一种基于干扰对消技术的非正交多址接入方法与流程

本发明涉及通信技术领域，特别是一种基于干扰对消技术的非正交多址接入方法。

背景技术：

近年来，非正交多址接入(NOMA)如今成为未来5G蜂窝网络物理层的一个研究热点，尤其是机器类通信(MTC)。这种多址技术的兴起源于多用户信息论的一个现有结论，即正交多址接入技术通常来说并非是最优的，而叠加编码结合串行干扰消除(SIC)为多址接入提供了一个最优解。

从历史上看，时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)在相当长的时间内有着各种形式的应用。数字蜂窝网络里第二代移动蜂窝网络的两大标准是全球移动通信标准(GSM)和IS-95标准。其中第一个基于TDMA技术，第二个基于码分多址(CDMA)技术。对于3G网络，CDMA技术占据主要地位，宽带CDMA(WCDMA)成为标准。所有这些网络都是基于单载波传输的。4G网络是基于正交频分复用(OFDM)的多载波传输技术，OFDM技术此前用于地面数字视频广播(DVB-T)，WiFi和WiMAX。在多址接入方面，WiFi继续使用TDMA，但WiMAX采用正交频分多址接入(OFDMA)，它将OFDM的频域进行资源分配。而3GPP长期演进(LTE)和LTE-Advanced标准，他们在下行链路上使用OFDMA，在上行链路使用单载波频分多址(SC-FDMA)以降低传输信号的峰值平均功率比(PAPR)。

这些多址技术都是正交的，在理想情况下可以确保用户之间不存在干扰。TDMA在同一时间只有一个用户使用，传统的FDMA在给定的一个频率上只有一个用户使用。CDMA的正交性由沃什尔-哈达理信号扩展序列来保证。虽然在OFDMA中单个用户信号在频率上重叠，但由于载波间隔为1/T，其中T是符号周期，以此来实现正交。当然，所提及的这些技术中，上行链路的正交性要求不同用户信号之间完美同步。

直到多用户信息理论的诞生，不同用户信号的正交性一直被认为是最理想的性质。但对信道容量进行分析，发现对于开辟未来网络新视角和新研究方向，正交多址并不总是最优的。现有技术中存在在频谱资源紧缺的情况下的多用户传输问题、频谱资源不足，单一OFDMA系统容纳用户数不足的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于干扰对消技术的非正交多址接入方法，提高频谱的利用率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于干扰对消技术的非正交多址接入方法，包括以下步骤：

步骤一、设有N+M个用户，将带有N个用户的OFDMA正交集系统作为第一组OFDMA信号集，第一组OFDMA信号集输出的是N维的QAM符号向量{a_n，n＝1,2,3.......N}，其中，符号a_n代表分配给第n个用户的OFDMA符号；

使用MC-CDMA信号集作为第二组来容纳M个用户，MC-CDMA信号集是一个m维符号向量{b_m，m＝1,2,3.......M}，其中符号b_m代表分配给第m个MC-CDMA用户的符号，将MC-CDMA符号向量扩展到N个载波上，得出一个与OFDMA符号向量相加的N维向量，即发射信号x_n为：其中信号扩展w_m,n＝(w_m,1,w_m,2........w_m,N)为Walsh-Hadamard序列；OFDMA信号集与MC-CDMA信号集内采用正交多址技术传输，OFDMA信号集与MC-CDMA信号集间采用非正交多址技术传输；

步骤二、通过串行干扰消除的迭代判决来检测OFDMA信号与MC-CDMA信号的符号；具体如下：

接收的信号为r_n，r_n＝X_n+u_n，u_n是附加噪声，r_n通过N点DFT转换到频域并通过阈值检测器对OFDMA符号即a_n符号值进行第一次迭代判决，得到符号判决值为a_n符号判决值；减去DFT算子基础上的判决将输出y_n通过一个Walsh-Hadamard解扩器并用阈值检测器对MC-CDMA信号集m维符号向量{b_m，m＝1,2,3.......M}做出第一次迭代判决；b_m判决结果为是Walsh-Hadamard序列，是b_m符号判决值，{r_n，n＝1,2,3.......N}减去的结果通过阈值检测器对a_n进行第二次符号值判决获得第二次a_n的符号判决值；最后，r_n减去第二次a_n的符号判决值，所获得的信号是Walsh-Hadamard序列并且继续通过阈值检测器对b_m进行第二次符号值判决，获得第二次b_m的符号判决值。

