[发明专利]基于大规模MIMO的非正交多址接入方法

权利要求书

1.一种基于大规模MIMO的非正交多址接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定最优解调顺序：若K个用户具有相同的目标传输速率，令用户索引k表示其解调序号，则当且仅当各用户的路径损耗系数满足β₁≥β₂≥…≥β_K时，其中功率域NOMA系统中用户的总发射功率最小，此时接收机的解调顺序最优，保证距离基站较近的用户始终优先解调；

步骤2：确定用户的接收功率：假设用户的目标传输速率为R_k，为了简化表达，引入中间变量其中B是系统带宽，则当各用户的目标传输速率R_k相等时，可得此外，各用户间的功率差也相等：则各用户的接收功率如下式所示：

或者根据用户的最优解调顺序，用户接收功率的通式表示为：

其中β_k是路径损耗系数，p_k为用户k的上行发射功率；

步骤3：确定用户的最优发射功率：确定用户最优发射功率的方法包括：在理想全局信息下，基于中断概率准则确定最优发射功率和在无需全局信息下，基于路径损耗部分补偿确定最优发射功率；

步骤4：确定数据帧结构：接入同一基站的不同用户遵循相同的上行链路帧结构同步发送，用户所使用的时隙长度不超过无线信道的相干时间；

步骤5：导频选择方式：用户获得导频的方式为各个用户独立的从给定导频集合里面随机选择自己所使用的导频；

步骤6：在步骤4和步骤5的基础上，多个用户终端以最优发射功率发送信号给基站，基站接收到信号后，借助大规模MIMO的信道硬化能力，仅在天线端对多用户的复合信道进行估计，并利用串行干扰消除技术，最终完成全部用户信号的恢复；

在理想全局信息下，基于中断概率准则确定最优发射功率的具体步骤为：

将用户k的信号成功解调这一事件记为A_k，则用户的信道容量约束表示为：

其中h_k是用户k的小尺度衰落信道，M代表天线的数量，N₀为等效噪声的方差，B是系统带宽，R_k是用户k的目标传输速率，引入中间变量上述用户的信道容量约束条件变为：

为了进一步简化表达，引入中间变量γ_k＝‖h_k‖⁴/M，则式(10)写成：

引入系数b_k，并定义如下函数形式：

其中，若l＝k，则b_l＝a_l，否则b_l＝-φ_ka_l；

综上，用户的信道容量约束表示为：

其中N₀为等效噪声的方差，Γ_k(γ_k,γ_k+1,...,γ_K)表示多个服从非中心卡方分布的独立随机变量线性组合的形式，不同用户对应的函数可近似为：

其中μ_k和ν_k为引入的中间变量，是自由度为d_k的卡方分布；

其中：

利用步骤2中的公式(8)，可得于是有：

当确定为最优解调顺序时，f₁(k)、f₂(k)和f₃(k)为常数，具体定义如下所示：

利用上述的公式推导，可将公式(15)-公式(17)进一步简写为：

其中ψ₁(k)、ψ₂(k)和ψ₃(k)为常数，

其中ψ₁(k)≥0对任意k成立，则公式(13)简写为：

其中，ε是最大容许中断概率，由于卡方分布的自由度在实际取值中一般为非整数，所以卡方分布变为参数为ψ₃(k)≥2和1/2的Gamma分布，记Gamma分布累计概率密度函数的反函数为F^-1(p；ψ₃(k)/2,1/2)，于是用户k的中断概率约束表示为：

令：

η₀＝(ψ₁(k)F^-1(ε；ψ₃(k)/2,1/2)+ψ₂(k))，

则公式(28)简化为：

(η₀-η₁)λ²-η₂λ-η₃≥0. (29)

其中k,K0,M0,φ0,λ0，故η₁0,η₂0,η₃0，当η₀＝ψ₁(k)F^-1(ε；ψ₃(k)/2,1/2)+ψ₂(k)≤0时，中断约束不成立，另外要保证λ解集非空，同时η₀η₁必须成立，则公式(29)表示为：

由于用户的接收功率始终为正，则公式(30)中λ0的部分被忽略，η₁,η₂,η₃为常数，而η₀是k的函数，因此定义λ(k)：

其中λ(k)关于k单调递增，多个用户的中断概率约束转化为单个用户中断概率约束中最紧的一个，则K个用户功率域NOMA系统的中断约束为：

λ≥λ(k)k＝1,2,...,K, (32)

公式(32)结合公式(31)，得出如下公式：

将求得的λ带入上述公式(8)中，得出用户最优发射功率的表达式：

步骤6中对多用户的复合信道进行估计的具体步骤为：

对于共用导频序列c_i的K个用户，基站接收的导频信号Y_c为：

其中：g_k为用户k对应的上行信道增益，p_k为用户k的上行发射功率，为接收导频信号的加性高斯噪声矩阵，

然后根据最小二乘估计，基站获得导频序列编号i上K个用户的等效复合信道：

其中：(·)^H代表矩阵的共轭转置操作，h_k是用户k的小尺度衰落信道，复合噪声是M×1维向量，且满足CN表示复高斯随机分布；

步骤6中利用串行干扰消除技术，完成全部用户信号恢复的具体步骤为：

假设用户的数据符号与导频序列的功率相等，当用户发送符号时，基站接收的数据信号是：

其中s_k为用户k的上行数据符号，β_k为路径损耗系数，z为接收噪声，满足

利用导频信号传输获得的信道估计，基站对接收的数据符号进行最大比合并，从而恢复数据符号，具体如下所示：

其中M代表天线的数量，k'、k均代表用户索引，且k'≠k，公式(5)的第一部分是各用户数据符号的加权和，权值β_kp_k‖h_k‖²/M与发射功率、上行信道及基站天线数有关，第二部分是等效噪声，用w表示；

随着天线数M的不断增加，式(5)中等效噪声w也将收敛于复高斯分布：w～CN(0,N₀)

其中

其中，σ代表白噪声的标准差，当公式(5)第一部分中的权值β_kp_k‖h_k‖²/M符合功率域NOMA系统的相关信号功率约束时，基站则根据最优解调顺序逐个解调用户的数据符号，进行干扰消除，从而恢复全部用户的信号。

2.如权利要求1所述的基于大规模MIMO的非正交多址接入方法，其特征在于，所述数据帧结构中的导频时隙和数据时隙长度可以根据实际需要进行灵活设计。