基于非正交多址接入的空域TDD无线通信方法及基站、终端

技术领域

本发明涉及一种基于非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，简写为NOMA)的空域TDD(时分双工)无线通信方法及基站、终端，属于无线通信技术领域。

背景技术

超密集异构网络(UDN)是处理5G网络中1000×数据挑战的潜在技术之一。超密集异构网络(UDN)中的无线回传方案，包括传统的OMA方案、基于空域TDD的无线回传方案以及基于非正交多址接入的无线回传方案等。

参见图4所示，现有基于空域TDD的无线回传方案，在相同的时频资源上，宏基站(简写为MBS)要么只能为宏用户提供无线接入，要么只能为小基站(简写为SBS)提供无线回传。而且，当SBS在给小小区用户(简写为SUE)和MBS发送信息时，如果宏用户(简写为MUE)也向MBS发送信息，那么MUE将会对SUE的接收信号和MBS的回传接收信号产生难以预测的干扰。这是因为MUE只有1根天线，不能采用波束形成发送。而且，就算MUE能用波束形成方案实现发送，MUE也不知道其与SUE之间的信道矩阵，还是会产生不可预测的干扰。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于非正交多址接入的空域TDD无线通信方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种使用上述空域TDD无线通信方法的基站。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种使用上述空域TDD无线通信方法的终端。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于非正交多址接入的空域TDD无线通信方法，适用于包括宏基站、多个小基站、多个由所述宏基站服务的宏用户，以及多个由所述小基站服务的小小区用户的网络，包括以下步骤：

宏基站确定与所述小基站位于相同波束空间的所述宏用户的集合，将所述小基站与所述宏用户进行配对；

所述宏基站在第一帧，利用相同波束，在相同时频资源上向所述小基站和与所述小基站在同一波束空间的所述第一宏用户发送信息；

所述宏基站在第二帧，接收来自所述宏用户和所述小基站的信息，

所述第一帧与所述第二帧是同一时隙内的不同帧。

其中较优地，在所述第一帧第二频段，所述宏基站向所述第二宏用户发送信息；

所述第一帧第二频段与所述时频资源具有不同的频段。

其中较优地，所述宏用户包括与所述小基站配对的第一宏用户，以及不同于所述第一宏用户的第二宏用户；

所述宏基站在所述第一帧第二频段，利用不同于所述相同波束的独立波束向所述第二宏用户发送信息。

其中较优地，所述宏基站在所述第二帧第一频段接收来自所述小基站的信息，在所述第二帧第二频段接收来自所述宏用户的信息。

其中较优地，所述小基站在所述第一帧接收来自所述小小区用户的信息；在所述第二帧向所述小小区用户发送信息。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种使用上述空域TDD无线通信方法的基站，所述基站利用非正交多址接入技术，在所述相同波束和相同时资源发送叠加信号给配对的所述小基站和所述宏用户；

所述叠加信号是所述宏基站发送给所述小基站的信号，加上所述宏基站发送给所述宏用户的信号。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种使用上述空域TDD无线通信方法的终端，由宏基站提供服务；其中，在第一帧，所述终端接收来自所述宏基站的叠加信号；在第二帧，所述终端向所述宏基站发送信息。

其中较优地，所述终端与所述宏基站服务的小基站在同一波束空间，并且与所述小基站配对；

所述第一帧与所述第二帧是同一时隙内的不同帧；

所述叠加信号是所述宏基站发送给所述小基站的信号，加上所述宏基站发送给所述宏用户的信号。

其中较优地，所述终端在所述第一帧第一频段接收所述宏基站的信息；在所述第二帧第一频段向所述宏基站发送信息；

所述第一帧第一频段不同于所述第二帧第一频段。

根据本发明实施例的第四方面，提供一种使用上述空域TDD无线通信方法的终端，由宏基站提供服务；其中，在第一帧第二频段，所述终端接收来自所述宏基站的信息；在第二帧，所述终端向所述宏基站发送信息；而且，所述终端与所述宏基站没有配对，所述第一帧不同于所述第二帧，所述第一帧第二频段不同于所述第一帧第一频段，所述第一帧第一频段用于与所述宏基站配对的小基站接收来自所述宏基站的信息。

