CN102882827A - 基于线性规划的时频双扩ofdm系统资源分配及接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于线性规划的时频双扩OFDM系统资源分配及接收方法，该分配方法包括以下步骤：将U个用户和X个子载波通过LP算法进行分组，使得每组用户数为k，子载波数为N；对于每组把L个经过调制的符号合并起来形成信号流b_k=(b_k,1，...,b_k，L)^T，用w_k=(w_k,1，...,w_k，M)表示第k个用户长度为M的扩频码，b_k中的每一个信号b_k,l乘以相应的w_k，将所有用户的信号求和后得到一个新的信号x=(x_1,1，...,x_L,M)^T，完成对信号的时域扩展；将各组信号x分成LM个并行支路，每个支路x_l，m分配在N个子载波上，用c_l,m=(c_l，m，1，...,c_l，m，N)表示x_l,m的扩频码，得到在子载波n上的发送信号为s_n=∑_l∑_mx_l，mc_l，m，n，完成对信号的频域扩展。

Description

基于线性规划的时频双扩OFDM系统资源分配及接收方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于线性规划的时频双扩OFDM系统资源分配及接收方法。

背景技术

作为一种扩频方式，直接序列码分多址（Direct Sequence-Code DivisionMultiple Access，下文简称DS-CDMA）通过将携带信息的窄带信号与高速地址码信号相乘，获得宽带扩频信号，接收端通过与发射端同步的相同地址码信号相关即可实现解扩。DS-CDMA系统具有优越的抗窄带干扰特性和灵活多变的多址能力。然而，由于DS-CDMA系统是干扰受限的，其容量受限于符号间干扰（ISI）和多址干扰（MAI）等影响，当用户数量增多时，通信质量会严重恶化，这是制约DS-CDMA进一步发展的一个瓶颈。

基于以上传统DS-CDMA系统的特点，人们将DS-CDMA和OFDM相结合，形成了适用于高速率传输的多载波CDMA（Multicarrier Code DivisionMultiplexing Access，下文简称MC-CDMA）。作为一种多载波多址通信方式，MC-CDMA让每一个信道使用全部频谱，把原先在一个信道内传输的数据分到若干个信道中进行传输，即通过将扩频序列的不同码片调制到不同的子载波上实现频域扩展，在提高系统容量的同时还提高了频带的利用率。

目前，MC-CDMA还存在两点不足：第一，在遇到频率选择性衰落信道时，如果相对信道时延扩展来说，发射端发射的是一个时间宽度较窄的脉冲信号，在频域传输带宽则相对较大，若传输带宽比信道相干带宽大，这时信号之间的相关性变差，信道在一个符号带宽内变化剧烈，进入深衰落。第二，在遇到时间选择性衰落信道时，如果相对最大多普勒频移来说，发射端发射的是一个带宽较窄的频域信号，在时域符号周期较长，若取样时间间隔大于相干时间，信号的相关性变差。这时信道在一个符号周期内变化剧烈，进入深衰落。

发明内容

本发明要解决的技术问题：继承时频双扩OFDM系统具有较高频带利用率并能有效地抑制加性高斯白噪声（AWGN）信道中干扰的优点，同时针对不同子载波的信道特性，设计一种通过在发射端合理分配扩频码，使得发送信号能够尽可能集中在信道质量较好子载波上发送的方案，提升原系统在多径信道中的性能。

为了解决以上问题，本发明实施例公开了一种基于线性规划的时频双扩OFDM系统资源分配方法，包括以下步骤：

将U个用户和X个子载波通过LP算法进行分组，使得每组用户数为k，子载波数为N；

对于每个分组，把L个经过调制的符号合并起来形成信号流b_k=(b_k，1,…,b_k，L)^T，用w_k=(w_k，1,…,w_k，M)表示第k个用户长度为M的扩频码，b_k中的每一个信号b_k，l乘以相应的w_k，将所有用户的信号求和后得到一个新的信号x=(x_1，1,…，x_L,M)^T，完成对信号的时域扩展；

将各组信号x分成LM个并行支路，每个支路x_l，m分配在N个子载波上，用c_l,m=(c_l，m，1,...,c_l，m，N)表示x_l,m的扩频码，得到在子载波n上的发送信号为s_n=∑_l∑_mx_l，mc_l，m，n，完成对信号的频域扩展。

进一步，作为一种优选，通过LP算法进行分组具体包括以下步骤：

将用户和载波各自平均分为G组，得到载波分组向量SUBCg=(sub0,g,sub1,g,…,subK-1,g)和用户分组向量GRPg=(g0,g,g1,g,…,gK-1,g)；

