RU2810264C1 - Способ передачи и приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области радиотехники, в частности, к способу передачи и приема сигнала в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн (MIMO). Технический результат состоит в повышении помехоустойчивости, увеличении пропускной способности и емкости многопользовательской системы связи с MIMO-каналом и неортогональным множественным доступом (NOMA). Результат достигается за счет использования расширенной кодовой книги, включающей в себя несколько кодовых книг, предназначенных для использования при модуляции разных пространственных потоков одного абонента, и использования совместной MIMO/NOMA-демодуляции. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Изобретение относится к области радиотехники, в частности, к способу передачи и приема сигнала в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн. Особенно эффективно использование данного способа в восходящей линии систем мобильной связи.

Технология использования нескольких передающих и нескольких приемных антенн, известная также как технология радиосвязи с использованием канала передачи с множеством входов (multiple inputs) и множеством выходов (multiple outputs) и часто называемая как технология MIMO (multiple-inputs-multiple-outputs), широко используется в современных системах связи и в новых разработках [Бакулин М.Г., Варукина Л.А., Крейнделин В.Б. Технология MIMO: принципы и алгоритмы. М.: Горячая линия - Телеком, 2014]. Канал с множеством входов и множеством выходов называется MIMO-каналом. Применение этой технологии позволяет существенно увеличить пропускную способность канала связи без использования дополнительных частотных или временных ресурсов.

Кроме повышения пропускной способности в однопользовательских системах, использование технологии MIMO в многопользовательских системах радиосвязи позволяет увеличить число абонентов, одновременно работающих в одном и том же частотном диапазоне, это так называемая технология многопользовательской передачи по каналу с множеством передающих (входов) и приемных (выходов) антенн (Multi User Multiple Input Multiple Output - MU-MIMO) [Бакулин М.Г., Варукина Л.А., Крейнделин В.Б. Технология MIMO: принципы и алгоритмы. М.: Горячая линия - Телеком, 2014, стр. 157-158]. Следует отметить, что при работе в линии от абонентских станций к базовой станции (восходящая линия, Uplink) число пространственных каналов будет определяться числом приемных антенн базовой станции, которые могут быть распределены между несколькими абонентами, тем самым можно обеспечить передачу и прием сигналов в многопользовательском режиме. Однако, в данном случае максимальное число одновременно работающих абонентов ограничивается числом пространственных ресурсов, т.е. числом приемных антенн базовой станции.

Для организации множественного доступа известны способы передачи и приема, использующие ортогональное разделение сигналов абонентов [Вэнь Тонг, Пейин Чжу. Сети 6G: путь от 5G к 6G глазами разработчиков. От подключенных людей и вещей к подключенному интеллекту. / пер. с англ. B.C. Яценкова. - М.: ДМК Пресс, 2022, стр. 429-430], в которых все ортогональные ресурсы (временные, частотные или кодовые) распределяются между абонентами. Это позволяет обеспечить одновременную работу нескольких абонентов без влияния друг на друга. Однако, число абонентов и скорость передачи информации в этом случае ограничены числом ортогональных ресурсов, т.е. полосой пропускания и временем передачи.

Существуют способы передачи и приема сигналов в многопользовательских системах, использующие неортогональные методы множественного доступа [Вэнь Тонг, Пейин Чжу. Сети 6G: путь от 5G к 6G глазами разработчиков. От подключенных людей и вещей к подключенному интеллекту. / пер. с англ. B.C. Яценкова. - М.: ДМК Пресс, 2022, стр. 429-430, стр. 431-438; Y. Cai, Z. Qin, F. Cui, G. Y. Li and J. A. McCann, "Modulation and Multiple Access for 5G Networks," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 20, no. 1, pp. 629-646, Firstquarter 2018, doi: 10.1109/COMST.2017.2766698; Технология NOMA с кодовым разделением в 3GPP: 5G или 6G? / М.Г. Бакулин, Б. Р. Б. К. Тауфик, В.Б. Крейнделин [и др.] // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт.- 2022. - Т. 16. - №1. - С. 4-14. - DOI 10.36724/2072-8735-2022-16-1-4-14. - EDN ZBEDVU], которые позволяют обойти ограничения, свойственные ортогональному множественному доступу, за счет того, что в них для разделения сигналов абонентов используются неортогональные сигналы, число которых может быть существенно больше числа ортогональных сигналов для одного и того же частотно-временного диапазона. Эти способы относятся к так называемой технологии NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access). Они, в основном, используют режим работы с одной передающей антенной и, тем самым, не позволяют использовать преимущества систем связи с технологией MIMO, заключающиеся в более высокой пропускной способности и емкости системы связи.

Известны способы передачи и приема сигналов в многопользовательской системе с множеством передающих и приемных антенн, использующие комбинирование технологии NOMA и MIMO [Н. -Y. Li, Z. -J. Liu, Q. -Y. Yu, W. Xiang and F. Adachi, "Uplink SCMA with STBC in Fading Channels," 2020 IEEE 91st Vehicular Technology Conference (VTC2020-Spring), 2020, pp.1-5, doi: 10.1109/VTC2020-Spring48590.2020.9128386; Z. Pan, W. Liu, J. Lei, J. Luo, L. Wen and C. Tang, "Multi-Dimensional Space-Time Block Coding Aided Downlink MIMO-SCMA," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 68, no. 7, pp.6657-6669, July 2019, doi: 10.1109/TVT.2019.2915351; M. Toka and O. Kucur, "Performance Analysis of OSTBC-NOMA System in the Presence of Practical Impairments," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 69, no. 9, pp.9697-9706, Sept. 2020, doi: 10.1109/TVT.2020.3001742; Канатбекулы, И. Модель нисходящего канала системы связи с MIMO-SCMA / И. Канатбекулы, А.С. Квашнина, Д.А. Покаместов // Электронные средства и системы управления. Материалы докладов Международной научно-практической конференции. - 2020. - №1-1. - С.12-14. - EDN JMPEFY], и заключающиеся в том, что в них сначала осуществляется неортогональная множественная модуляция, используемая для организации множественного доступа, а затем сформированный сигнал преобразуется для передачи в канал связи с несколькими передающими антеннами. Причем в качестве разновидности технологии MIMO здесь используется блочное пространственно-временное кодирование, которое позволяет повысить помехоустойчивость системы связи за счет эффекта разнесения сигналов с замираниями, но не дает дополнительного выигрыша в пропускной способности и емкости системы связи.

