CN115276744A - 一种基于速率分割多址接入技术的毫米波系统传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于速率分割多址接入技术的毫米波系统传输方法,包括1)建立离散角域信道模型;2)基站估计所有用户的信道状态信息;3)基站确定用户距离和离开角范围,计算公共路径和私有路径数量;4)编码阶段。基站根据公共路径和私有路径数量,确定编码方式;5)线性预编码阶段。基站根据公共路径和私有路径数量和方向,按照本发明提出的两种波束赋形策略控制各数据流波束发送方向和发送功率,最后经过天线发送总数据流;6)解码阶段。每个用户将所得到的数据流进行解码,并得到各数据流的信干噪比,进而得出该系统中断性能。本发明在采取较为简单、有效波束赋形方案的同时还能去除部分干扰,提高系统中断性能。
Description
技术领域
本发明属于无线通信网络技术领域,结合速率分割多址接入技术和毫米波无线通信技术共同设计的传输方法。
背景技术
如今,各种智能设备和移动互联网服务的普及极大地刺激了对频谱资源的需求。毫米波因超宽带宽、波长小且易于集成天线阵列等优点,成为满足这种极高数据速率需求最直接有效的解决方案。速率分割多址接入技术是近年来提出的一种新的功率域多址接入技术,与非正交多址接入技术和空分多址接入技术相比,速率分割多址接入技术能带来更大的复用增益、提供更高的频谱效率和更低的设备复杂度,是目前5G及满足6G要求极具潜力的多址接入技术之一。
速率分割多址接入技术基本原理为使用速率分割技术将用户消息分割成公共和私有部分,并在所有接收机处使用串行干扰消除技术来顺序解码公共流和私有流的过程。如附图1所示,描述了一个多用户的速率分割接入技术系统。速率分割多址接入技术的原理为:1)发送端分别将用户1的消息W1和用户K的消息WK拆分成公共部分和私有部分,即Wc,k和Wp,k(k=1,2,…,K);2)所有用户的公共部分{Wc,1,Wc,2,…,Wc,K}被合并成公共消息Wc并使用所有用户共享的码本被编码到公共流sc,而私有部分Wp,1到Wp,k被独立地编码到用户1的私有流s1到用户K私有流sK中,从而K+1个数据流s=[sc,s1,…,sK]得以创建;3)s经过线性预编码之后经过多天线发送给每个用户;4)在每个用户k处,通过将来自所有用户私有流的干扰视为噪声,首先将公共流sc解码为然后使用SIC,被重新编码、预编码,并从接收信号中减去,使得用户k在解码其自己的私有数据流时,只需要将其他用户的剩余干扰视为噪声,以解码出自己的私有信号Wp,k。最后,将从分离出来,与Wp,k合并得到自己的信号Wk。总之,在发送端,每个用户将自己的消息分成公共部分和私有部分,公共部分被编码成由所有用户能解码的公共数据流,而私有部分被编码成由只有自己能解码的私有数据流。所有数据流经过线性预编码发送给每个用户。在接收端,每个用户首先解码公共数据流,并将来自所有私有数据流视为干扰。解码成功后通过串行干扰消除将公共数据流重新编码、预编码还原并从接收信号中消除,使得用户在解码自己私有数据流时只需要将其他用户的私有数据流视为干扰。
无线通信系统性能分析发展多年,相关的研究和应用已相当成熟,中断概率、遍历和速率和遍历速率等指标可以用来衡量系统可靠性。其中中断概率是指瞬时容量Rt(γ)小于一个给定的门限值Rth的概率,用来表述系统以预定速率传输时,系统中断的直观指标,其数学表达式如下:
Pout=Pr{Rt(γ)<Rth}
式中,γ代表接收端信干噪比,Rth为给定的目标容量门限值。由于信道的随机性,会使得目的端的γ具有随机性,根据香农定理,接收端Rt(γ)为此系统的香农容量。若发送端以固定的速率Rth发送消息,则系统可能存在Rt(γ)<Rth的情况,此时系统处于中断状态。因此,通过信道的统计规律,我们可以评估系统的可靠性。
