本發(fā)明屬于非正交多址接入技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于非正交多址接入的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)的信息傳輸方法。

背景技術(shù)：

基于位置信息的多地理區(qū)域廣播(Multi-Region Geocasting)指的是，發(fā)射機(jī)將不同的信息傳輸給不同地理區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)，并且在同一區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)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(qū)域廣播，新的服務(wù)和應(yīng)用如基于地理位置的廣告，交通信息服務(wù)或者發(fā)布訂閱服務(wù)等都成為了可能。從無(wú)線通信的物理層的角度來(lái)看，區(qū)域最明顯的地理信息之一就是區(qū)域與發(fā)射機(jī)之間的物理距離。因此本發(fā)明首次將基于位置信息的多地理區(qū)域廣播應(yīng)用于無(wú)線通信物理層。

第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)將是一個(gè)高頻譜效率和高能量效率的通信系統(tǒng)。新興的無(wú)線通信技術(shù)中，非正交多址接入(Non-orthogonal multiple access,NOMA)作為5G關(guān)鍵備選技術(shù)之一，受到學(xué)術(shù)界、工業(yè)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(tǒng)正交多址接入方式(如TDMA，OFDMA等)的禁錮，利用用戶設(shè)備的計(jì)算能力以及用戶間的信道差異來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)、同頻的數(shù)據(jù)傳輸。NOMA技術(shù)的應(yīng)用將使得5G通信系統(tǒng)中頻譜效率和能量效率得以顯著提升，海量用戶和設(shè)備的接入也將成為可能。

NOMA不同于傳統(tǒng)的正交多址接入方式：在發(fā)射端，發(fā)射機(jī)采用疊加碼的方式廣播用戶信息，主動(dòng)引入多用戶干擾。在接收端，串行干擾抵消(Successive Interference Cancellation,SIC)技術(shù)通常用于NOMA系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)多用戶檢測(cè)。與傳統(tǒng)的正交多址接入相比，NOMA系統(tǒng)中的接收機(jī)復(fù)雜度有所提升，但可以獲得更高的頻譜效率。

工業(yè)界，以日本NTT DoCoMo公司為代表。早在2010年，DoCoMO公司就開(kāi)始了關(guān)于NOMA的相關(guān)研究，并且提出了系統(tǒng)化的初步方案。在DoCoMo提出的5G構(gòu)想中，以前只能為單一的無(wú)線資源(比如按頻率和時(shí)間分割的塊)分配一個(gè)用戶，而NOMA方式可將一個(gè)資源分配給多個(gè)用戶。DoCoMo公司通過(guò)模擬，驗(yàn)證了在城市地區(qū)采用NOMA的效果，并已證實(shí)，采用該方法可使無(wú)線接入宏蜂窩的總吞吐量提高50％左右。

學(xué)術(shù)界，大量關(guān)于NOMA的學(xué)術(shù)論文在近年出現(xiàn)，它們分別從協(xié)作通信，認(rèn)知無(wú)線電，資源分配等各種角度出發(fā)對(duì)NOMA進(jìn)行了理論分析與研究。然而，對(duì)于在發(fā)射端配置多天線的NOMA通信系統(tǒng)，對(duì)發(fā)射端的波束形成矢量設(shè)計(jì)的優(yōu)化問(wèn)題的研究非常有限，現(xiàn)有發(fā)明專(zhuān)利也僅限于單天線上行NOMA系統(tǒng)。因此多天線NOMA系統(tǒng)的研究具有非常大的意義與應(yīng)用前景。

