CN106937256B - 一种基于非正交多址接入技术的协作多播传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非正交多址接入技术的协作多播传输方法，其步骤为：S1，基站构造单播用户候选集S2，基站从候选集中选择最优单播用户d_n*与多播用户同时接入网络；S3，基站发送信号S_BS(t)给所有多播用户和最优单播用户d_n*；S4，单播用户d_n*接收到S_BS(t)后先解码多播用户信号S₀(t)，若成功解码则转S5，否则转S6；S5，单播用户d_n*通过串行干扰消除技术从S_BS(t)中移除S₀(t)后解码期望信号S₁(t)并转发多播用户信号，多播用户接收到转发信号后将该信号与从基站处接收的信号合并，解码期望信号S₀(t)；S6，单播用户d_n*(多播用户)分别直接从信号S_BS(t)中解码自身期望信号S₁(t)(S₀(t))。本发明可有效提高多播通信的抗中断性能，为单播用户提供传输机会，提升频谱效率，可用于多媒体多播传输系统。

Description

一种基于非正交多址接入技术的协作多播传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是一种基于非正交多址接入技术的协作多播传输方法。

背景技术

无线通信业务及移动端应用的发展带来数据流量的井喷式增长，这使得人们对频谱资源的需求日益加剧。作为新型无线业务，无线多播传输利用了无线信道的广播特性，将在传输过程中对特定资源有相同需求的所有用户作为一个多播组，并将相同信息同时送达所有的多播用户，是一种高频谱效率的无线业务，可广泛应用于视频点播、视频会议、多媒体教育等通信场景。

在无线多播传输中由于需要同时保证多个用户的传输质量，使得系统性能通常受限于最差信道增益用户的接收质量，在无线多播网络中通过协作中继技术可有效的对抗信道衰落提升多播系统的传输性能。目前，针对无线协作多播传输技术的研究已取得了一定的论文及专利等相关成果。2013年I-H.Lee等在“IEEE Communications Letters”(《国际电气电子工程师协会通信快报》)提出了一种最优的多播中继选择方案，可使协作多播系统获得最大的分集增益，提高系统的传输可靠性。然而，该方案中需要整个系统的全局瞬时信道状态信息，系统复杂度高开销大，而且随着系统用户的增多，系统的传输可靠性将会变差。在2015年L Yang等在“IEEE Transactions on Vehicular Technology”(《国际电气电子工程师协会车辆技术汇刊》)中提出了基于最佳用户转发的协作多播方案。在该方案中，系统从解码成功多播用户中，选择最佳用户充当中继，向解码失败多播用户转发信息。该方案可取得满分集增益，且分集增益阶数等于多播用户数目，表明该方案的可靠性随用户数目增长而改善，且克服了最佳中继转发协作多播的可靠性随用户数目增长而恶化的缺陷。然而，现有的协作多播技术中参与协作的节点大多为专门部署的中继或网络中的多播用户，应用的灵活性较低，此外，在考虑通信网络用户的共性需求时并未考虑到差异化用户的个体数据传输需求，不适合应用于多播用户和单播用户共存的一般性网络中。

另一方面，非正交多址接入技术作为一种信息多址接入手段可大幅提高日益紧缺的可用频谱资源的频谱利用效率，该技术以不同功率将多个信息流在时域/频域/码域重叠的信道上传输，在相同无线资源上为多个用户同时提供差异化需求的无线业务，可显著提高系统频谱效率和用户接入能力，降低用户调度信令开销，缩短接入时延，降低终端能耗。其作为面向未来通信、5G通信的核心候选技术已得到国内外工业界的广泛认可。

发明内容

针对上述现有协作多播技术中存在的不足，并利用正交多址接入技术所带来的高频谱效率和巨大的应用潜力，本文旨在提出一种基于非正交多址接入技术的协作多播传输方法，通过非正交多址接入技术，将多播用户信息与单播用户信息在功率域进行叠加传输，可在多播传输的过程中为系统中的单播用户提供接入的机会，大大提升网络的频谱利用率。在满足多用户共同的信息需求和个体用户需求同时，利用多用户所带来的分集增益，提高多播用户传输的可靠性。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

基于非正交多址接入技术的协作多播传输方法，包含一个基站，N个单播用户和M个多播用户，其中单播用户作为协作中继协助基站对多播用户进行数据转发，每一次方法的执行至多包含2个传输时间单元。

