本發(fā)明涉及無線通信領域，尤其涉及一種基于空間調制的多天線系統的下行非正交多接入方法。

背景技術：

非正交多接入(noma)技術由于其極高的頻譜利用效率，獲得了來自學術界和工業(yè)界的廣泛關注，并且被認為是第五代移動通信系統(5g)的一項關鍵技術。在傳統的正交多接入技術中，如時分復用多接入(tdma)、頻分復用多接入(fdma)和碼分復用接入(cdma)，一個無線資源塊只能分配給一個移動終端，導致極低的資源利用效率。而非正交多址接入技術利用功率域上的差異使得多用戶可以采用同一碼字同時同頻地工作，這極大地提高了頻譜利用效率。隨著無線互聯網的興起，未來的5g網絡需要支持大量無線設備的同時接入。然而，由于無線資源的稀缺性，傳統的正交多接入技術很難支持大規(guī)模接入。因此，非正交多技術成為解決該難題的一個關鍵技術。

為了滿足未來5g網絡的要求，進一步提高通信系統的容量，將非正交多接入技術和多天線技術相結合成為當下研究的熱點。例如，在下行鏈路中，基于用戶簇的思想，基站將多個下行信道增益差異較大的用戶組成一個簇，并對同一個簇內的發(fā)射信號進行疊加編碼(sc)。為了減小簇間干擾，基站采用迫零波束成形的方法，為每個簇的疊加編碼信號設計一個發(fā)射波束，然后將所有波束成形后的信號一起進行發(fā)射。在接收端，用戶利用疊加編碼信號在功率域上的差異對同一簇內的用戶進行串行干擾抵消(sic)，然后對自身信號進行解碼。然而，基于用戶簇的多天線非正交多接入技術雖然能夠一定程度上降低接收復雜度，但連續(xù)干擾消除的高復雜性仍需要接收設備具有良好的計算能力，而這在很多實際通信系統中很難滿足。例如，隨著物聯網的普及，大量低成本但計算能力有限的無線設備將接入到無線網，此時要求這些設備執(zhí)行復雜的sic操作是不現實的。此外，信道最差的用戶在解調時面臨著嚴重的簇內干擾，這使得用戶公平性很難得到保證。

技術實現要素：

為解決上述方案中接收復雜度高以及用戶公平性難以保證的問題，本發(fā)明提出了一種基于空間調制的多天線系統的下行非正交多接入方法。

一種基于空間調制的多天線系統的下行非正交多接入方法，包括如下步驟：

(1)用戶通過信道估計獲得下行鏈路的信道狀態(tài)信息，并將部分信道狀態(tài)信息通過反饋鏈路傳遞給基站；

(2)基站根據所獲得的信道狀態(tài)信息，將基站中的nt根發(fā)射天線分為k個組，其中，第i組包含ni根天線，同時，基站將用戶分為k個簇，其中，第i個用戶簇包含兩個用戶uei,k(k＝1,2)，并為每個用戶簇分配一組發(fā)射天線，第i個天線組服務于第i個用戶簇，i的取值為1～k；

(3)各天線組分別對與其相對應的用戶簇的信號進行空間調制，得到第i個天線組給第i個用戶簇的調制信號

(4)基站根據其所獲得的信道狀態(tài)信息，設計波束成形矩陣將第i個用戶簇的信號x⁽ⁱ⁾左乘第i個發(fā)射波束得到波束成形后的信號wix⁽ⁱ⁾，并將得到的所有的波束成形后的信號發(fā)射出去；

(5)用戶接收到基站發(fā)射的信號后，采用最大似然檢測方法對自身信號進行解調。

步驟(3)中的空間調制方法為(以第i個用戶簇為例)：

(a)將uei,1的信息比特平均分組，每組包含log2(ni)個比特，記uei,1的一組比特流向量為bi,1；將uei,2的信息比特平均分組，每組包含log2(mi)個比特，其中mi是qam調制階數，記uei,2的一組比特流向量為bi,2；

(b)將bi,1映射到第i個天線組中的天線標號ni，天線標號表示為其中bi,1(j)表示bi,1中的第j個比特信息；對bi,2采用mi-qam調制，將bi,2映射到第i個天線組中的星座圖符號si；

(c)第i個天線組給第i個用戶簇的調制信號為其中si位于x⁽ⁱ⁾中的第ni行。

步驟(4)中波束成形矩陣的設計方法為：

首先，引入等效信道矩陣a＝hw，其中h表示基站獲得的信道狀態(tài)信息；

其次，將a寫成如下形式：

其中，h^(i,k)表示基站到uei,k的信道狀態(tài)信息，wj表示為第j個用戶簇的信號x^(j)設計的發(fā)射波束；

然后，當i≠j時，令當i＝j時，其中，表示第i個天線組中標號為ni的天線到uei,k的信道向量，并且位于的第ni列；

最后，基于基站獲取的信道狀態(tài)信息h和等效信道矩陣a＝hw，得到波束成形矩陣w＝h^h(hh^h)^-1a。

步驟(5)中最大似然檢測方法為：

其中，和分別表示uei,k對天線組i中相應天線標號的估計以及所選擇發(fā)射的星座圖符號的估計，y^(i，k)表示uei,k所接收的信號，表示第i個天線組中標號為mi的天線到uei,k的信道向量，qi表示第i個天線組的星座圖符號集合中的任意一個符號。

