CN114499808A - 一种空间-功率-码域的混合非正交多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间‑功率‑码域的混合非正交多址接入方法，将海量用户先分配到不同空间域形成方向簇，在每方向簇内又经过功率域的阈值分割，形成簇内小组，码域非正交多址接入只需对方向簇中各小组内有限数量的用户进行码域SCMA非正交多址接入与接收检测，且簇内各小组之间可以复用映射矩阵和多维星座点，极大降低了码域非正交多址接入映射矩阵和多维星座点的设计，同时也极大降低了接收检测的复杂度，为海量用户的接入提供了有力的方法。本发明在用户方向簇内联合功率域非正交多接入和稀疏码非正交多接入的思想，通过在用户信道增益差下进行分组与组内用户专属码本的设计，使各方向簇内接入用户数量得到显著提升。

Description

一种空间-功率-码域的混合非正交多址接入方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种空间-功率-码域的混合非正交多址接入方法。

背景技术

现有的解决海量用户非正交多址技术方案主要是单域非正交接入，例如，在功率域上的PD-NOMA非正交接入方案、码域SCMA非正交多址接入方案等。

功率域非正交多址接入技术(Power Domain-Non orthogonal Multiple Access,PD-NOMA)通过功率域来区分用户，在发送端使用功率复用技术，让接收端检测到各用户的信号功率互不相同，用户进行解码时通过功率大小进行区分，再应用串行干扰消除技术提取到有用信号。PD-NOMA的好处在于其硬件系统并不复杂，不足之处在于如果功率域叠加大量的用户，将会严重影响系统的性能，并不能满足5G对海量用户连接的需求。

稀疏码分多址接入技术(Sparse Code Multiple Access,SCMA)是一种应用在码域的非正交多址接入方法，该方法为每个用户设计专属的码本，通过SCMA编码器将比特流直接映射到用户所属码本的码字上，不同用户的码字可以在同一资源块上叠加发射，而每个资源块上复用的用户数量有限，用户与资源块是稀疏映射关系，因而，SCMA在系统容量得到较大提升的同时并没有引入过大的用户间干扰。不足之处在于如果利用SCMA解决海量用户接入，就需要海量的用户专属码本，这并不容易获得，为5G和B5G时代利用SCMA实现用户的大规模接入提出了挑战。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种空间-功率-码域的混合非正交多址接入方法，以解决上述背景技术中所提出的问题。

为此，本发明提供一种空间-功率-码域的混合非正交多址接入方法，包括如下步骤：

步骤1：将待接入的用户根据其在基站周围的位置分配到多个不同方向的空间域，每一个所述空间域内的全部用户组成一个方向簇；

步骤2：将每一个方向簇所包含的用户通过功率域划分为多个簇内小组；

步骤3：分别对每一个所述簇内小组所包含的用户分别使用SCMA非正交多址接入的方式接入；

步骤4：对接入的用户进行接收检测。

进一步，在步骤1中，所述方向簇的簇数与所述基站的射频链数一致。

进一步，在步骤2中，包括如下步骤：

步骤2-1：将每一个所述空间域内的用户使用集合J_c表示，使用|J_c|表示集合J_c中的用户数，并将所述空间域内的每个用户与基站之间的信道增益大小进行降序排列；

步骤2-2：计算降序排列后各个相邻用户之间的信道增益差，可得到共|J_c|-1个信道增益差，取其中最大的

个增益差与最小的

个信道增益差，其中z和v为正整数，视所需取出的差值个数多少可进行自适应调整，

和

分别为向上取整和向下取整；

步骤2-3：对取出的

个信道增益差求取平均值，将该平均值表示为β_a，并根据相邻用户间信道增益差与所述平均值β_a的大小将用户划分为多个所述簇内小组。

更进一步，在步骤2-3中，在对多个所述簇内小组进行划分的时候，包括如下步骤：

步骤2-3-1：若相邻用户之间的信道增益差小于所述平均值β_a，则将连续小于所述平均值β_a的用户划分为一个簇内小组；

步骤2-3-2：若相邻用户之间的信道增益差大于所述平均值β_a，则将两个用户分别划分为一个簇内小组。

本发明提供的一种空间-功率-码域的混合非正交多址接入方法，具有如下有益效果：

本专利提出一种基于空间-功率-码域的混合多域非正交多址接入方法，该方法利用了毫米波大规模天线在基站处形成的多个方向性波束服务方向性用户簇的思想，旨在从不同空间方位上提升用户接入数量；在用户方向簇内联合功率域非正交多接入和稀疏码非正交多接入的思想，通过在用户信道增益差下进行分组与组内用户专属码本的设计，使各方向簇内接入用户数量得到显著提升；