相比于6GHz以下通信,毫米波通信可利用其丰富的频谱资源提供更高的通信容量。非正交多址接入技术可在功率域上实现用户复用,从而提升系统频谱效率。速率分割多址接入技术是一种基于多天线速率分割的非正交传输策略,许多文献结果表明,速率分割多址接入技术相比于非正交多址接入技术能提供更高的频谱效率。其次,利用毫米波通信传输路径损耗大、覆盖范围小,将天线阵列技术和波束赋形技术应用到毫米波通信网络中,产生方向性强的窄波束带来天线增益补偿严重的传输路径损耗以及受障碍物的影响,增大传输距离,而对比于非正交多址接入技术,多天线更适用速率分割多址接入技术,其原因为速率分割多址接入技术会带来更高的复用增益,从而能够更好地利用空间维度提高系统性能。第三,毫米波通信是一个缓解未来通信高速率需求的关键技术,而近几年研究的非正交多址接入技术在5G网络中显示出了独特的优势,但非正交多址接入技术在多用户的情况下每个用户均强行解码其他用户的信息,造成了串行干扰消除技术的无效使用,导致更高的接收复杂度;与非正交多址技术相比,速率分割多址接入技术能够有效减少串行干扰消除操作次数,降低设备复杂度,多天线速率分割多址接入技术完全解决了多天线非正交多址接入技术的设计局限性。第四,多用户干扰仍然是毫米波系统的一个限制因素,速率分割多址接入技术在解决多用户干扰方面优势明显,其核心是对待部分干扰为噪声,解码部分干扰,来提高系统性能。综上所述,将速率分割和毫米波技术相结合,将在现代化通信领域展现出巨大优势。
发明内容
针对下行速率分割多址接入技术的毫米波系统,可能存在系统传输中断的问题,本发明基于速率分割多址接入技术,考虑了毫米波的信道传输特性,提出了两种波束赋形方案来提高系统的可靠性。此外,该发明利用随机几何理论考虑用户位置随机更实际的情况。
本发明采用的技术方案是,一种基于速率分割多址接入技术的毫米波系统传输方法,包括以下步骤:
步骤S1,基于几何信道模型,建立离散角域信道模型。
步骤S2,用户向基站S发送导频序列并利用上行链路-下行链路信道互易性,估计基站S和所有用户之间的信道状态信息。
步骤S3,基站S根据用户所在的位置,确定用户的距离与离开角范围,并计算两个用户公共路径和各自私有路径的数量。
步骤S4,编码阶段,基站根据公共路径和私有路径数量,确定编码方式;当0<k<L时,基站S利用速率分割技术,将所有用户消息分成公共部分和私有部分,公共部分利用共享的码本编码成所有用户均能解码的公共数据流,私有部分编码成只有用户自己能解码的私有数据流,最后,所有数据流经过线性预编码之后通过天线发送出去;当Lc=0时,所有消息编码成对应用户的私有数据流;当Lc=L时,所有消息编码成两用户均能解码的公共数据流。
步骤S5,线性预编码阶段,基站S根据公共路径和各自私有路径数量和方向,使用波束赋形技术控制各数据流波束发送方向和功率,最后天线发送总数据流。
步骤S6,解码阶段,每个用户将所得到的数据流进行解码,并得到各数据流的信干噪比。在此基础上利用概率论推导出相关变量的概率密度函数和累积分布函数,进而推导用户的中断概率。
本发明的有益效果主要是:利用毫米波信道的特殊性和速率分割原理,由用户间的空间相关性,提出了两种波束赋形传输策略,并且能在不增加波束赋形复杂度的前提下有效地减少了干扰,降低了毫米波速率分割多址接入系统的中断概率,并揭示了该系统中重要参数对系统中断的影响,对实践具有一定的参考意义。
本发明的有益效果具体来自以下三个方面:
(1)采用速率分割技术通信。速率分割作为一种功率域的技术能够实现用户复用,提升频谱和能量效率。与非正交多址接入技术,空分复用技术以及多播等相比,速率分割多址接入技术能为速率的提升、QoS增强以及复杂性降低提供了空间。速率分割多址接入技术能为空分复用技术和非正交多址接入技术提供一个平滑的过渡,并在广泛的网络负载(欠载和超载区域)和用户部署(不管发送端信道方向、信道强度和信道状态信息质量如何)上优于空分复用技术和非正交多址接入技术。与非正交多址接入技术相比,速率分割多址接入技术在提升速率、增强复用增益、增强用户服务质量和降低设备复杂度等方面优势明显。(具体可参考文献[6]Bruno Clerckx,Yijie Mao,Robert Schober,Eduard A.Jorswieck,David J.Love,Jinhong Yuan,Lajos Hanzo,Geoffrey Ye Li,Erik G.Larsson,GiuseppeCaire.Is NOMA efficient in multi-antenna networks?A critical look at nextgeneration multiple access techniques[J].IEEE Open Journal of theCommunications Society,2021,2 1310-1343.)