Известны также способы комбинирования технологии MU-MIMO и NOMA [L. Liu, С. Yuen, Y.L. Guan, Y. Li and C. Huang, "Gaussian Message Passing Iterative Detection for MIMO-NOMA Systems with Massive Access," 2016 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), 2016, pp.1-6, doi: 10.1109/GLOCOM.2016.7841856; Downlink and uplink MIMO-SCMA System /1. Kanatbekuli, D.A. Pokamestov, Ya. V. Kryukov, E.V. Rogozhnikov // Journal of Physics: Conference Series, Krasnoyarsk, Russian Federation, 25 сентября - 04 2020 года. - Krasnoyarsk, Russian Federation: Institute of Physics and IOP Publishing Limited, 2020. - P. 32074. - DOI 10.1088/1742-6596/1679/3/032074. - EDN EUIISB], в которых каждая абонентская станция использует NOMA-модуляцию со своим кодовым словом (шаблоном или кодовой последовательностью) для организации множественного доступа, и полученный сигнал излучается одной передающей антенной. На приемной стороне (базовой станции) осуществляется прием на несколько приемных антенн, затем выполняется комбинирование разнесенных сигналов и NOMA-демодуляция с использованием итерационных демодуляторов. Данные способы позволяют повысить помехоустойчивость приема за счет реализации комбинирования разнесенных сигналов с замираниями, однако, они не позволяют в полной мере реализовать преимущества технологии MIMO, так как абонентские станции используют режим передачи с одной передающей антенной.

Недостатком этих известных способов передачи и приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн является то, что они не эффективно используют преимущества каждой из технологий MIMO и NOMA. Так как в них либо используется одна передающая антенна на абонентской станции, либо в качестве технологии MIMO используется такая разновидность, как пространственно-временное блочное кодирование, которая существенно проигрывает в пропускной способности такой разновидности MIMO, как пространственное мультиплексирование.

Таким образом, чтобы обеспечить наибольшую эффективность комбинирования технологий MIMO и NOMA, необходимо использовать пространственное мультиплексирование в сочетании с какой-либо разновидностью технологии NOMA. В этом случае имеется возможность увеличения скорости передачи каждого абонента за счет технологии MIMO и увеличения числа абонентов за счет технологии NOMA без использования дополнительных частотно-временных ресурсов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ, описанный в [S. Han, С.Guo, W. Meng, С.Li, Y. Cui and W. Tang, "The uplink and downlink design of MIMO-SCMA system," 2016 International Wireless Communications and Mobile Computing Conference (IWCMC), 2016, pp.56-60, doi: 10.1109/IWCMC.2016.7577033] и принятый за прототип.

Способ-прототип состоит в следующем. В системе связи имеется К абонентов, имеется общая кодовая книга, состоящая из К кодовых слов размером N_res каждое, где N_res - число ортогональных ресурсов, используемых для организации множественного доступа, причем N_res меньше числа абонентов, кодовая книга также содержит информацию о созвездиях, используемых каждым абонентом в каждом ресурсе, на передающей стороне каждый абонент формирует поток данных для передачи, который разделяется на N_tx пространственных подпотоков битов, где N_tx число передающих антенн, каждый пространственный подпоток битов кодируется с помощью помехоустойчивого кодирования, кодированные подпотоки битов подвергаются перемежению и модуляции неортогонального множественного доступа (NOMA-модуляции), в результате которой перемеженные биты соответствующего подпотока объединяются в группы по несколько битов, число битов в группе определяется соответствующим созвездием, каждой группе перемеженных битов ставится в соответствие один или несколько комплексных символов, в зависимости от используемой разновидности неортогонального множественного доступа, и сформированные символы распределяются по ортогональным ресурсам, в соответствии с кодовым словом (шаблоном или кодовой последовательностью), выделенным данному абоненту из общей кодовой книги, в результате чего формируются модулированные пространственные сигналы, которые затем преобразуются по частоте, усиливаются и излучаются в канал связи с множеством (N_tx) передающих антенн в виде пространственных радиосигналов, при этом каждый абонент использует одно свое кодовое слово (шаблон или кодовую последовательность) при формировании модулированных пространственных сигналов, на приемной стороне радиосигналы, излучаемые всеми абонентами, принимаются множеством (N_rx) приемных антенн, усиливаются, преобразуются по частоте и подвергаются аналого-цифровому преобразованию, в результате чего формируются N_rx потоков комплексных отсчетов, которые в результате операции линейной MIMO-демодуляции, преобразуются в N_tx пространственных потоков групповых сигналов, каждый пространственный поток групповых сигналов подвергается операции демодуляции неортогонального множественного доступа (NOMA-демодуляции), в которой используется общая кодовая книга, в результате чего из каждого пространственного потока групповых сигналов формируются К подпотоков оценок перемеженных битов, всего число таких подпотоков будет равно KN_tx, затем каждый подпоток оценок перемеженных битов подвергается операциям деперемежения и декодирования, полученные подпотоки распределяются по абонентам и объединяются в потоки принятых данных каждого абонента.

Недостатком данного способа является то, что в нем не в полной мере реализуются возможности комбинирования технологий MIMO и NOMA. Так, например, для всех пространственных ресурсов в одном и том же ортогональном ресурсе наблюдаются сигналы одних и тех же абонентов, что ограничивает число корреляционных связей между абонентами и, соответственно, между символами и битами группового сигнала. Фактически, данный способ комбинирования технологий MIMO и NOMA реализуется простым соединением без перекрестных связей между операциями разных технологий. В результате данный способ не позволяет максимально эффективно объединить технологии MIMO и NOMA и, как следствие этого, не обеспечивает максимально возможную помехоустойчивость (энергетическую эффективность) и спектральную эффективность.