本发明将海量用户先分配到不同空间域形成方向簇，在每方向簇内又经过功率域的阈值分割，形成簇内小组，码域非正交多址接入只需对方向簇中各小组内有限数量的用户进行码域SCMA非正交多址接入与接收检测，且簇内各小组之间可以复用映射矩阵和多维星座点，极大降低了码域非正交多址接入映射矩阵和多维星座点的设计，同时也极大降低了接收检测的复杂度，为海量用户的接入提供了有力的方法。

附图说明

图1为本发明的空间域方向簇示意图；

图2为本发明方向簇的簇内小组中用户分组示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本实施例提供了一种空间-功率-码域的混合非正交多址接入方法，包括如下步骤：

步骤1：将待接入的用户根据其在基站周围的位置分配到多个不同方向的空间域，每一个所述空间域内的全部用户组成一个方向簇；

步骤2：将每一个方向簇所包含的用户通过功率域划分为多个簇内小组；

步骤3：分别对每一个所述簇内小组所包含的用户分别使用SCMA非正交多址接入的方式接入；

步骤4：对接入的用户进行接收检测。

在步骤1中，是对于空间域的划分，所述方向簇的簇数与所述基站的射频链数一致。

考虑一个下行毫米波Massive MIMO系统，该系统中有1个基站和J个用户，J个用户按照基站周围方位形成方向性用户簇，方位相近的用户成为同一方向簇内的成员，如图1所示，用户1-1、用户1-2和用户1-3为同一方向簇1的三个成员，图中共绘制了三个方向簇。系统中，方向簇的簇数与基站大规模天线中配备的射频链数量一致。这是由于毫米波通信具有较强的发射波束方向性，一个方向簇用户可以由基站发射的一个方向性波束来服务，基站发射波束数量与射频链数量相同，正好用于服务与射频链数量相等的方向簇用户；同时可使发射波束能量聚焦于方向簇用户来提升能量效率，且发射波束之间不容易形成交叠，簇间干扰可忽略。

从空域角度出发，系统利用方向簇的形式，通过提升空间方位上的用户接入机会来提升用户接入数量，使空间资源在提升用户接入数量方面发挥了重要的作用。

在使用功率域划分的时候，在步骤2中，包括如下步骤：

步骤2-1：将每一个所述空间域内的用户使用集合J_c表示，使用|J_c|表示集合J_c中的用户数，并将所述空间域内的每个用户与基站之间的信道增益大小进行降序排列；

排列后有

其中，序号越小的用户信道增益越强。

步骤2-2：计算降序排列后各个相邻用户之间的信道增益差，可得到共|J_c|-1个信道增益差，取其中最大的

个增益差与最小的

个信道增益差，其中z和v为正整数，视所需取出的差值个数多少可进行自适应调整，

和

分别为向上取整和向下取整；其中，|h_i|-|h_i+1|,i＝1…(|J_c|-1)为信道增益差。

步骤2-3：对取出的

个信道增益差求取平均值，将该平均值表示为β_a，并根据相邻用户间信道增益差与所述平均值β_a的大小将用户划分为多个所述簇内小组。

在步骤2-3中，在对多个所述簇内小组进行划分的时候，可选用如下方式，包括如下步骤：

步骤2-3-1：若相邻用户之间的信道增益差小于所述平均值β_a，则将连续小于所述平均值β_a的用户划分为一个簇内小组；

步骤2-3-2：若相邻用户之间的信道增益差大于所述平均值β_a，则将两个用户分别划分为一个簇内小组。

划分簇内小组的时候，通过以下的示例来理解上述的方法：

步骤2-3-1的内容：若相邻用户间信道增益差满足|h_i|-|h_i+1|＜β_a，即i+1用户与i用户之间不满足信道增益差条件，不具备明显的远近效应，在功率域无法实现用户间检测，可将序号大的i+1用户与i用户分为一组；若用户i+2与用户i+1也不满足信道增益差阈值条件，|h_i+1|-|h_i+2|＜β_a，用户i+2加入到用户i+1的组内，与用户i共同成为一组；组内用户可能继续增加，直到组内用户与相邻加1序号的用户之间满足信道增益差阈值条件，例如|h_i+2|-|h_i+3|≥β_a，则本组内成员不再增多，用户i+3不参与到用户i+2的小组中，当前组分组结束；

步骤2-3-2的内容：若相邻用户间信道增益差满足|h_i|-|h_i+1|≥β_a，相邻的两个用户各为一组。

按照上述簇内分组方法，每个小组内可能有1个用户，也可能有多个用户，如图2所示，方向簇内共有8个用户，用户1和用户2满足信道增益差阈值条件，用户2与用户1各为一组；用户2与用户3之间不满足信道增益差阈值条件，用户3与用户2组成一组；用户3与用户4不满足信道增益差阈值条件，所以用户4与用户3各为一组；按照是否满足信道增益差阈值条件，图中8个用户共分为5个组，由图中的虚线隔开；同一组内成员由括号进行标识。可以看出，每组用户数量可以大于等于1。

