本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种定向天线场景下的noma下行链路通信方法。
背景技术：
在无线通信技术领域，多址接入是重要的关键技术之一，为点到多点通信场景提供可靠保障。传统的多址技术主要是正交多址，即点到多点通信的各个用户采用相互正交的时间/频率/码字资源，相互之间不存在干扰，接收机实现相对简单。常见的正交多址技术包括频分多址(frequencydivisionmultipleaccess，fdma)、时分多址(timedivisionmultipleaccess，tdma)、码分多址(codedivisionmultipleaccess，cdma)、正交频分多址(orthogonalfrequencydivisionmultipleaccess，ofdma)。
随着人们对无线通信应用需求的不断增长，尤其是随着移动互联网的迅猛发展和在物联网万物互联的驱动下，有限的通信正交资源已经不能满足应用需求，现有的正交多址通信机制面临较大挑战。在这种背景下，人们开始寻找一些新兴的多址通信技术，其中非正交多址接入(nonorthogonalmultipleaccess，noma)得到业界广泛关注。与传统正交多址不同，noma在同一时间/频率/码字资源块内能够同时服务多个用户，通过在接收机中执行串行干扰消除(successiveinterferencecancellation，sic)，多用户之间的干扰可以被有效地抑制。在正交资源数目一定的情况下，noma可以服务更多用户，保证大规模接入应用；在用户数一定的情况下，通过采用noma可以减小通信资源划分粒度，单个用户可以得到更多的时间/频率/码字资源。总之，noma可以提高点到多点通信系统容量，而且可以减小资源分配所需的等待时延。
鉴于各正交多址技术的理论容量相同，在本发明中，为了方便描述，用fdma来代表传统正交多址技术，并将频率作为正交资源。noma技术在同一时间/频率/码字资源块内同时服务多个用户，通过配以不同的功率来加以区分，图1所示为k个用户场景下fdma与noma的比较示意图。在fdma情况下，每个用户获得的频率资源只占整个系统的一小部分，而在noma情况下，每个用户都可以获得全部频率资源。noma数据接收的sic过程按功率从大到小过程执行，接收功率较大用户信号时，将功率较小用户信号看作噪声，然后根据功率较大用户接收数据结果重建信号并从接收信号中减去，再完成功率较小用户信号接收。理论上，noma可以在任意多个用户间实现频率资源共享，但在实际实现时，为了避免过高的复杂度，通常在两个用户之间应用noma技术，即用户数为系统频率资源数的两倍。
本发明主要关注两个用户情况下的noma下行链路，图2给出了现有系统实现示意图，其中s1及s2分别为近端用户及远端用户的原始发送信号。在中心站点发送功率归一化的前提下，近端用户及远端用户分别对应的功率分配因子为μ及1-μ(0＜μ＜1)，通过信号叠加后发出。由于远端用户经历的衰减较大，通常需分配比近端用户更大的功率，即0＜μ＜1/2。近端用户接收机采用sic完成数据接收，先将近端用户信号看作噪声的一部分，对远端用户信号进行解调及译码，并根据得到的远端用户数据重建远端用户在接收信号中的形式，再从接收信号中减去远端用户的重建信号完成干扰消除，随后再执行近端用户信号的解调及译码，得到所需的近端用户数据结果。在远端用户接收机中，直接将近端用户信号作为噪声的一部分完成解调译码，得到接收数据。
noma相对于fdma的容量增益主要由功率分配因子μ决定，理论上为了获得最大的容量和，应该将功率全部分配给距中心站点更近的近端用户，但这样将会导致远端用户无法接入。因此，一般两个用户都需要满足一定的容量门限，一般而言，可以将容量下限设置为在采用fdma情况下各自的容量。
图2中的功率分配问题可以描述为