作为本发明所述的一种基于干扰对消技术的非正交多址接入方法进一步优化方案，步骤一中，第一组OFDMA信号集有N个载波，且设每个载波分配给单独的用户，在每个OFDM符号中给每一个用户提供一个QAM符号。

作为本发明所述的一种基于干扰对消技术的非正交多址接入方法进一步优化方案，步骤一中，带有N个用户的OFDMA信号集的多址信道的带宽为N·W赫兹，如果OFDMA信号集的信号单独传输时W表示传输单个用户的信号所需的带宽。

作为本发明所述的一种基于干扰对消技术的非正交多址接入方法进一步优化方案，限制MC-CDMA用户数量小于等于

作为本发明所述的一种基于干扰对消技术的非正交多址接入方法进一步优化方案，采用Walsh-Hadamard扩展将MC-CDMA符号向量扩展到N个载波上。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明能够提高频谱利用率，实现信道过载以缓解频谱资源不足，同时解决单一OFDMA系统容纳用户数不足的问题；NOMA成为正交多址的一种技术扩展而不是一种完全对立的技术，在增加用户数量的同时提高了频谱利用率。

附图说明

图1是现有技术中基于TDMA/OCDMA的方案。

图2是本发明设计的结合OFDMA/MC-CDMA的方案。

图3是结合OFDMA/MC-CDMA方案的NOMA发射机的框图。

图4是结合OFDMA/MC-CDMA方案的NOMA接收机的框图。

图5是发明方案设计简图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明为了提高频谱的利用率，采用了一种基于干扰对消技术的非正交多址接入方案。为描述NOMA基本原理，我们重点讨论蜂窝网络里两用户的上行信道。我们假设用户1具有较强的信号功率P1，用户2具有较弱的信号功率P2。在这些条件中，接收机可以检测到用户1的信号受到用户2的干扰，从接收到的信号中减去用户1的信号即可得到无干扰用户2的信号。假设信道是归一化带宽W＝1Hz的加性高斯白噪声信道，用户1容量R₁以Hz为单位

其中N₀是噪声谱密度(单位带宽W＝1Hz时的噪声功率)。检测到用户1发送的信号之后，接收机可以在接收到的信号中减去该信号来获得无干扰的用户2信号。用户2容量R₂是

因此，两个用户总容量为

上式可以简写成

P＝P₁+P₂为总功率，这表明多用户信道的容量与具有相同总功率的单用户信道的容量相同。

实际情况是同于正交波形的多址接入(OWMA)。不失一般性，考虑用户2使用OFDMA方案。再次，P1代表用户1信号功率，P2代表用户2信号的功率，P＝P1+P2是总功率。我们规定P1＝αP和P2＝(1-α)P，0≤α≤1。信号功率均匀地分布在OFDMA信号的N个载波上，两个用户的带宽分配与信号功率分配比例相同。换句言之，我们W1＝αW和W2＝(1-α)W，带宽W1分配给用户1和W2分配给用户2。给出了两个用户的容量等式如下

总容量R＝R1+R2与方程(4)给出的NOMA容量相同。总之，当用户信号没有相对衰减，NOMA和OMA均能获得单用户信道容量，和两个多址技术在容量方面没有差异。

当一个用户信号与另一个信号相比受到不同的衰减时，会出现两种多址技术之间的差异。假设用户2信号衰减6dB，而用户1信号没有衰减。在这种情况下，OFDMA容量变为

NOMA容量为

对比这个两个容量，假设α＝0.8，P/No＝15，因此单用户信道是4bit/hz,此时(7)式将为R_OFDMA＝3.65,(8)式是R_NOMA＝3.78,对比这两个容量我们可以看到在特定例子中NOMA将两用户信道容量提高了3.5％，进一步比较，结果表明参数α降低且用户2信号衰减进一步增加时，NOMA的优势尤为明显。但NOMA容量的增加也不完全是无偿的。由于用户信号相互干扰，需要进行迭代检测干扰消除。当一个信号明显弱于另一个信号时，可以用一个小的惩罚来检测强信号，然后从接收到的信号中减去这个强信号，以检测微弱信号。接着，从接收到的信号中减去弱信号，以便对强信号的符号作出更可靠的第二次迭代决定，直至性能接近无干扰传输为止。当两个用户信号之间存在很强的不平衡时，这个过程会更好，但当两个信号具有类似的功率时，会出现收敛问题。

