一种基于非正交多址技术的共生无线电网络设计方法技术

本发明专利技术属于无线通信技术领域，具体的说是涉及一种基于非正交多址技术的共生无线电网络设计方法。本发明专利技术首先估计所有BD射信号的能量，然后采用高能量优先匹对准则对BD进行集群划分；在传输数据时，集群内采用NOMA即该集群内的所有BD可以在对应的时隙中同时进行数据传输，而对于不同集群间则采用TDMA即每个时隙只允许一个集群工作；此外，一种基于集群互助供能的能量吸收方式被提出，即对于其他集群内的BD而言，不仅可以从基站传输来的主信号中吸收能量也可以从当前正在进行传输的集群所反射的信号中吸收能量。本发明专利技术的优势在于，在保证低功耗和频谱利用率高的前提下，系统性能相较于采用传统传输协议的通信系统性能有了一定的提升。定的提升。定的提升。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非正交多址技术的共生无线电网络设计方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体的说是涉及一种基于非正交多址技术(non
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orthogonal multiple access,NOMA)的共生无线电网络(symbiotic radio network,SRN)设计方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着信息时代中数据的爆炸性增长，物联网(Internet of Things,IoT)产业得到了长足的发展，其中大规模物联网的使用变得越来越频繁。在大规模物联网中，对于能量、频谱等珍贵资源都有了全新且更高的要求。然而传统无线通信网络普遍存在着能量供应不足、频谱利用率低下等问题，一定程度上减缓了物联网产业的发展脚步，使得物联网产业的发展遇到了前所未有的瓶颈。因此，在传统的无线通信网络中引入低功耗、高频谱利用率的技术迫在眉睫，这些技术能够有效地缓解当前物联网产业所面临的问题。其中，环境反向散射通信技术(ambient backscatter communication,AmBC)便是近年来发展较快的一种低功耗高频谱利用率的技术。在AmBC中，反向散射设备(backscatter device,BD)可以利用现有的环境射频信号，将自己的信息调制到该信号上，然后反射给接收机，这样一来不仅不再需要对通信系统配置专门的射频信号发射源，而且对于BD而言也不需要自己产生射频信号发送信息，进而降低了能量消耗。但在传统的AmBC中，环境信号相对于反射信号而言信号强度要大许多，因此给解调反射信号的接收机带来了强力的干扰，增加了解调难度。新兴的共生无线电技术(symbiotic radio,SR)为解决这一问题提供了新思路。在SR中，主通信过程与反向散射通信过程结合在了一起即两个通信过程共享一个主接收机，并且对于主接收机而言，利用串行干扰消除技术对主信号以及反射信号进行解调，这样可以在反射信号解调过程中消除环境信号所带来的强力干扰。
[0003]此外，NOMA也是一种实现高频谱利用率的技术。不同于正交多址技术(orthogonal multiple access,OMA)，NOMA允许多个设备在同一正交资源块上进行传输。因此，将SR和NOMA有效结合为实现低功率、高频谱利用率的物联网通信系统提供了可能。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有物联网中能量供应不足、频谱利用率低下等问题，将SR和NOMA技术相结合，设计了一种基于非正交多址技术的共生无线电通信网络，并考虑对基站发射功率(transmit power)、BD能量反射系数(power reflection coefficients)以及传输时隙长度(time slot duration)进行控制，从而优化整个系统性能。
[0005]本专利技术主要关注基于SR的物联网网络，设计了如图1所示的共生无线电通信网络，在所考虑的模型中，通信系统结构包含一个基站，多个BD以及一个主接收机，其中多个BD被进一步分为了不同的集群(cluster)。由于涉及到集群的划分，因此在本专利技术中设计了一种基于能量小组(power group)的集群划分模型。具体来说在训练阶段(training phase)，基站首先发送信号，BD在接收到信号后进行调制并将调制信号反射给主接收机，然后主接收
机将估计接收信号的能量。由于系统中存在着多个BD，因此利用时分多址技术(time division multiple access，TDMA)重复上述过程，即将训练阶段分为多个时隙，每个时隙只允许一个BD工作，不同BD在各自分配的时隙中完成上述过程。在估计完来自所有BD反射信号的能量后，主接收机根据所估计的能量大小以递减顺序(descending order)依次排列，并根据实际中系统具体参数分为不同的能量小组，然后采用高能量优先匹对准则(head
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to
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head paring scheme)，从不同能量小组中选取相应的BD组成集群。
[0006]本专利技术的技术方案为：
