[go: up one dir, main page]

CN110365377B - 多天线空分多址和scma非正交多址结合的下行传输方法 - Google Patents

多天线空分多址和scma非正交多址结合的下行传输方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110365377B
CN110365377B CN201910635552.2A CN201910635552A CN110365377B CN 110365377 B CN110365377 B CN 110365377B CN 201910635552 A CN201910635552 A CN 201910635552A CN 110365377 B CN110365377 B CN 110365377B
Authority
CN
China
Prior art keywords
data
multiple access
scma
user
stream
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201910635552.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110365377A (zh
Inventor
方舒
杨聿铭
黄润
王慧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201910635552.2A priority Critical patent/CN110365377B/zh
Publication of CN110365377A publication Critical patent/CN110365377A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110365377B publication Critical patent/CN110365377B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/0413—MIMO systems
    • H04B7/0456—Selection of precoding matrices or codebooks, e.g. using matrices antenna weighting
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
    • H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
    • H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
    • H04B7/06—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station
    • H04B7/0697—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the transmitting station using spatial multiplexing

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)
  • Radio Transmission System (AREA)

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种多天线空分多址和SCMA非正交多址结合的下行传输方法。本发明的一个目标是在频谱利用率不变的情况下提高每个用户的有效数据速率和保密性。另外，通过与多天线空分多址以及发射端预编码技术的结合，降低接收端解码的复杂度，提高频谱利用率。本发明中提出的新型传输结构相较于传统的ZF预编码+MIMO结构不仅有更高的频谱利用率，误码性能也有提升。

