一种基于空间滤波的功率域非正交随机接入方法

本发明属于无线通信技术随机接入领域，具体涉及一种基于空间滤波的功率域非正交随机接入方法。

背景技术：

1、在现有免授权随机接入（gfra）研究工作中，功率域免授权随机接入（pd-nora）方法（如图1所示）得到了广泛关注。在功率域非正交多址技术（pd-noma）的辅助下，pd-nora能实现不同接收功率级（power level）的时频资源复用，从而整体上提升gfra的随机接入性能。

2、在pd-nora中，不同随机接入用户在同一时频资源上传输具有不同功率级的数据包信息。基站在接收到随机接入用户的数据包之后，采用串行干扰消除（sic）技术对多用户信号进行检测和分离。此时，pd-nora的随机接入性能主要受制于可用功率级的数量，而可用功率级数量则与用户与基站间的距离以及目标传输速率和目标接收信干噪比（sinr）等因素有关。上述系统参数一旦确定，则整个蜂窝小区内的可用功率级数量为一定值。

3、在pd-nora中，显然可用功率级数量越多同一时频资源可支持的用户数越多，随机接入性能越好。受制于实际通信场景中可用功率级数量有限，为此，提高现有功率级的利用率将对pd-nora的吞吐量性能提升产生显著的影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于空间滤波的功率域非正交随机接入方法。通过在pd-nora中引入空间滤波技术和标记前导技术，设计了一种的基于空间滤波的功率级复用方法和基于标记前导的sic解码方法，从而使基站能同时解调出更多的用户数据包，提高随机接入的吞吐量。

2、本发明思路为：基站首先基于用户的标记前导检测结果得出使用每个功率级的用户数量估计值和用户所处空间波束位置，并基于此设计对应的空间滤波波束；然后基于所设计空间滤波波束进行功率级的复用，从而提升功率级的利用率；最后，基站在所提出的改进sic技术（improved successive interference cancellation，improved sic）基础上对用户的数据包进行解码，本发明中将这种方案称为一种基于空间滤波的功率域非正交随机接入方法（spatial filtering based power domain non-orthogonal random access，sf-pd-nora），以下简称sf-pd-nora方案。

3、实现本发明的技术方案如下：

4、一种基于空间滤波的功率域非正交随机接入方法，包括以下步骤：

5、s1: 基站基于用户的标记前导检测结果得出使用每个功率级的用户数量估计值和用户所处空间波束位置，设计对应的空间滤波波束；

6、s2: 基于s1中设计的空间滤波波束进行功率级的复用，从而提升功率级的利用率；

7、s3: 基站在改进串行干扰消除（improved successive interferencecancellation，improved sic）技术基础上对用户的数据包进行解码。

8、进一步地，所述步骤s1具体包括：

9、 s11：考虑个用户设备（user equipment, ue）在第个接入时隙内同时发起随机接入，可用功率级数量为，小区半径为；

10、s12：个ue在发送前导序列之前将侦听基站的下行广播信号，从而根据信道互易性得出自己距离基站的距离估计值并获取各个距离区间可使用功率级大小及标记前导索引等参数，对位于第个功率级对应空间范围内的用户而言，其功率级用表示，其中，假设，则功率级表示为：

11、

12、其中，为目标信干噪比；

13、s13：参数获取过程完成后，个ue将根据自身相应信息传输相应的标记前导序列和数据包至基站，用表示活跃ue的索引集合，表示被个ue所选择的前导索引集合，为集合中的元素个数，定义第个ue组表示选择第个前导的ue索引集合，则，第个ue组中的第个ue，ue-( k,m)，发送的标记前导信号为：

14、

15、其中，为zc序列长度，为用户ue-( k,m)的发送功率，称zc序列为初始前导序列，为的标记序列，和分别为zc序列的根索引和序列索引，和分别为标记序列的根索引和序列索引，是一个关于的函数，其作用为将的索引映射为一个根索引为的标签序列，；

16、s14：基于所述s12和所述s13，用户通过对下行广播信号的侦听和下行参考序列的解调，得出其当前信道状态信息的估计值，随后根据自身与基站的距离确定功率级并调整标记前导序列和数据包的发送功率，此时，若用户ue-( k,m)对应的功率级为，则其发送功率可表示为：

17、

18、其中表示用户ue-( k,m)的信道系数，，表示用户ue-( k,m)经历的大尺度衰落系数，，为路径衰落指数；为用户ue-( k,m)经历的服从瑞利分布的小尺度衰落系数，其期望；

19、s15：基于所述s13和所述s14，基站侧的前导接收信号可表示为：

20、

21、其中和分别为ue-( k,m)的到达角和往返时延，为导向矢量，为循环对称的复高斯噪声；

22、s16：基站首先将小区划分为个小型空间扇区，此时第个空间扇区对应的空间波束成形矢量为，的波束成形增益可表示为：

23、

24、其中表示第个空间扇区对应的角度范围，和分别表示主瓣增益和旁瓣增益，定义；

25、s17：对而言，基于所述s15和所述s16，经空间滤波后的接收信号可表示为：

26、

27、s18：基于所述s17，基站在完成用户的标记前导序列接收之后，将对标记前导序列进行检测，通过计算标记前导序列中的初始前导zc序列与本地zc序列之间的频域相关性来对活跃空间扇区进行标定，第个空间扇区内的频域相关性计算方法如下：