Задача, которую решает заявляемое изобретение, состоит в повышении энергетической и спектральной эффективности, а также в увеличении емкости многопользовательской системы связи с MIMO-каналом.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе передачи и приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн, заключающемся в том, что в системе связи, имеющей K абонентов, для организации множественного доступа используется кодовая книга, состоящая из множества кодовых слов (шаблонов или кодовых последовательностей), размером N_res каждое, где N_res - число ортогональных ресурсов, используемых для организации множественного доступа, причем N_res меньше числа абонентов, кодовая книга также содержит информацию о созвездиях, используемых каждым абонентом в каждом ресурсе, на передающей стороне каждый абонент формирует поток данных для передачи, и использует помехоустойчивое кодирование, перемежение и разделение на N_tx пространственных подпотоков битов, где N_tx число передающих антенн, каждый пространственный подпоток битов подвергается модуляции неортогонального множественного доступа (NOMA-модуляции), в которой биты соответствующего пространственного подпотока объединяются в группы по несколько битов, число битов в группе определяется соответствующим созвездием, каждой группе битов ставится в соответствие один или несколько комплексных символов, в зависимости от используемой разновидности неортогонального множественного доступа, и сформированные символы распределяются по ортогональным ресурсам, в результате чего формируются модулированные пространственные сигналы, которые затем преобразуются по частоте, усиливаются и излучаются в канал связи с множеством (N_tx) передающих антенн в виде пространственных радиосигналов, на приемной стороне радиосигналы, излучаемые всеми абонентами, принимаются множеством (N_rx) приемных антенн, усиливаются, преобразуются по частоте и подвергаются аналого-цифровому преобразованию, в результате чего формируются N_rx потоков комплексных отсчетов, которые в результате операций MIMO-демодуляции и NOMA-демодуляции, использующих общую кодовую книгу, преобразуются в KN_tx, подпотоков оценок битов всех абонентов, из всех KN_tx, подпотоков оценок битов всех абонентов выделяются подпотоки каждого абонента, осуществляются операции деперемежения, декодирования и объединения в потоки принятых данных, общая кодовая книга представляет собой расширенную книгу и состоит из N_tx пространственных кодовых книг, каждая пространственная кодовая книга содержит K кодовых слов (шаблонов или кодовых последовательностей) размером N_res каждое, всего в расширенной кодовой книге имеется KN_tx кодовых слов, разделение на пространственные подпотоки битов осуществляется после того, как поток данных каждого абонента подвергается помехоустойчивому кодированию и перемежению, модуляция неортогонального множественного доступа и распределение по ортогональным ресурсам каждого пространственного подпотока осуществляются в соответствии с индивидуальным кодовым словом (шаблоном или кодовой последовательностью), выделенным для данного абонента и данного пространственного подпотока из соответствующей пространственной кодовой книги, на приемной стороне операции MIMO-демодуляция и NOMA-демодуляция, реализуются в виде совместной MIMO/NOMA-демодуляции, использующей всю расширенную кодовую книгу, полученные KN_tx, пространственных подпотоков оценок битов сначала объединяются в потоки каждого абонента, а затем подвергаются операциям деперемежения и декодирования, после чего образуются потоки принятых данных каждого абонента.

Предлагаемый способ передачи и приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн отличается от прототипа тем, что общая кодовая книга представляет собой расширенную книгу и состоит из N_tx пространственных кодовых книг, каждая пространственная кодовая книга содержит K кодовых слов (шаблонов или кодовых последовательностей) размером N_res каждое, всего в расширенной кодовой книге имеется KN_tx кодовых слов, разделение на пространственные подпотоки битов осуществляется после того, как поток данных каждого абонента подвергается помехоустойчивому кодированию и перемежению, модуляция неортогонального множественного доступа и распределение по ортогональным ресурсам каждого пространственного подпотока осуществляются в соответствии с индивидуальным кодовым словом (шаблоном или кодовой последовательностью), выделенным для данного абонента и данного пространственного подпотока из соответствующей пространственной кодовой книги, на приемной стороне операции MIMO-демодуляция и NOMA-демодуляция, реализуются в виде совместной MIMO/NOMA-демодуляции, использующей всю расширенную кодовую книгу, полученные KN_tx, пространственных подпотоков оценок битов сначала объединяются в потоки каждого абонента, а затем подвергаются операциям деперемежения и декодирования, после чего образуются потоки принятых данных каждого абонента.

Перечисленные выше отличительные признаки позволяют получить лучший технический эффект, а именно:

- повысить качество передачи и приема сигналов по сравнению с прототипом и аналогами при одинаковом числе одновременно работающих абонентских станций;

- повысить число одновременно работающих абонентов по сравнению с аналогами, использующими технологии MIMO и NOMA раздельно, а также использующих технологию MIMO совместно технологией с ортогональным множественным доступом (Orthogonal Multiple Access - ОМА);

- повысить спектральную эффективность по сравнению с аналогами, использующими такую разновидность MIMO, как блочное пространственно-временное кодирование, совместно с технологией NOMA.

Данный технический эффект достигается за счет следующих мероприятий. Благодаря тому, что все пространственные кодовые книги отличаются друг от друга, число корреляционных связей между сигналами разных абонентов существенно возрастает. При этом наблюдается взаимодействие разных сигналов разных абонентов, имеющих разные коэффициенты замирания, тем самым увеличивается вероятность благоприятного сочетания множителей каналов разных абонентов, наблюдаемых в одном ресурсе, что улучшает качество демодуляции. Кроме того, распределение сигнала одного абонента по разным ортогональным ресурсам позволяет получить дополнительный энергетический выигрыш от разнесения при некоррелированных замираниях по ресурсам. Этот результат достигается по сравнению с прототипом, даже если в нем используется аналогичная совместная MIMO/NOMA-демодуляция. Если рассматривать вариант реализации приемника прототипа, описанного в [S. Han, С.Guo, W. Meng, С.Li, Y. Cui and W. Tang, "The uplink and downlink design of MIMO-SCMA system," 2016 International Wireless Communications and Mobile Computing Conference (IWCMC), 2016, pp.56-60, doi: 10.1109/IWCMC.2016.7577033] и использующего раздельные демодулятор MIMO и демодулятор NOMA, то по сравнению с ним выигрыш будет еще больше, так как при раздельной демодуляции возникают дополнительные потери, потому что при реализации NOMA-демодуляции не учитываются корреляции сигналов в пространственных каналах, т.е. корреляции оценок символов после MIMO-демодуляции. По сравнению с аналогами, использующими простое комбинирование пространственного мультиплексирования в системах MIMO [Бакулин М.Г., Варукина Л.А., Крейнделин В.Б. Технология MIMO: принципы и алгоритмы. М.: Горячая линия - Телеком, 2014, стр. 69-72] и ортогональный множественный доступ [Вэнь Тонг, Пейин Чжу. Сети 6G: путь от 5G к 6G глазами разработчиков. От подключенных людей и вещей к подключенному интеллекту. / пер. с англ. B.C. Яценкова. - М.: ДМК Пресс, 2022, стр. 429-430], выигрыш в увеличении емкости системы достигается благодаря использованию неортогонального множественного доступа, а по сравнению с аналогами, использующими технологию NOMA с технологией пространственно-временного блочного кодирования [Н. -Y. Li, Z. -J. Liu, Q. -Y. Yu, W. Xiang and F. Adachi, "Uplink SCMA with STBC in Fading Channels," 2020 IEEE 91st Vehicular Technology Conference (VTC2020-Spring), 2020, pp.1-5, doi: 10.1109/VTC2020-Spring48590.2020.9128386; Z. Pan, W. Liu, J. Lei, J. Luo, L. Wen and C. Tang, "Multi-Dimensional Space-Time Block Coding Aided Downlink MIMO-SCMA," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 68, no. 7, pp.6657-6669, July 2019, doi: 10.1109/TVT.2019.2915351; M. Toka and O. Kucur, "Performance Analysis of OSTBC-NOMA System in the Presence of Practical Impairments," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 69, no. 9, pp.9697-9706, Sept. 2020, doi: 10.1109/TVT.2020.3001742; Канатбекулы, И. Модель нисходящего канала системы связи с MIMO-SCMA / И. Канатбекулы, А. С.Квашнина, Д. А. Покаместов // Электронные средства и системы управления. Материалы докладов Международной научно-практической конференции. - 2020. - №1-1. с. 12-14. - EDN JMPEFY], выигрыш в повышении спектральной эффективности возникает благодаря тому, что в прототипе в качестве технологии MIMO используется пространственное мультиплексирование, позволяющее существенно повысить скорость передачи информации каждого абонента.