(2)提出两种传输策略。基于用户间的空间相关性,能很自然地利用信道特性在公共路径上发送公共消息,在各自的私有路径上发送私有消息,这能够使得其他用户私有消息迫零,消除其他用户私对本用户的干扰,这能提高接收端信干噪比,降低中断概率。考虑到公共消息能够被解码然后利用串行干扰消除技术去除,提出另外一种策略(TACP)来提高公共消息的接收端信干噪比,这进一步提高了用户的中断性能,如附图4所示。此外,本发明考虑了用户随机分布的情况,更加符合实际。
(3)重要参数对系统性能的影响。主要体现在功率分配系数和可解析路径上。当τc很小时,公共消息是用户中断的瓶颈,当τc较大时,私有信号是用户中断的瓶颈。附图5中的蒙特卡洛仿真结果表明随着功率分配系数的增加,中断概率出现先减小后增加的情况,即存在一个最优功率分配系数使得系统的中断性能最优。图6表明了随着可解析路径的增加,中断概率出现先减小后增加的情况,即存在一个最优可解析路径使得系统的中断性能最优。
附图说明
图1是一般的速率分割多址接入技术系统模型;
图2是速率分割多址接入技术的毫米波模型;
图3是U1与U2公共路径数的分布图;
图4是两种策略中断性能的影响;
图5是功率分配系数对系统中断概率的影响;
图6是可解析路径的数量对系统中断概率的影响;
图7是具体实施流程图。
具体实施方式
如图2所示,本发明所述通信系统为一个多天线基站S给两个单天线用户U1和U2通信。U1为位置固定的用户,U2位置随机的用户。S配备多天线,用户均配备单天线。不失一般性,假设S位于圆心,U1与S之间的距离r1,坐标为(r1,0),U2则在以S为圆心以R为半径的圆内随机分布,位置不确定。与丰富散射环境中的传统低频信道不同,毫米波信道具有稀疏散射和多径特性,这使得毫米波信道具有一定的相关性。因此,毫米波信道可以用几何信道模型来描述,其数学表达式为:
式中,hi为基站S与用户Ui(i∈{1,2})之间的信道,Nt为S端天线数量,PL(ri)为平均路径损耗,ri表示基站和Ui之间的距离,Np为信道路径的数量,gl为第l条路径的复增益,a(Θl)为离开角(Angle of Departure,AOD)θl处的归一化阵列方向矢量,表示为Θl=sin(θl),当S采用均匀线阵时,归一化阵列方向向量可以表示为
本发明实施例基于物理层领域,考虑下行速率分割多址接入技术毫米波系统用户的中断性能。利用离散角域信道的信道传输特性与速率分割多址接入技术的思想,提出了两种波束赋形传输方案,其核心在于所提出的波束赋形方案能够在不增加复杂度的情况下消除部分干扰,提高系统性能。该策略的具体实施流程如图7所示,具体实施步骤如下:
步骤S1:基于毫米波几何信道模型,建立离散角域信道模型,其数学表达式如下:
式中,hi为基站S与用户Ui(i∈{1,2})之间的信道,为复增益信道向量,是空间正交基,a(Ψn)为采取均匀线阵时对方向进行等距采样后的归一化阵列方向向量, 与AOD的方位角θn形成一对一的映射,且映射关系为θn=arcsin(Ψn)。M为天线的归一化长度,且当路径之间的方向差小于则不可分辨,所以离散角域模型的离散角域的采样间隔为Li为用户Ui的可解析路径,且θi,max为Ui所有可解析路径的最大AOD,θi,min为Ui所有可解析路径的最小AOD。如果θi,n∈[θi,min,θi,max],gi,n~CN(0,1),否则gi,n=0,其中gi,n为用户Ui第n个方向上的复增益信道。为了便于分析,假设L1=L2=L。具体数学建模方法见参考文献([1]Ying Ju,Hui-Ming Wang,Tong-Xing Zheng,QinyeYin.Secure transmissions in millimeter wave systems[J].IEEE Transactions onCommunications,2017,65(5):2114-2127.)。
