的数量与用户的分层数相同；基于非正交传输将各个子流叠加并广播出去；

各个用户根据自身的信道条件接收匹配的子流，并基于D2D传输进行子流的分享，以使每个用户均能接收到所有子流；

设定用户的最好信道条件为h_h，最差信道条件为h_l，将信道条件划分为K层，信道条件的分界点依次为h₀＞h₁＞...＞h_K，h₀＝h_h，h_K＝h_l，信道条件处于h_k-1与h_k之间的用户被划分在第k层，k＝1,2,...K；

第k个子流的最大传输速率不超过R_k＝w·log(1+SINR_k)，其中

p_i表示分配给第i个子流的发射功率，w表示广播信道带宽，σ²表示信道中加性高斯白噪声的功率密度。

2.根据权利要求1所述的基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法，其特征在于：根据所有用户的信道条件的概率密度函数将用户划分为多层。

3.根据权利要求1所述的基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法，其特征在于：根据所有用户的实时信道条件信息将用户划分为多层。

4.根据权利要求1所述的基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法，其特征在于：各个子流叠加后的广播信号为x_i表示第i个子流的信息，p_i表示分配给第i个子流的发射功率，K表示子流个数。

5.根据权利要求1所述的基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法，其特征在于：处于第k层的用户接收到的信号为x_i表示第i个子流的信息，p_i表示分配给第i个子流的发射功率，n表示用户端的加性高斯白噪声，h位于区间[h_k,h_k-1]；所述用户根据串行干扰技术从所述信号中解析出第k到第K个子流。

6.根据权利要求1所述的基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法，其特征在于：所述D2D传输复用小区用户的时频资源，或使用正交于小区用户的时频资源。

7.根据权利要求1所述的基于非正交传输和D2D传输的无线多播方法，其特征在于：所述D2D传输基于所述基站的指导，或由用户自发完成。

8.一种基于非正交传输和D2D传输的无线多播系统，其特征在于：包括非正交传输模块和D2D传输模块；

所述非正交传输模块用于令基站根据用户的信道条件将用户划分为多层；将多播内容划分为多个子流，且所述子流的数量与用户的分层数相同；基于非正交传输将各个子流叠加并广播出去；

所述D2D传输模块用于令各个用户根据自身的信道条件接收匹配的子流，并基于D2D传输进行子流的分享，以使每个用户均能接收到所有子流；

设定用户的最好信道条件为h_h，最差信道条件为h_l，将信道条件划分为K层，信道条件的分界点依次为h₀＞h₁＞...＞h_K，h₀＝h_h，h_K＝h_l，信道条件处于h_k-1与h_k之间的用户被划分在第k层，k＝1,2,...K；

第k个子流的最大传输速率不超过R_k＝w·log(1+SINR_k)，其中

p_i表示分配给第i个子流的发射功率，w表示广播信道带宽，σ²表示信道中加性高斯白噪声的功率密度。