Далее описанное изобретение поясняется примерами выполнения и рисунками.

На фиг. 1 изображена структурная схема многопользовательской системы радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн, в которой осуществляют заявляемый способ.

На фиг. 2 изображена структурная схема оборудования абонентских станций системы радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн, в которой осуществляют заявляемый способ.

На фиг. 3 изображена структурная схема оборудования базовой станции многопользовательской системы радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн, в которой осуществляют заявляемый способ.

На фиг. 4 приведены два варианта реализации модуляторов NOMA, используемых в оборудовании абонентских станций (блоки 204, фиг. 3).

На фиг. 5 приведена структурная схема блока совместной MIMO/NOMA-демодуляции, используемого в оборудовании базовой станции (блок 303, фиг. 2).

На фиг. 6 приведен граф Таннера распределения сигналов абонентов по антеннам и ортогональным ресурсам для одного из примеров реализации заявляемого способа.

На фиг. 7 приведены зависимости средней вероятности ошибочного приема кадра от отношения сигнал/шум на бит для разных систем при дружных замираниях сигналов в разных ортогональных ресурсах.

На фиг. 8 приведены зависимости средней вероятности ошибочного приема кадра от отношения сигнал/шум на бит для разных систем при независимых замираниях сигналов в разных ортогональных ресурсах.

Структурные схемы устройств и входящих в них блоков, выполненные на фиг. 2-5, приведены как примеры выполнения для реализации заявляемого способа. Однако, использование заявляемого изобретения не ограничивается реализацией его только посредством приведенных устройств.

Способ передачи и приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн, согласно заявляемому изобретению реализуют в системе, которая содержит приемную часть, реализованную в данном случае на базовой станции (БС) 100 с приемными антеннами и передающую часть, реализованную на каждой из AT абонентских станций 101.1 - 101.K, с N_tx передающими антеннами каждая. Однако, использование заявляемого изобретения не ограничивается только случаем реализации, когда все абонентские станции имеют одинаковое число передающих антенн. Он рассматривается только для простоты и наглядности описания реализации предлагаемого способа передачи и приема.

В состав оборудования каждой из AT абонентских станций 101.1 - 101.K входят (фиг. 2) блок хранения расширенной кодовой книги 200.1 (для K-го абонента 200.K), в котором записаны все используемые созвездия и N_tx пространственных кодовых книг, где N_tx - число передающих антенн каждого абонента, каждая пространственная кодовая книг содержит K кодовых слов (шаблонов или кодовых последовательностей) размером N_res каждое, где N_res - число ортогональных ресурсов, кодер 201.1 (201.K), на вход которого поступают передаваемые данные (биты), перемежитель 202.1(202.K), в котором осуществляется перемежение кодированных битов, блок преобразования последовательного потока перемеженных кодированных битов в N_tx параллельных пространственных подпотоков 203.1(203.K), N_tx блоков модуляции неортогонального множественного доступа (модуляторы NOMA) 204.1.1-204.(204.K.1-204.K/N_tx), в каждом из которых биты соответствующих пространственных подпотоков объединяются в группы по несколько битов, число битов в группе определяется соответствующим созвездием, каждой группе битов соответствующего пространственного потока ставится в соответствие один или несколько комплексных символов, в зависимости от используемой разновидности неортогонального множественного доступа, сформированные символы распределяются по ортогональным ресурсам в соответствии с индивидуальным кодовым словом (шаблоном или кодовой последовательностью), выделенным для данного абонента из соответствующей пространственной кодовой книги, являющейся частью общей расширенной книги, в результате чего формируются модулированные пространственные сигналы, которые затем преобразуются по частоте, усиливаются в передатчиках 205.1.1-205.1.N (205.K.1-205.K. N_tx) и излучаются в канал связи с множеством (N_tx) передающих антенн 206.1 (206.K) в виде пространственных радиосигналов.

В состав оборудования базовой станции 100 входят (фиг. 3) блок хранения расширенной кодовой книги 300, такой же, как и у каждой абонентской станции, в котором записаны все используемые созвездия и пространственных кодовых книг, каждая пространственная кодовая книга содержит K кодовых слов (шаблонов или кодовых последовательностей) размером N_res каждое, блок из N_rx приемных антенн 301, принимающих сигналы всех абонентских станций, приемники 302.1-302.N_rx, которые осуществляют усиление, преобразование по частоте и аналого-цифровое преобразование сигналов, принятых каждой приемной антенной, в результате чего формируются N_rx потоков комплексных отсчетов, совместный MIMO/NOMA-демодулятор 303, в котором N_rx потоков комплексных отсчетов с выходов приемников 302.1-302.N_rx преобразуются в KN_tx пространственных подпотоков оценок перемеженных битов всех абонентов, при этом в совместном MIMO/NOMA-демодуляторе 303 используется созвездия и вся расширенная кодовая книга из блока 300, K блоков 304.1-304.K преобразования N_tx параллельных пространственных подпотоков оценок перемеженных битов в последовательные потоки оценок перемеженных битов каждого абонента, при этом на входы каждого блока 304.1-304.K подаются сигналы с выходов совместного MIMO/NOMA-демодулятора 303, соответствующие каждому абоненту отдельно, деперемежители 305.1-305.K, осуществляющие операцию, обратную операции перемежения в блоках абонентских станций 202.1-202.K (фиг. 2), и декодеры 306.1-306.K, осуществляющие декодирование потоков деперемеженных оценок с выходов соответствующих деперемежителей 305.1-305.K, в результате чего осуществляется формирование принятых данных (оценок переданных данных) каждого абонента.

