CN108601088A - 一种基于非正交多址接入的协作通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非正交多址接入的协作通信方法，包括以下步骤：中继节点接收源节点信号和信道状态信息；中继节点利用连续干扰消除，对源节点信号进行译码，得到译码信号；将译码信号根据功率分配系数进行叠加编码，中继节点与多个目的节点通过下行非正交多址接入，将叠加信号同时发给多个目的节点；目的节点利用连续干扰消除对叠加信号译码和信息恢复；根据信道状态信息和用户需求，计算所有节点的发射功率、功率分配系数，多个源节点与中继节点通过上行非正交多址接入，将得到的信息发送给中继节点；本发明使用非正交多址接入技术，满足用户速率，最小化系统总的消耗，有效地扩大用户数的接入，提升系统的频谱效率，减少系统的功率消耗。

Description

一种基于非正交多址接入的协作通信方法及系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术研究领域，特别涉及一种基于非正交多址接入的协作通信方法及系统。

背景技术

随着无线通信技术的迅猛发展，人们对无线通信网络的覆盖范围和运行时间的要求与日俱增。为提高通信网络的覆盖率，基于中继的协作通信是一种常用方案。中继的使用可以解决由于地理等限制而造成的通信双方之间较大的路径消耗问题，从而有效的提高通信网络的覆盖率以及通信的效率。

现有技术中，却常常出现系统能量消耗过大的情况。因此，如何充分考虑实际情况来提升中继通信性能，如何采用合理的功率分配，并在保证用户速率需求的同时，最小化总能量的消耗，是迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于非正交多址接入的协作通信方法。

本发明的另一目的在于提供一种基于非正交多址接入的协作通信方法，用于一种基于非正交多址接入的协作通信方法。

本发明的主要目的通过以下的技术方案实现：

一种基于非正交多址接入的协作通信方法，包括以下步骤：

S1、中继节点接收源节点信号和源节点信号的信道状态信息；

S2、中继节点利用连续干扰消除，对源节点信号进行译码，得到译码信号；

S3、将译码信号根据功率分配系数进行叠加编码，通过中继节点与多个目的节点进行下行非正交多址接入，将叠加信号同时发给多个目的节点；

S4、目的节点接收叠加信号，并利用连续干扰消除进行译码和信息恢复；

S5、根据信道状态信息和用户服务质量要求，计算源节点的发射功率、中继节点的发射功率、功率分配系数，多个源节点与中继节点通过上行非正交多址接入，每个源节点根据中继提供的发射功率同时发送信息给中继节点。

整个信息传输过程在两个时隙完成，其中第一时隙完成源节点到中继节点的信息传输，是上行非正交多址接入；第二时隙完成中继节点到目的节点的信息传输，是下行非正交多址接入。

步骤S1中，中继节点接收的源节点信号为：

其中，h₁为上行通信链路高斯信道，h₂为下行通信链路高斯信道，P₁为源节点S₁的功率，P₂为源节点S₂的功率，s₁为源节点S₁的源节点信号，s₂为源节点S₂的源节点信号；n_R为加性高斯白噪声，且n_R服从均值为0，方差为σ²的高斯分布。

步骤S2，在中继节点接收信号后，利用连续干扰消除技术去译码信号，得到译码信号，具体过程为：

先译码信号s₂，则把信号s₁作为干扰，而原节点S₁只有白噪声干扰，为了满足目标速率，得到以下不等式：

其中，h₁为上行通信链路高斯信道，h₂为下行通信链路高斯信道，r₁、r₂为目的节点D₁、D₂的目标速率，R_1,1为第一时隙第一对“源-目的”节点的可达速率，R_1,2为第一时隙第二对：“源-目的”节点可达速率，为第一时隙通信时间。

