CN105207745A - 一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法,包括以下步骤:S1:基站根据K个用户的信道条件,确定每个用户的编码调制参数和发送功率,并通过下行信道告知每个用户,其中,K为基站覆盖范围内基站准许接入的存在上行传输需求的用户数目;S2:根据编码调制参数生成每个用户的符号序列,根据发送功率将符号序列发送至基站;S3:基站对经过多址接入信道的多个用户信号叠加的接收符号序列进行解调解码,得到每个用户的信息比特的估计值。本发明具有如下优点:通过联合优化不同用户的编码调制方案和发送功率,使多用户传输的实际性能逼近多用户联合传输率上界,传输方案适用于多址接入信道下高、中、低频谱效率的各种应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及数字信息传输的多址接入技术领域,特别涉及一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法。
背景技术
在典型无线/移动数字通信系统中,基站需要与覆盖范围内的多个用户进行通信。其中对于逼近上行多址接入容量域的多用户编码调制方案的设计,仍然没有得到很好的解决。
传统的上行多用户多址接入方案广泛采用正交多址接入(OrthogonalMultipleAccess,OMA)技术。本质上,OMA是对多址接入信道的带宽资源或符号资源进行正交分割,得到多个相互正交的正交子信道,每个正交子信道占多址接入信道的一部分带宽资源或符号资源,传输一个用户的信息。OMA技术实现简单、灵活,但是,网络信息论指出,采用OMA时,其多用户的可达速率域上界距离采用最优叠加编码(SuperpositionCoding,SC)技术时的多用户的可达速率域上界差距较大,即多用户联合可达传输速率损失较大。
采用叠加编码进行多址接入时,接收端通常采用串行干扰消除(SuccessiveInterferenceCancellation,SIC)技术来接收并解调解码多个用户发送的信息。采用SIC技术需要依次解调相互叠加的多个用户的信号,并依次消除已解调用户信号对后续用户信号的干扰,因此不同用户信号的解调优先级是不同的。采用基于叠加编码和SIC技术的多址接入方法,本质上是将多址接入信道的资源在功率域上进行划分,得到多个优先级不同的层信道,每一层信道用于传输一个用户的信号。SIC使得终端算法实现、导频设计、信道估计和系统调度复杂度随用户数增加而急剧上升;同时采用SIC会造成接收延时和误码扩散。除此之外,采用基于叠加编码和SIC技术的多址接入方法时,多用户联合可达信噪比域受限。
同时译码(SimultaneousDecoding,SD),又称联合译码(JointDecoding,JD),是采用叠加编码进行多址接入的另一种解调解码方式,也可以实现最优的传输性能。相比于采用SIC技术,采用同时译码技术不是依次解出每个用户的信息,而是采用联合多用户检测结合迭代译码的方式,经过迭代,可以同时解调出所有用户的信息,因此不同用户信号的优先级是相同的。采用基于叠加编码和SD的多址接入技术,本质上也是将多址接入信道的资源在功率域上进行划分,但是得到多个优先级相同的层信道,每一层信道用于传输一个用户的信号。所以,SD技术不存在SIC接收延时和误码扩散的缺点。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此,本发明的一个目的在于提出一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法。
为了实现上述目的,本发明的第一方面的实施例公开了一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法,包括以下步骤:S1:基站根据K个用户的信道条件,确定每个用户的编码调制参数和发送功率,并通过下行信道告知每个用户,其中,K为基站覆盖范围内基站准许接入的存在上行传输需求的用户数目,且K个用户中或者编码调制参数不同、或者在基站端的接收信噪比不同;S2:根据所述编码调制参数生成每个用户的符号序列,并根据所述发送功率将所述符号序列发送至所述基站;以及S3:所述基站对经过多址接入信道的多个用户信号叠加的所述符号序列进行解调解码,得到每个用户的信息比特的估计值。
根据本发明实施例的一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法,通过联合优化不同用户的编码调制方案,使得多用户传输的实际性能逼近多用户联合传输率上界,并且传输方案适用于多址接入信道下高、中、低频谱效率的各种应用场景。
本发明实施例的一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法,综合利用编码调制参数和发送功率调整对应的接收端信噪比区分用户,相对于传统方法,可以在单位带宽资源接入更多的用户,可以在多种信道条件和多种用户集合的条件下逼近多址接入信道容量。