Структура модуляторов NOMA 204 зависит от используемой разновидности NOMA технологии. Для разновидностей, использующих кодовое разделение с одномерными созвездиями, таких как, например, разделение по шаблонам (Pattern Division Multiple Access - PDMA) [Y. Cai, Z. Qin, F. Cui, G. Y. Li and J. A. McCann, "Modulation and Multiple Access for 5G Networks," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 20, no. 1, pp. 629-646, Firstquarter 2018, doi: 10.1109/COMST.2017.2766698; Y. Liu, Z. Qin, M. Elkashlan, Z. Ding, A. Nallanathan and L. Hanzo, "Nonorthogonal Multiple Access for 5G and Beyond," in Proceedings of the IEEE, vol. 105, no. 12, pp. 2347-2381, Dec. 2017, doi: 10.1109/JPROC.2017.2768666.], разделение с использованием низкоплотностных кодовых последовательностей (Low Density Spreading - LDS) [Y. Cai, Z. Qin, F. Cui, G. Y. Li and J. A. McCann, "Modulation and Multiple Access for 5G Networks," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 20, no. 1, pp.629-646, Firstquarter 2018, doi: 10.1109/COMST.2017.2766698; Y. Liu, Z. Qin, M. Elkashlan, Z. Ding, A. Nallanathan and L. Hanzo, "Nonorthogonal Multiple Access for 5G and Beyond," in Proceedings of the IEEE, vol. 105, no. 12, pp. 2347-2381, Dec. 2017, doi: 10.1109/JPROC.2017.2768666], разделением с использованием последовательностей Велча (Welch-bound equality Spread Multiple Access - WSMA) [3GPP, R1-1806241, Signature design for NoMA, Ericsson, RAN1#93; 3GPP TR 38.812 V16.0.0 (2018-12), Technical Report, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Study on Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for NR (Release 16), 2018], модулятор NOMA содержит (фиг.4a) блок 400 преобразования последовательного пространственного подпотока входящих битов в параллельные подпотоки, где число параллельных подпотоков т равно числу бит в группе, принадлежащих одному модулированному символу, при этом m=log₂M, а М - число точек созвездия, модулятор КАМ (квадратурной амплитудной модуляции) 401, на входы которого поступает группа битов с выходов блока 400, а на выходе формируется комплексный модулированный символ, значение которого определяется соответствующей комбинацией входных битов и видом созвездия, используемого данным абонентом, которое хранится вместе с расширенной кодовой книгой в блоке 200 (фиг. 2), формируемый таким образом комплексный символ умножается на элементы кодового слова в блоках 402.1-402.N_res, которое является индивидуальным для каждого абонента и каждого пространственного подпотока и хранится в расширенной кодовой книге, результаты умножения поступают на входы блока ортогональной модуляции 403, в котором входные символы распределяются по ортогональным ресурсам и подвергаются ортогональному преобразованию, в результате чего формируется сигнал, состоящий из последовательности комплексных отсчетов, вид ортогонального преобразования определяется видом используемых ортогональных ресурсов. Например, при использовании частотных ресурсов в качестве ортогонального преобразования используется преобразование Фурье, а при использовании временных ресурсов, символы распределяются по соответствующим временным интервалам. Для такой разновидности технологии NOMA, как множественный доступ с прореженным кодовым разделением (Sparse Code Multiple Access -SCMA) [H. Nikopour and H. Baligh, "Sparse code multiple access," IEEE Proc. of Personal, Indoor, and Mobile Radio Commun. (PIMRC), Sep.2013, pp.332-336], модулятор NOMA содержит (фиг. 4б) аналогичный блок 400 преобразования последовательного пространственного подпотока входящих битов в параллельные подпотоки, выходы которого подключены к входам модуляторов КАМ 405.1-405.р, число модуляторов р определяется числом ортогональных ресурсов, выделенных каждому абоненту и задано соответствующим кодовым словом (шаблоном), выделенным для данного абонента и соответствующего пространственного подпотока, каждый из р модуляторов КАМ 405.1-405.p использует свое индивидуальное созвездие, определенное данному абоненту и данному пространственному подпотоку, в результате чего формируются комплексные модулированные символы, значения которых определяются соответствующей комбинацией входных битов и индивидуальными созвездиями, которые хранятся вместе с расширенной кодовой книгой в блоке 200 (фиг. 2), полученные модулированные символы поступают на блок распределения по ресурсам и ортогональной модуляции 406, в котором входные символы распределяются по выделенным ресурсам, определяемым кодовым словом (шаблоном), выделенным для данного абонента и соответствующего пространственного подпотока и затем подвергаются ортогональному преобразованию, аналогично, рассмотренному для модулятора NOMA, приведенного на фиг. 4а.

В структурных схемах (фиг. 2-3) не показаны устройства и сигналы для оценивания параметров MIMO-канала и синхронизации, хотя подразумевается, что они необходимы и обязательно присутствуют при реализации блоков, входящих в состав структурных схем устройств, на которых осуществляют заявляемый способ. Оценивание параметров канала и синхронизация сигналов в устройствах выполняется любыми известными способами (традиционно) для данных систем связи и не изменяются применительно к алгоритму, согласно заявляемому способу, поэтому для простоты изложения описание операций оценивания параметров канала и синхронизации сигналов и, соответственно, устройств, которые выполняют эти функции, опущено.

Рассмотрим подробнее реализацию заявляемого изобретения со ссылкой на фиг. 1-5.

Введем следующее обозначение: s_{k t} - комплексный модулированный символ, передаваемый k-м абонентом в t-й передающей антенне по всем ресурсам, выделенным k-му абоненту (фиг. 4а). Символ s_k,t принимает множество значений из созвездия S_k,t, с числом точек М=2^m, где m - число битов, передаваемых одним комплексным модулированным символом s_k,t.

Этот случай соответствует всем технологиям NOMA с кодовым разделением, за исключением разновидности SCMA. Для SCMA в каждом ресурсе используется свое созвездие и в этом случае имеем s_k,t,n - комплексный модулированный символ, передаваемый k-м абонентом в t-й передающей антенне по всем ресурсам по n-му ресурсу, при этом все символы s_k,t,n, для разных ресурсов передают одну и ту же комбинацию битов (фиг. 4б).

