一种大规模非正交多接入方法与流程

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种大规模非正交多接入方法。

背景技术：

随着物联网和移动互联网的兴起于发展，未来的无线网络需要支持大规模移动用户的同时接入。在当前广泛采用的正交多接入技术中，如时分复用多接入(tdma)、频分复用多接入(fdma)和码分复用接入(cdma)，一个无线资源块只能分配给一个移动终端。由于无线资源的稀缺性，传统的正交多接入技术很难支持大规模用户的同时接入。在这种情况下，非正交多接入技术得到了大量的研究，并未广泛认为是5g等未来宽带无线通信系统的关键技术之一。

非正交多接入技术主要利用发射端的叠加编码和接收端的串行干扰抵消实现高效的多用户接入。然而，当接入用户数较大时，串行干扰抵消的复杂度将非常大。因此需要将用户分为多个簇，并只在每个簇内进行串行干扰抵消，从而有效降低了用户的计算复杂度。然而，用户分簇将引入新的簇间干扰。为了进一步提高非正交多接入技术的性能，必须有效抑制簇间干扰。众所周知，大规模多天线技术是一种有效的干扰抑制技术。并且，大规模多天线技术也是5g系统的关键技术之一。因此，可以将非正交多接入和大规模多天线技术结合起来，有效增强系统的性能。基于此，英国兰卡斯特大学的丁志国等人在《designofmassive-mimo-nomawithlimitedfeedback》一文中，提出了一种利用大规模多天线技术进行干扰消除的方法，从而达到提高非正交多接入技术性能的目的。值得注意的是，这种方法需要基站具有完全的下行信道状态信息。然而在大规模用户接入的情况下，传统的正交信道估计方法需要极长的训练序列，这将导致每个时隙只有很少的时间用于信号传输。此外，如果训练序列大于信道的相干时间，这将导致信道估计的实效。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述方案中大规模用户接入时训练序列较长、频谱效率较低和计算复杂度较高等问题，提出了一种大规模非正交多接入方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

大规模非正交多接入方法，包括如下步骤：

1)基站根据信道长期统计信息，获得所有下行信道的大尺度衰落信息αi，i＝1，...，u，其中u为移动用户的数量；

2)基于下行信道的大尺度衰落信息，基站将移动用户分为n个簇，其中第n簇包含kn个移动用户；

3)基站基于非正交的信道估计方法，获得第n个簇的等效信道状态信息n∈[1，n]；

4)基站为第n个簇中第k个移动用户的信号sn，k分配发射功率pn，k，然后将每个簇的所有移动用户的信号进行叠加编码；

5)基站根据所获得的信道状态信息，基于匹配滤波的方法，为每个簇经叠加编码后的信号sn设计一个发射波束wn，然后将所有波束成形后的信号一起进行发射；

6)移动用户接到基站发射的信号后，对同一簇内的用户进行串行干扰抵消，然后对自身信号进行解码。

步骤3)中非正交的信道估计方法为：

a)基站为第n个簇的所有用户安排一个相同的训练序列φn，而不同簇之间的采用相互正交的训练序列，即对于所有m≠n；

b)所有用户同时向基站发射训练序列，其中第n个簇中的第k个用户的发射功率为qn，k；

c)基站对接收到的训练序列右乘然后利用最小均方误差估计方法得到第n个簇的等效信道状态信息

d)重复上述步骤，基站获得所有簇的等效信道状态信息。

步骤4)中的叠加编码方法为：基站为第n个簇中的第k个用户的信号sn，k分配发射功率其中αn，k是第n个簇中的第k个用户所对应下行信道的大尺度衰落，ptot为基站的总发射功率，然后基站将第n个簇的信号按如下方式编码

步骤5)中的波束设计方法为：

a)基于非正交信道估计方法所获得的第n个簇的等效信道状态信息，基站为第n个簇构建如下的发射波束：

b)令基站的发射信号为

步骤6)中串行干扰抵消方法为：任一移动终端首先对同一簇内信道增益弱于自身的移动终端的信号进行解码，并将这些信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码。

