多用户、多址接入系统、方法及设备与流程
本申请要求享有由Hosein Nikopour等人于2014年3月28日递交的申请号为61/972,015、名称为“用于实现多用户稀疏码多址接入(multi-user SCMA，MU-SCMA)的下行多址接入的稀疏码多址接入(sparse code multiple access，SCMA)”的美国临时申请，以及于2015年3月26日递交的申请号为14/670,182、名称为“多用户、多址接入系统、方法及设备”的美国专利申请的优先权。上述专利申请的全部公开内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及多用户、多址接入系统、方法及设备，尤其涉及一种多用户稀疏码多址接入(multi-user sparse code multiple access，MU-SCMA)。
背景技术：
多用户、多输入多输出(multi-user，multiple-input，multiple-output，MU-MIMO)是一种在无线接入网中，由众多用户共享给定的时频、空间和/或功率资源的众所周知的技术。使用MU-MIMO的一个原因是为了通过用户复用增加总体的下行链路(downlink，DL)吞吐量。在基站侧，在发送点(transmit point，TP)的天线阵列上形成多个波束，用于为在该TP覆盖范围内分布的多个用户服务。假设MIMO波束预编码器是根据目标用户的信道适应性选择的，向各MIMO层分配接收机(如用户设备(user equipment，UE))，各层在空间域中相互正交分离。在接收机侧，假设预编码器是适应性设计的，每个用户自己匹配其属意的层，而其他的MIMO层则不会受跨层干扰。作为一个闭环系统，尽管在用户节点(即UE)处可以获得预期吞吐量增益以及进行简易检测，然而，MU-MIMO会受到一些实际因素如信道老化以及高额开销的影响，上述信道老化以及高额开销是因UE向服务TP上报必需的反馈信道状态信息(channel state information，CSI)而导致的。也就是说，为了给进行多用户传输的选定用户集合建立预编码器的最佳集合，CSI是必需的。若CSI没有估计好，那么跨层干扰将会限制MU-MIMO的潜在性能增益。
技术实现要素：
本发明实施例提供对信道衰落具有低敏感度，并且具有低反馈开销的开环多路复用。公开的实施例以在相同的时频及空间资源上进行用户的码域及功率域多路复用为特征。向多个用户分配稀疏码多址接入(sparse code multiple access，SCMA)层。在某些实施例中，可以向用户分配一个或多个层。公开的实施例基于用户知识，比如用户信道的平均质量(如CQI)、用户的平均速率、调度准则如加权求和速率，或任何其他合适的系统或用户参数，为多路复用的用户提供配对及功率分配。
此处公开的实施例以用于配对用户的链路自适应机制为特征，该机制包括基于用户参数对配对用户进行MCS(码本大小和码率)和层调整，这里的用户参数比如可以是分配的功率、信道质量、平均速率以及其他类似参数。多路复用用户的非线性检测可以包括SIC、MPA以及其他类似方式。该检测策略可能取决于多路复用用户中该用户的质量和速率。
公开的实施例还提供一种动态信令机制，用以向多路复用用户指示如下信息：配对用户的数量、各用户占用的层索引、各层(或用户)的功率分配因子、各层(或用户)的码本大小、各层(或用户)的码率，或者任何其他可能有助于在各用户处进行联合检测的动态参数。可以将该信息显示地或隐式地发送给用户。在一些实施例中，多路复用用户的一些参数是公共的，而另一些参数则是用户专用的。在一些实施例中，可以用一些预定义的设置限制动态信令开销。比如，可以将功率分配因子限制在一些有限数量的选项中。可以利用半静态信令将这些预定义的设置从网络广播至用户。
根据本发明一示例性实施例，公开了一种用于多址接入通信系统的传输方法，所述多址接入通信系统具有多个多路复用码域层以及多个移动设备。该方法包括从所述多个移动设备中，在共享时频和空间资源上调度移动设备对，其中所述调度包括为每个所述移动设备分配一个或多个所述层；为调度对中的每个移动设备分配传输功率，以使所述多个多路复用层之间共享总传输功率；以及，根据所述多个移动设备中的至少一个移动设备的功率，调整所述至少一个移动设备的速率。
根据本发明另一示例性实施例，公开了一种提供控制信息以支持多用户稀疏码多址接入(multi-user sparse code multiple access，MU-SCMA)通信的方法。所述方法包括，在使用MU--SCMA向多个多路复用移动设备传送数据之前，动态地向所述多个多路复用移动设备传输控制信息，所述控制信息包括至少以下之一：配对的移动设备数、各移动设备的层数、与各移动设备相关联的层索引、以及与各移动设备或各层相关联的功率因子，其中所述控制信息用于由各移动设备使用其检测所述使用MU-SCMA传送的数据。
根据本发明另一示例性实施例，公开了一种用于多址接入通信系统的基站，所述多址接入通信系统具有多个多路复用码域层以及多个移动设备，所述基站包括至少一个存储器；以及，至少一个处理器，与所述至少一个存储器耦合，所述至少一个处理器配置用于：从所述多个移动设备中，在共享时频和空间资源上调度移动设备对，其中所述调度包括为每个所述移动设备分配一个或多个所述层；为调度对中的每个移动设备分配传输功率，以使所述多个多路复用层之间共享总传输功率；以及，根据所述多个移动设备中的至少一个移动设备的功率和信道质量，调整所述至少一个移动设备的速率。
根据本发明另一示例性实施例，公开了一种用于多址接入通信系统的接收机，所述多址接入通信系统具有多个多路复用码域层以及多个移动设备，所述接收机包括：至少一个存储器；以及，至少一个处理器，与所述至少一个存储器耦合，所述至少一个处理器用于：从基站接收所述接收机正与第二接收机配对的指示，所述接收机与所述第二接收机配对以使用共享时频以及空间资源，其中所述指示包括向所述接收机以及所述第二接收机中的每一个分配的至少一个或多个所述层；从所述基站接收向所述配对的接收机和第二接收机分配的传输功率，其中所述基站的总传输功率在所述多个多路复用层之间共享；以及，根据所述接收机的功率和信道质量调整接收机的速率。