现阶段NOMA发展与5G蜂窝网络研究项目的出现密切相关。5G网络物理层定义的主要研究课题是大规模MIMO、波形设计和毫米波技术，而多址接入是波形设计的关键组成部分。在过去的几年中很多NOMA论文已发表，这一系列超过15年以上的论文均以NOMA为基础。这种早期的文献中并没有使用NOMA这个词，但NOMA的概念和运用这项技术的实物部分在2000年开始问世。下面是这项工作的简短总结，其基本原理是使用两套正交信号波形。我们这里重点关注结合TDMA和OCDMA的技术，在TDMA信号设置为满信号和OCDMA信号设置成部分信号。

考虑一个带有N个用户的简单TDMA系统，每个用户在N个符号每帧中获得一个数据符号。多址信道的带宽为NW赫兹，如果它们单独传输时W表示传输单个用户的信号所需的带宽。因此，该方案可容纳N个用户而不受任何干扰。使用第二个信号集来容纳额外的用户(例如M个用户，M<N)。第二个信号集也是一个正交集，但这两个集合不是相互正交的。具体来说，这里使用的是第二套OCDMA信号集是长度为N的Walsh Hadamard(WH)序列。在使用N+M多用户多址接入方案中，第一组的N个用户不相互干扰，并且同样适用于第二组的m个用户，但第一组中的每个用户干扰第二组的每个用户，反之亦然。就是说，我们这里有一个两组用户相互干扰的NOMA方案，串行干扰消除的迭代检测需要用来检测传输的符号。

图1展示了NOMA的基本原理，说明M OCDMA符号叠加一起形成N TDMA的符号。在这个图的横坐标表示时间，Tc是OCDMA码片持续时间同时也是TDMA符号持续时间，T＝N·Tc是OCDMA符号持续时间，这也是TDMA符号块持续时间。每个OCDMA符号传输的瞬时功率是P和每个TDMA传送的瞬时功率是N*P,因此TDMA符号和OCDMA符号能量为E＝N·P·Tc＝P·T.在这里设置的TDMA信号集是完整的，而OCDMA信号只使用部分。这张图片清楚地表明，只要M保持比N小，就可以对TDMA符号作出初步决定。

让我们写出发射信号的方程式。时间指数n表示描述TDMA块中符号的位置，符号a_n中的1≤n≤N分配给TDMA的用户#n，符号b_m中的1≤m≤M分配给OCDMA用户。我们将WH序列写为信号扩展w_m,n＝(w_m,1,w_m,2........w_m,N)其中m＝1,2....M，使用这个符号，发送的信号可以写成(9)式中的分解用于在信号传输过程中保留符号能量。接收信号可以写成如下的形式：r_n＝X_n+u_n，u_n是附加噪声，n＝1,2,......N.前提OCDMA M个用户的数量不是很大，(9)式中的干扰项与TDMA符号功率相比仍然很小，接收的信号样本r_n送至阈值检测器，在传输符号a_n上作出判决，一旦在所有a_n符号上做出第一次迭代的判决，根据从接收信号样本中减去符号估算值，每一个n和都代表符号a_n上做的判决，回到(9)中，将y_n改写成假设(10)可以简化成接收器的第二个环节是将信号解扩，并在OCDMA符号上做出判决，信号解扩由以下形式组成：

第二项参数噪声项和最初的噪声具有相同的方差。OCDMA符号的第一次迭代判决将在通过阈值检测器的z_k时开始。

一旦对{b_m，m＝1,2,3.......M}进行第一次迭代判决，再对{a_m，m＝1,2,3.......M}进行第二次迭代判决时可以消除干扰。过程如下：对于每一个n,计算其中每一个m和是用来判决b_m。假设根据(9)式，我们得到v_n＝a_n+u_n。这个信号下一步将被发送到阈值检测器，在没有干扰的情况下对a_n作出判决。第二迭代判决明显比第一次迭代判决过程更加可靠，仍然像第一次迭代判决步骤那样对{b_m，m＝1,2,3.......M}进行第二次迭代判决，额外的迭代在某些情况下可以进一步提高性能，但结果表明，当m较小时，两次迭代就足够了。

上述概念不只是适用于多址接入。它同样适用于单用户传输，因此使用了“信道过载”术语来描述它。其基本思想是，一旦信道使用正交信令方案(多用户信道的正交传输或多用户信道的正交多址)被完全加载，则通过将第二信号叠加到第一信号来过载。最佳的联合检测过于复杂而无法实现，接收机实际采用干扰抵消的迭代接收机。对于多址接入，最近有关NOMA的论文主要关注两个用户信号的叠加，但以上TDMA与OFDMA信号的处理实际上更深入并且是两个用户组信号的叠加。