Description

多天线空分多址和SCMA非正交多址结合的下行传输方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种多天线空分多址和SCMA非正交多址结合的下行传输方法。
背景技术
多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技术通过在无线通信系统的收发两端配置多根天线，能够在单输入单输出(Single Input Single Output，SISO)无线通信系统的基础上，成倍的将系统容量提升，极大地提高了系统的频谱效率(SpectrumEfficient，SE)。垂直贝尔实验室分层空时结构(Vertical-Bell Laboratories Layered-Space-Time,V-BLAST)通常与MIMO系统结合来提升系统频谱效率。在V-BLAST结构中，发射信号可以在空间上进行多路复用，所有天线在同一时刻同时发送信号，但是这也带来了信道间干扰(inter-channel interference，ICI)的问题。如果在接收端采用最小均方误差(Minimum Mean-Squared Error,MMSE)等检测方法来消除ICI干扰，用户端所需硬件的复杂度会随着基站端发射天线的增加呈指数上升，用户终端的功耗也会过高。
针对上述问题，利用信道互异性或者反馈将接收端的信号检测技术相对应地映射为发射端预编码的技术被提出。预编码技术与接收端的检测技术作用基本相当，它们的目的均是为了消除ICI干扰，区别在于发射端的预编码技术解决了接收端使用检测器导致复杂度以及功耗过高的问题。常见的线性预编码算法有迫零(Zero-Forcing,ZF)预编码、最小均方误差预编码和块对角化(Block Diagonalization,BD)预编码等。其中，ZF预编码和BD预编码已被用于长期演进系统(Long Term Evolution,LTE)的非码本预编码传输方式中。
在无线通信系统中，多址接入方式是多用户共享有限资源(时、频、码)的一种有效手段。现有的多址接入方式主要有以下几种：频分多址(Frequency Division MultipleAccess,FDMA)、时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)、码分多址(CodeDivision Multiple Access,CDMA)。面对低延迟通信，高传输速率，频谱资源稀缺的挑战，很多公司希望利用非正交多址技术改变空口接入方式来提高通信资源的利用率。华为公司提出的稀疏码分多址接入技术(Sparse Code Multiple Access)是一种当前研究比较热门的5G多址接入技术。SCMA通过将用户输入的比特信息流直接映射为多维的稀疏码字，用户共享频谱资源的方式，实现了过载接入，提高了频谱利用率。同时利用码字的稀疏特性，SCMA接收端采用消息传递算法(Message Passing Algorithms,MPA)实现近似最优的多用户检测。
然而上文提及的SCMA技术在用于下行传输时用户端复杂度仍然很高，在与MIMO结构直接结合之后复杂度更是呈指数型上升，同时由于共享频谱资源，即多个用户的数据承载在同一子载波上，使得每个用户都需要解码出所有用户的数据，而其中只有一小部分属于用户自己需要的数据，这就会造成有效数据速率仍然较低且保密性差的问题，这在实际系统中是难以被接受的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是采用一种基于多天线空分多址和SCMA非正交多址结合的新型下行传输方案，从而降低用户端复杂度，提高用户的有效数据速率和保密性，同时在ZF预编码+MIMO基础上提升传输性能。
本发明采用的技术方案是，采用多输入多输出系统中的ZF预编码算法，用户内多路数据流采用SCMA编码器编码成一路数据流，用户接收端采用MPA算法解码。所述系统具有Nt根基站发射天线和N个终端用户，每个终端用户配备Nr根接收天线。假设满足Nt＝NNr，即用户数据的总流数与发射天线数相等。SCMA所使用的码本有T层，K个资源块，M个码字可能。接下来重点描述本发明提出的新型下行传输方案。
步骤1：将基站端每个用户的每流数据经过串并转换成对应T层码本的J路并行数据，即T＝J，然后将J路并行数据送入SCMA编码器编码，每一路数据分别进行映射：将第j路输入的每log2(M)个信息比特直接映射为一个多维稀疏码字xj，所有J路映射的多维稀疏码字叠加，最终形成每J个码字复用K个资源块的数据
Figure BDA0002130210290000021
如果用过载率来表示资源块的复用率，此时过载率等于J/K。
步骤2：将所有用户经过编码器之后的总共Nt流数据流分别映射到Nt根发射天线上形成发送数据矩阵X，并通过ZF预编码消除信道间干扰，预编码矩阵可以表示为：
W＝HH(HHH)-1 (1)
其中，H表示MIMO信道，(·)H表示取共轭转置操作。
步骤3：经历信道，用户接收到数据，可以表示为：
y＝HWX+n (2)
其中n表示噪声；
步骤4：每个用户将自己接收到的那一流数据都分别通过SCMA解码器即MPA检测算法恢复成J路并行的数据映射码字，解码后第j路数据每log2(M)个信息比特映射的码字表示为
Figure BDA0002130210290000031
然后通过并串转换得到原始数据流。MPA检测算法的准则可以表示为：
Figure BDA0002130210290000032
其中，{χ1×...×χJ}代表J层码本的集合，
Figure BDA0002130210290000033
代表某一流所有路数据每一次映射的码字的组合，m代表用户某一流的第m路数据，k代表第k个时频资源，p(·)代表概率。
步骤5：将每个数据流中的码字通过对数似然比的计算恢复成比特信息。
本发明的有益效果是，在频谱利用率不变的情况下提高每个用户的有效数据速率和保密性；另外，通过与多天线空分多址以及发射端预编码技术的结合，降低接收端解码的复杂度，提高频谱利用率；本发明中提出的新型传输结构相较于传统的ZF预编码+MIMO结构不仅有更高的频谱利用率，误码性能也有提升。
附图说明
图1示出了本发明下行传输方案系统模型；
图2为传统SCMA算法、SCMA-ZF传输方案与ZF-MIMO传输方案的性能对比；
图3为相同天线配置下，SCMA-ZF传输方案与传统预编码方案的性能对比。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1中展示了基于多天线空分多址和SCMA非正交多址结合的新型下行传输方案。该模型在ZF预编码的基础上增加了SCMA编码器与解码器，并增加了这两个环节必需的串并转换或并串转换。用户内各路数据流的时频资源复用加上所有用户所有数据流的空间复用，可以大大节省频谱资源。接下来通过实施例详细描述本发明的技术方案。
实施例
本例中MIMO系统具有4根基站发射天线和4个终端用户，每个终端用户配备1根接收天线，基站传输给每个终端各一个数据流。另外，假设SCMA编码、解码器的码本都使用华为公司提供的过载率为150％的标准码本，此码本一共有6层，复用4个子载波，每层具有4个可能码字。下面给出这种码本的关联矩阵，用来表示各层码本非零元的位置：
Figure BDA0002130210290000041
Step-1：将基站端各个用户的数据流进行串并转换成6路数据：
Figure BDA0002130210290000042
Si表示第i个用户的数据流，sij表示当Si进行串并转换后，第i个用户的第j路比特流。
Step-2：将每一流串并转换后的6路数据分别送入SCMA编码器，以2个比特为一组根据指定的规则进行高维码字映射：
Figure BDA0002130210290000043
其中xij为第i个用户的第j路数据的消息比特映射而成的码字向量，χj为第j层的码本，且|χj|＝2。每一路比特流以两个比特为一组进行映射，即用户i输入00将映射到这一层码本的第1个码字，输入01映射到这一层码本的第2个码字，输入10映射到这一层码本的第3个码字，输入11映射到这一层码本的第4个码字。在每路数据完成输入的信息比特到4维码字的映射后，所有6路的码字将复用在这4个子载波上传输。
完成公式(5)中的串并转换以及公式(6)中的数据映射后，形成4个子载波为一组的多路数据，可以表示为：
Figure BDA0002130210290000051
其中xik表示SCMA映射完成后，用户i在第k个子载波上的数据。
Step-3：将所有数据流分别通过SCMA编码器后得到的数据流进行ZF预编码以提前消除天线之间的干扰：
Figure BDA0002130210290000052
Figure BDA0002130210290000053
是同一个子载波上经过ZF预编码之后第j根天线上待发送的数据符号。
Step-4：经历信道，用户终端接收到数据：
Figure BDA0002130210290000054
Step-5：每个用户将自己接收到的每流数据通过SCMA解码器即MPA检测算法恢复成J路并行数据，并进行并串转换得到最后的数据流：
Figure BDA0002130210290000055
Figure BDA0002130210290000056
是第i个用户的数据流经过SCMA解码器后得到的第j路数据，
Figure BDA0002130210290000057
是并串转换后得到的第i个用户的数据流。
下面结合仿真结果分析本文发明的频谱效率优势以及误码性能的提升情况。
由图2可以发现，当发射天线为4根时，SCMA-ZF传输方案在高信噪比的时候比传统MIMO结构上应用ZF预编码的方案性能要好，同时，由于SCMA-ZF传输方案采用了用户内多路数据非正交多址的方案，在使用华为公司提供码本的情况下频谱利用率是传统预编码方案的1.5倍。同时，我们可以观察到，前面所述两种传输方案的误码率性能都比传统的单天线SCMA性能要差，但是此时的SCMA-ZF传输方案在接收端复杂度不变的情况下频谱利用率是传统单天线SCMA方案的4倍，并且对每个用户来说有效数据速率是传统单天线SCMA方案的6倍，保密性也更好。
图3为在不同天线配置下，SCMA-ZF传输方案与传统预编码方案的性能对比。
由图3可知，相同天线配置下，在SCMA-ZF传输方案频谱利用率是传统预编码方案的1.5倍的情况下，SCMA-ZF传输方案在高信噪比下仍然比传统预编码方案的误码率性能要好。同时我们可以观察到，在信噪比足够高的时候，8天线下SCMA-ZF传输方案载频谱利用率是传统预编码方案的6倍的情况下依然可以达到相同的误码率性能。并且这种情况在天线数更低的时候可以在更低的信噪比时达到。此外，两种传输方案在天线数逐渐增多时误码率性能都有所下降，这种情况是因为多天线空间复用时频谱利用率在上升造成的。