这里，计算容量时带宽都假定为1hz，γ代表将功率及频率资源全部分配给近端用户时的信噪比(signaltonoiseratio，snr),γ/λ(λ＞1)为将功率及频率资源全部分配给远端用户时的snr。根据自由空间衰减模型，可以认为λ为远端用户与近端用户距中心站点距离之比的平方。式(1.a)及式(1.b)分别表示近端用户及远端用户在noma情况下的容量均不小于在fdma情况下的容量(假定fdma情况下两用户频率及功率资源平均分配)。可以推导得出，满足式(1)最大化的功率分配因子正好使式(1.b)取等号，即为
这种情况下，远端用户的功率只需使其容量等于容量约束下限，而将功率尽可能分配给近端用户，以获得最大的容量增益(可以推导得出noma在式(2)所示的功率分配因子下，近端用户的容量一定不小于fdma情况)。
在现有noma技术体制下，如果远端用户接收机能够将远端用户的数据正确接收，则在近端用户接收机也一定能够将远端用户的数据正确接收，从而完成sic。这是因为在近端用户，执行远端用户信号解调时的等效snr为
现有noma技术方案基于全向天线场景进行设计，即只要用户离中心站点的距离相同，其接收信号的强度固定不变。然而，实际情况下为了保证信号传输的有效性，一般需要采用定向天线，从而获取一定的天线增益。这在固定无线通信场景下尤其得到普遍应用，例如无线移动回传、无线视频监控等等。在中心站点，针对每个用户分别配置一根天线，发送各用户对应的信号。图3所示为两个用户通信链路夹角θ较大时的定向传输示意图，中心站点有两根天线，分别对准近端用户及远端用户，并发送两个用户各自的信号，由于空间隔离，即使在相同的频率资源内，两用户存在的干扰也较小，形成空分多址(spacedivisionmultipleaccess，sdma)模式。在近端用户接收机中，将远端用户的信号看作噪声，不需通过sic消除干扰；而在远端用户接收机，同样将近端用户的信号看作噪声。总之，在这种用户间通信链路夹角较大的情况下，sdma相对于传统的fdma增加了一个新的复用维度，资源复用效率可以得到成倍提升，不需考虑noma技术的应用。
当通信链路夹角θ较小时，天线空间隔离较小，两用户间的干扰较强，各用户接收机不能直接将另一个用户的信号视作噪声。现有fdma等正交多址技术可以直接应用，但fdma的系统容量较小，有必要探索如何基于noma技术提高系统容量。
然而，现有noma技术无法直接应用于定向天线场景。一方面，现有noma技术下的功率分配不适用于定向天线场景，这是因为现有功率分配方案假定中心站点发送一个惟一的叠加信号。然而，在定向天线场景下，在中心站点为每个用户配备一根天线，分别发送相应用户的信号，现有技术方案并未考虑这种情况下的功率分配问题。另一方面，现有noma技术下不需要考虑近端用户执行sic时对远端用户的snr需求，因为近端用户接收到的远端用户信号功率一定大于远端用户本身接收到的相应信号功率，只要远端用户接收机本身能够正常解调自身信号，近端用户也一定能够解调出远端用户的信号。在定向天线场景下，由于天线之间的方向性隔离，近端用户接收到的远端用户信号功率可能小于远端用户接收到的相应信号功率，所以在近端用户接收机中不但需要考虑自身信号的snr需求，而且要考虑sic过程中对远端用户的等效snr需求。
技术实现要素：
本发明主要针对定向天线场景的两用户或多用户下行链路，在通信链路夹角较小的情况下提出适用的noma技术方案，使得容量相对于fdma等正交多址得到提升。
本发明首先公开了一种定向天线场景下的noma下行链路通信方法，其针对定向天线场景的两用户下行链路，具体包括如下步骤：
记通信链路夹角为θ；中心站点远端用户天线全部发送远端用户信号，而近端用户天线发送功率在两用户之间进行分配，且在近端用户天线中，近端用户及远端用户所对应的功率分配因子为μ及1-μ；
近端用户天线直接对准近端用户本身，远端用户天线向近端用户偏一定角度
