CN114339884B - 一种两用户双向传输协作非正交多址接入方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两用户双向传输协作非正交多址接入方法和系统，所述方法包括：(1)在第一个时隙，近点用户接收基站发送给近点用户和远端用户的叠加信号，对其进行检测解调；(2)在第二个时隙，近点用户接收基站和远端用户发送的叠加信号，对其进行检测解调；(3)在第三个时隙，近点用户对基站发送的信号和远端用户发送的信号以及近点用户发送信号进行信号处理，处理后发送给基站和远端用户；(4)在第三个时隙，基站接收信号，对其进行检测解调；(5)在第三个时隙，远端用户接收信号，对其进行检测解调。本发明可以解决提高数据传输效率的同时，部署复杂以及成本高的技术问题。

Description

一种两用户双向传输协作非正交多址接入方法和系统

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种两用户双向传输协作非正交多址接入方法和系统。

背景技术

在无线通信系统中，基站和用户之间需要互相传输信息，但是当基站和用户距离较远时，由于传播路径损耗较大，无法进行正常通信。通常借助基站近点用户转发远端用户的信号，采用协作通信方式以实现基站与距离较远的用户间通信。

中国专利文献CN112104401提供了一种基于NOMA的双向中继传输系统，结合时分双工模式和非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，简称NOMA)技术，利用三个时隙完成基站和两个用户间的一次信息的发送和接收、以及数据检测，减少了一个时隙的占用，有效提高数据传输效率。

然而，在提升系统数据传输效率时，需要在基站和每个用户间部署中继站，利用中继站来进行数据转发，增加了系统模型复杂度和运营商部署成本。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种两用户双向传输协作非正交多址接入方法和系统，其目的在于结合目前无线通信系统的特点，利用用户间协作进行数据双向转发，基于智能终端较为丰富的算力资源，结合网络编码技术，解决现有技术提高数据传输效率的同时，部署复杂以及成本高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种两用户双向传输协作非正交多址接入方法，其具体包括如下步骤：

(1)在第一个时隙，近点用户U₁接收基站发送给近点用户U₁和远端用户U₂的叠加信号根据非正交多址接入原理采用串行干扰抵消方法对其进行检测，以解调出基站发送给近点用户U₁的数据符号/>和基站发送给远端用户U₂的数据符号/>

(2)在第二个时隙，近点用户U₁接收基站和远端用户U₂发送的叠加信号根据非正交多址接入原理采用串行干扰抵消方法对其进行检测，以解调出基站发送的数据符号和远端用户U₂发送的数据符号S_U，2；

(3)在第三个时隙，近点用户U₁对步骤(1)中解调出的基站发送给远端用户U₂的数据符号和步骤(2)中解调出的远端用户U₂发送的数据符号S_U，2以及近点用户U₁发送给基站的数据符号S_U，1采用网络编码和非正交多址接入技术进行信号处理，并将处理后的信号x_U，1发送给基站和远端用户U₂；

(4)在第三个时隙，基站接收步骤(3)中近点用户U₁发送的处理信号x_U，1，得到接收信号y_B，根据非正交多址接入原理对其进行检测，以解调出近点用户U₁发送的数据符号S_U，1和远端用户U₂发送的数据符号S_U，2；

(5)在第三个时隙，远端用户U₂接收步骤(3)中近点用户U₁发送的处理信号x_U，1，得到接收信号y_U，2，根据非正交多址接入原理对其进行检测，以解调出基站发送数据符号

优选地，所述两用户双向传输协作非正交多址接入方法，其步骤(3)中所述处理后的信号x_U，1，具体为：

其中P_U，1为近点用户U₁的发射功率，β₁和β₂为近点用户U₁的发射功率分配系数，且满足β₁+β₂＝1；S₂为近点用户U₁对基站发送给远端用户U₂的数据符号和远端用户U₂发送给基站的数据符号S_U，2采用网络编码处理后的信号，具体为：