一种基于非正交多址接入技术的协作多播传输方法，所述网络中包含一个基站，N个单播用户和M个多播用户，其中单播用户作为协作中继协助基站对多播用户进行数据转发；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1，基站将各单播用户与基站间的信道增益升序排列为|f₁|²＜...＜|f_n|²＜...＜|f_N|²，其中|f_n|²表示升序排列后第n个信道增益值，基站根据排序结果与系统预设的单播用户候选集基数q，将最大的q个信道增益值所对应的单播用户选择为候选单播用户，并构造单播用户候选集其中d_n为对应信道增益为|f_n|²的单播用户；

S2，基站从单播用户候选集中选择一个最优单播用户d_n*与多播用户同时接入，并由该单播用户d_n*作为协作中继协助基站转发多播用户信息；

S3，基站将多播用户和单播用户d_n*需求的原始信息进行处理，构造发送信号S_BS(t)，该信号中包含多播用户信号S₀(t)和单播用户信号S₁(t)；

S4，在单位传输单元内，基站向单播用户d_n*和所有多播用户广播发送信号S_BS(t)，单播用户d_n*接收到信号S_BS(t)后先解码多播用户信号S₀(t)，若能够成功解码则转到S5，若不能成功解码则转到S6；

S5，单播用户d_n*通过串行干扰消除技术从接收信号S_BS(t)中移除多播用户信号S₀(t)后，解码自身期望信号S₁(t)，此外单播用户d_n*对获取的多播用户信息进行重新编码调制，生成包含多播用户信息的单位功率信号并在下一传输单元内向所有多播用户转发信号多播用户p_m,(m∈{1,...,M})接收到转发信号将该信号与来自基站处的信号S_BS(t)合并后进行解码；

S6，单播用户d_n*直接从接收信号S_BS(t)中解码自身期望信号S₁(t)，多播用户p_m直接接收信号S_BS(t)中解码多播用户信号S₀(t)。

进一步地，基站对单播用户与基站间的信道增益的获取，是由基站向单播用户广播训练序列，各单播用户根据训练序列测量自身与基站的瞬时信道增益，并将该测量结果反馈给基站。

进一步地，步骤S2的具体方法如下：

S21，处于候选集中的单播用户d_n采用权利要求2中所述方法获取自身到多播用户p_m,(m∈{1,...,M})间的信道增益|h_n,m|²；

S22，处于候选集中的单播用户d_n将各自获取的信道增益|h_n,m|²反馈给基站；

S23，对于每一个单播用户d_n到多播用户p_m都有一个“最小的信道增益值”，记为基站从所有候选集合中的单播用户中选出一个具有最大的“最小的信道增益值”的单播用户d_n*作为最佳单播用户，该过程可表示为：

通过该准则可实现最大化单播用户最差转发链路的信道增益；

S24，基站将选择结果广播给各个单播用户。

进一步地，步骤S3的具体方法如下：

S31，基站分别对多播用户和单播用户d_n*需求的原始信息进行编码调制，构造相应的单位功率信号S₀(t)和S₁(t)；

S32，基站根据预设功率分配比例，将可用的发送功率P_BS在信号S₀(t)和S₁(t)间分配，具体地，基站为信号S₀(t)分配发送功率为a₀P_BS，为信号S₁(t)分配发送功率为a₁P_BS，其中a₀和a₁为预设功率分配因子，且满足a₀+a₁＝1；

S33，基站将经功率分配后的两个信号叠加，生成发送信号S_BS(t)可表示为：

进一步地，步骤S4的具体方法如下：

S41，基站发送信号S_BS(t)经无线信道传输后，单播用户d_n*的接收信号可表示为：

多播用户p_m的接收信号为：

其中，和分别表示单播用户d_n*和多播用户p_m处的白噪声，f_n*和g_m分别表示基站到单播用户d_n*和基站到多播用户p_m之间的复高斯信道，对f_n*和g_m取模值再平方，即|f_n*|²和|g_m|²表示基站到单播用户d_n*和基站到多播用户p_m之间的信道增益值；

