基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息傳輸方法技術方案

本發明專利技術公開了一種基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息傳輸方法，信息傳輸的過程為：1)根據發射機與各接收區域之間的平均距離確定各區域內接收機的解碼順序，然后計算基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的波束形成的權值，發射機再將所有區域的期望信息按照權值進行疊加后廣播發送；2)各區域內接收機均采用串行干擾抵消技術進行信息的解碼，以完成基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息接收，該方法根據發射機與接收區域之間的距離定義地理區域，利用非正交多址接入技術實現信息的傳輸，滿足接收機通信速率要求的同時僅需較小的發射功率。

【技術實現步驟摘要】
基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息傳輸方法
本專利技術屬于非正交多址接入
，涉及一種基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息傳輸方法。
技術介紹
基于位置信息的多地理區域廣播(Multi-RegionGeocasting)指的是，發射機將不同的信息傳輸給不同地理區域內的接收機，并且在同一區域內的接收機具有相同的期望信息的傳輸模式。利用基于位置信息的多地理區域廣播，新的服務和應用如基于地理位置的廣告，交通信息服務或者發布訂閱服務等都成為了可能。從無線通信的物理層的角度來看，區域最明顯的地理信息之一就是區域與發射機之間的物理距離。因此本專利技術首次將基于位置信息的多地理區域廣播應用于無線通信物理層。第五代移動通信系統(5G)將是一個高頻譜效率和高能量效率的通信系統。新興的無線通信技術中，非正交多址接入(Non-orthogonalmultipleaccess,NOMA)作為5G關鍵備選技術之一，受到學術界、工業界的高度重視與肯定。NOMA這一新型的多址接入方式打破了傳統正交多址接入方式(如TDMA，OFDMA等)的禁錮，利用用戶設備的計算能力以及用戶間的信道差異來實現同時、同頻的數據傳輸。NOMA技術的應用將使得5G通信系統中頻譜效率和能量效率得以顯著提升，海量用戶和設備的接入也將成為可能。NOMA不同于傳統的正交多址接入方式：在發射端，發射機采用疊加碼的方式廣播用戶信息，主動引入多用戶干擾。在接收端，串行干擾抵消(SuccessiveInterferenceCancellation,SIC)技術通常用于NOMA系統中以實現多用戶檢測。與傳統的正交多址接入相比，NOMA系統中的接收機復雜度有所提升，但可以獲得更高的頻譜效率。工業界，以日本NTTDoCoMo公司為代表。早在2010年，DoCoMO公司就開始了關于NOMA的相關研究，并且提出了系統化的初步方案。在DoCoMo提出的5G構想中，以前只能為單一的無線資源(比如按頻率和時間分割的塊)分配一個用戶，而NOMA方式可將一個資源分配給多個用戶。DoCoMo公司通過模擬，驗證了在城市地區采用NOMA的效果，并已證實，采用該方法可使無線接入宏蜂窩的總吞吐量提高50％左右。學術界，大量關于NOMA的學術論文在近年出現，它們分別從協作通信，認知無線電，資源分配等各種角度出發對NOMA進行了理論分析與研究。然而，對于在發射端配置多天線的NOMA通信系統，對發射端的波束形成矢量設計的優化問題的研究非常有限，現有專利技術專利也僅限于單天線上行NOMA系統。因此多天線NOMA系統的研究具有非常大的意義與應用前景。NOMA的本質是利用由于發射機不均勻的功率分配或者接收機天然的遠近效應所產生的用戶設備信干噪比差異來實現更高效的頻譜利用。各接收機之間天然的信道增益差異是運用NOMA的巨大優勢。因此，將NOMA運用于物理層的基于位置信息的多地理區域廣播系統具有巨大的潛力和益處。具體而言，發射機和區域之間的距離，不僅可以作為劃分區域的一個地理特征，同時使得不同區域內的接收機具有不同的信道增益。然而現有文獻以及專利技術專利沒有涉及物理層中基于位置信息多地理區域廣播系統，更沒提出使用NOMA的基于位置信息的多地理區域廣播系統傳輸方案及其設計方法。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息傳輸方法，該方法根據發射機與接收區域之間的距離定義接收區域的解碼順序，利用非正交多址接入技術實現信息的傳輸，滿足接收機通信速率要求的同時發射功率較小。為達到上述目的，本專利技術所述的基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息傳輸方法中的系統包括一個發射機及G個接收區域，每個接收區域內有Ug個接收機的無線通信系統模型，1≤g≤G；發射機配置M根天線，所有接收機均配置單天線；發射機采用非正交多址接入的方式實現多路信息同時同頻傳輸，不同接收區域內的接收機的期望信息不同，同一接收區域內各接收機的期望信息相同，所有接收機均利用串行干擾抵消技術實現信息解碼，則信息傳輸的過程為：1)首先根據發射機與各地理區域之間的平均距離確定各接收區域內接收機的解碼順序，然后計算基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的波束形成的權值，發射機再將所有區域的期望信息按照權值進行疊加后廣播發送；2)各區域內接收機均采用串行干擾抵消技術進行信息的解碼，以完成基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息接收。第g個接收區域內第u個接收機觀察到的信號yu,g為：其中，1≤u≤Ug，hu,g為從發射機到第g個接收區域內第u個接收機的瞬時信道狀態信息，sg為第g個接收區域內接收機的期望信息，wg為sg的發射端多天線波束形成權值。每個接收區域內的接收機對其期望信息成功解碼的最小信干噪比為則本專利技術所提出的多地理區域廣播系統中接收區域的期望消息的速率為其中，即為第g個接收區域內第u個接收機解碼sg時的信干噪比。設為發射機與第g個接收區域之間的最小距離，為發射機與第g個接收區域之間的最大距離，設為第g個接收區域與發射機之間的平均距離，對所有接收區域與發射機之間的平均距離進行排序，即其中，設平均距離最遠的一個接收區域為第一個接收區域，平均距離最近的一個接收區域為第G個接收區域，第g個接收區域內的接收機在解碼其期望信息之前，先使用串行干擾抵消技術解碼前g-1個接收區域的期望信息。設第g個接收區域內所有接收機都能夠成功解碼前g-1個接收區域的期望信息，即則第g個接收區域內第u個接收機解碼第i個接收區域的期望信息的信干噪比為：計算基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的波束形成的權值的具體操作為：設優化目標為最小化發射功率，約束條件為滿足每個接收區域內所有接收機解碼其期望信號的最小信干噪比，同時滿足每個接收機能夠實施串行干擾抵消技術，則優化問題為：其中，PMin為最小所需發射功率，以上優化問題可以進一步寫為：通過利用連續凸近似的優化方法求解所述優化問題，得到基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的波束形成的權值。本專利技術具有以下有益效果：本專利技術所述的基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息傳輸方法是利用非正交多址接入技術，首先根據發射機與接收區域之間的平均距離確定各接收區域內接收機的解碼順序，再計算發射機的波束形成的權值，然后再將所有區域的期望信息按照權值進行疊加后廣播發送，從而提高系統的頻譜效率，接收端采用串行干擾抵消技術進行信息的解碼；當各地理區域之間的平均距離差距越大，本專利技術的性能增益越大，從而通過較小的發射功率就可以保證所有用戶的通信速率要求。附圖說明圖1為本專利技術的系統信號模型；圖2為仿真實驗中采用的地理區域分布模型；圖3為采用圖2(A)中的區域分布模型時本專利技術與現有傳輸方案所需最小發射功率的對比圖；圖4采用了圖2(B)中的區域分布模型時本專利技術與現有傳輸方案所需最小發射功率的對比圖；圖5采用了圖2(A)中的區域分布模型時本專利技術與現有傳輸方案仿真結果的對比圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術做進一步詳細描述：參考圖1，本專利技術所述的基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息傳輸方法中所述系統包括一個發射機及G個接收區域，每個接收區域內有Ug個接收機的無線通信系統模型，1≤g≤本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息傳輸方法，其特征在于，所述多地理區域廣播系統包括一個發射機及G個接收區域，每個接收區域內有U