作为本发明的优选方案，所述的角度
1)令
函数g(·)代表在一定方向角情况下相对于对准位置处的增益，其随着偏移角度的增大而变小；γ代表只有近端用户在工作时的snr；λ为远端用户与近端用户距中心站点距离之比的平方，且γ/λ为只有远端用户在工作时的snr；
当出现μ1＜μ2时转至步骤2)，否则，转至步骤3)；
2)将中心站点远端用户天线的指向逐渐偏向近端用户，对于不同偏移角度
直至搜索到
3)设定远端用户天线指向偏移角度
更进一步的，所述的功率分配因子μ的确定方法如下：
在步骤2)中，当搜索到
在步骤3)中，当设定远端用户天线指向偏移角度
作为本发明的优选方案，在步骤2)中搜索
作为本发明的优选方案，所述的近端用户及远端用户天线发送的信号分别表示为
本发明还进一步公开了一种定向天线场景下的noma下行链路通信方法，其针对定向天线场景的多用户下行链路；其中所述的多用户指用户数大于2；
所述方法为：对多用户进行分组，每组不超过两个用户，然后在具有两个用户的各组内部采用本发明所述针对两用户下行链路的通信方法，在各组用户间采用正交多址接入方法或者sdma方法。
本发明将noma技术方案应用到定向天线场景下的下行链路中，在两用户通信链路夹角较小时相对于现有的fdma等正交多址或sdma接入技术，可以获得通信容量提升。
附图说明
图1为fdma与noma资源复用对比图；
图2为现有noma技术方案实现示意图；
图3为通信链路夹角较大时的定向传输示意图；
图4为通信链路夹角较小时的定向传输示意图；
图5为本发明noma技术方案实现示意图；
图6为本发明技术方案实现流程图；
图7为andrew公司15ghz频点0.3m直径的抛物面天线方向图；
图8为远端用户距中心站点400m时的容量对比图；
图9为远端用户距中心站点2000m时的容量对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图5所示，本发明的主要技术策略包括：第一，在功率分配方面，由于远端用户的链路衰减大，中心站点远端用户天线全部发送远端用户信号，而近端用户天线发送功率在两用户之间进行分配，且在近端用户天线中，近端用户及远端用户所对应的功率分配因子分别为μ及1-μ；第二，由于远端用户信号到近端用户存在天线方向性隔离，远端用户天线不再直接对准远端用户本身，而是向近端用户偏一定角度
在本发明技术方案下，需求解的参数包括中心站点近端用户天线功率分配因子μ，以及远端用户天线角度偏移量
这里，函数g(·)代表在一定方向角情况下相对于对准位置处的增益，其随着偏移角度的增大而变小；γ代表只有近端用户在工作时的snr(近端用户占用全部频率资源，中心站点近端用户天线对准近端用户且全部功率均分配给近端用户)；λ为远端用户与近端用户距中心站点距离之比的平方，且γ/λ为只有远端用户在工作时的snr(远端用户占用全部频率资源，中心站点远端用户天线对准远端用户且全部功率均分配给远端用户)。式(3)中，log2(1 μγ)为本发明noma技术方案下近端用户在单位带宽下的容量；
远端用户的容量本来为min{c1,c2}，其中c1随
可以推导得出，在给定远端用户的天线角度偏移量
为了最大化总容量，功率分配因子应该最大化，结合式(2.b)及以上分析可得μ1≥μ2＝μ，而且μ1＞μ2只可能在
综上所述，如图6所示，求解近端用户天线功率分配因子μ和远端用户天线角度偏移量
s01:以远端用户容量等于fdma情况为前提，在远端用户天线指向偏移角度
，当出现μ1＜μ2时转至s02，否则转至s03；
s02:将中心站点远端用户天线的指向逐渐偏向近端用户，对于不同偏移角度
s03:设定远端用户天线指向偏移角度