Сигнал, принятый r-й приемной антенной 301 (где r=1,2, … N_rx), усиленный и преобразованный в приемнике 302.r (фиг. 3), после операции ортогональной демодуляции в блоке 500.r преобразуется в один вектор отсчетов наблюдения по всем ресурсам, который описывается следующим выражением:

где- N_res - мерный вектор отсчетов сигнала, размером (N_res×1), - N_res - мерный вектор комплексных множителей MIMO-канала при распространении сигнала от t-й передающей антенны k-й абонентской станции к r-й приемной антенне базовой станции по всем N_res ресурсам, - N_res - мерное кодовое слово (шаблон или кодовая последовательность), используемое для организации множественного доступа k-м абонентом для передачи t-й передающей антенне, принадлежащее t-й пространственной кодовой книге W_t=[w_1,t … w_K,t], размером (N_res×K), из общей расширенной кодовой книги размером (N_res×KN_tx), η_r - вектор комплексных отсчетов гауссовского шума наблюдения с нулевым математическим ожиданием и корреляционной матрицей , где - дисперсия мнимой и действительной части одного отсчета шума наблюдения, единичная матрица, размером (N_res×N_res), diag(h_k,t,r) - функция формирования диагональной матрицы, элементами главной диагонали которой являются элементы вектора h_k,t,r.

Введем вектор символов всех абонентов, передаваемых через t-ые передающие антенны . Тогда выражение (1) можно записать в следующем виде

где H_t,r=[h_1,t,r... h_K,t,r] - матрица множителей канала при передаче сигналов от t-ых передающих антенн всех абонентов к r-й приемной по всем ресурсам, имеющая размерность (N_res×K). В выражении (2) обозначение описывает операцию поэлементного умножения матриц или векторов.

Введем обозначение где матрица H_eq,t,r может рассматриваться как эквивалентная матрица канала с учетом множественного доступа при использовании t-й передающей и r-й приемной антенн. Также введем обозначения для полного вектора символов передаваемых всеми абонентами по всем передающим антеннам, и полного вектора отсчетов принимаемых всеми приемными антеннами. Тогда окончательно можно записать следующую модель:

где H_eq - полная эквивалентная матрица канала MIMO-NOMA многопользовательской системы связи, размером (N_rxN_res × N_txK) и имеющая следующий вид:

Вектор символов s зависит от комбинаций всех битов, передаваемых всеми абонентами по всем передающим антеннам. Общее число всех битов будет равно mKN_tx, при этом для простоты изложения рассматривается случай, когда все абоненты используют модуляцию КАМ одного порядка, т.е. число битов m в одном символе для всех абонентов одинаковое. Это условие не является ограничивающим фактором заявляемого изобретения, а служит только для упрощения описания.

Для демодуляции и дальнейшего выделения информации можно использовать известные схемы MIMO-демодуляции с «мягкими» оценками битов [Байесовское оценивание с последовательным отказом и учетом априорных знаний / М.Г. Бакулин, В.Б. Крейнделин, В.А. Григорьев [и др.] // Радиотехника и электроника. - 2020. - Т. 65. - №3. - С.257-266. - DOI 10.31857/S0033849420030031. - EDN MVWLXS]. Эту операцию выполняет блок 501 «мягкого» оценивания битов (фиг. 5). Под «мягкими» оценками понимаются оптимальные байесовские оценки [Байесовское оценивание с последовательным отказом и учетом априорных знаний / М.Г. Бакулин, В.Б. Крейнделин, В.А. Григорьев [и др.] // Радиотехника и электроника. - 2020. - Т. 65. - №3. - С.257-266. - DOI 10.31857/S0033849420030031. - EDN MVWLXS], либо параметры, функционально с ними связанные, например, отношения правдоподобия, логарифмы этих отношений LLR (Log-Likelihood Ratio) и т.п. Наилучшие результаты с точки зрения качества демодуляции и сложности реализации могут быть получены с использованием алгоритма K-best [MMSE based K-best algorithm for efficient MIMO detection / M. Bakulin, V. Kreyndelin, A. Rog [et al.] // International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops: 9, Munich, 06-08 ноября 2017 года. - Munich, 2018. - P. 358-363. - DOI 10.1109/ICUMT.2017.8255198. - EDN XXVFZB] или так называемые итерационные алгоритмы МРА (Message Passing Algorithm) [F.R. Kschischang, B.J. Frey and H.. - A. Loeliger, "Factor graphs and the sum-product algorithm," in IEEE Transactions on Information Theory, vol. 47, no. 2, pp. 498-519, Feb 2001, doi: 10.1109/18.910572]. Последний вариант хорошо себя зарекомендовал для разреженных эквивалентных матриц канала H_eq. Также могут быть использованы и другие известные схемы приемников NOMA (NOMA-демодуляторов) [X. Meng et al., "Advanced NOMA Receivers From a Unified Variational Inference Perspective," in IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 39, no. 4, pp. 934-948, April 2021, doi: 10.1109/JSAC.2020.3018834].

После «мягкой» демодуляции в блоке 501 (фиг. 5) на выходе формируются «мягкие» оценки всех битов, которые затем в блоке 502 (фиг. 5) распределяются и объединяются в группы по абонентам. Эти оценки затем преобразуются в потоки оценок перемеженных битов (блоки 304.1-304.K, фиг. 3), из которых потом в результате операций деперемежения (блоки 305.1-305.K, фиг. 3) и декодирования (306.1-306.K, фиг. 3) формируются принятые данные, которые являются оценками переданных данных каждого абонента.

Как уже отмечалось, одним из отличительных признаков предлагаемого изобретения является использование разных кодовых книг для разных пространственных потоков. Рассмотрим способы формирования таких книг на примере разновидностей NOMA с разделением по шаблонам (Pattern Division Multiple Access - PDMA) [S. Chen, B. Ren, Q. Gao, S. Kang, S. Sun and K. Niu, "Pattern Division Multiple Access-A Novel Nonorthogonal Multiple Access for Fifth-Generation Radio Networks," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 66, no. 4, pp. 3185-3196, April 2017, doi: 10.1109/TVT.2016.2596438] и разделением с использованием кодовых последовательностей с низкой плотностью (Low-Density Signature Code Division Multiple Access - LDS CDMA) [R. Hoshyar, F.P. Wathan and R. Tafazolli, "Novel Low-Density Signature for Synchronous CDMA Systems Over AWGN Channel," in IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 56, no. 4, pp. 1616-1626, April 2008, doi: 10.1109/TSP.2007.909320] или LDS-OFDM (Low Density Spreading - Orthogonal Frequency Division Multiplexing) [M. A1-Imari, P. Xiao, M. A. Imran and R. Tafazolli, "Uplink non-orthogonal multiple access for 5G wireless networks," 2014 11th International Symposium on Wireless Communications Systems (ISWCS), 2014, pp.781-785, doi: 10.1109/ISWCS.2014.6933459]. В основе описания этих разновидностей, а также подобных им, включая SCMA, лежит граф Таннера (фактор граф) [F. R. Kschischang, В. J. Frey and H.. -A. Loeliger, "Factor graphs and the sum-product algorithm," in IEEE Transactions on Information Theory, vol. 47, no. 2, pp.498-519, Feb 2001, doi: 10.1109/18.910572] или матрица распределения по ресурсам

которая имеет размер (N_res × K),ив данном случае является кодовой книгой, столбцы которой являются кодовыми словами, выделяемыми соответствующему абоненту. Наличие единицы в n-й строке и k-м столбце этой матрицы означает, что символ сигнала k-го абонента передается в n-м ортогональном ресурсе.