S42，单播用户d_n*解码多播用户信号，相应的解码信干噪比可表示为：

S43，当解码信干噪比大于预定的解码门限γ_th则判断单播用户d_n*解码成功，否则判断为解码失败。

进一步地，步骤S5的具体方法如下：

S51，单播用户d_n*通过串行干扰消除技术移除多播用户信号后，得到新的接收信号并进行自身期望信号的解码，相应的解码信噪比可表示为：

S52，单播用户d_n*对获取的多播用户信息重新编码调制生成包含多播用户信息的单位功率信号并以预设功率P_d向所有多播用户转发该信息；

S53，多播用户p_m接收由单播用户d_n*转发的信息，并将该信号与接收信号进行最大比合并，合并后的信干噪比表示为：

进一步地，步骤S6的具体方法如下：

S61，单播用户d_n*直接从接收信号中解码期望信号S₁(t)，此时的信干噪比表示为：

S62，多播用户p_m直接从接收信号中解码期望信号S₀(t)，此时的信干噪比表示为：

本发明具有如下优点：

1.本发明通过将协作中继技术引入无线多播系统中，通过选择单播用户进行协作传输，使得多播用户获得分集增益有效的对抗信道衰落，提高多播网络的传输效率和传输可靠性；

2.本发明通过非正交多址接入技术将不同的数据信息叠加传输，在服务多播用户的同时，为单播用户提供了接入机会也为其成为协作中继提供了激励作用，相比于传统的多播传输进一步提升了频谱的利用率，各单播用户在解码期望信号的过程中也解码了多播用户信号，可成为多播用户的天然协作节点，为协作多播提供更大的自由度；

3.本发明提出的基于单播用户候选集的协作单播用户的选择策略，不仅考虑到多播用户的传输质量，同时候选集的构建可同时保证接入网络的单播用户也有较高的通信传输质量，保证了多播用户和单播用户的传输公平性。

附图说明

图1为本发明使用的协作多播系统的模型图；

图2为本发明的实现总流程图；

图3为本发明的中断概率随系统发射功率变化的性能图；

图4为本发明中单播用户和多播用户分集增益折衷关系图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，本发明所使用的无线多播网络，包含一个基站，N个单播用户和M个多播用户，其中单播用户作为协作中继协助基站对多播用户进行数据转发，每一次方法的执行至多包含2个传输时间单元。

如图2所示，本发明的实现步骤如下：

一种基于非正交多址接入技术的协作多播传输方法，所述网络中包含一个基站，N个单播用户和M个多播用户，其中单播用户作为协作中继协助基站对多播用户进行数据转发；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1，基站将各单播用户与基站间的信道增益升序排列为|f₁|²＜...＜|f_n|²＜...＜|f_N|²，其中|f_n|²表示升序排列后第n个信道增益值，基站根据排序结果与系统预设的单播用户候选集基数q，将最大的q个信道增益值所对应的单播用户选择为候选单播用户，并构造单播用户候选集其中d_n为对应信道增益为|f_n|²的单播用户；

S2，基站从单播用户候选集中选择一个最优单播用户d_n*与多播用户同时接入，并由该单播用户d_n*作为协作中继协助基站转发多播用户信息；

S3，基站将多播用户和单播用户d_n*需求的原始信息进行处理，构造发送信号S_BS(t)，该信号中包含多播用户信号S₀(t)和单播用户信号S₁(t)；

S4，在单位传输单元内，基站向单播用户d_n*和所有多播用户广播发送信号S_BS(t)，单播用户d_n*接收到信号S_BS(t)后先解码多播用户信号S₀(t)，若能够成功解码则转到S5，若不能成功解码则转到S6；

S5，单播用户d_n*通过串行干扰消除技术从接收信号S_BS(t)中移除多播用户信号S₀(t)后，解码自身期望信号S₁(t)，此外单播用户d_n*对获取的多播用户信息进行重新编码调制，生成包含多播用户信息的单位功率信号并在下一传输单元内向所有多播用户转发信号多播用户p_m,(m∈{1,...,M})接收到转发信号将该信号与来自基站处的信号S_BS(t)合并后进行解码；

S6，单播用户d_n*直接从接收信号S_BS(t)中解码自身期望信号S₁(t)，多播用户p_m直接接收信号S_BS(t)中解码多播用户信号S₀(t)。

本实施例中，基站对单播用户与基站间的信道增益的获取，是由基站向单播用户广播训练序列，各单播用户根据训练序列测量自身与基站的瞬时信道增益，并将该测量结果反馈给基站。