本领域技术人员可以从下面的附图、说明以及权利要求中很容易地想到其他技术特征。
附图说明
为了更全面地理解本发明及其有益效果，下面将结合附图进行说明，相同的数字表示相同的对象，其中：
图1示出了一个简化的SCMA系统框图；
图2示出了一种典型的SCMA码结构，该SCMA码有六层，每层对应一个码本，每个码本中有四个码字，扩频因子为4，并且每个码字有两个非零元素；
图3示出了根据本发明原理的MU-SCMA发送机中使用的算法的流程图；
图4示出了根据本发明原理的MU-SCMA系统的框图；
图5示出了联合检测的容量区域，其中点C表示在用户设备(UE1)处进行用户设备(UE2)的单用户检测，并在UE2的完美硬串行干扰消除(successive interference cancellation，SIC)后进行UE1的检测；
图6示出了在给定功率共享因子α以及用户2的检测边界Δ时，为了确保在UE1处进行x1的检测以及在UE2处进行x2的检测所需的容量区域；
图7示出了基于资源块组(resource block group，RBG)的配对策略与基于UE的配对策略的对比；
图8示出了根据本发明原理的基于RBG的UE配对调度的流程图；
图9示出了根据本发明原理的基于UE的UE配对调度的流程图；
图10示出了OFDM、NOMA以及MU-SCMA在采用不同的公平指数进行宽带调度(wideband，WB)时的总体对比图；
图11示出了一种示例性通信系统；以及，
图12A和图12B示出了可以实施本发明提供的方法及教导的示例性设备。
具体实施方式
为了清楚起见，首先说明本发明使用的特定词或短语的定义。术语“包括”和“包括”，还有其衍生表述，均意味着不加限制的包括。术语“或者”是包容性的，表示和/或。短语“相关联”以及“与此关联”，还有其衍生表述，意味着包括、被包括在其中、互相连通、包含、被包含在其中、连接至或与之连接、耦合至或与之耦合、可以通信、相互合作、交织、并列、近似于、相连或紧密联系、具有、拥有属性或其类似。术语“算法”在此处用于描述计算函数的方法。
本领域技术人员可以理解的是，本发明的各方面可以具体为方法、系统、设备或计算机程序产品。相应地，本发明的各方面可以以完全硬件、完全软件(包括固件、常驻软件、微代码等)的方式实施，或以软硬件结合的方式实施，包括所有涉及到的方面，如“电路”、“模块”或“系统”。可以采用分离的或者与相关软件、固件以及胶合逻辑相结合的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)以及通用用途的处理器，实现本发明。
除非特别定义，此处使用的所有技术及科技术语均与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的涵义相同。通过示例而非限制，这里大量使用术语“基站”描述一台可以实现用户设备(UE)与网络之间无线通信的设备。本领域技术人员可以理解的是，该术语可以与其他术语互换，诸如基站收发信机(base transceiver station，BTS)、B节点(Node-B，NodeB)、演进型B节点(evolved NodeB，eNodeB)、家庭NodeB、家庭eNodeB、站点控制器、接入点(access point，AP)、发送点(transmit point、TP)、无线路由器、服务器、路由器、交换机或其他具有有线或无线网络的处理实体。使用链路自适应或自适应调制编码(adaptive modulation and coding，AMC)表示调制、编码以及其他信号和协议参数与无线链路条件之间的相互匹配。这些条件可以包括路径损耗、来自其他传输机的信号所造成的干扰、接收机的敏感度以及可用的传输机功率边界。这里使用术语“UE”和“用户”可以表示任意适用的端用户设备，可以包括(或可以表示)诸如无线发送/接收单元(wireless transmit/receive unit，WTRU)、移动站、移动节点、移动设备、固定或移动签约单元、寻呼机、移动电话、掌上电脑(personal digital assistant，PDA)、智能手机、笔记本型电脑、计算机、触摸屏设备、无线传感器或消费电子设备等设备。此处的“移动”站/节点/设备表示与无线(或移动)网络连接的站/节点/设备，而并不一定与该站/节点/设备的实际移动性有关。
MU-MIMO是一种在下行链路(downlink，DL)无线接入网中，由众多用户共享给定的时频、空间和/或功率资源的众所周知的技术。其目标是通过在空间域进行用户复用增加总体的DL吞吐量。作为一般空间复用的另一种选择，可以在码域使用诸如多载波CDMA(multi-carrier CDMA，MC-CDMA)等技术对用户进行多路复用，该技术可以用于在配对UE间共享功率。具有感知服务质量(quality of service，QoS)的功率分配的MC-CDMA能够增加系统性能或提供更稳健的链路自适应。
MC-CDMA还可以用于使用高级接收机达到期望的频谱效率。通过实现高级非线性接收机，MC-CDMA能够支持过载系统(即用户数量多于扩频因子)。假设扩频因子为K，可以通过扩频序列将各数据符号分布到K个资源元素(resource element，RE)上去。DL上的发送信号或者UL上的接收信号是J个签名的叠加。当J＜K时，该系统是欠载的，即传输的数据序列(层)少于由于CDMA扩频而可能的数据序列(层)。当J≥K时，可以认为该系统是过载的。在过载场景下，假设采用复杂的非线性接收机解码传输数据，与欠载场景相比，可以利用潜在的频谱效率增益发送更多的数据序列。在过载场景下，一般的线性接收机不能处理用户间的干扰，特别是对于大量的重叠数据层，需要使用非线性接收机，其复杂度通常很高。一种处理这种高复杂度的方法是使用具有稀疏CDMA签名的低密度签名(low density signature，LDS)OFDM。LDS OFDM减少了与各资源元素(resource element，RE)碰撞的数据层的有效数量。利用上述签名的稀疏性，可以基于受低密度奇偶校验码(low density parity check channel codes，LDPC)启发的消息传递算法(message passing algorithm，MPA)，开发一种低复杂度的干扰消除检测器。
