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CN106160813A - 一种基于干扰对齐技术的窄带物联网无线传输方法 - Google Patents

一种基于干扰对齐技术的窄带物联网无线传输方法 Download PDF

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CN106160813A CN201610410931.8A CN201610410931A CN106160813A CN 106160813 A CN106160813 A CN 106160813A CN 201610410931 A CN201610410931 A CN 201610410931A CN 106160813 A CN106160813 A CN 106160813A
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刘允
翟立君
李宁
张晓龙
李捷
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Abstract

本发明提出了基于干扰对齐技术的窄带物联网无线传输方法，涉及无线通信领域。本方法包括：中心控制节点选取进行协作传输的传输节点对；多个协作发射节点同时发射帧同步信号及正交导频信号；多个协作接收节点进行同步和MIMO信道估计；中心控制节点计算预编码矩阵及干扰抑制矩阵；各协作发射节点利用预编码矩阵同时同频的发射预编码后的信息；各协作接收节点利用干扰抑制矩阵实现对有用信息的正确接收。本发明通过中心控制节点，利用干扰对齐技术实现NB‑IoT多个传输节点对同时同频的信息传输，相比于常规的点对点的FDD及TDD传输系统，有效地提高了系统容量和频谱效率，降低了传输时延和终端功耗，满足NB‑IoT海量链接的需求。