28、

29、其中表示根索引为的zc序列，，为快速傅里叶逆变换（ifft）大小；

30、s19：基于所述s18，当设定zc序列检测的相关性阈值为时，基站通过比较与的大小来判断是否活跃，若则为活跃扇区，否则为静默扇区；

31、s110：基于所述s19，基站遍历所有个空间扇区，得出所有活跃扇区的分布情况并据此设计相应扇区的空间滤波波束，每个活跃扇区即对应一个空间滤波波束。

32、进一步地，基站基于用户的标记前导检测结果得出使用每个功率级的用户数量估计值和用户所处空间波束位置，并基于此设计对应的空间滤波波束后，按照所述步骤s2，基于所设计空间滤波波束进行功率级复用，具体功率级复用的方法包括：

33、s21：所有活跃用户将根据与基站的距离选择相应的功率级发送标记前导序列和数据包；

34、s22：基于所述步骤s1中所标定的活跃空间波束结果，基站基于空间滤波接收技术完成每个波束内用户所发送数据包的接收，由于空间波束的正交性，不同空间波束所覆盖的空间范围无重叠，则对每个波束而言均有个功率级可用，若共有个空间波束活跃，，此时整个小区可等效为共有个可用功率级，从而实现了功率级在空间的复用；

35、s23：对而言，其波束覆盖范围内活跃用户所发送数据包的接收信号可表示为：

36、

37、其中表示内第个用户的数据包，表示内第个用户的经相位补偿（phase compensation，pc）后的信道系数，，为第个用户的相位补偿函数，经pc后，第个用户的信道系数为一实数，此时，为均值为0、方差为1的复高斯噪声。

38、下一步，基于s23对中各用户的数据包进行解码时，需使用串行干扰消除技术。若某个功率级发生了碰撞，即多个用户同时选择了相同的功率级，则这些用户的数据包将无法被正确解码，当所有个功率级均未发生碰撞时，基站将根据传统sic技术按的顺序进行解码，此时所有用户的数据包均能被正确解码，若未发生碰撞而发生了碰撞，则在传统sic技术中对应用户的数据包都将无法被正确解码，即使中的某些功率级未发生碰撞，为提高此类情况中的用户吞吐量，本发明提出了一种基于标记前导检测的sic解码顺序确定方法。具体如下：

39、步骤s3中所述的基站在基于标记前导检测的串行干扰消除（improvedsuccessive interference cancellation，improvedsic）技术基础上对用户的数据包进行解码具体包括：

40、s31：基于所述步骤s1，基站将根据内各功率级的使用情况重新确定串行干扰消除sic解码顺序，基站在根据所述步骤s18得出各空间扇区的活跃情况之后，通过对标记前导序列的检测得出各活跃空间扇区中的用户分布情况，其中表示第个活跃扇区内使用第个功率级的用户个数，的可能取值为，表示第个活跃扇区内的第个功率级未被使用，表示第个活跃扇区内的第个功率级未发生碰撞；

41、s32：基于s31中得出的用户分布情况，用表示第个扇区对应的功率级，用表示第个扇区内接收到的数据包信号，表示使用的用户的数据包，此时基站侧的数据包接收信号可表示为：

42、

43、s33：基于所述步骤s32中的公式，基站基于串行干扰消除sic算法进行用户数据包解码，基站首先根据用户分布情况判断是否发生碰撞，若未发生碰撞，即，则对应的数据包可以被基站成功解码；反之，若发生了碰撞，即，此时可表示为：

44、

45、s34：由所述步骤s14中的公式可得出，在个用户对自身信道进行相位补偿pc之后可得出

46、

47、进而，所述步骤s33中的公式可进一步表示为

48、

49、其中表示个使用的用户的数据包叠加之和，若将视为一虚拟用户（virtual ue，v-ue）的数据包，则此时可等价为仅被虚拟用户v-ue所使用，因此基站能正确解码出v-ue的数据包，需说明的是，为个用户的数据包叠加之和，尽管能被基站正确解码，但个用户各自的数据包无法从中成功解码；

50、s35：基于s34，基站在成功解码出后，可根据串行干扰消除算法进行后续用户的解码，后续用户的和信号可表示为

51、

52、重复上述过程，直至所有对应的功率级均被遍历解码为止。

53、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

54、本发明所设计基于空间滤波的功率域非正交随机接入方法能有效提升传统功率域非正交随机接入（power domain non-orthogonal random access，pd-nora）中的功率级利用率。此外，本发明的改进串行干扰消除技术能进一步的提升sf-pd-nora的吞吐量性能。