另外,根据本发明上述实施例的一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法,还可以具有如下附加的技术特征:
进一步地,所述编码调制参数包括:信道编码、比特交织、星座映射和扩频码。
进一步地,所述步骤S2进一步包括:S201:每个用户根据所述编码调制参数,将信息比特进行信道编码得到编码比特;S202:将所述编码比特进行比特交织得到交织比特;S203:对所述交织比特进行星座映射产生星座符号序列;S204:所述星座符号序列直接得到该用户的发送符号序列,或者,将所述星座符号序列进行扩频,产生该用户的发送符号序列,其中,所述扩频为每个用户将星座映射输出的每个符号,按照该用户的扩频码或扩频图案,产生一个N符号长的符号序列,N为该用户扩频码的长度且N为自然数;以及,S205:将所述发送符号序列处理后根据所述发送功率发送到基站。
进一步地,所述编码调制参数是所述基站告知的或传输协议预设的。
进一步地,所述解调解码的算法包括串行干扰消除或联合解调解码。
进一步地,所述解调解码的过程包括以下步骤:A:多用户联合检测模块通过多个用户的扩频码和星座映射,结合多个用户的信道状态信息和信道解码反馈的先验信息,得到每个用户交织比特的外信息;B:每个用户的交织比特的外信息经比特软信息解交织后,得到每个用户编码比特的先验信息,输入到所述信道解码模块;C:所述信道解码模块进行软入软出信道解码,得到所述每个用户编码比特的外信息,经比特软信息交织后得到每个用户交织比特的先验信息,反馈到多用户联合检测模块;以及D:步骤A的所述多用户联合检测模块和步骤C的所述信道解码模块迭代进行,由信道解码器得到用户信息比特估计值。
进一步地,在所述步骤A中,所述每个用户交织比特的外信息是通过内部迭代或直接计算得到的。
进一步地,在所述步骤D中,所述用户信息比特估计值是通过解码成功或迭代结束后得到的。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是本发明一个实施例的一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法的流程图;
图2是本发明一个实施例的联合解调解码过程以两个用户为例的示意图;
图3是本发明实施例1的一种多用户传输编码调制方案示意图;
图4是本发明实施例1中的编码器结构示意图;
图5是本发明实施例1中的译码器结构示意图;
图6是本发明实施例3中的发送端编码调制方案示意图;
图7是本发明实施例3中的接收端译码方案示意图;
图8是本发明实施例3中的一种扩频码示意图;
图9是本发明实施例4中的用户1采用的QC-LDPC码的校验矩阵示意图;
图10是本发明实施例4中的用户2采用的QC-LDPC码的校验矩阵示意图;
图11是本发明具体实施例4中的用户1采用的星座映射的示意图;
图12是本发明具体实施例4中的用户2采用的星座映射的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图,将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中,具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式,来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式,但是应当理解,本发明的实施例的范围不受此限制。相反,本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述根据本发明实施例的一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法。
如图1所示,S1,基站根据K个用户的信道条件,确定每个用户的编码调制参数和发送功率,并通过下行信道告知每个用户;
其中,K为基站覆盖范围内基站准许接入的存在上行传输需求的用户数目;
其中,每个用户的编码调制参数包括:信道编码、比特交织、星座映射和扩频码;
其中,多址接入信道的K个用户,或者信道编码不同,或者比特交织不同,或者星座映射不同,或者扩频码不同,或者在基站端的接收信噪比不同;
其中,在基站接收端的用户接收信号功率由用户发送信号功率和多址接入信道的信道增益决定,在基站接收端的接收信噪比是用户接收信号功率与基站接收端的基底噪声功率之比;
其中,没用扩频是扩频码的一个特例。
S2,每个用户根据基站告知的或传输协议预设的编码调制参数,将信息比特进行信道编码得到编码比特,然后将编码比特进行比特交织得到交织比特,交织比特再进行星座映射产生星座符号序列,最后,由星座符号序列直接得到该用户的发送符号序列,或者,将星座符号序列进行扩频,产生该用户的发送符号序列,并将所述符号序列处理后按照步骤1所述发送功率发送到基站;
其中,扩频是指每个用户将星座映射输出的每个符号,按照该用户的扩频码或扩频图案,产生一个N符号长的符号序列,N为自然数;