【技術特征摘要】
1.一種基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息傳輸方法，其特征在于，所述多地理區域廣播系統包括一個發射機及G個接收區域，每個接收區域內有Ug個接收機的無線通信系統模型，1≤g≤G；發射機配置M根天線，所有接收機均配置單天線；發射機采用非正交多址接入的方式實現多路信息同時同頻傳輸，不同接收區域內的接收機的期望信息不同，同一接收區域內各接收機的期望信息相同，所有接收機均利用串行干擾抵消技術實現信息解碼，則信息傳輸的過程為：1)根據發射機與各接收區域之間的平均距離確定各接收區域內接收機的解碼順序，然后計算基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的波束形成的權值，發射機再將所有區域的期望信息根據基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的波束形成的權值進行疊加后廣播發送；2)各接收區域內接收機均采用串行干擾抵消技術進行信息的解碼，完成基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息接收。2.根據權利要求1所述的基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息傳輸方法，其特征在于，第g個接收區域內第u個接收機觀察到的信號yu,g為：其中，1≤u≤Ug，hu,g為從發射機到第g個接收區域內第u個接收機的瞬時信道狀態信息，sg為第g個接收區域內接收機的期望信息，wg為sg的發射端多天線波束形成權值。3.根據權利要求1所述的基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息傳輸方法，其特征在于，每個接收區域內的接收機對其期望信息成功解碼的最小信干噪比為則多地理區域廣播系統中接收區域的期望消息的速率為其中，即為第g個接收區域內第u個接收機解碼sg時的信干噪比。4.根據權利要求1所述的基于非正交多址接入的多地理區域廣播系統的信息傳輸方法，其特征在于，設為發射機與第g個接收區域之間的最小距離，為發射機與第g個接收區域之間的最大距離，設為第g個接收區域與發射機之間的平均距離，對所有接收區域與發射機之間的平均距離進行排序，即其中，設平均距離最遠的一個接收區域為第一個接收區域，平均距離最近的一個接收區域為第G個接收區域，第g個接收區域內的接收機在解碼其期...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王慧明，張藝，
申請(專利權)人：西安交通大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61