与MC-CDMA系统类似，LDS-OFDM在多个子载波上发送符号。该符号的扩频版本uj为xj＝sjuj，其中sj为在K个音调上扩频符号uj的签名向量。LDS的一个特征是允许一个签名的K个元素中只有dv＜K个非零元素。在DL上，合并扩频符号，并将发送符号表示为其中J为签名的数量。一般地，签名的数量可以比扩频因子大，以使该系统具有过载的非正交扩频序列。用s＝[sj]，j＝1，…，J表示K×J的扩频矩阵。(1)给出了K＝4，J＝6时的LDS扩频矩阵的一个示例：
相应地，在4个音调上使用LDS-OFDM，对该系统的过载率达到150％，此时可以服务多达6个用户。根据签名矩阵S，i)签名并非必须正交，ii)签名是稀疏的，以使每个签名在K＝4个音调上具有dv＝2个非零元素，iii)在J＝6个签名中，仅有df＝3个签名在每个音调上叠加(即每行的非零元素个数)。每个音调上冲突签名的数量df，对于使用MPA控制LDS非线性检测器的复杂度水平具有重要作用。
DL接收信号可以用表示，其中h＝diag(h1，...，hK)为单输入单输出(single-input single-output，SISO)系统在K个子载波上的信道。特别地，所有信号在DL上通过相同的信道。
稀疏码多址接入(sparse code multiple access，SCMA)为一种基于非正交码本的多址接入技术，其可以在一些情况下提供近似最优的频谱效率。在SCMA中，将输入比特直接映射至从预定义码本集合中选取的多维复数码字。在重叠的层上携带共同发送的扩频数据。可以认为SCMA是CDMA扩频/多路复用方案LDS-OFDM的增强方案。
下面参考图1进行说明，图1示出了一个简化的SCMA系统框图的示例。基于多层的非正交多路复用研究SCMA。采用过载以增加总体速率和连通性。将二进制域数据编码为多维复数域码字，该多维复数域码字具有成形增益以及更好的频谱效率。采用扩频以获得稳健的链路自适应。通过生成多码本实现多址接入和用户的多路复用，每层对应一个码本。码本中的码字是稀疏的，以便在合适的复杂度下，应用MPA多用户检测技术检测多路复用码字。
对于J＝6，SCMA码的一种典型结构如图2所示。每层均有自己的多维码本，码本中有M＝4个不同码字，每个码字携带2比特。每个码字的长度与扩频因子K＝4相同。可以设计码字的稀疏度，以使所有属于一个码本的码字都具有唯一的、与其他码本不同的稀疏模式。在图2所示的特定示例中，在K＝4个可能位置上，每个码字包含2个非零元素。
当层比特到达SCMA调制器后，由SCMA调制码本映射器101将这些比特直接映射为属于该层相应码本的码字。作为一种多址接入码，对多层的SCMA码字进行多路复用，以形成如图2所示的多址接入码方案。
可以用f：x＝f(b)描述SCMA编码函数(也即SCMA编码器)，其中，其基数K维复数码字x表示稀疏向量，其具有N＜K个非零条目。用c表示在星座集合中定义的N维复数星座点，以使c＝g(b)。可以重新将SCMA编码器定义为f≡vg，其中二进制映射矩阵将星座点的N个维度简单地映射为K维SCMA码字。注意v包含K-N个全零行。从v中去掉这些全零行，剩余的可以用单位阵IN表示，该单位阵意味着上述二进制映射器在映射过程中并未置换子空间的维度。
SCMA编码器包含J个分离的层，每层可以用定义。星座函数gj生成具有Mj个长度为Nj的字母的星座集合映射矩阵vj将Nj维星座点映射为SCMA码字，以形成码字集为了不失通用性，假设所有层具有相同的星座大小和长度，即总体而言，可以用表示SCMA码。在K个共享的正交资源(比如OFDMA音调或MIMO空间层)上复用SCMA码字。同步层多路复用后的接收信号可以表示为：
其中，xj＝(x1j，...，xKj)T为层j的SCMA码字，hj＝(h1j，…，hKj)T为层j的信道向量，为背景噪声。在由相同TP传输所有层的情况下，所有信道都是相同的，即因此上述公式可以简化为通过在K个资源上复用J个层，该码的过载因子可以定义为λ：＝J/K。
特别地，资源k上的接收信号为由于码字xj是稀疏的，因此其中仅有一部分会在资源k上碰撞。由层j占用的资源集取决于映射矩阵vj，且该集合是由二进制指示向量中非零元素的索引确定的。为这些资源所用的总层数是由确定的。SCMA码的整体结构可以用定义为F＝(f1，...，fJ)的因子图矩阵表示。当且仅当(F)kj＝1时，层j和资源k连接。对于将连接至资源节点k的层节点集合定义为或者，对于将连接至资源节点j的层节点集合定义为基于上述因子图的定义，可以将资源k处的接收信号写成：
注意该因子图参数F、以及均表示相同信息，只是格式不同。
下表1对LDS和SCMA进行了比较。LDS和SCMA均为多址接入方案，但LDS是签名域的，而SCMA则是码域的。SCMA的优势是能带来多维星座成形增益，并且其编码增益来自于码本多址接入而非LDS中简单的符号扩散。SCMA接收机是基于码字的MPA。基于码字的MPA与传统的已用于LDS的基于符号MPA遵循相同的原则。在系统参数设置相同时，它们的复杂度是相同的。
表1
在于2014年5月22号公开的公开号为US2014/0140360、名称为“稀疏码多址接入系统及方法”的美国专利申请中，详细描述了SCMA，上述专利申请的全部公开内容通过引用结合至本申请中。
本发明实施例提供多用户SCMA(Multi-User SCMA，MU-SCMA)的系统及方法。与MU-MIMO不同，MU-MIMO是一种闭环空间域多路复用方案，其增益是有限的(特别是对反馈带宽有限的车载用户或系统)，而MU-SCMA则是一种开环多路复用方案。MU-SCMA可以在无需全面了解CSI的情况下，提供码域及功率域的多路复用。因此，MU-SCMA甚至可以为高速用户提供吞吐量增益。此外，MU-SCMA中的反馈开销远小于MU-MIMO。
此处公开的MU-SCMA系统及方法提供了对信道衰落具有低敏感度，并且具有低反馈开销的开环多路复用。上述系统及方法对用户移动性的敏感度低，并且对信道知识的依赖性最小。按照平均信道质量索引，在仅有最少信道知识的情况下，能够将用户配对，从而增加网络的总吞吐量，并改善步行用户及车载用户的用户体验。