其中,N为该用户扩频码的长度,N=1表示没有扩频;
S3,基站接收到K个用户叠加的接收符号序列后,进行解调解码,得到每个用户的信息比特的估计值。
其中,解调解码的算法包括但不限于:串行干扰消除,或,联合解调解码;
其中,联合解调解码包括多用户联合检测、比特软信息解交织、信道解码和比特软信息交织的迭代过程,具体为:
多用户联合检测的输入包括:接收符号序列、所有用户的信道状态信息和每个用户的信道解码模块反馈的交织比特先验信息;多用户联合检测模块输出每个用户交织比特的外信息;每个用户的交织比特的外信息经比特软信息解交织后,得到每个用户编码比特的先验信息,输入到信道解码模块;信道解码模块进行软入软出信道解码,得到每个用户编码比特的外信息,经比特软信息交织后得到每个用户交织比特的先验信息,反馈到多用户联合检测模块;多用户联合检测和信道解码迭代进行,解码成功或迭代结束后由信道解码器得到用户信息比特估计值;以两个用户为例,联合解调解码过程如图2所示;
其中,多用户联合检测,具体为:通过多个用户的扩频码和采用的星座映射,结合多个用户的信道状态信息和信道解码模块反馈的先验信息,经内部迭代或直接计算得到每个用户交织比特的外信息;
其中,不同用户的区分特征在于:每个用户采用的编码调制参数、每个用户在基站端的接收信噪比、或两者的组合不同。
实施例1
本实施例以2个用户(K=2)为例,结合具体参数,进一步说明本发明的一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法。本实施例说明,不同用户可以通过不同的编码调制参数进行区分。
多用户编码调制传输方法如图3所示,每个用户在基站接收端的接收信噪比相同,多用户编码调制和联合解码的具体参数如下:
1、每个用户采用相同的信道编码,信道编码采用如图4所示的SCCC编码,码字长度为61440比特。编码器采用生成多项式为(1,3,2)8的循环系统卷积码(RSC),doping码字是码率为1的打孔卷积码,其中每P个信息比特被一个卷积编码比特替代,本实施例中P=30。信道解码模块如图5所示;
2、SCCC迭代次数为30次,SCCC码每迭代2次与多用户检测模块交互一次软信息;
3、每个用户采用相同的星座映射,采用格雷映射的16-APSK;
4、不同用户采用的比特交织不同。
对于采用如上所述参数的多用户编码调制传输方法,高斯输入的信噪比理论门限是8.76dB,星座受限下的信噪比理论门限是8.88dB,实际实现时两用户的信噪比解码门限为9.96dB。可以看到,不同用户可以通过不同编码调制参数进行区分(本实施例中,不同用户采用不同的交织器),并通过接收端的迭代多用户检测和信道解码进行解调。进一步地,实际实现的多用户信息的解码门限距离高斯输入的理论解码门限的差距为1.2dB,说明本发明实施例的方法可以逼近理论极限。
实施例2
本实施例以2个用户(K=2)为例,结合具体参数,进一步说明本发明的一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法。本实施例说明,不同用户可以通过不同的编码调制参数进行区分。
多用户编码调制传输方法如图3所示,每个用户在基站接收端的接收信噪比相同,多用户编码调制和联合解码的具体参数如下:
1、每个用户采用相同的信道编码,信道编码采用LDPC编码,码字长度为9600比特,码率为1/2;
2、LDPC迭代次数为30次,LDPC码每迭代2次与多用户检测模块交互一次软信息;
3、每个用户采用相同的星座映射,采用格雷映射的16-APSK;
4、不同用户采用的比特交织不同。
对于采用如上所述参数的多用户编码调制传输方法,高斯输入的信噪比理论门限是11.8dB,星座受限下的信噪比理论门限是11.7dB,实际实现时两用户的信噪比解码门限为13.3dB。可以看到,不同用户可以通过不同编码调制参数进行区分(本实施例中,不同用户采用不同的交织器,等效为比特交织相同时,不同用户采用不同的LDPC码),并通过接收端的迭代多用户检测和信道解码进行解调。进一步地,实际实现的多用户信息的解码门限距离高斯输入的理论解码门限的差距为1.5dB,说明本发明实施例的方法可以逼近理论极限。
实施例3
本实施例以6个用户(K=6)为例,结合具体参数,进一步说明本发明的一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法。本实施例说明,不同用户可以通过不同的编码调制参数进行区分。
每个用户发送端编码调制方案如图6所示,以两个用户为例的接收端解调解码方案如图7所示。每个用户在基站接收端的接收信噪比相同,多用户编码调制和联合解码的具体参数如下:
1、覆盖范围内的6个用户的扩频码如图8所示,即对于每4个符号,每个用户只在对应的阴影部分传输信息,其它部分不传输信息。对于每个用户,阴影部分传输的符号可以相同也可以不同。对应的信道发送矩阵如下所示:
2、每个用户采用相同的信道编码,采用LDPC编码;