NOMA的本質(zhì)是利用由于發(fā)射機(jī)不均勻的功率分配或者接收機(jī)天然的遠(yuǎn)近效應(yīng)所產(chǎn)生的用戶設(shè)備信干噪比差異來(lái)實(shí)現(xiàn)更高效的頻譜利用。各接收機(jī)之間天然的信道增益差異是運(yùn)用NOMA的巨大優(yōu)勢(shì)。因此，將NOMA運(yùn)用于物理層的基于位置信息的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)具有巨大的潛力和益處。具體而言，發(fā)射機(jī)和區(qū)域之間的距離，不僅可以作為劃分區(qū)域的一個(gè)地理特征，同時(shí)使得不同區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)具有不同的信道增益。然而現(xiàn)有文獻(xiàn)以及發(fā)明專(zhuān)利沒(méi)有涉及物理層中基于位置信息多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)，更沒(méi)提出使用NOMA的基于位置信息的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)傳輸方案及其設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種基于非正交多址接入的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)的信息傳輸方法，該方法根據(jù)發(fā)射機(jī)與接收區(qū)域之間的距離定義接收區(qū)域的解碼順序，利用非正交多址接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，滿足接收機(jī)通信速率要求的同時(shí)發(fā)射功率較小。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的基于非正交多址接入的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)的信息傳輸方法中的系統(tǒng)包括一個(gè)發(fā)射機(jī)及G個(gè)接收區(qū)域，每個(gè)接收區(qū)域內(nèi)有U_g個(gè)接收機(jī)的無(wú)線通信系統(tǒng)模型，1≤g≤G；發(fā)射機(jī)配置M根天線，所有接收機(jī)均配置單天線；發(fā)射機(jī)采用非正交多址接入的方式實(shí)現(xiàn)多路信息同時(shí)同頻傳輸，不同接收區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)的期望信息不同，同一接收區(qū)域內(nèi)各接收機(jī)的期望信息相同，所有接收機(jī)均利用串行干擾抵消技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息解碼，則信息傳輸?shù)倪^(guò)程為：

1)首先根據(jù)發(fā)射機(jī)與各地理區(qū)域之間的平均距離確定各接收區(qū)域內(nèi)接收機(jī)的解碼順序，然后計(jì)算基于非正交多址接入的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)的波束形成的權(quán)值，發(fā)射機(jī)再將所有區(qū)域的期望信息按照權(quán)值進(jìn)行疊加后廣播發(fā)送；

2)各區(qū)域內(nèi)接收機(jī)均采用串行干擾抵消技術(shù)進(jìn)行信息的解碼，以完成基于非正交多址接入的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)的信息接收。

第g個(gè)接收區(qū)域內(nèi)第u個(gè)接收機(jī)觀察到的信號(hào)y_u,g為：

其中，1≤u≤U_g，h_u,g為從發(fā)射機(jī)到第g個(gè)接收區(qū)域內(nèi)第u個(gè)接收機(jī)的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息，s_g為第g個(gè)接收區(qū)域內(nèi)接收機(jī)的期望信息，w_g為s_g的發(fā)射端多天線波束形成權(quán)值。

每個(gè)接收區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)對(duì)其期望信息成功解碼的最小信干噪比為則本發(fā)明所提出的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)中接收區(qū)域的期望消息的速率為其中，即為第g個(gè)接收區(qū)域內(nèi)第u個(gè)接收機(jī)解碼s_g時(shí)的信干噪比。

設(shè)為發(fā)射機(jī)與第g個(gè)接收區(qū)域之間的最小距離，為發(fā)射機(jī)與第g個(gè)接收區(qū)域之間的最大距離，設(shè)為第g個(gè)接收區(qū)域與發(fā)射機(jī)之間的平均距離，對(duì)所有接收區(qū)域與發(fā)射機(jī)之間的平均距離進(jìn)行排序，即其中，設(shè)平均距離最遠(yuǎn)的一個(gè)接收區(qū)域?yàn)榈谝粋€(gè)接收區(qū)域，平均距離最近的一個(gè)接收區(qū)域?yàn)榈贕個(gè)接收區(qū)域，第g個(gè)接收區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)在解碼其期望信息之前，先使用串行干擾抵消技術(shù)解碼前g-1個(gè)接收區(qū)域的期望信息。