公开的实施例以在相同的时频及空间资源上进行用户的码域及功率域多路复用为特征。向多个用户分配SCMA层。在某些实施例中，可以向用户分配一个或多个层。公开的实施例基于用户知识，比如用户信道的平均质量(如CQI)、用户的平均速率、调度准则如加权求和速率，或任何其他合适的系统或用户参数，为多路复用的用户提供配对及功率分配。
此处公开的实施例以用于配对用户的链路自适应机制为特征，该机制包括基于用户参数对配对用户进行MCS(码本大小和码率)以及层调整，这里的用户参数比如可以是分配的功率、信道质量、平均速率以及其他类似参数。多路复用用户的非线性检测可以包括SIC、MPA以及其他类似方式。该检测策略可能取决于多路复用用户中该用户的质量和速率。
公开的实施例还提供一种动态信令机制，用以向多路复用用户指示如下信息：配对用户的数量、各用户占用的层索引、各层(或用户)的功率分配因子、各层(或用户)的码本大小、各层(或用户)的码率，或者任何其他可以有助于在各用户处进行联合检测的动态参数。可以将该信息显示地或隐式地传输给用户。在一些实施例中，多路复用用户的一些参数是公共的，而另一些参数则是用户专用的。在一些实施例中，可以用一些预定义的参数或参数值映射限制动态信令开销。比如，可以将功率分配因子或其他控制信息参数限制在一些有限数量的选项中，网络侧(比如基站)及用户侧事先已知这些选项。作为一个特例，可以将一种预定义选项(比如选项#1)映射为一系列参数，这些参数指定两个用户、每个用户有两层、用户1对应第一个两层，并且用户间有5dB的功率偏移，其中为用户2分配更多功率。也可以将其他预定义选项(如选项#2、选项#3等)与其他参数或参数值相关联。可以利用半静态高层信令将这些预定义选项的映射(或设置)从网络广播至用户。一旦广播至用户，各用户就能将这些预定义选项存储在存储器中。
下面参考图3进行说明，图3示出了根据本发明原理的用于MU-SCMA基站传输机(TP)的DL传输算法300的流程图。在MU-SCMA DL上传输的层属于不止一个用户。用户可以有不止一层。从基站服务的用户池302中选择用户。在步骤304中，对用户进行配对，比如使用下面将详细描述的加权和速率(weighted-sum-rate，WSR)最大化策略或其他合适的调度准则。用户的配对可以包括将层分配给用户对。可以在总功率的约束条件下，用天线将要发送给配对用户的信号发送出去。因此，在步骤306中，根据用户的信道条件，在配对用户间划分功率，从而将传输功率分配给各用户设备。根据功率分配，在步骤308中，调整各用户的速率、各用户的层抑或二者，以抵消功率分配的影响，并匹配目标错误速率和链路质量。码本大小、码率以及层数为用于调整各配对用户速率的参数。重复步骤304-308，直至检测到配对选项以及单用户选项使得上述WSR(或者其他实用参数或准则)最大化。在步骤310中，进行如下文详述的链路自适应。
假设UE池的瞬时后处理信号与干扰加噪声比(signal to interference plus noise ratio，SINR)为γu，u＝1，...，U，及其平均速率为Ru。在没有配对UE时，基于比例公平调度，选择最佳用户以最大化加权速率：
其中，根据可用信道质量信息(channel quality information，CQI)确定ru，比如ru＝log2(1+γu)。在配对的情况下，目标是在相同的时频及空间资源上对两个或更多用户进行配对，以最大化加权和速率。假设有两个用户，上述WSR可以表示为：
其中，(u1，u2；功率共享)为配对后用户的调整速率。特别地，上述调整速率取决于配对用户u1，u2以及功率共享策略。作为一种穷举的搜索方法，遍历所有U(U-1)个配对选项以及U个单用户选项，以最大化(2)中的WSR并选取要调度的最佳用户或配对用户。这种穷举调度的复杂度大约以U2增加，特别是对于大规模的用户池，实际上是不可行的。
可以采用贪婪算法降低进行用户配对的复杂度。本领域技术人员可以很容易地意识到，贪婪算法是受一种问题解决方案启发的算法，这种解决方案是在各阶段选择局部最优，以期找到全局最优。在目前的情况下，根据(1)式的单用户调度准则选取第一用户，然后将第二用户与选择的第一用户，以数量级为U-1的复杂度进行配对。例如，可以将贪婪算法概括为：
选择用户1：
选择用户2：
以及仅当配对增加上述加权和速率时，选择用户2。
也就是说，配对条件是：
也可以在第二用户的选择准则中增加额外要求。比如，可以考虑SINR边界以方便接收机侧的多用户检测。对于用户2选择的不同变化如下所列：
仅用SNR边界将用户1与更差的用户配对
选择用户2：
仅用SNR边界将用户1与更好的用户配对
选择用户2：
用SNR边界将用户1与任意用户配对
选择用户2：
可以将单用户传输的DL单输入单输出(single input multiple output，SIMO)OFDMA系统建模为：
其中，h为SIMO衰落信道向量，n为高斯噪声向量，其相关矩阵为Rnn，s为单位功率下的发送符号，P为总发送功率。假设Rnn＝N0I，采用线性最大比合并(maximal ratio combining，MRC)接收机的模型，其后处理SINR可以表示为：
假设两个用户的单用户信道质量满足将它们配在一起，其配对后速率满足在用户间以比率P1＝αP和P2＝(1-α)P共享总功率P，以使功率共享因子α∈(0，1.0)。用sk表示用户k以单位功率发送的符号。用户k处的接收信号模型为：
用于计算α的速率调整及检测策略
如果用户1想要检测它的速率为的目标符号s1，它应当同样能够检测具有较低速率的s2。可以采用串行干扰消除(successive interference cancellation，SIC)检测器在用户1处检测s1和s2。
为了便于计算，我们假设可以在用户1处进行理想SIC检测，即，首先检测用户2的低速率信号，并将其移除出去，以便于检测用户1的高速率信号。根据k＝1时的公式(11)，用于s2检测的等效SINR为：
仅当下式成立时，才可在用户1处检测到用户2：
F1：
如果成功检测到用户2，那么就可以将接收信号移除出去。简化公式(11)，在用户1处进行联合配对干扰消除后的等效信号为：