步骤S3中，所述第二时隙中，中继节点将译码信号进行叠加，得到信号s_R：

其中，s₁为源节点S₁的源节点信号，s₂为源节点S₂的源节点信号，β为功率分配系数，P_R为中继节点的总功率。

步骤S4，具体为：两个目的节点D₁、D₂接收信号分别为：

y₁＝g₁s_R+n₁，

y₂＝g₂s_R+n₂，

其中，y₁、y₂为接收信号，g₁、g₂为第二阶段上行信道，s_R为中继在接收到的叠加信号，n₁、n₂为第二时隙通信过程中相应信道的噪声信号；

在目的节点接收到信号后，利用连续干扰消除技术去译码信号；

译码时先解信号s₂，则把信号s₁作为干扰，而目的节点D₁只有白噪声的干扰；为了满足目标速率，得到如下不等式：

源节点最终的可达速率为：

R₁＝min{R_1,1,R_2,1}，

R₂＝min{R_1,2,R_2,2}，

则优化问题为：

步骤S5，具体过程为：根据信道状态信息和用户服务质量要求，使整个系统的能耗最小，则有：

P_t＝P₁+P₂+P_R，

其中，P_R为中继节点的总功率；P₁为源节点S₁的功率，P₂为源节点S₂的功率；

当两个用户的目标速率要求分别为r₁和r₂，则得到相应的信干噪比满足：

其中，h₁为上行通信链路高斯信道，h₂为下行通信链路高斯信道， γ₁为根据目标速率r₁得到的目标信干燥比，γ₂为根据目标速率r₂得到的目标信干燥比，β为功率分配系数，即将βP_R分配给源节点S₁(S₂)，剩下的功率(1-β)P_R分配给源节点S₂(S₁)；用户服务质量要求包含系统吞吐量。

结合步骤S4，将优化问题转化为：

(P1′)min P_t

s.t.SINR_1,1≥γ₁，

SINR_1,2≥γ₂，

SINR_2,1≥γ₁，

SINR_2,2≥γ₂，

求解上述四个不等式，便能得到最优的传输功率。因为P₁，P₂，和P_R是相互独立的，求解过程为先求解最优的源节点发射功率P₁ ^*和P₂ ^*，然后求解最优中继节点功率P_R ^*和分配系数β，则有，根据优化问题中的不等式，得到功率的不等式为：

由上得的，最优源节点发射功率为：

为了求最优中继节点功率P_R ^*，问题转化为求最小的中继节点发射功率，得到以下优化问题：

则有最优功率分配系数β^*为：

最优中继节点功率P_R ^*为：

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：

一种基于非正交多址接入的协作通信系统，用于一种基于非正交多址接入的协作通信方法，其特征在于，包括一个中继节点、两对“源-目的”节点；所述中继节点为中央处理器用于无线信息的接收、译码和转发；所述源节点根据中继节点提供的发送功率发送无线信息，所述目的节点和中继节点采用连续干扰消除技术对信息进行译码。

所述中继节点、源节点和目的节点都使用单天线。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用非正交多址接入技术用于多用户的信息转发，即能实现多用户的同时接入，又能提高中继系统的频谱效率，有广泛的实际应用前景；

2、本发明根据分配系数，提出一种最优功率分配方案，能使系统在满足用户特定的速率要求时，同时总能耗最小。

附图说明

图1是本发明所述一种基于非正交多址接入的协作通信方法流程图。

图2是本发明中能耗与目标速率的仿真效果图。

图3是本发明所述的一种基于非正交多址接入的协作通信系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种基于非正交多址接入的协作通信方法，包括以下步骤：

第一步：中继节点接收源节点信号和源节点信号的信道状态信息；

中继节点接收的源节点信号为：

其中，h₁为上行通信链路高斯信道，h₂为下行通信链路高斯信道，P₁为源节点S₁的功率，P₂为源节点S₂的功率，s₁为源节点S₁的源节点信号，s₂为源节点S₂的源节点信号，n_R为加性高斯白噪声，且n_R服从均值为0，方差为σ²的高斯分布。

第二步：中继节点利用连续干扰消除，对源节点信号进行译码，得到译码信号；

在中继节点接收信号后，利用连续干扰消除技术去译码信号，得到译码信号，具体过程为：

先译码信号s₂，则把信号s₁作为干扰，而原节点S₁只有白噪声干扰，为了满足目标速率，得到以下不等式：

其中，R_1,1为第一时隙第一对“源-目的”节点的可达速率，R_1,2为第一时隙第二对：“源-目的”节点可达速率，为第一时隙通信时间。

第三步：将译码信号根据功率分配系数进行叠加编码，通过中继节点与多个目的节点进行下行非正交多址接入，将叠加信号同时发给多个目的节点；

第二时隙中，中继节点将译码信号进行叠加，得到信号s_R：

其中，n₁、n₂为加性高斯白噪声，且n₁、n₂服从均值为0，方差为σ²的高斯分布，β为功率分配系数。

第四步：目的节点接收叠加信号，并利用连续干扰消除进行译码和信息恢复；

具体为：两个目的节点D₁、D₂接收信号分别为：

y₁＝g₁s_R+n₁，

y₂＝g₂s_R+n₂，

其中，y₁、y₂为接收信号，g₁、g₂为第二阶段上行信道，s_R为中继在接收到的叠加信号，n₁、n₂为相应信道的噪声信号；

在目的节点接收到信号后，利用连续干扰消除技术去译码信号；

译码时先解信号s₂，则把信号s₁作为干扰，而目的节点D₁只有白噪声的干扰；图2给出了非正交多址接入与正交多址接入的能耗与目标速率的仿真效果，为了满足目标速率，得到如下不等式：