优选地，所述两用户双向传输协作非正交多址接入方法，其步骤(1)中所述接收的叠加信号具体为：

其中h表示基站与近点用户U₁之间信道的衰落因子，表示近点用户U₁在第一个时隙的高斯白噪声(其均值为0，方差为σ²)，/>为基站在第一个时隙发送给近点用户U₁和远端用户U₂的叠加信号，具体为/> 其中P_B为基站的发射功率，α₁和α₂为基站的发射功率分配系数，且满足α₁+α₂＝1。

优选地，所述两用户双向传输协作非正交多址接入方法，其步骤(2)中所述接收的叠加信号具体为：

其中h表示基站与近点用户U₁之间信道的衰落因子，g表示近点用户U₁与远端用户U₂之间信道的衰落因子，表示近点用户U₁在第二个时隙的高斯白噪声(其均值为0，方差为σ²)，/>为基站在第二个时隙发送给近点用户U₁的信号，具体为/>为远端用户U₂发送的信号，具体为/>P_U，2为远端用户U₂的发射功率，S_U，2为远端用户U₂发送给基站的数据符号。

优选地，所述两用户双向传输协作非正交多址接入方法，其步骤(1)中基站的发射功率分配系数α₁和α₂为最优的功率分配系数和/>时，以及步骤(3)中近点用户U₁的发射功率分配系数β₁和β₂为最优的功率分配系数/>和/>时，两个用户的总速率最大；

所述基站的最优发射功率分配系数和/>以及近点用户U₁的最优发射功率分配系数/>和/>按照如下方式来设置：

两个用户的总速率R_Sum为：

其中，

所述两个用户的总速率R_Sum最大化时，最优功率分配系数和/>以及/>和/>为：

优选地，所述两用户双向传输协作非正交多址接入方法，其步骤(4)中所述基站的接收信号y_B，具体为：

其中h表示基站与近点用户U₁之间信道的衰落因子，n_B表示基站的高斯白噪声，其均值为0，方差为σ²；

步骤(5)中所述远端用户U₂的接收信号y_U，2，具体为：

其中g表示近点用户U₁与远端用户U₂之间信道的衰落因子，n_U，2表示远端用户U₂的高斯白噪声，其均值为0，方差为σ²。

优选地，所述两用户双向传输协作非正交多址接入方法，其所述根据非正交多址接入原理对接收信号y_B进行检测，具体为：

第一步，基站将近点用户U₁发送的数据符号S_U，1当作干扰信号，检测出信号S₂，再根据基站发送给远端用户U₂的数据符号采用网络编码技术对信号S₂检测，解调得到远端用户U₂发送的数据符号S_U，2；

所述远端用户U₂发送的数据符号S_U，2，具体为：

第二步，基站将检测出的信号S₂从接收信号y_B中移除，再检测出近点用户U₁发送的数据符号S_U，1。

优选地，所述两用户双向传输协作非正交多址接入方法，其所述根据非正交多址接入原理对接收信号y_U，2进行检测，具体为：

远端用户U₂将近点用户U₁发送的数据符号S_U，1当作干扰信号，检测出信号S₂，再根据远端用户U₂的数据符号S_U，2，采用网络编码技术对信号S₂检测，解调得到基站发送数据符号

所述基站发送数据符号具体为：

按照本发明的另一个方面，提供了一种两用户双向传输协作非正交多址接入系统，其应用本发明提供的两用户双向传输协作非正交多址接入方法。

优选地，所述两用户双向传输协作非正交多址接入系统，其包括基站和两个用户，其中一个用户距离基站近为近点用户，与基站直接进行通信，另一个用户距离基站较远，无法直接与基站进行通信，借助近点用户转发数据与基站进行通信。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的一种两用户双向传输协作非正交多址接入方法，近点用户采用非正交多址接入技术和网络编码相结合的方式，使得近点用户在一个时隙内能发送三个数据信号，包括近点用户要发送给基站的数据信号、远端用户要发送给基站的数据信号和基站要发送给远端用户的数据信号，实现了基站和两用户间双向数据传输，提高了功率利用效率和数据传输效率；并且不需要部署外部处理设备，通过两个用户间的相互协作完成与基站的通信，系统部署灵活，部署成本低。