本发明具有的有益效果是：本发明提出的非正交信道估计方法，可以利用较短的训练序列实现大规模用户的信道估计，解决了传统的正交信道估计训练序列较长所产生的一系列问题。本发明提出的基于等效信道状态信息的波束成型方法，具有实现复杂度低的优点，且可以有效的抑制其它用户信号的干扰，提高大规模非正交多接入方法的性能。

附图说明

图1是大规模非正交多接入方法的框图；

图2是在不同反馈量时，非正交多接入方法的平均传输速率性能比较；

图3是非正交多接入和正交多接入的平均传输速率性能比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。

基于频率复用多天线系统的非正交多接入的框图如图1所示，基站有nt根天线，每个移动终端配置1根天线。基站将移动用户分成多个簇，每个簇包含为数不多的终端，以减少串行干扰抵消的复杂度。同一簇的移动用户使用相同的训练序列，而不同簇使用相互正交的训练系列，并同时在上行信道上向基站发射。基站利用最小均方误差信道估计方法，获得每个簇的等效信道状态信息，并基于这些等效信道状态信息为每个簇的信号设计发射波束。移动终端接收到信号后，对簇内信号进行串行干扰抵消，以进一步减少干扰，提高系统的性能。

本发明所采用的具体技术方案如下：

大规模非正交多接入方法包括如下步骤：

1)基站根据信道长期统计信息，获得所有下行信道的大尺度衰落信息αi，i＝1，...，u，其中u为移动用户的数量。

2)基于下行信道的大尺度衰落信息，基站将移动用户分为n个簇，其中第n簇包含kn个移动用户。

3)基站基于非正交的信道估计方法，获得第n个簇的等效信道状态信息n∈[1，n]。该步骤中非正交的信道估计方法为：

a)基站为第n个簇的所有用户安排一个相同的训练序列φn，而不同簇之间的采用相互正交的训练序列，即对于所有m≠n；

b)所有用户同时向基站发射训练序列，其中第n个簇中的第k个用户的发射功率为qn，k；

c)基站对接收到的训练序列右乘然后利用最小均方误差估计方法得到第n个簇的等效信道状态信息

d)重复上述步骤，基站获得所有簇的等效信道状态信息。

4)基站为第n个簇中第k个移动用户的信号sn，k分配发射功率pn，k，然后将每个簇的所有移动用户的信号进行叠加编码。该步骤中的叠加编码方法为：基站为第n个簇中的第k个用户的信号sn，k分配发射功率其中αn，k是第n个簇中的第k个用户所对应下行信道的大尺度衰落，ptot为基站的总发射功率，然后基站将第n个簇的信号按如下方式编码

5)基站根据所获得的信道状态信息，基于匹配滤波的方法，为每个簇经叠加编码后的信号sn设计一个发射波束wn，然后将所有波束成形后的信号一起进行发射。该步骤中的波束设计方法为：

a)基于非正交信道估计方法所获得的第n个簇的等效信道状态信息，基站为第n个簇构建如下的发射波束：

b)令基站的发射信号为

6)移动用户接到基站发射的信号后，对同一簇内的用户进行串行干扰抵消，然后对自身信号进行解码。该步骤中串行干扰抵消方法为：任一移动终端首先对同一簇内信道增益弱于自身的移动终端的信号进行解码，并将这些信号从接收信号中减去，最后对自身的信号进行解码。

通过计算机仿真表明，如图2所示，本发明提出的大规模非正交多接入方法，可以根据系统参数和信道条件，灵活的调整用户的分簇方式，从而实现系统性能和计算复杂度之间的折中。另外，图3表明本方面提出的匹配滤波波束成型方式比传统的迫零波束成型方式具有明显的性能优势。尤其是随着发射信噪比的增加，所取得的性能增益将逐渐增大。因此，本发明提出的大规模非正交多接入方法可以为第五代移动通信系统提供一种高效的大规模用户接入方法。