源节点最终的可达速率为：

R₁＝min{R_1,1,R_2,1}，

R₂＝min{R_1,2,R_2,2}，

则优化问题为：

第五步：根据信道状态信息和用户服务质量要求，计算源节点的发射功率、中继节点的发射功率、功率分配系数，通过多个源节点与中继节点进行上行非正交多址接入，将得到的信息发送给中继节点；

根据信道状态信息和用户服务质量要求，使整个系统的能耗最小，则有：

P_t＝P₁+P₂+P_R，

其中，P_R为中继节点的总功率；P₁为源节点S₁的功率，P₂为源节点S₂的功率；β为功率分配系数，即将βP_R分配给源节点S₁(S₂)，剩下的功率(1-β)P_R分配给源节点S₂(S₁)；

当两个用户的目标速率要求分别为r₁和r₂，则得到相应的信干噪比满足：

其中，h₁为上行通信链路高斯信道，h₂为下行通信链路高斯信道， γ₁为根据目标速率r₁得到的目标信干燥比，γ₂为根据目标速率r₂得到的目标信干燥比，β为功率分配系数，即将βP_R分配给源节点S₁(S₂)，剩下的功率(1-β)P_R分配给源节点S₂(S₁)；用户服务质量要求包含系统吞吐量。

结合第四步，将优化问题转化为：

(P1′)min P_t

s.t.SINR_1,1≥γ₁，

SINR_1,2≥γ₂，

SINR_2,1≥γ₁，

SINR_2,2≥γ₂，

求解上述四个不等式，便能得到最优的传输功率。因为P₁，P₂，和P_R是相互独立的，求解过程为先求解最优的源节点发射功率P₁ ^*和P₂ ^*，然后求解最优中继节点功率P_R ^*和分配系数β，则有，根据优化问题中的不等式，得到功率的不等式为：

由上得的，最优源节点发射功率为：

为了求最优中继节点功率P_R ^*，问题转化为求最小的中继节点发射功率，得到以下优化问题：

则有最优功率分配系数为：

最优中继节点功率为：

整个信息传输过程在两个时隙完成，其中第一时隙完成源节点到中继节点的信息传输，是上行非正交多址接入；第二时隙完成中继节点到目的节点的信息传输，是下行非正交多址接入。

用于本文所述一种基于非正交多址接入的协作通信方法的一种基于非正交多址接入的协作通信系统，如图3所示，包括一个中继节点、两对“源-目的”节点；所述中继节点为中央处理器用于无线信息的接收、译码和转发；所述源节点根据中继节点提供的发送功率发送无线信息，所述目的节点和中继节点采用连续干扰消除技术对信息进行译码；

所述中继节点、源节点和目的节点都使用单天线。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于非正交多址接入的协作通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、中继节点接收源节点信号和源节点信号的信道状态信息；

S2、中继节点利用连续干扰消除，对源节点信号进行译码，得到译码信号；

S3、将译码信号根据功率分配系数进行叠加编码，通过中继节点与一个以上目的节点进行下行非正交多址接入，将叠加信号同时发给一个以上目的节点；

S4、目的节点接收叠加信号，并利用连续干扰消除进行译码和信息恢复；

S5、根据信道状态信息和用户服务质量要求，计算源节点的发射功率、中继节点的发射功率、功率分配系数，多个源节点与中继节点通过上行非正交多址接入，每个源节点根据中继提供的发射功率同时发送信息给中继节点。

2.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入的协作通信方法，其特征在于，整个信息传输过程在两个时隙完成，其中第一时隙完成源节点到中继节点的信息传输，是上行非正交多址接入；第二时隙完成中继节点到目的节点的信息传输，是下行非正交多址接入。

3.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入的协作通信方法，其特征在于，步骤S1中，所述中继节点接收的源节点信号为：

其中，h₁为上行通信链路高斯信道，h₂为下行通信链路高斯信道，P₁为源节点S₁的功率，P₂为源节点S₂的功率，s₁为源节点S₁的源节点信号，s₂为源节点S₂的源节点信号，n_R为加性高斯白噪声，且n_R服从均值为0，方差为σ²的高斯分布；