Claims (1)

1.多天线空分多址和SCMA非正交多址结合的下行传输方法，该方法用于MIMO系统，系统有Nt根基站发射天线和N个终端用户，每个终端用户配备Nr根接收天线，满足Nt＝NNr，即用户数据的总流数与发射天线数相等；SCMA所使用的码本有T层，K个资源块，M个码字；其特征在于，所述下行传输方法包括：
S1、将基站端每个用户的每流数据经过串并转换成对应T层码本的J路并行数据，即T＝J，然后将J路并行数据送入SCMA编码器编码，每一路数据分别进行映射：将第j路输入的每log2(M)个信息比特直接映射为一个多维稀疏码字xj，所有J路映射的多维稀疏码字叠加，最终形成每J个码字复用K个资源块的数据
Figure FDA0003172870780000011
用过载率来表示资源块的复用率，此时过载率等于J/K；
S2、将所有用户经过编码器之后的总共Nt流数据流分别映射到Nt根发射天线上形成发送数据矩阵X，并通过ZF预编码消除信道间干扰，预编码矩阵表示为：
W＝HH(HHH)-1
其中，H表示MIMO信道，(·)H表示取共轭转置操作；
S3、经历信道，用户接收到数据表示为：
y＝HWX+n
n是噪声；
S4、每个用户将自己接收到的那一流数据通过SCMA解码器即MPA检测算法恢复成J路并行的数据映射码字，解码后第j路数据每log2(M)个信息比特映射的码字表示为
Figure FDA0003172870780000012
然后通过并串转换得到原始数据流；MPA检测算法的准则表示为：
Figure FDA0003172870780000013
其中，{χ1×...×χJ}代表J层码本的集合，
Figure FDA0003172870780000014
代表某一流所有路数据映射的码字的组合，m代表用户某一流的第m路数据，k代表第k个时频资源，p(·)代表概率，a代表某一层码本中的一个值；
S5、将每个数据流中的码字通过对数似然比的计算恢复成比特信息。
CN201910635552.2A 2019-07-15 2019-07-15 多天线空分多址和scma非正交多址结合的下行传输方法 Expired - Fee Related CN110365377B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910635552.2A CN110365377B (zh) 2019-07-15 2019-07-15 多天线空分多址和scma非正交多址结合的下行传输方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910635552.2A CN110365377B (zh) 2019-07-15 2019-07-15 多天线空分多址和scma非正交多址结合的下行传输方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110365377A CN110365377A (zh) 2019-10-22
CN110365377B true CN110365377B (zh) 2021-11-23