(2)本发明提供的一种两用户双向传输协作非正交多址接入方法，只需要三个时隙完成基站与两个用户间的双向数据传输，并且在三个时隙内，基站能发送两次数据给近点用户，从而提高了数据传输效率；

(3)本发明提供的一种两用户双向传输协作非正交多址接入方法，采用的最优功率分配系数设置方法，设置基站和用户的最优分配功率，进一步提高了数据传输效率。

附图说明

图1是本发明的无线通信系统示意图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是本发明与传统技术在不同信噪比下数据传输速率对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种两用户双向传输协作非正交多址接入方法，是应用在包括一个基站、一个近点用户和一个远端用户的系统中，其中基站与两个用户间进行双向传输数据。本发明采用非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，简称NOMA)方法进行基站和用户间的双向数据传输，如图1所示，系统采用时分双工(Time Division Duplexing，简称TDD)模式，根据NOMA原理，远端用户借助近点用户转发信号实现和基站通信，提升数据传输效率。

如图2所示，本发明提供的一种两用户双向传输协作非正交多址接入方法，具体包括如下步骤：

(1)在第一个时隙，近点用户U₁接收基站发送给近点用户U₁和远端用户U₂的叠加信号根据NOMA原理采用串行干扰抵消(Successive Interference Cancellation，简称SIC)方法对其进行检测，以解调出基站发送给近点用户U₁的数据符号/>和基站发送给远端用户U₂的数据符号/>

所述接收的叠加信号具体为：

其中h表示基站与近点用户U₁之间信道的衰落因子，表示近点用户U₁在第一个时隙的高斯白噪声(其均值为0，方差为σ²)，/>为基站在第一个时隙发送给近点用户U₁和远端用户U₂的叠加信号，具体为/> 其中P_B为基站的发射功率，α₁和α₂为基站的发射功率分配系数，且满足α₁+α₂＝1；

(2)在第二个时隙，近点用户U₁接收基站和远端用户U₂发送的叠加信号根据NOMA原理采用SIC方法对其进行检测，以解调出基站发送的数据符号/>和远端用户U₂发送的数据符号S_U，2；

所述接收的叠加信号具体为：

其中g表示近点用户U₁与远端用户U₂之间信道的衰落因子，表示近点用户U₁在第二个时隙的高斯白噪声(其均值为0，方差为σ²)，/>为基站在第二个时隙发送给近点用户U₁的信号，具体为/>为远端用户U₂发送的信号，具体为(P_U，2为远端用户U₂的发射功率，S_U，2为远端用户U₂发送给基站的数据符号)；

本步骤的优点在于，基站在两个时隙内发送两次数据给近点用户U₁，提高了数据传输速率。

(3)在第三个时隙，近点用户U₁对步骤(1)中解调出的基站发送给远端用户U₂的数据符号和步骤(2)中解调出的远端用户U₂发送的数据符号S_U，2以及近点用户U₁发送给基站的数据符号S_U，1采用网络编码和NOMA技术进行信号处理，并将处理后的信号x_U，1发送给基站和远端用户U₂；

所述处理后的信号x_U，1，具体为：

其中P_U，1为近点用户U₁的发射功率，β₁和β₂为近点用户U₁的发射功率分配系数，且满足β₁+β₂＝1；S₂为近点用户U₁对基站发送给远端用户U₂的数据符号和远端用户U₂发送的数据符号S_U，2采用网络编码处理后的信号，具体为：

本步骤的优点在于，近点用户U₁在一个时隙内发送三个数据，包括近点用户U₁要发送给基站的数据，基站要发送给远端用户U₂的数据，以及远端用户U₂要发送给基站的数据，提高了功率利用效率。

步骤(1)中基站的发射功率分配系数α₁和α₂，以及步骤(3)中近点用户U₁的发射功率分配系数β₁和β₂的设置，影响两个用户的总速率，当α₁和α₂为最优的功率分配系数和时，以及β₁和β₂为最优的功率分配系数/>和/>时，达到两个用户的总速率最大化；