此时，仅当下式成立时，才可以检测到用户1：
F2：
其中，
参考图4，其示出了根据本发明原理的MU-SCMA系统400的框图。TP401(比如基站)发送以两个或更多UE(比如UE1和UE2)为目标的多路复用SCMA层。如图所示，空口接口包括UE1的信道405a以及UE2的信道405b。UE1包括用于在402a处进行联合MPA检测的检测器，而UE2包括用于在402b处进行联合MPA检测的检测器，这里的联合MPA检测在上文已有描述。UE1包括用于在404a处解码UE1的预期层的解码器，而UE2包括用于在404b处解码UE2的预期层的解码器，这里的解码器在上文已有描述。
下面参照图5进行说明，图5示出了联合检测的容量区域，其中点C表示在用户设备(UE1)处进行用户设备(UE2)的单用户检测，并在UE2的完美硬串行干扰消除(successive interference cancellation，SIC)后进行UE1的检测。已有的实际非线性MIMO接收机实例，如最大似然(maximum likelihood，ML)或最大似然检测器(maximum likelihood detector，MLD)本质上是基于穷举的星座检索。与一般的线性接收机相比，MLD更依赖于处理，但其在相同的信道条件下，能够提供显著更高的比特速率。在掌握了早先的速率条件前提下，如果和速率(sum-rate)小于总容量，那么理想联合MLD能够检测s1和s2，即：
F3：
由于用户2的信道质量较差，因此，它不能解码用户1的高速率。与此同时，如图5中的C点所示，可以用单UE检测器在用户1处解码用户2，但这并不能保证在用户2处成功检测用户2。假设用户1为用户2的联合配对干扰，基于公式(11)，可以将用户2处的接收信号写作：
用于s2的单用户检测的等效SINR即为：
可以在用户2处检测用户2的信号，仅当：
F4：
下面参考图6进行说明，图6示出了在给定功率共享因子α以及用户2的检测边界Δ时，为了确保在UE1处进行x1的检测以及在UE2处进行x2的检测所需的容量区域。阴影区域保证了当功率共享因子为α时，在UE1处进行的UE1信号的检测，以及在UE2处进行的UE2信号的检测。
理论上来说，最佳传输点为A或B，这取决于用户1和用户2的权重。B点的WSR为：
若R1＞R2，B处的WSR仅在α＝0时达到最大。在这种情况下，调度结果即回退为单用户调度。因此，如果配对提供了更好的WSR，那么唯一让人感兴趣的期望场景将是图6中的A点。
假设配对在A点提供了增益，那么在用户1处对用户2信号进行单用户检测的质量，要好于在用户2处对用户2信号的检测。可以从和的比较中看出这一点。参照(12)、(19)以及图6，可以将用户2的检测边界定义为：
OFDMA的信道质量指示(channel quality indicator，CQI)调整好功率共享优化
优选地，优化两个配对用户间的功率共享因子α。参照图6中与配对的A点相对应的(16)和(19)，优选地，在配对后，调整用户1和用户2的单用户CQI，以使：
A点处配对用户的WSR为：
最优的α为的解，
特别地，仅当α*∈(0，1)时，α*为有效解。为了提高检测质量，也可以将α限制在更小范围内。
参照(22)和(27)，对于最优的α＝α*，可以将用户2的检测边界简化为：
这个发现表明当采用最优功率分配时，用户2的检测边界(Δ)与配对用户(ΔTH)的SINR边界是无关的。因此，为了提高用户2处的多用户检测和/或硬SIC检测，可以在调度时，同时应用SINR和检测边界限制。
即使有检测边界存在，在实际中，在UE1处进行的UE2的单用户检测仍可能因信道错误而失败。在这种情况下，采用带外环的联合ML检测有助于改善用户1的检测质量。如果链路自适应的目标为在UE1和UE2处达到10％误块率(block error rate，BLER)，那么在UE1处进行UE2的单用户检测的错误概率应远小于10％(比如1％)。因此，当在UE1处进行UE2的单用户检测失败时，联合检测器可以改善1％。
LDS用户配对及功率共享
可以将一个拥有K×J签名矩阵s和DL SIMO信道h的LDS-OFDM系统建模为如下的MIMO传输系统：
其中x为J维发送符号向量，它的每个向量元素具有单位功率，H为MIMO等效信道，其定义为：
hn＝(h)n为SIMO衰落信道的第n个路径，并且，假设其对于LDS块的所有K个音调均相同。该假设对于LDS块的局部资源分配是近似有效的。没有任何限制，可以将该模型延伸至LDS块的分布式分配，在该分布式分配中，LDS块的每个音调在时频音调以及空间上均经历不同的衰落信道。
众所周知，开环MIMO系统的容量可以表示为：
假设Rnn＝N0I，则(31)将简化为：
在矩阵理论中，可以用Sylvester行列式定理评估特定类型的行列式。根据Sylvester行列式定理，可以将(32)等效为：
参考(30)，可以看出：
HHH＝h2(SHS) (34)
将(34)代入(33)，得到：
或者根据(10)：
(36)中的容量公式C表明如果UE仅上报其SIMO等效后处理SINR，只要发送和接收点均已知签名矩阵，那么就可以在下行链路连接的发送点处进行链路及秩自适应。在OFDMA的s＝[1]，并且J＝1时，可以将(36)简化为OFDMA信道容量，即：
C＝log2(1+γ) (37)
LDS的CQI调整和功率共享优化
第一LDS配对用户的调整速率可以表示为：
其中，S1为有J1个签名的用户1的签名矩阵。可以将用户2的接收信号建模为：
其中，为用户1在用户2处的等效信道，为用户2在用户2处的等效信道，S2为有J2个签名的用户2的签名矩阵。AWGN噪声n2的噪声功率为N2，以使γ2＝||h2||2/N2。假设用户1为用户2的联合配对干扰，用户2看到的等效干扰相关矩阵为：
可以看出，意味着即使背景噪声是白噪，用户2处的等小干扰也是有色的。为了便于进行链路自适应及速率调整，可以如下所示将等效干扰近似为白噪：
以及
因此，
R2≈(N2+αPh22)I(43)
有了上述近似，第二用户的调整速率可以表示为：
或者等效地，
权重为wi＝1/Ri的WSR可表示为：
可以将埃尔米特矩阵SHS分解为UΛUH，因此：