Family

ID=68219297

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910635552.2A Expired - Fee Related CN110365377B (zh) 2019-07-15 2019-07-15 多天线空分多址和scma非正交多址结合的下行传输方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110365377B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112073156B (zh) * 2020-11-11 2021-03-26 电子科技大学 一种高维非正交传输方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107689859A (zh) * 2017-08-29 2018-02-13 广西大学 基于博弈论的scma系统码本和功率分配方法
CN108075857A (zh) * 2012-11-16 2018-05-25 华为技术有限公司 用于稀疏码多址接入的系统和方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10256880B2 (en) * 2015-07-01 2019-04-09 Lg Electronics Inc. Codebook configuration method in multi-antenna wireless communication system and device for same
EP3276846B1 (en) * 2016-07-25 2021-01-06 Alcatel Lucent Multiple antenna multiuser downlink transmission
US10263660B2 (en) * 2016-08-11 2019-04-16 Qualcomm Incorporated Methods and apparatus for construction of SCMA codebooks
CN106487428B (zh) * 2016-09-29 2019-11-22 西安电子科技大学 一种基于非正交多址技术的优化波束赋形的方法
KR102570904B1 (ko) * 2016-10-06 2023-08-25 삼성전자주식회사 다중 사용자 다중 안테나 통신을 위한 인티저 포싱 기법
CN107635250A (zh) * 2017-08-16 2018-01-26 南京邮电大学 Scma上行多址接入系统过载特性的优化方法
CN107612669B (zh) * 2017-09-12 2020-03-31 西安交通大学 用于非正交多址系统的用户配对方法
CN108650006B (zh) * 2018-05-21 2020-09-08 北京交通大学 基于大规模mimo的非正交多址接入方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108075857A (zh) * 2012-11-16 2018-05-25 华为技术有限公司 用于稀疏码多址接入的系统和方法
CN107689859A (zh) * 2017-08-29 2018-02-13 广西大学 基于博弈论的scma系统码本和功率分配方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
OFDM系统中基于弱选择ROMP算法的稀疏信道估计;龙恳;《电讯技术》;20141028;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110365377A (zh) 2019-10-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Love et al. Limited feedback precoding for spatial multiplexing systems
US8194760B2 (en) Method and apparatus for distributed space-time coding in wireless radio networks
CN105610477B (zh) 基于压缩感知的多发多收系统增强信号复用方法
CN101232356A (zh) Mimo系统中的预编码方法、系统和装置
MX2007006649A (es) Operaciones cooperativas de varias entradas y varias salidas en redes inalambricas de varias celulas.
CN101321009B (zh) 一种自适应mimo系统及其信号处理方法
CN101848071A (zh) 分层空时系统中有限反馈预编码非线性译码方法
CN101207464B (zh) 广义格拉斯曼码本的反馈方法
Li et al. Multiple-antenna interference cancellation and detection for two users using precoders
Khina et al. Joint unitary triangularization for MIMO networks
CN100388645C (zh) 一种改善v-blast检测性能的预编码方法和装置
WO2011020359A1 (zh) 一种基于正交分集的mu-mimo处理方法和装置
CN110365378B (zh) 一种非线性预编码的下行传输方法
CN110365377B (zh) 多天线空分多址和scma非正交多址结合的下行传输方法
CN102215073B (zh) 多点—多用户上行低复杂度mimo检测方法
Bazdresch et al. A family of hybrid space-time codes for MIMO wireless communications
Sezgin et al. Optimal use of antennas in interference networks: a tradeoff between rate, diversity and interference alignment
CN113225117A (zh) 一种多用户Massive MIMO系统信号发送和接收方法
CN101944942A (zh) 一种低复杂度自适应传输的多天线传输方法及系统
CN105429685B (zh) 大规模mimo中高效的上行传输方式
Ice et al. Generalized space-time coded massive MIMO system
CN104092516A (zh) 一种适用于mu-mimo系统的非正交预编码码本设计方法
US8514961B2 (en) Method and apparatus for distributed space-time coding in wireless radio networks
CN103051433B (zh) 一种消除多用户干扰的方法
CN108183737B (zh) 用于mimo下行系统中基于黄金码的传输与解码方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20211123