所述基站的发射功率分配系数α₁和α₂，以及近点用户U₁的发射功率分配系数β₁和β₂，按照如下方式来设置：

经过步骤(1)至步骤(3)处理后，两个用户的总速率R_Sum为：

其中，

所述两个用户的总速率R_Sum最大化时，最优功率分配系数和/>以及/>和/>为：

(4)在第三个时隙，基站接收步骤(3)中近点用户U₁发送的处理信号x_U，1，得到接收信号y_B，根据NOMA原理对其进行检测，以解调出近点用户U₁发送的数据符号S_U，1和远端用户U₂发送的数据符号S_U，2；

所述基站的接收信号y_B，具体为：

其中n_B表示基站的高斯白噪声，其均值为0，方差为σ²。

所述根据NOMA原理对接收信号y_B进行检测，具体为：

第一步，基站将近点用户U₁发送的数据符号S_U，1当作干扰信号，检测出信号S₂，再根据基站发送给远端用户U₂的数据符号采用网络编码技术对信号S₂检测，解调得到远端用户U₂发送的数据符号S_U，2；

所述远端用户U₂发送的数据符号S_U，2，具体为：

第二步，基站将检测出的信号S₂从接收信号y_B中移除，再检测出近点用户U₁发送的数据符号S_U，1。

(5)在第三个时隙，远端用户U₂接收步骤(3)中近点用户U₁发送的处理信号x_U，1，得到接收信号y_U，2，根据NOMA原理对其进行检测，以解调出基站发送数据符号

所述远端用户U₂的接收信号y_U，2，具体为：

其中n_U，2表示远端用户U₂的高斯白噪声，其均值为0，方差为σ²。

所述根据NOMA原理对接收信号y_U，2进行检测，具体为：

远端用户U₂将近点用户U₁发送的数据符号S_U，1当作干扰信号，检测出信号S₂，再根据远端用户U₂的数据符号S_U，2，采用网络编码技术对信号S₂检测，解调得到基站发送数据符号

所述基站发送数据符号具体为：

本发明的步骤中，用3个时隙完成了基站和两个用户间数据的双向传输，以及数据检测；而传统技术需要4个时隙完成整个过程：在第一个时隙，基站采用NOMA方法将两个用户的信号同时发送给近点用户，近点用户进行信号检测；在第二个时隙，近点用户将处理后的信号转发给远端用户；在第三个时隙，远端用户将信号发送给近点用户；在第四个时隙，近点用户将自己要发送的数据和接收到的远端用户发送的数据采用NOMA方法进行处理后发送给基站。本发明相对传统技术减少了时隙占用数，提升了数据传输效率。如图3所示，本发明与传统技术在不同信噪比下数据传输速率对比图，实验得出本发明相对传统技术在不同信噪比下数据传输速率都有较大的提升。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种两用户双向传输协作非正交多址接入方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)在第一个时隙，近点用户U₁接收基站发送给近点用户U₁和远端用户U₂的叠加信号根据非正交多址接入原理采用串行干扰抵消方法对其进行检测，以解调出基站发送给近点用户U₁的数据符号/>和基站发送给远端用户U₂的数据符号/>所述接收的叠加信号/>具体为：

其中h表示基站与近点用户U₁之间信道的衰落因子，表示近点用户U₁在第一个时隙的高斯白噪声，其均值为0，方差为σ²，/>为基站在第一个时隙发送给近点用户U₁和远端用户U₂的叠加信号，具体为/> 其中P_B为基站的发射功率，α₁和α₂为基站的发射功率分配系数，且满足α₁+α₂＝1；

(2)在第二个时隙，近点用户U₁接收基站和远端用户U₂发送的叠加信号根据非正交多址接入原理采用串行干扰抵消方法对其进行检测，以解调出基站发送的数据符号/>和远端用户U₂发送的数据符号s_U，2；所述接收的叠加信号/>具体为：

其中h表示基站与近点用户U₁之间信道的衰落因子，g表示近点用户U₁与远端用户U₂之间信道的衰落因子，表示近点用户U₁在第二个时隙的高斯白噪声，其均值为0，方差为σ²，/>为基站在第二个时隙发送给近点用户U₁的信号，具体为/> 为远端用户U₂发送的信号，具体为/>P_U，2为远端用户U₂的发射功率，s_U，2为远端用户U₂发送给基站的数据符号；