根据(47)，可以将(46)写作：
最优功率共享因子为的解，
上述多项式的解为α*，且仅在α*为实数并且属于区间(0，1.0)时，此解有效。当有不止一个解时，选择使WSR(α*)最大化的解。
在上述公式中，假设层数在配对后并未发生变化。而在实际中，层数可能会根据功率分配发生变化，以获得更好的链路自适应及频谱效率。功率和层数可以在每个RBG上变化。上述公式仅限于LDS。后续将详细讨论基于LDS到SCMA的映射技术，将LDS延伸至SCMA。
SCMA和LDS的调度方法
在OFDMA中，资源是按照时间和频率来调度或分配的，其中，可以认为时间和频率是调度的不同“维度”。在SCMA和LDS中，可以认为“层”是另一个资源调度的维度。通过使用不同的层，UE可以与其他UE在为其分配的RBG上重叠。尽管多个UE在相同RGB上重叠，仍可避免冲突。对于调度和潜在的配对增益来说，对重叠的容忍程度提供了增强的灵活性。然而，由于UE能与不止一个用户在多个RBG上重叠，这种灵活性是以检测信号的复杂度为代价的。为了实现具有可行复杂度的检测，可以加以约束，以使该UE在整个分配的RBG上，仅与另一个配对UE共享为其分配的RBG。通过仅与另一个配对UE共享分配的RBG，为调度增加了额外限制，这可能会降低配对增益，但与此同时，也会使UE侧的检测复杂度变得容易控制。
下面参照图7进行说明，图7示出了基于RBG进行UE调度的配对与基于UE进行调度的配对。在图7中，根据基于RBG的UE调度，分配多个可用资源700，并根据基于UE的调度，分配多个可用资源702。可以将这些资源分给不止一个UE。例如，资源700包括第一UE的RBG 711、第二UE的RBG 712、第三UE的RBG 713、第四UE的RBG 714以及第五UE的RBG 715。资源702包括上述第一UE的RBG 721以及上述第二UE的RBG722。在根据基于RBG调度分配的资源700中，第一UE的RBG 711与第二UE的RBG 712以及第三UE的RBG 713共享时隙。相反，在根据基于UE调度分配的资源702中，第一UE的RBG 721仅与第二UE的RBG 722共享时隙。在基于RBG的调度中，UE在分配的RBG上自由地享有不同的功率共享因子。而在基于UE的调度中，为了限制传输的信令开销，所有分配的RBG上的功率共享因子都是相同的。
下面参照图8进行说明，图8示出了基于RBG的UE配对调度器800的步骤流程图。在一些实施例中，调度器800可以为一个或多个图11中绘示的基站170a的一部分，或是由一个或多个图11中绘示的基站170a执行，下文将对它们进行详细描述。在其他实施例中，调度器800可以为用于为多个基站服务的中央调度器(比如，基于“云”的调度器)的一部分。比例公平调度是在最大化整体吞吐量和为所有用户保证至少最低水平的服务的冲突利益间取得平衡。它是通过为各数据流分配数据速率或调度优先级实现的，该调度优先级与其期望的资源消耗成反比。在步骤802中，对于给定的RBG j，在所有可选用户i中，选择最大化比例公平(proportional fair，PF)度量PFij的UE，其中，PFij＝rij/PRj。选择该UE作为上述UE配对的第一UE。在步骤804中，用PF度量初始化WSR，比如最大PF度量，并且，保存将第一UE用作上述配对的选择。在步骤806中，从上述基站服务的UE用户池中选择候选的第二UE k用于与上述第一UE配对。在步骤808中，基于步骤806中的配对假设，计算功率共享因子α。在步骤810中，用上述功率共享因子α调整配对用户的速率。在步骤812中，为上述第一UE和步骤806中选择的作为候选的第二UE的配对，计算WSR。在步骤814中，若该WSR比先前的WSR大，则更新该WSR，并将上述配对假设以及上述功率共享因子α作为该RBG的配对决定存储起来。在步骤816中，确定是否有另一UE可供选择，以作为候选用户与上述第一UE进行配对。如果有另一候选的第二UE，选择该候选的第二UE，并为该新选择的作为候选的第二UE重复步骤806-814。对于池中各候选的第二UE，重复步骤806-814。在步骤818中，确定是否有更多RBG待处理。如果有更多RBG，选择下一个RBG，并重复步骤802-818直至处理完所有候选的第二UE以及RBG。
下面参照图9进行说明，图9示出了基于UE的UE配对调度器900的步骤流程图。调度器900为一个或多个图11中绘示的基站170a的一部分，或是由一个或多个图11中绘示的基站170a执行，下文将对它们进行详细描述。
在步骤902中，对于给定的RBG j，在所有可选用户i中，选择最大化比例公平(proportional fair，PF)度量PFij的UE，其中，PFij＝rij/PRi。在步骤904中，确定是否有任何剩余的RBG待处理。如果有剩余的RBG待处理，选择下一个RBG，并重复步骤902直至处理完所有RBG。在步骤906中，调度器900为所有分配给第一用户f的RBG生成列表，{RBG}f，并且，为这些RBG中调度的所有UE生成列表，F＝{f}。在步骤908中，在{RBG}f上，计算UE f的平均LDS速率。在步骤910中，将上述平均LDS速率转化为有效SIMO SINR。在一些实施例中，可以将步骤908和910合并为一个步骤，在此步骤中，确定有效SIMO SINR。在步骤912中，选取用户f和其相应的RBG集合{RBG}f，并计算总WSR＝sum(PFfj)，其中j∈{RBG}f。在步骤914中，从UE用户池中选取UE k，该UE k不属于第一UE集合F。该UE k是用于与用户f配对的候选用户。在步骤916中，在{RBG}f(即与上述第一UE相同的RBG)上计算UE k的平均LDS速率。在步骤918中，将上述平均LDS速率转化为有效SIMO SINR。在步骤920中，为基于上述有效SIMO SINR的配对假设，计算功率共享因子α。在步骤922中，用给定的功率共享因子α调整配对用户的速率。该速率调整在每个分配的RBG上单独进行。在步骤924中，若{RBG}f比前一个大，在{RBG}f上，为上述第一UE和步骤806中选择的作为候选的第二UE的配对，计算总WSR，并将上述配对假设以及上述功率共享因子α作为该RBG的配对决定存储起来。在步骤926中，处理下一个第二UE，并重复步骤902-926。