設(shè)第g個(gè)接收區(qū)域內(nèi)所有接收機(jī)都能夠成功解碼前g-1個(gè)接收區(qū)域的期望信息，即則第g個(gè)接收區(qū)域內(nèi)第u個(gè)接收機(jī)解碼第i個(gè)接收區(qū)域的期望信息的信干噪比為：

計(jì)算基于非正交多址接入的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)的波束形成的權(quán)值的具體操作為：

設(shè)優(yōu)化目標(biāo)為最小化發(fā)射功率，約束條件為滿足每個(gè)接收區(qū)域內(nèi)所有接收機(jī)解碼其期望信號(hào)的最小信干噪比，同時(shí)滿足每個(gè)接收機(jī)能夠?qū)嵤┐懈蓴_抵消技術(shù)，則優(yōu)化問(wèn)題為：

其中，P_Min為最小所需發(fā)射功率，以上優(yōu)化問(wèn)題可以進(jìn)一步寫(xiě)為：

通過(guò)利用連續(xù)凸近似的優(yōu)化方法求解所述優(yōu)化問(wèn)題，得到基于非正交多址接入的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)的波束形成的權(quán)值。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述的基于非正交多址接入的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)的信息傳輸方法是利用非正交多址接入技術(shù)，首先根據(jù)發(fā)射機(jī)與接收區(qū)域之間的平均距離確定各接收區(qū)域內(nèi)接收機(jī)的解碼順序，再計(jì)算發(fā)射機(jī)的波束形成的權(quán)值，然后再將所有區(qū)域的期望信息按照權(quán)值進(jìn)行疊加后廣播發(fā)送，從而提高系統(tǒng)的頻譜效率，接收端采用串行干擾抵消技術(shù)進(jìn)行信息的解碼；當(dāng)各地理區(qū)域之間的平均距離差距越大，本發(fā)明的性能增益越大，從而通過(guò)較小的發(fā)射功率就可以保證所有用戶的通信速率要求。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)信號(hào)模型；

圖2為仿真實(shí)驗(yàn)中采用的地理區(qū)域分布模型；

圖3為采用圖2(A)中的區(qū)域分布模型時(shí)本發(fā)明與現(xiàn)有傳輸方案所需最小發(fā)射功率的對(duì)比圖；

圖4采用了圖2(B)中的區(qū)域分布模型時(shí)本發(fā)明與現(xiàn)有傳輸方案所需最小發(fā)射功率的對(duì)比圖；

圖5采用了圖2(A)中的區(qū)域分布模型時(shí)本發(fā)明與現(xiàn)有傳輸方案仿真結(jié)果的對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參考圖1，本發(fā)明所述的基于非正交多址接入的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)的信息傳輸方法中所述系統(tǒng)包括一個(gè)發(fā)射機(jī)及G個(gè)接收區(qū)域，每個(gè)接收區(qū)域內(nèi)有U_g個(gè)接收機(jī)的無(wú)線通信系統(tǒng)模型，1≤g≤G，發(fā)射機(jī)配置M根天線，所有接收機(jī)均配置單天線，發(fā)射機(jī)采用非正交多址接入的方式實(shí)現(xiàn)多路信息同時(shí)同頻傳輸；不同接收區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)的期望信息不同，同一接收區(qū)域內(nèi)各接收機(jī)的期望信息相同，所有接收機(jī)均利用串行干擾抵消技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息解碼，則信息傳輸?shù)倪^(guò)程為：

1)首先根據(jù)發(fā)射機(jī)與各地理區(qū)域之間的平均距離確定各接收區(qū)域內(nèi)接收機(jī)的解碼順序，然后計(jì)算基于非正交多址接入的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)的波束形成的權(quán)值，發(fā)射機(jī)再將所有區(qū)域的期望信息按照權(quán)值進(jìn)行疊加后廣播發(fā)送；

2)各區(qū)域內(nèi)接收機(jī)均采用串行干擾抵消技術(shù)進(jìn)行信息的解碼，以完成基于非正交多址接入的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)的信息接收。