步骤S2:用户向基站发送导频序列,此时基站利用上行链路-下行链路信道互易性,获取自身和所有用户之间的信道状态信息。具体方法和技术(参考文献[2]Wang Junyi,Lan Zhou,Pyo Chang-woo,T.Baykas,Sum Chin-sean,M.A.Rahman,Gao Jing,R.Funada,F.Kojima,H.Harada,S.Kato.Beam codebook based beamforming protocol for multi-Gbps millimeter-wave WPAN systems[J].IEEE Journal on Selected Areas inCommunications,2009,27(8):1390-1399.、[3]Hien Quoc Ngo,Alexei Ashikhmin,HongYang,Erik G.Larsson,Thomas L.Marzetta.Cell-Free Massive MIMO Versus SmallCells[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,2017,16(3):1834-1850.、[4]Waheed U.Bajwa,Jarvis Haupt,Akbar M.Sayeed,Robert Nowak.Compressed ChannelSensing:A New Approach to Estimating Sparse Multipath Channels[J].Proceedingsof the IEEE,2010,98(6):1058-1076.)。
步骤S3:基站S根据用户所在的位置,确定用户的距离与AOD范围,并计算两个用户各自总的可解析路径数量L、公共路径Lc和各自私有路径的数量。如图2所示,基站S给用户U1和U2通信。为了计算基站和各用户的距离,建立笛卡尔坐标系,将基站S表示为坐标原点(0,0),用户U1位置固定,为了促进分析,将用户U1与基站之间的连线作为x轴,坐标为(x1,0),用户U2位置随机的用户,坐标(x2,y2),所以用户U1距离基站S的距离r1=x1,用户U2距离基站S的距离根据用户间的空间相关性,用户的可解析路径可以分为公共路径(重叠路径)和私有路径。如图3,S为基站,浅色区域所显示的角度范围[θ1,min,θ1,max]表示U1的AODs路径分布区域,深色区域所显示的角度范围[θ2,min,θ2,max]表示U2的AODs路径分布区域,重叠部分角度范围[θc,min,θc,max],根据重叠区域角度范围可计算公共路径数量为式中M为为天线的归一化长度,Nt为基站S的天线数量。各用户私有路径数量为L-Lc,而用户总的可解析路径数量L可通过上述计算公共路径数量类似的方法获得,文中不再赘述。图中黑色实线表示U1的可解析路径数量(图中只表示了U1的可解析路径数量,U2的类似)。从图中可以看出,U1与U2公共路径的数量为2。由于U2随机分布,公共路径的数量为随机变量。由于U2随机分布,公共路径的概率密度函数为
P{Lc=k}=ωk
式中,当0<k<L时,当k=L时,当k=0时,L用户U1和用户U2可解析路径数量,k表示用户U1和用户U2之间的公共路径数量。为了达到更佳的效果,该发明在0<k<L时采取速率分割多址接入技术,根据速率分割与空分多址接入技术和多播的关系,在k=0时,采取空分多址接入技术,k=L采取多播,这能够很好地消除用户间的干扰。
步骤S4:编码阶段,基站根据公共路径和私有路径数量,确定编码方式。当0<k<L,基站S利用速率分割技术,分别将发送给U1的消息W1和U2的消息W2分割为两部分,即W1被分割为公共消息Wc,1和私有消息Wp,1,W2被分割为公共消息Wc,2和私有消息Wp,2。Wc,1和Wc,2被合并到公共消息Wc中,该消息使用所有用户共享的码本被编码为公共数据流sc。私有部分Wp,1和Wp,2被独立地编码为只有用户自己能够解码的私有数据流s1和s2。特别地,当Lc=0时,此时τc=0,所有消息编码成对应用户的私有数据流,速率分割多址技术退化为空分多址技术。当Lc=L,此时τc=1,所有消息编码成两用户均能解码的公共数据流,速率分割多址技术就退化为多播技术。