MU-SCMA的信令支持
在SU-SCMA或SU-LDS之上，可能需要附加信息来支持MU-SCMA或MU-LDS DL信令。可以向用户动态发送该附加信息，该附加信息可以包括以下一个或多个：配对用户的数量、各用户的层数、各用户的层索引、各层(或用户)的功率分配因子、各层(或用户)的码本大小、各层(或用户)的码率，或者任何其他可能有助于在各用户处进行联合检测的动态参数。若用户和层是以预定义顺序排列，那么仅需每个用户的层数即可。可以将该信息显示地或隐式地发送给用户。
与实施例有关，用信令通知各用户(或层)的功率分配因子(或简单的“功率因子”)的格式可以是绝对的或相对的。比如，假设有四层(比如层1至层4)的功率分配因子需要用信令通知。该信令可以包括各层的绝对表示(如，0.3、0.1、0.2、0.4(注意0.3+0.1+0.2+0.4＝1.0))。或者，该信令可以包括关于参考层的相对表示(比如，若参考层为层1：N/A、1/3、2/3、4/3)。或者，该信令可以包括关于上一层的相对表示(比如，N/A、1/3、2、2)。
在一些实施例中，也可以将功率因子限制在一个预定义的集合内。在U个配对的用户中，仅需U-1个功率因子。既然功率因子的平方和为1(假设总发送功率固定)，那么，可以计算剩余的一个功率因子(比如，第U个功率因子)。例如，第一或最后一个配对用户可以从其他配对用户的功率因子，计算它自己的功率因子。
总体而言，每个RBG均需要上述信息，但采用层和/或功率归一，可以减少基于RBG和基于UE调度的信令开销。在那些情况下，每个用户上报一个层和/或功率因子。
性能评估及仿真结果
在仿真中，假设下述环境：ITU-TU信道、1×2SIMO、57个小区以及UE速度为3千米/小时。认为宽带(wideband，WB)调度时，其中，1个RBG＝50个RB，子带(sub-band，SB)调度时，1个RBG＝5个RB。
下面参考图10进行说明，图10示出了OFDM、非正交多址接入(non-orthogonal multiple access，NOMA)以及MU-SCMA在采用不同的公平指数进行WB时的总体对比图。通过变换用于计算PF度量的公平指数，在固定覆盖下，比较OFDM、NOMA和MU--SCMA方案。例如，当覆盖为700kbps，NOMA和MU--SCMA相对于OFDMA，分别具有42.7％和51.8％的增益。在相同覆盖下，MU--SCMA比NOMA胜出6.4％。
下面的表2和表3给出了在WB和SB调度下，OFDM、NOMA和SCMA的附加性能对比。在SU-SCMA的仿真中包括了层自适应(layer adaptation，LA)。在仿真中，相对于OFDMA的基线，在SU和MU时，SCMA均提供了大幅增益。相对于NOMA，MU-SCMA在吞吐量及覆盖方面的改进分别约为2％-3％和6％-7％。
表2
表3
层自适应(Layer Adaptation，LA)利用UE的快衰落信道，动态调整发送给各UE的层数。LA对于低几何分布(比如，低SNR和信道质量)的UE尤为有用；可以获得近30％的覆盖增益。表4示出了层自适应(Layer Adaptation，LA)的性能增益。
表4
表5示出了不同的配对策略。表5中仅给出了SB。在NOMA和MU-SCMA中，相对于OFDMA，基于UE和基于RBG的策略均提供大幅增益。基于RBG的方案比基于UE的方案更优，因为在配对UE以及在配对UE间共享传输功率方面，基于RBG更加灵活。
表5
图11示出了一种示例性通信系统100，用以实施本发明。通常，系统100使多址接入用户可以发送和接收数据以及其他内容。系统100可以实施一种或多种信道接入方法，比如码分多址(code division multiple access，CDMA)、时分多址(time division multiple access，TDMA)、频分多址、(frequency division multiple access，FDMA)、正交FDMA(orthogonal FDMA，OFDMA)、单载波FDMA(single-carrier FDMA，SC-FDMA)、低密度签名(low density signature，LDS)以及稀疏码多址接入(sparse code multiple access，SCMA)。
在这个示例中，通信系统100包括用户设备(user equipment，UE)110a-110c、无线接入网(radio access network，RAN)120a-120b、核心网130、公共交换电话网络(public switched telephone network，PSTN)140、互联网150以及其他网络160。图11中示出了一定数量的上述组件或元件，系统100可以包括任意数量的上述组件或元件。
UE 110a-110c配置用于在系统100中工作和/或通信。例如，UE 110a-110c配置用于发送和/或接收无线信号或有线信号。每个UE 110a-110c表示任意适用的端用户设备，可以包括(或可以表示)诸如用户设备/装置(UE)、无线发送/接收单元(wireless transmit/receive unit，WTRU)、移动站、固定或移动签约单元、寻呼机、移动电话、掌上电脑(personal digital assistant，PDA)、智能手机、笔记本型电脑、计算机、触摸屏设备、无线传感器或消费电子设备等设备。
这里的RAN 120a-120b分别包括基站170a-170b。每个基站170a-170b配置用于与UE 110a-110c无线地连接，以使其接入核心网130、PSTN140、互联网150和/或其他网络160。例如，基站170a-170b可以包括(或者是)一些众所周知的设备中的一个或多个，如基站收发信机(base transceiver station，BTS)、B节点(Node-B，NodeB)、演进型B节点(evolved NodeB，eNodeB)、家庭NodeB、家庭eNodeB、位置控制器、接入点(access point，AP)、传输点(transmit point、TP)、或无线路由器、或服务器、路由器、交换机或其他具有有线或无线网络的处理实体。