Description

一种基于干扰对齐技术的窄带物联网无线传输方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于干扰对齐技术多点协作通信的窄带物联网无线传输方法。
背景技术
干扰对齐技术(Interference alignment，IA)是解决无线通信系统中同频干扰的重要手段，能有效抑制同频组网方式下小区间干扰，提高小区边缘用户的吞吐量，取得与用户数量成线性关系的自由度增益，提高系统容量。该技术是第三代合作伙伴计划(3rdGeneration Partnership Project，3GPP)在LTE-A系统中提出的协作式多点传输关键实现技术之一。
窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)构建于蜂窝网络，只消耗少量的授权频段，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，降低部署成本。基于蜂窝的NB-IoT由于其显著的连接节点多、覆盖广、成本低、架构优等技术优势，未来将带来更加丰富的应用场景，已成为万物互联网络的一个重要分支。同时，目前研究火热的4.5G和5G除了具有高达1Gbps和10Gbps的峰值速率外，还意味着基于蜂窝物联网的更多连接数，支持海量M2M(Machine-to-Machine)连接以及更低时延，未来将助推高清视频、VoLTE以及物联网等应用快速普及。然而，大约180KHz的频谱带宽资源以及常规的TDD及FDD信息传输模式，严重制约了NB-IoT在海量连接、低时延、及较高速率的信息传输等未来场景中的应用。
发明内容
为解决NB-IoT授权频带窄、连接数多、频谱资源紧张的问题，本发明提供一种基于IA技术的NB-IoT无线传输方法。本方法提出了一种有中心控制节点的无线传输系统，基于干扰对齐技术实现了NB-IoT多个传输节点对同时同频的协作通信。
本发明通过以下技术方案来实现，一种基于干扰对齐技术的窄带物联网无线传输方法，包括以下步骤：
(1)构建窄带物联网无线传输系统；所述的窄带物联网无线传输系统包括1个中心控制节点和3个以上的传输节点对，所述的传输节点对由两个传输节点组成，一个传输节点为发射节点，另一个传输节点为接收节点；
(2)中心控制节点从其覆盖的区域范围内选取进行协作传输的传输节点对后，向选中的各传输节点发送指示信号；将被选中的发射节点作为协作发射节点，被选中的接收节点作为协作接收节点；
(3)每个协作发射节点同时向各协作接收节点发射帧同步信号和正交导频信号；
(4)各协作接收节点根据收到的帧同步信号分别进行同步，根据收到的正交导频信号分别进行MIMO信道估计得到信道状态信息，并将信道状态信息反馈给中心控制节点；
(5)中心控制节点根据干扰对齐预编码算法和所有协作接收节点反馈的信道状态信息计算出一个预编码矩阵和一个干扰抑制矩阵后，将预编码矩阵发送至各协作发射节点，将干扰抑制矩阵发送至各协作接收节点；
(6)各协作发射节点利用预编码矩阵对传输信息进行预编码，并同时同频的向各协作接收节点发射预编码后的传输信息；
(7)各协作接收节点接收预编码后的传输信息后，利用干扰抑制矩阵实现对有用信息的接收。
其中，所述的中心控制节点为基站、中继节点或有供电设备支撑的主连接节点，用于控制传输节点对选择及预编码算法的实现；每个传输节点配置两根以上的天线。
其中，步骤(2)所述的中心控制节点从其覆盖的区域范围内选取进行协作传输的传输节点对，具体为：中心控制节点根据3GPP LTE-A定义的协作簇选择方式选取传输节点对。
其中，步骤(5)所述的干扰对齐预编码算法包括有闭式解的经典算法和迭代求解算法，协作传输的传输节点对等于3时，选择有闭式解的经典算法作为干扰对齐预编码算法；协作传输的传输节点对大于3时，选择迭代求解算法作为干扰对齐预编码算法。
本发明相比背景技术的优点在于：
本发明设计了一种有中心控制节点的无线传输系统，实现NB-IoT多个传输节点对(大于等于3)同时同频的协作通信，解决NB-IoT在常规的单一点对点通信中效率低，连接数有限的缺点，有效地提高了频谱效率与系统容量，同时降低了传输时延和终端功耗，从而使得NB-IoT在未来具有更广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的执行流程图。
图2为基于IA的NB-IOT传输系统与基于TDMA的NB-IOT传输系统吞吐量比较曲线。
具体实施方式
下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步的说明。
一种基于IA技术的NB-IoT无线传输方法，具体执行流程图如图1所示。包括如下步骤：
步骤1、构建窄带物联网无线传输系统；
本发明的无线传输方法必须是在中心控制节点(基站、中继节点或有供电设备支撑的主连接节点等)的控制下，实现多个传输节点对的协作通信，以提高传输效率的同时降低终端功耗；该无线传输系统中至少包含3个传输节点对，即至少有2*k(k大于等于3)个传输节点，每个传输节点均配置两根或两根以上的天线。传输节点对由一个发射节点，一个接收节点组成。
本实施例中以基站为中心控制节点，无线传输系统包含3个传输节点对，每个传输节点均配置两根天线，以实现MIMO传输，提高协作传输系统自由度。
步骤2、中心控制节点从其覆盖的区域范围内选择进行协作传输的传输节点对，向选中的各传输节点发送指示信号；
在NB-IoT网络众多的传输节点中，基站根据3GPP LTE-A定义的协作簇选择方式(如半动态协作)选取进行联合协作传输的传输节点对，并向选中的传输节点反馈指示信号。被选中的发射节点作为协作发射节点，被选中的接收节点作为协作接收节点。
步骤3、每个协作发射节点同时发射帧同步信号及正交导频信号；
帧同步信号参照目前常用的单载波帧同步信号产生方法；选择恒包络零自相关序列(CAZAC序列)、如chu序列等产生的导频序列作为基础序列，各协作发射节点其他天线上的导频序列都是该基础序列的循环移位，循环移位量与信道特性有关，应大于信道多径延时，基础序列的长度N应大于总发射节点的天线数与循环移位量的乘积。
步骤4、各协作接收节点利用帧同步信号分别进行同步，根据正交导频信号分别进行MIMO信道估计得到信道状态信息，并将信道状态信息反馈给中心控制节点：
各协作接收节点提取6根天线的叠加的正交导频信号，与每根天线特定的正交导频序列相乘，以获得MIMO信道的信道状态信息(Channel State Information，CSI)。
步骤5、中心控制节点根据干扰对齐预编码算法和所有协作接收节点反馈的信道状态信息计算各协作发射节点的预编码矩阵U及各协作接收节点的干扰抑制矩阵V，并分别反馈给对应的协作发射节点和协作接收节点：
本实施例中只有3个传输节点对，选择经典干扰对齐预编码算法直接求解U和V。当传输节点对大于3时，选择迭代算法求解U和V。
步骤6、各协作发射节点利用矩阵U对传输信息进行预编码，并同时同频的发射预编码后的传输信息：
本实施例中各协作发射节点对传输信息进行预编码后，将预编码后的传输信息由一路变为两路，并同时同频的由两根天线发射。
步骤7、各协作接收节点利用矩阵V实现对有用信息的正确接收。
各协作接收节点通过两根天线上的接收数据与干扰抑制矩阵V相乘，实现对干扰信号(其他协作发射节点的发射数据)的抑制及对应协作发射节点数据的接收。
图2为基于IA的NB-IOT传输系统与基于分时复用(TDMA)的NB-IOT传输系统，在其他通信条件相同的情况下吞吐量比较曲线。从图中可以看出，基于IA的NB-IOT传输系统因为3个传输节点对采用协作传输，可以同时同频的传输信息，其系统吞吐量可以逼近TDMANB-IOT传输系统的1.5倍，有效提高了频谱效率，降低了传输时延。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，本发明所描述的具体实施例子只是说明性，而不是用于对本发明范围的限定，依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (4)