本实施例中，步骤S2的具体方法如下：

S21，处于候选集中的单播用户d_n采用权利要求2中所述方法获取自身到多播用户p_m,(m∈{1,...,M})间的信道增益|h_n,m|²；

S22，处于候选集中的单播用户d_n将各自获取的信道增益|h_n,m|²反馈给基站；

S23，对于每一个单播用户d_n到多播用户p_m都有一个“最小的信道增益值”，记为基站从所有候选集合中的单播用户中选出一个具有最大的“最小的信道增益值”的单播用户d_n*作为最佳单播用户，该过程可表示为：

通过该准则可实现最大化单播用户最差转发链路的信道增益；

S24，基站将选择结果广播给各个单播用户。

本实施例中，步骤S3的具体方法如下：

S31，基站分别对多播用户和单播用户d_n*需求的原始信息进行编码调制，构造相应的单位功率信号S₀(t)和S₁(t)；

S32，基站根据预设功率分配比例，将可用的发送功率P_BS在信号S₀(t)和S₁(t)间分配，具体地，基站为信号S₀(t)分配发送功率为a₀P_BS，为信号S₁(t)分配发送功率为a₁P_BS，其中a₀和a₁为预设功率分配因子，且满足a₀+a₁＝1；

S33，基站将经功率分配后的两个信号叠加，生成发送信号S_BS(t)可表示为：

本实施例中，步骤S4的具体方法如下：

S41，基站发送信号S_BS(t)经无线信道传输后，单播用户d_n*的接收信号可表示为：

多播用户p_m的接收信号为：

其中，和分别表示单播用户d_n*和多播用户p_m处的白噪声，f_n*和g_m分别表示基站到单播用户d_n*和基站到多播用户p_m之间的复高斯信道，对f_n*和g_m取模值再平方，即|f_n*|²和|g_m|²表示基站到单播用户d_n*和基站到多播用户p_m之间的信道增益值；

S42，单播用户d_n*解码多播用户信号，相应的解码信干噪比可表示为：

S43，当解码信干噪比大于预定的解码门限γ_th则判断单播用户d_n*解码成功，否则判断为解码失败。

本实施例中，步骤S5的具体方法如下：

S51，单播用户d_n*通过串行干扰消除技术移除多播用户信号后，得到新的接收信号并进行自身期望信号的解码，相应的解码信噪比可表示为：

S52，单播用户d_n*对获取的多播用户信息重新编码调制生成包含多播用户信息的单位功率信号并以预设功率P_d向所有多播用户转发该信息；

S53，多播用户p_m接收由单播用户d_n*转发的信息，并将该信号与接收信号进行最大比合并，合并后的信干噪比表示为：

本实施例中，步骤S6的具体方法如下：

S61，单播用户d_n*直接从接收信号中解码期望信号S₁(t)，此时的信干噪比表示为：

S62，多播用户p_m直接从接收信号中解码期望信号S₀(t)，此时的信干噪比表示为：

以下将结合仿真实验对本发明的性能作进一步的描述。

图3给出了本发明的中断概率随系统发射功率变化的性能图。从图中可以看出，随着系统发射功率的提升，系统的中断概率也随之降低。相比与传统无协作传输，本发明能够实现更低的中断概率，具有较高的传输可靠性。

图4给出了单播用户和多播用户分集增益折衷关系曲线。由图可看出，单播用户和多播用户的性能存在一定的相互作用关系，实际传输中可根据系统实际的指标，调节单播用户候选集基数q的大小，从而使多播用户和单播用户均满足自身的传输可靠性需求指标。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于非正交多址接入技术的协作多播传输方法，包含一个基站，N个单播用户和M个多播用户，其中单播用户作为协作中继协助基站对多播用户进行数据转发；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1，基站将各单播用户与基站间的信道增益升序排列为|f₁|²＜...＜|f_n|²＜...＜|f_N|²，其中|f_n|²表示升序排列后第n个信道增益值，基站根据排序结果与系统预设的单播用户候选集基数q，将最大的q个信道增益值所对应的单播用户选择为候选单播用户，并构造单播用户候选集其中d_n为对应信道增益为|f_n|²的单播用户；

S2，基站从单播用户候选集中选择一个最优单播用户与多播用户同时接入，并由该单播用户作为协作中继协助基站转发多播用户信息；

S21，处于候选集中的单播用户d_n采用基站对单播用户与基站间的信道增益的获取方法获取自身到多播用户p_m,(m∈{1,...,M})间的信道增益|h_n,m|²；