在图11所示的实施例中，基站170a组成了RAN 120a的一部分，RAN 120a可以包括其他基站、元件和/或设备。同样，基站170b组成了RAN 120b的一部分，RAN 120b可以包括其他基站、元件和/或设备。每个基站170a-170b在特定地理范围或区域，有时也称为“小区”内，发送和/或接收无线信号。在一些实施例中，可以对各小区，采用具有多个收发机的多输入多输出(multiple-input multiple-output，MIMO)技术。
基站170a-170b使用无线通信连接，通过一个或多个空中接口190，与UE 110a-110c中的一个或多个通信。这些空中接口190可以应用任意适用的无线接入技术。
可以预见的是，系统100可以使用多信道接入功能，包括上面描述的那些方案。在个别的实施例中，基站和UE实施LTE、LTE-A和/或LTE-B。当然，也可以使用其他多址接入方案以及无线协议。
RAN 120a-120b与核心网130通信，以为UE 110a-110c提供语音、数据应用、网络电话(voice over internet protocol，VoIP)或其他服务。可以理解的是，RAN 120a-120b和/或核心网130可以与一个或多个其他RAN(未示出)进行直接或间接的通信。核心网130也可以用作其他网络(如PSTN140、互联网150和其他网络160)的网关接入。此外，UE 110a-110c中的某些或全部可以包括通过不同无线链路，采用不同无线技术和/或协议，与不同无线网络进行通信的功能。
虽然图11只示出了通信系统的一个示例，可以对图11进行各种变化。比如，通信系统100可以包括任意数量的，采用任意适当配置的UE、基站、网络或其他组件，还可以包括文中任意附图所示的UE配对调度器和层自适应方案。图12A和图12B示出了可以实施本发明提供的方法及教导的示例性设备。特别地，图12A示出了UE 110的一个示例，图12B示出了基站170的一个示例。可以在系统400或任何其他合适的系统中使用这些组件。
如图12A所示，UE 110包括至少一个处理单元220。该处理单元220执行UE 110的各种处理操作。例如，处理单元220能够执行信号编码、数据处理、功率控制、输入/输出处理或其他任何能使UE 110在系统400中工作的功能。处理单元220也支持前文详述的方法及教导。每个处理单元220包括任何用于执行一个或多个操作的合适的处理或计算设备。每个处理单元220例如可以包括，微处理器、微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列或专用集成电路。
UE 110还包括至少一个收发机202。该收发机202用于，用至少一个天线204调制传输的数据或其他内容。收发机202还用于，用至少一个天线204解调数据或其他内容。每个收发机202包括任何适于生成无线传输信号和/或处理无线接收信号的结构。每个天线204包括任何适于发送和/或接收无线信号的结构。可以在UE 110中使用一个或多个收发机202，并在UE 110中使用一个或多个天线204。尽管是以分离的功能单元示出的，仍可以用至少一个发送机和至少一个分离的接收机实现收发机202。
UE 110还包括一个或多个输入/输出设备206。该些输入/输出设备206促进了与用户之间的交互。每个输入/输出设备206包括任何适于向用户提供信息或接收来自用户的信息的结构，如扬声器、麦克风、小型键盘、键盘、显示器或触摸屏。
此外，UE 110包括至少一个存储器208。存储器208将UE 110使用、生成或收集的指令和数据存储起来。例如，存储器208可以存储由处理单元200执行的软件或固件指令，以及用于降低或消除输入信号中干扰的数据。每个存储器208包括任意适用的易失和/或非易失存储器和可恢复设备。可以使用任何类型合适的存储器，比如随机存取存储器(random access memory，RAM)、只读存储器(read only memory，ROM)、硬盘、光盘、用户身份模块(subscriber identity module，SIM)卡、记忆棒、安全数字(secure digital，SD)记忆卡、记忆卡以及其他类似设备。
如图12B所示，基站170包括至少一个处理单元250、至少一个传输机252、至少一个接收机254、至少一个天线256以及至少一个存储器258。处理单元250执行基站170的各种处理工作，如信号编码、数据处理、功率控制、输入/输出处理或其他功能。处理单元250也能支持前文详述的方法及教导。每个处理单元250包括用于执行一个或多个操作的任何合适的处理或计算设备。每个处理单元220可以包括，比如，微处理器、微控制器、数字信号处理器、现场可编程门阵列或专用集成电路。
每个发送机252包括任何适于生成无线传输信号的结构，该无线传输信号是发往一个或多个UE或其他设备的信号。每个接收机254包括任何适于处理无线接收信号的结构，该无线接收信号是来自一个或多个UE或其他设备的信号。尽管是以分离的组件示出，可以将至少一个发送机252以及至少一个接收机254合并为收发机。每个天线256包括任何适于发送和/或接收无线信号的结构。尽管此处示出的通用天线256是与发送机252和接收机254耦合的，可以将一个或多个天线256耦合至发送机252，并将一个或多个分离的天线256耦合至接收机254。每个存储器258包括任意适用的易失和/或非易失存储器和可恢复设备。
本领域技术人员已知关于UE 110和基站170的其他细节。因此，为了清楚起见，这里不再详述这些细节。
尽管本发明描述了某些实施例以及通用关联的方法，对于本领域技术人员来说，这些实施例和方法的修改和置换是显而易见的。相应地，上述示例实施例中的描述并不用于定义或限制本发明。在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以进行其他的变形、替代以及改变。
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