通过计算找出适合的用户组和载波组的配对，使得值最大化，其中r_u，k是第g组中第u个用户的第k个子载波的频率值；

对于公式

的约束条件 $\underset{k=0}{\overset{U-1}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{u,k}=K,$ $\∀u\∈[\mathrm{0,1},...,U-1],$ 以及

其中m_u，k为计算得到的匹配载波组和用户组结合。

进一步，作为一种优选，将

中r_u，k、m_u，k的值整数化，将整数化后的值定为扩展节点；

根据的约束条件，舍弃不可能的值，选择靠近临界值的节点与其他节点进行比较；

将靠近临界值节点最远的节点选择为比较节点，最后保留的节点即为最优解。

本发明实施例还公开了一种基于线性规划的时频双扩OFDM系统资源接收方法，包括以下步骤：在多径衰落信道中，每组第k个用户在子载波n上的接收信号为：r_k,n=h_k,ns_n+z_k，n,，其中h_k，n表示信道增益，z_k，n表示噪声；

第k个用户将各个子载波上的接收信号通过解扩后合并得到： $y_{l,m}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{k,n}{q}_{k,n}{c}_{l,m,n},$ 其中q_k，n是信道增益的修正系数；

第l个符号的判决值通过对y_l，m在时域解扩得到：

本发明根据载波情况调整用户使用载波的分组，使得发送信号能量尽可能集中在信道条件较好的子载波上，从而改善系统的误码性能，提高通信服务质量。与传统MC-CDMA相比，本发明在接收端BER方面有了较大的改善。另一方面，本发明设计的次优解方案在降低硬件的计算负担以及提高系统运算速度方面有明显优势。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1本发明实施例时频双扩OFDM系统结构框图。

图2时频双扩OFDM与传统MC-CDMA在相同用户数、相同载波数的条件下干信比/误码率曲线比较图。

图3本发明实施例时频双扩OFDM与线性规划算法下MC-CDMA在相同用户数、相同载波数的条件下干信比/误码率曲线比较图。

具体实施方式

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

考虑一个用户数为U的时频双扩OFDM系统（子载波个数为X），如图1所示描述了其系统结构。在系统中，原始数据流先经过线性规划，将用户和子载波进行分组（每组为K个用户，N个子载波），之后进行调制，接下来以组为单位把每L个经过调制的符号合并起来发送给第k个用户，即发送信号为b_k＝(b_k，1，...,b_k，L)。把b_k中的每一个信号b_k，l乘以相应的w_k=(w_k，1,...,w_k，M)进行发送，结果即为(b_k,1w_k，1，...,b_k，1w_k，m，...,b_k,Lw_k，1，...,b_k,Lw_k,M)，其中M是对应的扩频码码长。将所有用户的信号求和后得到一个新的信号x=(x_1，1,...,x_1,M，...,x_L,1,...,x_L，M)，其中

这样就完成了对信号的时域扩展。

接下来，将信号x分成LM个并行支路，每个支路x_l，m分配在N个子载波上。用c_l,m=(c_l，m，1,...,c_l，m，N)表示x_l,m的扩频码，那么便得到在子载波n上的发送信号为：

这样就完成了对信号的频域扩展。这里，假设使用正交扩频码，比如说，∑_mw_k，mw_k’m=δ_k，k’以及∑_nc_l，m，nc_{l’，m’，n}=δ_l，l’δ_m,m，其中当i＝j时δ_i，j=1以及i≠j时δ_i，j=0。

在多径衰落信道中，每组的第k个用户在子载波n上的接收信号为：r_k,n=h_k,ns_n+z_k，n,其中h_k，n表示信道增益，z_k，n表示噪声（假设在各个子载波上互不相关，符合均值为零方差为σ²的复高斯分布)。第k个用户将各个子载波上的接收信号通过解扩后合并，得到：

其中q_k，n是信道增益的修正系数，第l个符号的判决值可以通过对y_l，m在时域解扩得到：

假设采用分支定界法进行线性规划分组，将用户和载波各自平均分为G组，得到载波分组向量SUBC_g=[sub_0,g,sub_1,g,...,sub_K-1,g]和用户分组向量GRP_g=[g_0,g,g_1，g，...,g_K-1,g]。这样可以提高分组效率并减少计算时间，便于线性规划算法的计算。通过计算