(3)在第三个时隙，近点用户U₁对步骤(1)中解调出的基站发送给远端用户U₂的数据符号和步骤(2)中解调出的远端用户U₂发送的数据符号s_U，2以及近点用户U₁发送给基站的数据符号s_U，1采用网络编码和非正交多址接入技术进行信号处理，并将处理后的信号x_U，1发送给基站和远端用户U₂；所述处理后的信号x_U，1，具体为：

其中P_U，1为近点用户U₁的发射功率，β₁和β₂为近点用户U₁的发射功率分配系数，且满足β₁+β₂＝1；s₂为近点用户U₁对基站发送给远端用户U₂的数据符号和远端用户U₂发送给基站的数据符号s_U，2采用网络编码处理后的信号，具体为：

(4)在第三个时隙，基站接收步骤(3)中近点用户U₁发送的处理信号x_U，1，得到接收信号y_B，根据非正交多址接入原理对其进行检测，以解调出近点用户U₁发送的数据符号s_U，1和远端用户U₂发送的数据符号s_U，2；

(5)在第三个时隙，远端用户U₂接收步骤(3)中近点用户U₁发送的处理信号x_U，1，得到接收信号y_U，2，根据非正交多址接入原理对其进行检测，以解调出基站发送数据符号

步骤(1)中基站的发射功率分配系数α₁和α₂为最优的功率分配系数和/>时，以及步骤(3)中近点用户U₁的发射功率分配系数β₁和β₂为最优的功率分配系数/>和/>时，两个用户的总速率最大；

所述基站的最优发射功率分配系数和/>以及近点用户U₁的最优发射功率分配系数和/>按照如下方式来设置：

两个用户的总速率R_sum为：

其中，

所述两个用户的总速率R_sum最大化时，最优功率分配系数和/>以及/>和/>为：

2.如权利要求1所述的两用户双向传输协作非正交多址接入方法，其特征在于，步骤(4)中所述基站的接收信号y_B，具体为：

其中h表示基站与近点用户U₁之间信道的衰落因子，n_B表示基站的高斯白噪声，其均值为0，方差为σ²；

步骤(5)中所述远端用户U₂的接收信号y_U，2，具体为：

其中g表示近点用户U₁与远端用户U₂之间信道的衰落因子，n_U，2表示远端用户U₂的高斯白噪声，其均值为0，方差为σ²。

3.如权利要求2所述的两用户双向传输协作非正交多址接入方法，其特征在于，所述根据非正交多址接入原理对接收信号y_B进行检测，具体为：

第一步，基站将近点用户U₁发送的数据符号s_U，1当作干扰信号，检测出信号s₂，再根据基站发送给远端用户U₂的数据符号采用网络编码技术对信号s₂检测，解调得到远端用户U₂发送的数据符号s_U，2；

所述远端用户U₂发送的数据符号s_U，2，具体为：

第二步，基站将检测出的信号s₂从接收信号y_B中移除，再检测出近点用户U₁发送的数据符号s_U，1。

4.如权利要求2所述的两用户双向传输协作非正交多址接入方法，其特征在于，所述根据非正交多址接入原理对接收信号y_U，2进行检测，具体为：

远端用户U₂将近点用户U₁发送的数据符号s_U，1当作干扰信号，检测出信号s₂，再根据远端用户U₂的数据符号s_U，2，采用网络编码技术对信号s₂检测，解调得到基站发送数据符号

所述基站发送数据符号具体为：

5.一种两用户双向传输协作非正交多址接入系统，其特征在于，应用如权利要求1至4任意一项所述的两用户双向传输协作非正交多址接入方法。

6.如权利要求5所述的两用户双向传输协作非正交多址接入系统，其特征在于，包括基站和两个用户，其中一个用户距离基站近为近点用户，与基站直接进行通信，另一个用户距离基站较远，无法直接与基站进行通信，借助近点用户转发数据与基站进行通信。