S22，处于候选集中的单播用户d_n将各自获取的信道增益|h_n,m|²反馈给基站；

S23，对于每一个单播用户d_n到多播用户p_m都有一个“最小的信道增益值”，记为基站从所有候选集合中的单播用户中选出一个具有最大的“最小的信道增益值”的单播用户作为最佳单播用户，该过程可表示为：

通过该准则可实现最大化单播用户最差转发链路的信道增益；为最佳单播用户与多播用户p_m之间的信道参数；

S24，基站将选择结果广播给各个单播用户；

S3，基站将多播用户和单播用户需求的原始信息进行处理，构造发送信号S_BS(t)，该信号中包含多播用户信号S₀(t)和单播用户信号S₁(t)；

S31，基站分别对多播用户和单播用户需求的原始信息进行编码调制，构造相应的单位功率信号S₀(t)和S₁(t)；

S32，基站根据预设功率分配比例，将可用的发送功率P_BS在信号S₀(t)和S₁(t)间分配，具体地，基站为信号S₀(t)分配发送功率为a₀P_BS，为信号S₁(t)分配发送功率为a₁P_BS，其中a₀和a₁为预设功率分配因子，且满足a₀+a₁＝1；

S33，基站将经功率分配后的两个信号叠加，生成发送信号S_BS(t)可表示为：

S4，在单位传输单元内，基站向单播用户和所有多播用户广播发送信号S_BS(t)，单播用户接收到信号a后先解码多播用户信号S₀(t)，若能够成功解码则转到S5，若不能成功解码则转到S6；

S5，单播用户通过串行干扰消除技术从接收信号S_BS(t)中移除多播用户信号S₀(t)后，解码自身期望信号S₁(t)，此外单播用户对获取的多播用户信息进行重新编码调制，生成包含多播用户信息的单位功率信号并在下一传输单元内向所有多播用户转发信号多播用户p_m,(m∈{1,...,M})接收到转发信号将该信号与来自基站处的信号S_BS(t)合并后进行解码；

S6，单播用户直接从接收信号S_BS(t)中解码自身期望信号S₁(t)，多播用户p_m直接接收信号S_BS(t)中解码多播用户信号S₀(t)。

2.根据权利要求1所述的基于非正交多址接入技术的协作多播传输方法，其特征在于，基站对单播用户与基站间的信道增益的获取，是由基站向单播用户广播训练序列，各单播用户根据训练序列测量自身与基站的瞬时信道增益，并将该测量结果反馈给基站。

3.根据权利要求1所述的基于非正交多址接入技术的协作多播传输方法，其特征在于，步骤S4的具体方法如下：

S41，基站发送信号S_BS(t)经无线信道传输后，单播用户的接收信号可表示为：

多播用户p_m的接收信号为：

其中，可用的发送功率P_BS，和分别表示单播用户和多播用户p_m处的白噪声，和g_m分别表示基站到单播用户和基站到多播用户p_m之间的复高斯信道，对和g_m取模值再平方，即和|g_m|²表示基站到单播用户和基站到多播用户p_m之间的信道增益值；

S42，单播用户解码多播用户信号，相应的解码信干噪比可表示为：

S43，当解码信干噪比大于预定的解码门限γ_th则判断单播用户解码成功，否则判断为解码失败。

4.根据权利要求1所述的基于非正交多址接入技术的协作多播传输方法，其特征在于，步骤S5的具体方法如下：

S51，单播用户通过串行干扰消除技术移除多播用户信号后，得到新的接收信号并进行自身期望信号的解码，相应的解码信噪比可表示为：

其中，和g_m分别表示基站到单播用户和基站到多播用户p_m之间的复高斯信道，可用的发送功率P_BS，表示单播用户处的白噪声，为噪声功率；

S52，单播用户对获取的多播用户信息重新编码调制生成包含多播用户信息的单位功率信号并以预设功率P_d向所有多播用户转发该信息；

S53，多播用户p_m接收由单播用户转发的信息，并将该信号与接收信号进行最大比合并，合并后的信干噪比表示为：

5.根据权利要求1所述的基于非正交多址接入技术的协作多播传输方法，其特征在于，步骤S6的具体方法如下：

S61，单播用户直接从接收信号中解码期望信号S₁(t)，此时的信干噪比表示为：

其中和g_m分别表示基站到单播用户和基站到多播用户p_m之间的复高斯信道，可用的发送功率P_BS；

S62，多播用户p_m直接从接收信号中解码期望信号S₀(t)，此时的信干噪比表示为：