自从OFDMA已成为4G蜂窝系统的基本多址方案，同时也被3GPP应用于5G中移动宽带(EMB)服务，我们将描述一个频域NOMA方案，其中包括使用OFDMA的第一组用户和使用多载波CDMA(MC-CDMA)为第二组用户。原理与之前叙述的原理相同，如图2所示，频率维度代替了时间维度。在图中，1/N是载波间隔，OFDMA符号的功率谱密度(PSD)为N*D瓦特/赫兹，而叠加在它们上的MC-CDMA符号的功率谱密度为D瓦特/赫兹的。

进一步描述NOMA技术，考虑OFDMA系统有N个载波，且不失一般性假设每个载波分配给单独的用户。这种系统容纳N个用户，在每个OFDM符号中给每一个用户提供一个QAM符号。运用早期模型描述的概念，我们把承载第二组用户信息的MC-CDMA信号集叠加在这个OFDMA信号上。早期模型数学方程的概念保持不变，在范围1<＝n<＝N的n指定载波数量，由(9)给出的x_n指出了传输在n^th载波上的信号。图3展示了发射机的一个简单方框图。OFDMA用户模块输出的是一个N维的QAM符号向量{a_n，n＝1,2,3.......N}，MC-CDMA用户模块是一个m维向量符号向量{b_m，m＝1,2,3.......M}。Walsh-Hadamard扩展将MC-CDMA符号扩展到N个载波上，并输出一个与OFDMA符号向量相加的N维向量。由此产生的信号块传送到一个N点的DFT逆运算中，并且这个N点的DFT逆运算在连续逆DFT块之间插入循环前缀(CP)。

相应的接收机的草图在图4中有展示。在去除CP后的时域里，信号通过N点DFT转换到频域。输出的运算符{r_n,n＝1,2....,N}直接通过阈值检测器对OFDMA符号进行第一次迭代判决。结果为第一次a_n的符号判决值这些在减去DFT算子基础上的判决将输出并且这个信号会通过一个Walsh-Hadamard解扩器。解扩器的输出将被发送给阈值检测器对MC-CDMA信号集m维符号向量{b_m，m＝1,2,3.......M}做出第一次迭代判决。第一次b_m的判决值是Walsh-Hadamard序列，{r_n，n＝1,2,3.......N}将减去这个序列输出块,由此产生的信号通过阈值检测器对{a_n,n＝1,2....,N}进行第二次判决。最后，判决输入减去这些判决，输出的信号是Walsh-Hadamard序列并且继续通过门限判决对{b_m，m＝1,2,3.......M}进行第二次迭代判决。如果需要这个过程可以进行多次进一步判决，实际上预估如果M很小两次判决就足够了。

此时，在没有显着性能恶化的基础上，对于可以叠加到OFDMA信号上MC-CDMA用户信号数量的规划还是很重要的。用于信号扩展的WH序列是±1组成的二进制序列。由于信号传播中使用乘法项每个MC-CDMA用户对OFDMA用户的干扰有着的形式。当MC-CDMA用户数达到时，峰值干扰幅度达到1且OFDMA信号眼图出现闭合。在这种情况下，即使没有噪声，OFDMA符号的第一次迭代判决也会出现错误，这意味着相应的比特差错率曲线(BER)有一个错误平层。因此，我们限制MC-CDMA用户数量为尽管这不代表严格约束。事实上，中运用软判决代替硬判决的迭代接收器将有助于容纳更多的MC-CDMA用户。

在本发明中，我们已经描述了作为未来5G蜂窝系统机器通信强有力的技术代表之一的NONA技术。在描述了这项技术的基本原理之后，我们指出了这一技术实际上可以追溯到2000年，而最近的学者们似乎没有注意到这个事实。这个概念出现在当时发表的一系列论文中，描述了运用了两个正交信号集和串行干扰抵消来迭代检测的多址接入。我们首先回顾了这项在第一组用户使用TDMA和在第二组用户使用OCDMA的技术。接着聚焦5G蜂窝系统，由图5所示，我们描述了一种将OFDMA和MCCDMA结合的实用的Noma方案，这一方法为5G机器通信提供一个有吸引力的解决方案。在该方案中，当OFDMA占用所有信道资源，NOMA可以看作是OFDMA实现信道过载和容纳大量的用户的手段。或者，OFDMA和MC-CDMA可用来作为容纳具有不同配置方案和数据速率要求的两个用户集。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。