所述信道状态信息包含信道系数，信道系数根据小尺度衰落、阴影衰落、路径耗损和信道分布的分布函数计算得到，信道分布为高斯分布。

4.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入的协作通信方法，其特征在于，所述步骤S2，在中继节点接收信号后，基于连续干扰消除，先译码信道增益强的信号，再从总的接收信号中减去已经译码得到的信号，继续进行译码，直到最后一个最弱的信道增益的信号被译码完成，得到译码信号，具体过程为：

先译码信号s₂，则把信号s₁作为干扰，而原节点S₁只有白噪声干扰，为了满足目标速率，得到以下不等式：

其中，h₁为上行通信链路高斯信道，h₂为下行通信链路高斯信道，r₁、r₂为目的节点D₁、D₂的目标速率，R_1,1为第一时隙第一对“源-目的”节点的可达速率，R_1,2为第一时隙第二对“源-目的”节点可达速率，为第一时隙通信时间。

5.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入的协作通信方法，其特征在于，步骤S3中，所述中继节点将译码信号进行叠加，得到信号s_R：

其中，s₁为源节点S₁的源节点信号，s₂为源节点S₂的源节点信号，β为功率分配系数，P_R为中继节点的总功率。

6.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入的协作通信方法，其特征在于，所述步骤S4，具体为：两个目的节点D₁、D₂接收信号分别为：

y₁＝g₁s_R+n₁，

y₂＝g₂s_R+n₂，

其中，y₁、y₂为接收信号，g₁、g₂为第二阶段上行信道，s_R为中继在接收到的叠加信号，n₁、n₂为第二时隙通信过程中相应信道的噪声信号；

在目的节点接收到信号后，利用连续干扰消除技术去译码信号；

译码时先解信号s₂，则把信号s₁作为干扰，而目的节点D₁只有白噪声的干扰；为了满足目标速率，得到如下不等式：

其中，R_2,1、R_2,2为目的节点D₁、D₂在时隙2的可达速率，r₁、r₂为目的节点D₁、D₂的目标速率，β为功率分配系数，σ²为加性高斯白噪声功率，P_R为中继节点的总功率；

源节点最终的可达速率为：

R₁＝min{R_1,1,R_2,1}，

R₂＝min{R_1,2,R_2,2}，

其中，R_1,1为第一时隙第一对“源-目的”节点的可达速率，R_1,2为第一时隙第二对“源-目的”节点可达速率；

则优化问题为：

7.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址接入的协作通信方法，其特征在于，所述步骤S5，具体过程为：根据信道状态信息和用户服务质量要求，使整个系统的能耗最小：

P_t＝P₁+P₂+P_R，

其中，P_R为中继节点的总功率；P₁为源节点S₁的功率，P₂为源节点S₂的功率；

当两个用户的目标速率要求分别为r₁和r₂，则得到相应的信干噪比满足：

其中，h₁为上行通信链路高斯信道，h₂为下行通信链路高斯信道， γ₁为根据目标速率r₁得到的目标信干燥比，γ₂为根据目标速率r₂得到的目标信干燥比，β为功率分配系数，即将βP_R分配给源节点S₁(S₂)，剩下的功率(1-β)P_R分配给源节点S₂(S₁)；用户服务质量要求包含系统吞吐量。

8.根据权利要求6、7所述的一种基于非正交多址接入的协作通信方法，其特征在于，所述优化问题转化为：

(P1′) min P_t

s.t.SINR_1,1≥γ₁，

SINR_1,2≥γ₂，

SINR_2,1≥γ₁，

SINR_2,2≥γ₂，

根据优化问题中的不等式，得到功率的不等式为：

则有最优源节点发射功率P₁ ^*为：

为了求最优的，问题转化为求最小的中继节点发射功率，得到以下优化问题：

则有最优功率分配系数为：

最优中继节点功率为：

9.一种基于非正交多址接入的协作通信系统，用于权利要求1至权利要求8任一权利要求所述的一种基于非正交多址接入的协作通信方法，其特征在于，包括一个中继节点、两对“源-目的”节点；所述“源-目的”包含源节点、目的节点；所述中继节点为中央处理器用于无线信息的接收、译码和转发；所述源节点根据中继节点提供的发送功率发送无线信息，所述目的节点和中继节点采用连续干扰消除技术对信息进行译码。

10.根据权利要求9所述的一种基于非正交多址接入的协作通信系统，其特征在于，所述中继节点、源节点和目的节点都使用单天线进行通信。