之后，作为补充，假设方向簇簇内用户可分为

个小组，各个小组的用户集合表示为C_g，每个小组内的用户数量为

且|C_g|≥1。利用功率域的连续干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)可将各小组间用户信息进行解码。

在解码的时候，通过以下的方法：

首先，由最弱组的最强用户

(如果组内用户数量大于1，若组内只有1个用户，该用户本身就是组内最强用户，下同)进行解码，将其他组用户信号看作噪声，在受其干扰的情况下，得到最弱组用户集

内全部用户的信息

其次，由次弱组的最强用户

进行解码，将信道增益强于该组的其它组用户看作噪声，在受到强组用户干扰的情况下进行解码，并将已经解码出的最弱组用户信息

删除，可得到次弱组用户集

的组内用户信息

按照上述步骤，通过连续干扰消除最终可得到每组用户集的全体解码信息。若组内成员只有一个，则该用户直接获得自己的解码信息；若组内用户多于一个，则组内各用户无法直接通过功率域SIC得到自己的解码信息，需要利用码域非正交多址接入与接收检测来完成组内各用户的信息解码。

在码域中，设系统中正交频率资源块数量为N，针对方向簇内用户数大于1的小组而言，组内用户需要维度为N×|C_g|的映射矩阵F，矩阵的列数代表用户的数量，行数代表系统资源块数量。映射矩阵F的列重代表每个用户所占用的资源块数量，行重代表同一资源块上共享的用户数量。每个用户并不使用所有的资源块，而是稀疏地使用资源块中的一部分，使得每个资源块上的用户信息尽可能少，这样可以降低用户之间的干扰和系统的误码率。

但是5G或B5G场景下用户的数量是海量的，这使得同一个资源块上的用户会无法避免地暴涨，由于用户的发射信息要直接映射到多维星座点上进行发送，为了保证能够正确译码，同一个资源块上用户的星座点就不能发生混叠，也就是说，同一资源块上复用的用户数量越多，需要设计的星座点数量就越多，接收检测的复杂度越高，使仅利用码域实现海量接入难以实现。

在本专利提出的混合非正交多址接入方法中，将海量用户先分配到不同空间域形成方向簇，在每方向簇内又经过功率域的阈值分割，形成簇内小组，码域非正交多址接入只需对方向簇中各小组内有限数量的用户进行码域SCMA非正交多址接入与接收检测，且簇内各小组之间可以复用映射矩阵和多维星座点，极大降低了码域非正交多址接入映射矩阵和多维星座点的设计，同时也极大降低了接收检测的复杂度，为海量用户的接入提供了有力的方法。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种空间-功率-码域的混合非正交多址接入方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将待接入的用户根据其在基站周围的位置分配到多个不同方向的空间域，每一个所述空间域内的全部用户组成一个方向簇；

步骤2：将每一个方向簇所包含的用户通过功率域划分为多个簇内小组；

步骤3：分别对每一个所述簇内小组所包含的用户分别使用SCMA非正交多址接入的方式接入；

步骤4：对接入的用户进行接收检测。

2.如权利要求1所述的一种空间-功率-码域的混合非正交多址接入方法，其特征在于，在步骤1中，所述方向簇的簇数与所述基站的射频链数一致。

3.如权利要求1所述的一种空间-功率-码域的混合非正交多址接入方法，其特征在于，在步骤2中，包括如下步骤：

步骤2-1：将每一个所述空间域内的用户使用集合J_c表示，使用|J_c|表示集合J_c中的用户数，并将所述空间域内的每个用户与基站之间的信道增益大小进行降序排列；

步骤2-2：计算降序排列后各个相邻用户之间的信道增益差，可得到共|J_c|-1个信道增益差，取其中最大的

个增益差与最小的

个信道增益差，其中z和v为正整数，视所需取出的差值个数多少可进行自适应调整，

和

分别为向上取整和向下取整；

步骤2-3：对取出的

个信道增益差求取平均值，将该平均值表示为β_a，并根据相邻用户间信道增益差与所述平均值β_a的大小将用户划分为多个所述簇内小组。

4.如权利要求3所述的一种空间-功率-码域的混合非正交多址接入方法，其特征在于，在步骤2-3中，在对多个所述簇内小组进行划分的时候，包括如下步骤：

步骤2-3-1：若相邻用户之间的信道增益差小于所述平均值β_a，则将连续小于所述平均值β_a的用户划分为一个簇内小组；

步骤2-3-2：若相邻用户之间的信道增益差大于所述平均值β_a，则将两个用户分别划分为一个簇内小组。

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