利用本发明所提供的空域TDD无线通信方法，宏基站在相同的时频资源中利用非正交多址接入技术在相同的空间波束内同时为小基站提供无线回传和为宏用户提供无线接入，显著提高了频率利用率。

附图说明

图1为用于实施本发明的超密集异构网络的示意图；

图2为本发明提供的空域TDD无线通信方法的示意图；

图3为本发明提供的空域TDD无线通信方法的操作流程图；

图4为现有技术的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步地详细说明。

如图1所示，在超密集异构网络(UDN)的一个示例中，宏基站(MBS)在正交的空域中为多个宏用户(MUE)服务，也为小基站(SBS)提供无线回传。SBS为多个小小区用户(SUE)服务。其中，每个大规模MBS与S个SBS共存。假设MBS有N根天线数，第S个SBS安装有M

在基于MIMO空间复用和时间分割的空域TDD技术中，SBS利用MIMO技术与MBS进行通信，并服务其关联的单天线的小小区用户(SUE)，而下行链路(DL)和上行链路(UL)传输在时间上分开。而且，从SBS到MBS的信道，与从SBS到SUE的信道为正交信道。

非正交多址接入(NOMA)技术可以提高频谱效率(rate/bandwigth)和接入量。图2中给出了基于非正交多址接入的空域TDD传输技术的示意图。其中，上行链路(UL)和下行链路(DL)在相同的频带B不同时间传输。长度为T的时隙动态地分为2个帧：具有长度λ·T的第一帧和长度为(1-λ)·T的第二帧。系数λ∈(0,1)称为时间分割因子，需要动态地进行优化。

在第一帧中，各SBS均为接收模式。为了避免SUE的上行链路发送信号对MUE接收信号的干扰，在第一帧中将带宽B分割成2个部分，第一频段为λ

具体地说，在第一帧进行的下行链路(DL)传输包括：在λ

在第二帧中，各SBS均为发射模式，此时MUE同样是UL发送模式。为了避免MUE的发射信号对SUE的接收信号和MBS的回传信号接收造成干扰，在该帧中将整个频段分成2部份，分别用于SBS和MUE的发射。其中，在第二帧第一频段λ

因此，在第二帧进行的上行链路(UL)传输包括：在λ

下面结合图2和图3具体介绍本发明所提供的空域TDD无线通信方法。

众所周知，线性预编码技术，例如迫零(ZF)波束形成在大规模MIMO系统中能实现接近最优的性能。当接收机安装1根天线时，ZF波束形成适合于下行链路传输。而且，当用户具有多根天线时，多用户干扰可利用低复杂度的块对角化(BD)来抑制，因此，本发明将BD技术作为从MBS到SBS的下行链路传输的波束形成技术，ZF技术作为SBS到SUE和MBS到MUE的下行链路传输。

在此基础上，本发明所提供的空域TDD无线通信方法包括以下步骤。

步骤1：MBS基于波束空间，确定在相同波束中的SBS与MUE的配对。

首先，为了利用非正交多址接入技术使MUE与SBS复用相同的空域波束，需要确定，相对于MBS，与第s个SBS位于相同的波束空间的宏用户(MUE)集合，s＝1,2,…,S，S为由宏基站(MBS)提供回传的小基站(SBS)的数量。假设MBS与第s个SBS之间具有波束空间，用F