[0007]一种基于非正交多址技术的共生无线电网络设计方法，所述共生无线电网络包括一个基站、多个反向散射设备和一个主接收机，其中反向散射设备处于全双工的工作模式；其特征在于，所述设计方法包括：
[0008]基站发送信号，反向散射设备在接收到信号后将自己的信息调制到该入射信号上，并反射给主接收机，主接收机估计测量该反射信号的能量，在估计测量完所有反向散射设备反射信号的能量后，主接收机将根据能量强度以递减顺序进行排列，根据排序将反向散射设备划分为多个能量小组，每个能量小组包含多个反向散射设备；然后采用高能量优先匹对准则，从不同能量小组中选取相应的BD组成集群。
[0009]在数据传输时，每个传输时隙只允许一个集群进行通信，同一集群中的所有反向散射设备在对应的时隙中同时进行数据传输，主接收机接收并解调接收到的信号。
[0010]在本专利技术中，基于所设计的共生无线电通信系统模型，并考虑到不同设备接入方式的特点即NOMA能够提高频谱利用率但却会带来更多的干扰，而OMA能够减少信号之间的互相干扰但却不利于频谱资源的利用，设计了一种基于NOMA的混合传输协议即NOMA
‑
plus
‑
TDMA传输协议。具体来说，集群内采用NOMA即该集群内的所有BD可以在对应的时隙中同时进行数据传输，而对于不同集群间则采用TDMA即每个时隙只允许一个集群工作。
[0011]在本专利技术中，考虑一种全双工的BD即BD在根据能量反射系数反射一部分入射信号的同时可以利用剩余部分的入射信号进行能量吸收。基于此，我们设计了一种集群之间互助供能的能量吸收方式，以及设计了一种更为实际的能量因果约束。其中，集群之间互助供能的能量吸收方式是指对于其他集群内的BD而言，不仅可以从基站传输来的主信号中吸收能量也可以从当前正在进行传输的集群所反射的信号中吸收能量。这种能量吸收方式的设计是基于以下两个原因：一，实际中BD都是密集混合存在的，设备之间的传输损失相对较低；二，虽然从反射信号中吸收到的能量较小，但考虑到BD是低功耗的节能设备，仅需要很少的能量就可以运行，因此这一部分吸收的能量也是有一定利用价值。而能量因果约束是BD在传输后吸收的能量不能用在当前传输时隙即BD只能在传输前和传输时吸收能量并达到相应能量吸收的要求。
[0012]本专利技术的目标是提高共生无线电通信网络中的最小吞吐量，通过对基站发送功率、BD能量反射系数以及传输时隙长度进行分配，达到系统最小吞吐量提高的目的，从而进一步保证BD之间通信的公平性并提升整个系统通信性能。基于优化目的，本专利技术设计了一种基于快坐标下降(block coordinated descent,BCD)和连续凸逼近(successive covex approximation,SCA)技术的迭代优化算法。
[0013]本专利技术的优势在于，将SR与NOMA相结合，提出了一种基于非正交多址技术的共生无线电通信网络，在保证低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非正交多址技术的共生无线电网络设计方法，所述共生无线电网络包括一个基站、多个反向散射设备和一个主接收机，其中反向散射设备处于全双工的工作模式；其特征在于，所述设计方法包括：基站发送信号，反向散射设备在接收到信号后将自己的信息调制到该入射信号上，并反射给主接收机，主接收机估计测量该反射信号的能量，在估计测量完所有反向散射设备反射信号的能量后，主接收机将根据能量强度以递减顺序进行排列，根据排序将反向散射设备划分为多个能量小组，每个能量小组包含多个反向散射设备；然后基于高能量优先匹对准则，从不同能量小组中选取相应的反向散射设备组成集群；在数据传输时，每个传输时隙只允许一个集群进行通信，同一集群中的所有反向散射设备在对应的时隙中同时进行数据传输，主接收机接收并解调接收到的信号。2.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址技术的共生无线电网络设计方法，其特征在于，假设有MK个反向散射设备，共划分成M个集群，每个集群包含K个反向散射设备，基站在第k时隙的传输功率为P
k
，在第n个衰落块中所传输的主信号为s
k
(n)，则第k个集群的第m个反向散射设备接收到的信号为：其中，h
m,k
为基站与第k个集群的第m个反向散射设备之间的信道，z
m,k
(n)表示均值为零，方差为σ2的复高斯噪声；将第k个集群的第m个反向散射设备的能量反射系数记为α
m,k
∈[0,1]，即表示入射信号中的α
m,k
部分被反射，而1
‑
α
m,k
部分将被用来进行能量吸收，因此，第k个集群的第m个反向散射设备在第k时隙所反射的信号为：其中c
m,k
(n)表示第k个集群的第m个反向散射设备自己所需传输的信息；令其他集群中的反向散射设备不仅从来自基站的主信号中获取能量，也从来自当前正在传输的集群所反射的信号中获取能量，因此，对于第k个集群的第m个反向散射设备所吸收到的能量为：其中，η
m,k
表示能量吸收概率，l
(i,j),(m,k)
表示反向散射设备之间的信道，τ表示传输时隙长度；主接收机在第k时隙接收到的信号为：其中，w
k
(n)表示噪声，f
m,k
表示主接收机与第k个集群的第m个反向散射设备之间的信道，而g表示基站与主接收机之间的信道；在接收到信号后，主接收机利用SIC技术进行解调。3.根据权利要求2所述的一种基于非正交多址技术的共生无线电网络...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁应敞，张荣海翔，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：