1.一种基于干扰对齐技术的窄带物联网无线传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建窄带物联网无线传输系统；所述的窄带物联网无线传输系统包括1个中心控制节点和3个以上的传输节点对，所述的传输节点对由两个传输节点组成，一个传输节点为发射节点，另一个传输节点为接收节点；
(2)中心控制节点从其覆盖的区域范围内选取进行协作传输的传输节点对后，向选中的各传输节点发送指示信号；将被选中的发射节点作为协作发射节点，被选中的接收节点作为协作接收节点；
(3)每个协作发射节点同时向各协作接收节点发射帧同步信号和正交导频信号；
(4)各协作接收节点根据收到的帧同步信号分别进行同步，根据收到的正交导频信号分别进行MIMO信道估计得到信道状态信息，并将信道状态信息反馈给中心控制节点；
(5)中心控制节点根据干扰对齐预编码算法和所有协作接收节点反馈的信道状态信息计算出一个预编码矩阵和一个干扰抑制矩阵后，将预编码矩阵发送至各协作发射节点，将干扰抑制矩阵发送至各协作接收节点；
(6)各协作发射节点利用预编码矩阵对传输信息进行预编码，并同时同频的向各协作接收节点发射预编码后的传输信息；
(7)各协作接收节点接收预编码后的传输信息后，利用干扰抑制矩阵实现对有用信息的接收。
2.根据权利要求1所述的一种基于干扰对齐技术的窄带物联网无线传输方法，其特征在于：所述的中心控制节点为基站、中继节点或有供电设备支撑的主连接节点，用于控制传输节点对选择及预编码算法的实现；每个传输节点配置两根以上的天线。
3.根据权利要求1所述的一种基于干扰对齐技术的窄带物联网无线传输方法，其特征在于：步骤(2)所述的中心控制节点从其覆盖的区域范围内选取进行协作传输的传输节点对，具体为：中心控制节点根据3GPP LTE-A定义的协作簇选择方式选取传输节点对。
4.根据权利要求1所述的一种基于干扰对齐技术的窄带物联网无线传输方法，其特征在于：步骤(5)所述的干扰对齐预编码算法包括有闭式解的经典算法和迭代求解算法，协作传输的传输节点对等于3时，选择有闭式解的经典算法作为干扰对齐预编码算法；协作传输的传输节点对大于3时，选择迭代求解算法作为干扰对齐预编码算法。
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