理论上，在得到功率分配因子μ之后，还需验证式(3.a)的成立条件，如果不成立则说明相应场景下采用本发明noma技术方案已经无法获得比fdma更高的容量。不过，如果本发明技术方案容量无法超过fdma，则两用户间的通信链路夹角已经较大，这时采用sdma可以获得比fdma更高的容量。因此，在实际应用时，只需将本发明技术方案的容量与sdma比较，如果大于sdma容量则采用本发明技术方案，否则采用sdma。
需要指出，实际场景中，当用户数大于两个时，可以采用相关用户分组算法先对用户进行分组，每组不超过两个用户，然后在具有两个用户的各组内部采用本发明所述针对两用户下行链路的通信方法，而在各组用户间采用现有的正交多址接入技术或者sdma技术。
下面结合实际场景，给出仿真结果。
天线方向图参考andrew公司的15ghz频点0.3m直径的抛物面天线，如图7所示。近端用户与中心站点的距离设定为200m，且只有近端用户工作时的snr为γ＝30db，远端用户与近端用户通信链路夹角范围设置为0-5度。
图8给出了远端用户与中心站点距离为400m时的容量对比，相应的λ＝(400/200)2＝4。可以看到，本发明技术方案相对于fdma有10％左右的容量增益，且在通信链路夹角小于3.5度时，本发明技术方案相对于sdma容量也更大。sdma方案的容量受通信链路夹角影响较明显，夹角较小时，容量甚至低于fdma。
图9给出了远端用户与中心站点距离为2000m时的容量对比，相应的λ＝(2000/200)2＝100。这种情况下，本发明技术方案相对于fdma有40％左右的容量增益。因此，两用户通信距离差异越大，本发明针对定向天线场景下的noma技术方案容量增益越显著，这与现有全向天线场景下的noma技术有类似特点。在通信链路夹角小于4度时，本发明技术方案相对于sdma容量也更大。另外，也可以看到，当链路夹角大于4度时，本发明技术方案的容量有缓慢下降的趋势，这是因为天线方向性隔离对近端用户sic造成的不利影响逐渐增强导致。总之，本发明在定向天线场景下两用户通信链路夹角较小时有较强应用价值，特别是在两用户通信距离差异较大情况下容量增益更突出。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
1.一种定向天线场景下的noma下行链路通信方法，其特征在于：针对定向天线场景的两用户下行链路，记通信链路夹角为θ；
中心站点远端用户天线全部发送远端用户信号，而近端用户天线发送功率在两用户之间进行分配，且在近端用户天线中，近端用户及远端用户所对应的功率分配因子分别为μ及1-μ；
近端用户天线直接对准近端用户本身，远端用户天线向近端用户偏一定角度
2.根据权利要求1所述的定向天线场景下的noma下行链路通信方法，其特征在于：所述的角度
1)令
函数g(·)代表在一定方向角情况下相对于对准位置处的增益，其随着偏移角度的增大而变小；γ代表只有近端用户在工作时的snr；λ为远端用户与近端用户距中心站点距离之比的平方，且γ/λ为只有远端用户在工作时的snr；
当出现μ1＜μ2时转至步骤2)，否则，转至步骤3)；
2)将中心站点远端用户天线的指向逐渐偏向近端用户，对于不同偏移角度
直至搜索到
3)设定远端用户天线指向偏移角度
3.根据权利要求2所述的定向天线场景下的noma下行链路通信方法，其特征在于：所述的近端用户功率分配因子μ的确定方法如下：
在步骤2)中，当搜索到
在步骤3)中，当设定远端用户天线指向偏移角度
4.根据权利要求2所述的定向天线场景下的noma下行链路通信方法，其特征在于：在步骤2)中搜索
5.根据权利要求1所述的定向天线场景下的noma下行链路通信方法，其特征在于：所述的近端用户及远端用户天线发送的信号分别表示为
6.一种定向天线场景下的noma下行链路通信方法，其特征在于：所述方法针对定向天线场景的多用户下行链路；其中所述的多用户指用户数大于2；
对多用户进行分组，每组不超过两个用户，然后在具有两个用户的各组内部采用权利要求1-5任一项所述的方法，在各组用户间采用正交多址接入方法或者sdma方法。
技术总结