步骤S5:线性预编码阶段,基站根据本发明提出的两种波束赋形方案确定预编码形式。基站S根据公共路径和各自私有路径的数量和方向,使用波束赋形技术控制各数据流的波束发送方向和功率,最后天线发送总数据流。本发明根据两用户的空间特性,提出两种波束赋形方案。其中,方案一(Transmit Common Streams on the Common Paths,TCCP(TCCP表示在两用户公共路径上发送公共数据流))简述为在公共路径上发送公共数据流,在各自的私有路径上发送私有数据流,此方案能够将公共数据流和公共路径,私有数据流和私有路径结合利用,直接采取实施起来较为简单、有效且广泛运用的最大比传输波束赋形就能去除其他用户的私有数据流对自身产生的干扰,其表达式为
式中,表示该向量为一个Nt×1维的向量, Ωc为用户U1和U2之间公共可解析路径的索引集合,gi,p用户Ui私有路径的复增益信道向量,Ui,p为用户Ui私有路径的空间正交基,S(B,D)表示从B中根据D选取相应的列来形成一个新的矩阵,具体实现框架(参考文献[5]Titus K.Y.Lo.Maximum ratiotransmission[J].IEEE Transactions on Communications,1999,47.no.10 1458-1461.)。为了进一步提升系统性能,方案二(Transmit Common Streams on All thePaths,TCAP(TCAP表示在两用户所有的路径上发送公共数据流))在两用户的所有路径均发送sc,sc表示公共数据流,此时,wc设计为Ω1,p表示用户U1私有路径的索引集合,Ω2,p表示用户U2私有路径的索引集合,wi的表达式与TCCP保持一致。最后,所有数据流经过线性预编码pj表示数据流j的预编码向量,从基站发送出去。因此,基站发送信号为式中P为发送端的总功率,τj为sj的功率分配系数,sj表示数据流j,wj为单位向量表示波束赋形方向。特殊地,当Lc=0,此时,τc=0,速率分割多址接入技术退化为空分多址技术,基站分别在用户各自的可解析路径中发送消息。当Lc=L,此时,τc=1,速率分割多址接入技术退化为多播技术。
步骤S6:解码阶段。在接收端,当0<k<L,Ui解码sc的信干噪比为 表示高斯白噪声功率,解码si的信干噪比为式中,||hiwl||=0,主要原因是所提出的波束赋形方案能使得其他私有数据流迫零。因此,采取TCCP时,U1和U2解码sc和si的信干噪比和信噪比为:
采取TCAP时,Ui解码sc和si的信干噪比和信噪比为:
下面分析本发明实施例系统的中断性能。根据中断概率的表达式和一些数学代数运算,可得Ui中断概率为:
式中,Pout,i,k为公共路径Lc=k时Ui的中断概率。
当采取TCCP时,U1的中断概率为:
U2的中断概率为:
当采取TACP时,U1的中断概率为:
式中:
U2的中断概率为:
其中:
如图4所示两种策略中断性能的影响。其中“r1”表示本发明中U1与S之间的距离,“Sim”表示蒙特卡洛仿真结果,“Ana”表示理论分析结果。本图以蒙特卡洛仿真证明了理论分析的正确性。从图中可以看出,TCAP相比于TCCP而言,能进一步提升中断性能,这是由于TCAP利用用户的所有路径发送公共消息,使得公共消息的接收信干噪比增加,进而提升系统中断性能。
如图5所示功率分配系数对系统中断概率的影响。其中,τc表示sc的功率分配系数,表示解码sc的速率门限。从图中可以看出随着τc的增加,用户的中断概率先减小后增加,即存在一个最优的τc使得整体系统的中断性能最优。这是因为当τc很小时,公共消息是用户中断的瓶颈,当τc较大时,私有信号是用户中断的瓶颈。