本發(fā)明具有的有益效果是：本發(fā)明提出的基于空間調制的多天線系統的下行非正交多接入方法，一方面，完全消除了簇內干擾，因此，提高了系統容量，改善了用戶公平性。另一方面，接收端只需采用簡單的ml檢測器，避免了傳統noma中復雜的sic操作，極大降低了接收復雜度。

附圖說明

圖1是基于空間調制的多天線系統的下行非正交多接入方法的框圖；

圖2是基于空間調制的多天線非正交多接入(smn)和傳統多天線非正交多接入(cmn)的速率的比較圖；

圖3是基于空間調制的多天線非正交多接入(smn)和傳統多天線非正交多接入(cmn)最差用戶的速率的比較圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結合附圖及具體實施方式對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。

如圖1所示的是本發(fā)明基于空間調制的多天線系統的下行非正交多接入方法的框圖，具體包括如下過程：

步驟1，用戶通過信道估計獲得下行鏈路的信道狀態(tài)信息，并將部分信道狀態(tài)信息通過反饋鏈路傳遞給基站。

步驟2，基站根據所獲得的信道狀態(tài)信息，將基站中的nt根發(fā)射天線分為k個組，其中，第i組包含ni根天線，同時，基站將用戶分為k個簇，其中，第i個用戶簇包含兩個用戶uei,k(k＝1,2)，并為每個用戶簇分配一組發(fā)射天線，第i個天線組服務于第i個用戶簇，i的取值為1～k；

步驟3，各天線組分別對相應用戶簇的信號進行空間調制，從而得到第i個天線組給第i個用戶簇的調制信號

此步驟中，以用戶簇i為例，空間調制的方法為：

首先，將uei,1的信息比特分組，每組包含log2(ni)個比特，記uei,1的一組比特流向量為bi,1；將uei,2的信息比特分組，每組包含log2(mi)個比特，其中mi是qam調制階數，記uei,2的一組比特流向量為bi,2。

然后，將bi,1映射到第i個天線組中的天線標號，天線標號表示為其中bi,1(j)表示bi,1中的第j個比特信息；對bi,2采用mi-qam調制，將bi,2映射到第i個天線組中的星座圖符號si。

最后，第i個天線組給第i個用戶簇的調制信號為其中si位于x⁽ⁱ⁾中的第ni行。

步驟4，基站根據其所獲得的信道狀態(tài)信息，設計波束成形矩陣將第i個用戶簇的信號x⁽ⁱ⁾左乘第i個發(fā)射波束得到波束成形后的信號wix⁽ⁱ⁾，并將得到的所有的波束成形后的信號發(fā)射出去；

此步驟中，波束成形矩陣的設計方法為：

首先，引入等效信道矩陣a＝hw，其中h表示基站獲得的信道狀態(tài)信息；

其次，將a寫成如下形式

其中，h^(i，k)表示基站到uei,k的信道狀態(tài)信息，wj表示為第j個用戶簇的信號x^(j)設計的發(fā)射波束；

然后，令其中表示第i個天線組中標號為ni的天線到uei,k的信道向量，并且位于的第ni列；

最后，基于基站獲取的信道狀態(tài)信息h和上述設計的等效信道矩陣a＝hw，得到波束成形矩陣w＝h^h(hh^h)^-1a。

步驟5，用戶接收到基站發(fā)射的信號后，采用最大似然檢測方法對自身信號進行解調。

此步驟中，最大似然檢測方法為：

其中，和分別表示uei,k對天線組i中相應天線標號的估計以及所選擇發(fā)射的星座圖符號的估計，y^(i,k)表示uei,k所接收的信號，表示第i個天線組中標號為mi的天線到uei,k的信道向量，qi表示第i個天線組的星座圖符號集合中的任意一個符號。

圖2和圖3是計算機仿真的結果，其中nu表示用戶數，nt表示基站的天線數，ns表示qam調制階數。通過計算機仿真表明，如圖2所示，相比于傳統的多天線非正交多接入方法，本發(fā)明提出的基于空間調制的多天線系統的下行非正交多接入方法，對于具有大規(guī)模用戶群的通信系統有更高的和速率。而且，增加基站的發(fā)射天線數還能進一步提高系統容量。另外，圖3表明本發(fā)明提出的基于空間調制的多天線系統的下行非正交多接入方法相比于傳統的多天線非正交多接入方法，在信噪比比較高時，有更好的用戶公平性。因此，本發(fā)明提出的基于空間調制的多天線系統的下行非正交多接入方法可以為第五代移動通信系統提供一種有效的多接入方法。

以上所述的具體實施方式對本發(fā)明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發(fā)明的最優(yōu)選實施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內所做的任何修改、補充和等同替換等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。