MBS确定F

首先计算MBS与第s个SBS之间的特征波束空间。

MBS与第s个SBS之间的无线回传信道经历瑞利衰落，并且用

用户k∈Λ

假设从MBS到第f个MUE的信道矩阵为

假设U

其次，判断各MUE是否在特征波束

具体方法如下：

对于第f个MUE(f＝1,2,…,F)，计算

F

在本发明的实施例中，将与SBS完成配对的MUE，称为第一宏用户(即F

步骤2：MBS在第一帧，利用不同波束向MUE和SBS发送信息

在第一帧第一频段，λ

进一步，针对与前述相同空间波束中配对的SBS和MUE，MBS在λ

同时，在λ

下面进一步介绍在第一帧第一频段λ

在该频段中，第s个SBS为接收模式。MBS利用非正交多址接入技术，在相同的空域资源中同时为第s个SBS提供无线回传和为F

利用块对角化(BD)技术设计关于第s个SBS的回传链路的波束形成矩阵

假设U

为了使MBS能利用非正交多址接入技术在相同的空域资源中同时为第s个SBS提供无线回传和为F

假设

因此，第s个SBS的接收信号可以表示为：

上式中，

上述方法在各SBS端采用迫零ZF检测算法，分离来自MBS和用户SUEs的信号。因此，第s个SBS端的解调矩阵Z

可得，rank(G

因此，有rank(O

此外，F

然后，F

接下来，介绍在(1-λ1)B频段中MBS与没有配对的其他MUE的无线传输方案。在(1-λ1)B频带中，MBS对于那些没有参与配对的MUE，采用常规的多用户MIMO方案进行DL传输。MBS采用常规的迫零(ZF)预编码方案，而且MUE采用常规的无线接收方案(例如ZF)来获取自己的信息符号。

因此在第一帧，SBS和MUE为接收模式，MBS和SUE为发送模式。

步骤3：MBS在第二帧，接收来自MUE和SBS的信息。

在该帧中，SBS和MUE均为发射模式。各SBS同时给MBS和其关联的SUE发送信息。具体为：λ

在第二帧第一频段(λ

首先，SBS发送给用户SUE的信号利用ZF进行预编码，这样就消除了用户间的干扰。波束形成矩阵为

既然MBS安装有大量的天线，SBS发送到MBS的信号在与SUE用户所用的信道相正交的信道中进行发送，以防止在用户SUE处产生过大干扰。关于MBS的波束形成矢量

式中，

与第s个SBS关联的SUE用户k，利用其接收到的信号，解调并得到发送给该SUE的信息符号。

与第s个SBS关联的SUE用户k的速率可表示为：

式中，来自其他SBS的干扰可以表示为：

另一方面，MBS的接收信号为：

式中，n

然而，SBS发送给用户SUE的信号被看作为干扰。因此，MBS接收的来自第s个SBS的数据速率可以表示为：

式中，由第s个SBS发送给MBS的信号产生的干扰可表示为：

在第二帧第二频段(即(1-λ

在此帧中，MUE为发射模式。利用常规的多用户MIMO的上行链路发送方案，MUE将信息符号发送给MBS。

然后，MBS采用常规的无线接收方案(例如ZF)接收和解调接收到的信号，从而得到各MUE发送的信息。

本发明实施例中利用非正交多址接入技术，使宏基站(MBS)在相同的时频资源和波束资源内，同时为该波束中配对的小基站(SBS)和MUE提供无线回传和无线接入。而且，当SBS处于发射模式时(即第二帧)，SBS利用第一频段给SUE和MBS发送信息时，MUE利用第二频段向MBS发送信息，避免了MUE对SUE接收信号和MBS的回传接收信号的干扰。

在第一帧中，宏基站(MBS)基于波束空间对MUE和SBS进行配对；然后利用非正交多址接入技术，在下行链路中，使用相同的时-频资源，对已配对的MUE和SBS(例如图2中的MUE2和SBS 3)提供服务，实现MUE的接入以及SBS与MBS之间的回传，从而显著提高了频谱利用率。

另一方面，本发明实施例中的终端—宏用户(MUE)，由宏基站提供服务。在相同的波束中，利用非正交多址接入技术，在相同的时-频资源与配对的SBS同时接收来自MBS的信息，可以提高频谱利用率。该终端在第一帧接收来自宏基站的叠加信号；在第二帧向宏基站发送信息，其中，终端与宏基站服务的小基站在同一波束空间，并且与小基站配对；第一帧与第二帧是同一时隙内的不同帧；叠加信号是宏基站发送给小基站的信号，加上宏基站发送给宏用户的信号。

以上对本发明所提供的基于非正交多址接入的空域TDD无线通信方法及基站、终端进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。