如图6所示可解析路径的数量对系统中断概率的影响。其中,L表示可解析路径数量,Nt为天线数量。从图中可以看出随着L的增加,用户的中断概率先减小后增加,即存在一个最优的L使整体系统的中断性能最优。
Claims (7)
1.一种基于速率分割多址接入技术的毫米波系统传输方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1,基于几何信道模型,建立离散角域信道模型;
步骤S2,用户向基站S发送导频序列并利用上行链路-下行链路信道互易性,估计基站S和所有用户之间的信道状态信息;
步骤S3,基站S根据用户所在的位置,确定用户的距离与离开角范围,并计算两个用户可解析路径数量、公共路径和各自私有路径的数量;
步骤S4,编码阶段,基站根据公共路径和私有路径数量,确定各数据流的编码方式;
步骤S5,线性预编码阶段,基站S根据公共路径和各自私有路径数量和方向,使用波束赋形技术控制各数据流波束发送方向和功率,最后天线发送总数据流;
步骤S6,解码阶段,每个用户将所得到的数据流进行解码,并得到各数据流的信干噪比。
4.根据权利要求1所述一种基于速率分割多址接入技术的毫米波系统传输方法,其特征在于:步骤S4中,当0<k<L时,基站S利用速率分割技术,将所有用户消息分成公共部分和私有部分,公共部分利用共享的码本编码成所有用户均能解码的公共数据流,私有部分编码成只有用户自己能解码的私有数据流,最后,所有数据流经过线性预编码之后通过天线发送出去;当Lc=0时,所有消息编码成对应用户的私有数据流;当Lc=L时,所有消息编码成两用户均能解码的公共数据流。
5.根据权利要求1所述一种基于速率分割多址接入技术的毫米波系统传输方法,其特征在于:步骤S5所述波束赋形技术包括两种:一,在公共路径上发送公共数据流sc,在各自的私有路径上发送私有数据流,其表达式为
式中,表示该向量为一个Nt×1维的向量,g1,c=S(g1,Ωc),Uc=S(U,Ωc),Ωc为用户U1和U2公共可解析路径之间的索引集合,gi,p用户Ui私有路径的复增益信道向量,Ui,p为用户Ui私有路径的空间正交基,S(B,D)表示从B中根据D选取相应的列来形成一个新的矩阵,wc表示公共数据流的波束赋形向量,wi为Ui私有数据流的波束赋形向量;
二,在第一种波束赋形技术的基础上同时利用私有路径发送sc,即在两用户的所有路径均发送公共数据流sc,私有数据流仍与第一种波束赋形技术保持一致。
7.根据权利要求1-6任一项所述一种基于速率分割多址接入技术的毫米波系统传输方法,其特征在于:还包括利用概率论推导出相关变量的概率密度函数和累积分布函数,进而推导用户的中断概率。
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CN116054901A (zh) * | 2022-12-26 | 2023-05-02 | 鹏城实验室 | 一种基于短包协作速率分割多址的多中继传输方法及系统 |
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2022
- 2022-06-23 CN CN202210725415.XA patent/CN115276744A/zh active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116054901A (zh) * | 2022-12-26 | 2023-05-02 | 鹏城实验室 | 一种基于短包协作速率分割多址的多中继传输方法及系统 |
CN116054901B (zh) * | 2022-12-26 | 2024-05-14 | 鹏城实验室 | 一种基于短包协作速率分割多址的多中继传输方法及系统 |
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