第g個(gè)接收區(qū)域內(nèi)第u個(gè)接收機(jī)觀察到的信號(hào)y_u,g為：

其中，1≤u≤U_g，h_u,g為從發(fā)射機(jī)到第g個(gè)接收區(qū)域內(nèi)第u個(gè)接收機(jī)的瞬時(shí)信道狀態(tài)信息，s_g為第g個(gè)接收區(qū)域內(nèi)接收機(jī)的期望信息，w_g為s_g的發(fā)射端多天線波束形成權(quán)值。

每個(gè)接收區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)對(duì)其期望信息成功解碼的最小信干噪比為則本發(fā)明所提出的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)中接收區(qū)域的期望消息的速率為其中，即為第g個(gè)接收區(qū)域內(nèi)第u個(gè)接收機(jī)解碼s_g時(shí)的信干噪比。

設(shè)為發(fā)射機(jī)與第g個(gè)接收區(qū)域之間的最小距離，為發(fā)射機(jī)與第g個(gè)接收區(qū)域之間的最大距離，設(shè)為第g個(gè)接收區(qū)域與發(fā)射機(jī)之間的平均距離，對(duì)所有接收區(qū)域與發(fā)射機(jī)之間的平均距離進(jìn)行排序，即其中，設(shè)平均距離最遠(yuǎn)的一個(gè)接收區(qū)域?yàn)榈谝粋€(gè)接收區(qū)域，平均距離最近的一個(gè)接收區(qū)域?yàn)榈贕個(gè)接收區(qū)域，第g個(gè)接收區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)在解碼其期望信息之前，先使用串行干擾抵消技術(shù)解碼前g-1個(gè)接收區(qū)域的期望信息。

設(shè)第g個(gè)接收區(qū)域內(nèi)所有接收機(jī)都能夠成功解碼前g-1個(gè)接收區(qū)域的期望信息，即則第g個(gè)接收區(qū)域內(nèi)第u個(gè)接收機(jī)解碼第i個(gè)接收區(qū)域的期望信息的信干噪比為：

計(jì)算基于非正交多址接入的多地理區(qū)域廣播系統(tǒng)的波束形成的權(quán)值的具體操作為：

設(shè)優(yōu)化目標(biāo)為最小化發(fā)射功率，約束條件為滿足每個(gè)接收區(qū)域內(nèi)所有接收機(jī)解碼其期望信號(hào)的最小信干噪比，同時(shí)滿足每個(gè)接收機(jī)能夠?qū)嵤┐懈蓴_抵消技術(shù)，則優(yōu)化問(wèn)題為：

其中，P_Min為最小所需發(fā)射功率，以上優(yōu)化問(wèn)題可以進(jìn)一步寫(xiě)為：

通過(guò)利用連續(xù)凸近似方法可以求解該非凸優(yōu)化問(wèn)題的一個(gè)近似解，具體過(guò)程為：首先對(duì)作如下變換，并設(shè)

令為y(Φ_u,g,i)在處的一階泰勒展開(kāi)，則：

由于為線性表達(dá)式，且小于等于y(Φ_u,g,i)，因此利用代替原優(yōu)化問(wèn)題中的y(Φ_u,g,i)，則可以得到原始優(yōu)化問(wèn)題的一個(gè)內(nèi)部凸近似優(yōu)化問(wèn)題，如下所示：

其中，因此給定初始解為再通過(guò)迭代方式求得原始問(wèn)題在初始解附近的一個(gè)次優(yōu)近似解，從而求出局部最優(yōu)的波束形成的權(quán)值。

初始點(diǎn)的生成方法如下：

由于因此求解以下優(yōu)化問(wèn)題即可得到一個(gè)可行初始解：

用傳統(tǒng)凸優(yōu)化方法求解上式，則可得到初始解

為了進(jìn)一步展示本發(fā)明的傳輸方案的性能以及與參數(shù)之間的關(guān)系，圖3至圖5給出了仿真結(jié)果，從圖中可以看出，使用本發(fā)明在相同通信速率條件下，消耗功率更少。