Данный пример соответствует конфигурации, когда 6 абонентов используют для организации множественного доступа всего 4 ресурса, т.е. наблюдается 150% перегруженность системы (под коэффициентом перегрузки понимается отношение числа ресурсов, используемых для организации множественного доступа, к числу абонентов N_res/K). Значение коэффициента перегрузки системы связи больше 1 является характерной особенностью систем связи с неортогональным множественным доступом (NOMA). Из матрицы (5) также видно, что каждый абонент использует только два ресурса, а всего в одном ресурсе наблюдаются сигналы 3-х абонентов.

Для организации передачи другого пространственного подпотока можно использовать эту же кодовую книгу (матрицы распределения по ресурсам), как это сделано в прототипе. В заявляемом изобретении для каждого пространственного подпотока перемеженных битов используются разные кодовые книги. Для их генерации можно использовать эту же кодовую книгу используя различные перестановки строк и столбцов матрицы распределения по ресурсам. Так, например, для двух передающих антенн в качестве второй кодовой книги можно использовать следующую матрицу распределения по ресурсам:

Здесь видно, что каждый абонент для передачи сигналов в разных передающих антеннах использует разные ресурсы. Кроме того, здесь изменились комбинации абонентов, сигналы которых наблюдаются в одном ресурсе. Так, например, для первой передающей антенны (см. (5)) в первом ресурсе наблюдается комбинация сигналов абонентов 1, 2 и 3, а во втором ресурсе 1, 4 и 5. Для второй передающей антенны сигнал первого абонента наблюдается в третьем ресурсе в комбинации с сигналами абонентов 3 и 5, и в четвертом ресурсе в комбинации с сигналами абонентов 2 и 4. Это иллюстрируется графом Таннера на фиг. 6. Сплошные линии и сплошные фигуры отображают граф Таннера для первых передающих антенн, пунктирные линии и фигуры с наклонной штриховкой отображают граф Таннера для вторых передающих антенн (вторые пространственные подпотоки). Каждый абонент передает два модулированных символа, которые распределяются по антеннам и ресурсам.

Такой способ позволяет, во-первых, используя разные ресурсы одним абонентом получить дополнительный энергетический выигрыш от разнесения при некоррелированных замираниях по ресурсам, а, во-вторых, благодаря разным комбинациям сигналов абонентов, наблюдаемых совместно, увеличить число корреляционных связей между сигналами разных абонентов, что эквивалентно получению дополнительного энергетического выигрыша за счет более сложного кодирования.

Другой способ генерации кодовых книг состоит в том, что сначала генерируется одна кодовая книга размером (N_res×KN_tx) для какой либо разновидности NOMA, а затем из нее формируются N_tx кодовых книг, каждая размером (N_res×K). При отборе кодовых слов необходимо обеспечить минимальный уровень взаимной корреляции между кодовыми словами (шаблонами или кодовыми последовательностями) принадлежащим одному абоненту.

В качестве примера рассмотрим кодовую книгу для разновидности NOMA с последовательностями Велча (Welch Spread Multiple Acces -WSMA) [3GPP TR 38.812 V16.0.0 (2018-12), Technical Report, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Study on Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for NR (Release 16), 2018, стр. 105]. Используем кодовую матрицу размером (4×12)

Для удобства изображения здесь приведена транспонированная кодовая матрица, т.е. кодовые последовательности записаны в виде строк. Всего имеем 12 комплексных кодовых последовательностей с длиной кодовых слов равной 4 символам. Таким образом, при использовании двух передающих антенн из этой расширенной кодовой матрицы можно сформировать две матрицы по 6 кодовых слов длиной 4 для каждого пространственного подпотока. Этот вариант также будет соответствовать системе связи с коэффициентом перегруженности 1,5 (150%). Поскольку кодовые последовательности Велча оптимизируются с учетом суммарной корреляции всех последовательностей, то разделение общей кодовой книги на две книги может быть произвольным, например, нечетные строки выбираются для первой книги, а четные - для второй:

В качестве другого примера генерации пространственных кодовых книг из одной расширенной, рассмотрим расширенную кодовую матрицу с последовательностями низкой плотности, для генерации которых обычно используется граф Таннера с заданными параметрами, а потом на его кодовые слова накладывается дополнительная кодовая модуляция. Так, например, из кодовой книги размером 6×20 можно получить две кодовые книги размером 6×10 (6 ресурсов 10 абонентов) следующего вида:

Конфигурация кодовой книги 6x20 обеспечивает все возможные сочетания из 6 по 3, число которых, как раз будет равно 20. Дополнительная кодовая модуляция в виде отрицательных символов обеспечивает минимальный уровень взаимной корреляции между последовательностями внутри одной кодовой книги.

В данном случае число используемых ресурсов равно 6, а число абонентов равно 10, что соответствует коэффициенту перегрузки системы связи 1,67 (167%). Как видно из этих матриц, кодовые слова, выделяемые одному абоненту для разных пространственных потоков (k-е столбцы этих матриц) имеют нулевую корреляцию.

Для оценки характеристик помехоустойчивости алгоритма передачи-приема сигналов, разработанного в соответствии со способом передачи и приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн, согласно заявляемому изобретению, было выполнено компьютерное моделирование.

Для моделирования была разработана программная модель с несколькими абонентскими станциями, с двумя передающими антеннами каждая, и с базовой станцией с двумя приемными антеннами. Структурная схема разработанной модели описана выше и показана на фиг. 1-5.

При моделировании использовалась модель канала связи с независимыми релеевскими замираниями от каждой передающей антенны к каждой приемной и аддитивным гауссовским шумом. Для передачи данных в каждой абонентской станции использовалось Турбо кодирование со скоростью 1/2 и модуляция QPSK. Длина кадра равна 576 битов.