找出适合的用户组和载波组的配对，使得

值最大化，其中r_u,k是第g组中第u个用户的第k个子载波的频率值，这样可以提高载波利用率，抑制噪声的放大。

对于公式的约束条件 $\underset{k=0}{\overset{U-1}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{u,k}=K,$ $\∀u\∈[\mathrm{0,1},...,U-1],$ 以及

其中m_u，k为计算得到的匹配载波组和用户组结合，进行对信号的下一步处理。

其中

选取最大值的方法为分支定界法，将

中r_u,k、m_u，k的值整数化，将整数化后的值定为扩展节点，之后根据

的约束条件，舍弃不可能的值，选择靠近临界值的节点与其他节点进行比较，将靠近临界值节点最远的节点选择为比较节点，最后保留的节点即为最优解。

下面列举本发明的1个具体实施例。

以下三组仿真结果，分别对本发明的系统性能做出分析比较。图2的系统参数为：对于选择性衰落信道模型，E[|h_k，n|²]＝1并且子载波间隔为Δf＝30kHz，子载波数N＝64，用户数K＝16，帧长度L=4，采用Walsh码，时域扩展码长度M＝16。给出了时频双扩OFDM与传统MC-CDMA在相同用户数、相同载波数的条件下干信比/误码率曲线比较图，可以看出时频双扩OFDM系统的系统性能优于MC-CDMA系统。

图3给出了本发明时频双扩OFDM与线性规划算法下MC-CDMA在相同用户数、相同载波数条件下干信比/误码率曲线比较图，其系统参数为：对于选择性衰落信道模型，E[|h_k，n|²]＝1并且子载波间隔为Δf＝30kHz，子载波数N＝64，用户数K＝16，帧长度L=4，采用Walsh码，时域扩展码长度M＝16，用户、载波分组数为4。采用线性规划算法后时频双扩OFDM与MC-CDMA系统的性能都有所提高。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种基于线性规划的时频双扩OFDM系统资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

将U个用户和X个子载波通过LP算法进行分组，使得每组用户数为k，子载波数为N；

对于每组把L个经过调制的符号合并形成信号流b_k=(b_k，1,…,b_k，L)^T，用w_k=(w_k，1,…,w_k，M)表示第k个用户长度为M的扩频码，b_k中的每一个信号b_k，l乘以相应的w_k，将所有用户的信号求和后得到一个新的信号x=(x_1，1,…,x_L，M)^T，完成对信号的时域扩展；

将各组信号x分成LM个并行支路，每个支路x_l，m分配在N个子载波上，用c_l,m=(c_l,m,1,…,c_l,m,N)表示x_l,m的扩频码，得到在子载波n上的发送信号为s_n=∑_l∑_mx_l，mc_l，m，n，完成对信号的频域扩展。

2.根据权利要求1所述的基于线性规划的时频双扩OFDM系统资源分配方法，其特征在于，所述通过LP算法进行分组具体包括以下步骤：

将用户和载波各自平均分为G组，得到载波分组向量SUBC_g=(sub_0,g,sub_1,g,…,sub_K-1,g)和用户分组向量GRP_g=(g_0,g,g_1，g，…,g_K-1,g)；

通过计算

找出适合的用户组和载波组的配对，使得

值最大化，其中r_u，k是第g组中第u个用户的第k个子载波的频率值；

对于公式 $\underset{u=0}{\overset{U-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{U-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{u,k}{m}_{u,k}$ 的约束条件 $\underset{k=0}{\overset{U-1}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{u,k}=K,$ $\∀u\∈[\mathrm{0,1},...,U-1],$ 以及 $\underset{u=0}{\overset{U-1}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{u,k}\≤\left[\frac{U}{G}\right],$ $\∀k\∈[\mathrm{0,1},...,U-1],$ 其中m_u，k为计算得到的匹配载波组和用户组结合。

3.根据权利要求2所述的基于线性规划的时频双扩OFDM系统资源分配方法，其特征在于，将

中r_u，k、m_u，k的值整数化，将整数化后的值定为扩展节点；

根据的约束条件，舍弃不可能的值，选择靠近临界值的节点与其他节点进行比较；

将靠近临界值节点最远的节点选择为比较节点，最后保留的节点即为最优解。

4.一种基于线性规划的时频双扩OFDM系统资源接收方法，其特征在于，包括以下步骤：

在多径衰落信道中，每组第k个用户在子载波n上的接收信号为：r_k,n=h_k，ns_n+z_k，n,，其中h_k，n表示信道增益，z_k，n表示噪声；

第k个用户将各个子载波上的接收信号通过解扩后合并得到：

其中q_k，n是信道增益的修正系数；

第l个符号的判决值通过对y_l，m在时域解扩得到：

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