Моделировались следующие системы множественного доступа с множеством передающих и приемных антенн:

1. система связи с простым комбинированием пространственного мультиплексирования и технологии ортогонального множественного доступа (Orthogonal Multiple Access - ОМА) - MIMO-OMA;

2. система связи, реализующая способ-прототип с использованием разновидности неортогонального доступа с разделением по шаблонам PDMA с 4 ортогональными ресурсами и 6 абонентами с кодовой книгой вида (5);

3. система связи с комбинированием пространственного мультиплексирования и разновидности неортогонального доступа с разделением по шаблонам PDMA с использованием одной кодовой книги для всех пространственных потоков вида (5) с 4 ортогональными ресурсами и 6 абонентами;

4. система связи по заявляемому способу с комбинированием пространственного мультиплексирования и разновидности неортогонального доступа с разделением по шаблонам PDMA с 4 ортогональными ресурсами и 6 абонентами с использованием двух кодовых вида (5) и (6);

5. система связи по заявляемому способу с комбинированием пространственного мультиплексирования и разновидности неортогонального доступа с кодовым разделением на основе последовательностей Велча (Welch-bound equality Spread Multiple Access - WSMA) с 4 ортогональными ресурсами и 6 абонентами с использованием двух кодовых книг (8) и (9);

6. система связи по заявляемому способу с комбинированием пространственного мультиплексирования и разновидности неортогонального доступа с кодовым разделением на основе последовательностей с низкой плотностью LDS с 6 ортогональными ресурсами и 10 абонентами с использованием двух кодовых книг (10) и (11).

Первый вариант моделирования имеет загрузку системы связи по числу абонентов 100%, с второго по пятый варианты моделирования имеют загрузку 150%), а шестой вариант - 167%.

При моделировании рассматривались два режима замираний по ресурсам: дружные замирания и независимые замирания.

Результаты моделирования в виде зависимостей вероятности ошибочного приема кадра для режима с дружными замираниями приведены на фиг. 7, а для режима с независимыми замираниями - на фиг. 8.

Приведенные результаты моделирования показывают, что использование предлагаемого способа позволяет:

- повысить энергетическую эффективность, выраженную в уменьшении требуемого отношения сигнал/шум;

- увеличить емкость системы связи, выраженную в числе одновременно работающих абонентах при одинаковом числе ортогональных ресурсов;

- повысить эффективность использования ортогональных ресурсов, выраженную в числе активных абонентов на один ресурс.

Следует отметить, что перечисленные преимущества наблюдаются как по отношению к аналогам, так и способу-прототипу, при этом они проявляются не в ущерб друг другу, т.е. одновременно наблюдается и энергетический выигрыш, и увеличение емкости системы связи, и повышение эффективности использования ортогональных ресурсов.

Claims (5)

1. Способ передачи и приема сигналов в многопользовательской системе радиосвязи с множеством передающих и множеством приемных антенн, заключающийся в том, что в системе связи, имеющей K абонентов, для организации множественного доступа используется кодовая книга, состоящая из множества кодовых слов (шаблонов или кодовых последовательностей), размером N_res каждое, где N_res - число ортогональных ресурсов, используемых для организации множественного доступа, причем N_res меньше числа абонентов, кодовая книга также содержит информацию о созвездиях, используемых каждым абонентом в каждом ресурсе, на передающей стороне каждый абонент формирует поток данных для передачи и использует помехоустойчивое кодирование, перемежение и разделение на N_tx пространственных подпотоков битов, где N_tx число передающих антенн, каждый пространственный подпоток битов подвергается модуляции неортогонального множественного доступа (NOMA-модуляции), в которой биты соответствующего пространственного подпотока объединяются в группы по несколько битов, число битов в группе определяется соответствующим созвездием, каждой группе битов ставится в соответствие один или несколько комплексных символов, в зависимости от используемой разновидности неортогонального множественного доступа, и сформированные символы распределяются по ортогональным ресурсам, в результате чего формируются модулированные пространственные сигналы, которые затем преобразуются по частоте, усиливаются и излучаются в канал связи с множеством (N_tx) передающих антенн в виде пространственных радиосигналов, на приемной стороне радиосигналы, излучаемые всеми абонентами, принимаются множеством (N_rx) приемных антенн, усиливаются, преобразуются по частоте и подвергаются аналого-цифровому преобразованию, в результате чего формируются N_rx потоков комплексных отсчетов, которые в результате операций MIMO-демодуляции и NOMA-демодуляции, использующих общую кодовую книгу, преобразуются в KN_tx подпотоков оценок битов всех абонентов, из всех KN_tx подпотоков оценок битов всех абонентов выделяются подпотоки каждого абонента, осуществляются операции деперемежения, декодирования и объединения в потоки принятых данных,

отличающийся тем, что

общая кодовая книга представляет собой расширенную книгу и состоит из N_tx пространственных кодовых книг, каждая пространственная кодовая книга содержит K кодовых слов (шаблонов или кодовых последовательностей) размером N_res каждое, всего в расширенной кодовой книге имеется KN_tx кодовых слов, разделение на пространственные подпотоки битов осуществляется после того, как поток данных каждого абонента подвергается помехоустойчивому кодированию и перемежению, модуляция неортогонального множественного доступа и распределение по ортогональным ресурсам каждого пространственного подпотока осуществляются в соответствии с индивидуальным кодовым словом (шаблоном или кодовой последовательностью), выделенным для данного абонента и данного пространственного подпотока из соответствующей пространственной кодовой книги, на приемной стороне операции MIMO-демодуляции и NOMA-демодуляции, реализуются в виде совместной MIMO/NOMA-демодуляции, использующей всю расширенную кодовую книгу, полученные KN_tx, пространственных подпотоков оценок битов сначала объединяются в потоки каждого абонента, а затем подвергаются операциям деперемежения и декодирования, после чего образуются потоки принятых данных каждого абонента.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования расширенной кодовой книги используется исходная кодовая книга, состоящая из K кодовых слов (шаблонов или последовательностей), а другие пространственные кодовые книги формируются путем перестановок кодовых слов и элементов внутри кодовых слов, при этом необходимо обеспечить, минимальный уровень взаимной корреляции между кодовыми словами, принадлежащими одному абоненту в разных пространственных кодовых книгах.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для формирования расширенной кодовой книги можно использовать любой алгоритм формирования кодовых книг для систем неортогонального множественного доступа с числом кодовых слов KN_tx, а затем из полученной кодовой книги выбирают N_tx кодовых книг с K кодовыми словами каждая, при этом нужно обеспечить минимальный уровень взаимной корреляции между кодовыми словами, принадлежащими одному абоненту в разных пространственных кодовых книгах.

Images