3、LDPC迭代次数为30次,LDPC码每迭代2次与多用户检测模块交互一次软信息;
4、每个用户采用相同的星座映射,采用格雷映射的16-APSK。
对于图6和图7所示的多用户传输方法,不同用户的信息可以通过不同编码调制参数进行区分(本实施例中,不同用户采用不同的扩频码),并通过接收端的迭代多用户检测和信道解码进行解调。
实施例4
本实施例以2个用户(K=2)为例,结合具体参数,进一步说明本发明的一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法。本实施例说明,不同用户可以通过不同的编码调制参数进行区分。
多用户编码调制传输方法如图3所示,每个用户在基站接收端的接收信噪比相同,多用户编码调制和联合解码的具体参数如下:
1、不同用户采用不同的QC-LDPC码字,用户1的QC-LDPC码校验矩阵如图9所示,用户2的QC-LDPC码校验矩阵如图10所示;
2、LDPC迭代次数为30次,LDPC码每迭代2次与多用户检测模块交互一次软信息;
3、每个用户采用不同的星座映射,采用格雷映射的QPSK,如图11所示和格雷映射的16-QAM,如图12所示;
4、每个用户采用相同的比特交织。
对于图3的多用户传输方法,不同用户可以通过不同编码调制参数进行区分(本实施例中,不同用户采用不同的星座映射和不同的信道编码),并通过接收端的迭代多用户检测和信道解码进行解调。本质上不同用户可以单独通过不同星座映射或者不同信道编码进行区分,但是在给定条件下,比如面向不同接收信噪比和不同信道条件的用户场景下,星座映射和信道编码必须联合设计才能得到较好的性能,两者具有很强的关联性。
实施例5
本实施例以2个用户(K=2)为例,结合具体参数,进一步说明本发明的一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法。本实施例说明,不同用户可以通过发送功率调整对应的不同接收端信噪比进行区分。
多用户编码调制传输方法如图3所示,每个用户采用相同的编码调制方案,但是发送功率调整后对应的接收端信噪比不同。本实施例中,假设接收端噪声功率归一化为1,用户2接收信号功率P2=3,用户1接收信号功率P1=9。
对于第二层用户,每个复数符号的容量为log2(1+P2)=2比特,用户2的接收端信噪比为SNR2=10*log10(3)=4.77dB。
对于第一层用户,将第二层用户信号看成干扰噪声时每个复数符号的容量为比特,用户1的接收端信噪比SNR1=10*log10(9)=9.54dB。
对于如上所述的多用户传输方法,基站接收端先将第二层用户视为干扰噪声,解调出第一层用户信息比特,然后将接收信号减去根据第一层用户信息比特恢复的第一层用户的接收信号,得到对应第二层用户的接收信号。即不同用户可以通过发送功率调整后对应的接收端信噪比不同进行区分,可以通过串行干扰消除方法解调多个用户的信息。
实施例6
本实施例以4个用户(K=4)为例,结合具体参数,进一步说明本发明的一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法。本实施例说明,不同用户可以通过不同的编码调制参数和发送功率的调整联合进行区分。
多用户功率分配方案如下:
将4个用户分成两层,每层内用户信号接收功率一样,不同层的总用户信号接收功率不同。假设每一层的每一个用户要求的传输率均为1比特每复数符号,接收端噪声功率归一化为1。
对于第二层用户,每个复数符号的容量为log2(1+P2)=2,则所需总用户信号接收功率P2=3,每个用户所需接收功率3/2,每个用户所需的接收端信噪比为SNR2=10*log10(3/2)=1.76dB。
对于第一层用户,将第二层所有用户接收信号看成干扰噪声时,每个复数符号的容量为所需总用户信号接收功率P1=3*(1+3)=12,每个用户所需接收功率12/2=6,每个用户所需的接收端信噪比SNR1=10*log10(6)=7.78dB。
多用户编码调制传输方法如图3所示,多用户编码调制和解调解码的具体参数如下:
1.每个用户采用相同的信道编码,信道编码采用LDPC编码,码率为1/2。
2.LDPC迭代次数为30次,LDPC码每迭代2次与多用户检测模块交互一次软信息。
3.每个用户采用相同的星座映射,采用格雷映射的QPSK。
4.每一层内不同用户采用的比特交织不同。
本实施例的接收端综合采用了串行干扰消除和联合解码这两种解调解码方法。
对于如上所述的多用户传输方法,基站接收端先将第二层所有用户接收信号视为干扰噪声,解出第一层所有用户的信息比特;对于第一层内的所有用户,不同用户可以通过不同编码调制参数进行区分(本实施例中,不同用户采用不同的比特交织),并通过接收端的迭代多用户检测和信道解码进行解调;
当基站接收端解调出第一层所有用户信息比特后,将总接收信号减去根据第一层所有用户信息比特恢复的第一层所有用户的接收信号,得到对应第二层所有用户的接收信号。对于第二层内的所有用户,不同用户也可以通过不同编码调制参数进行区分(本实施例中,不同用户采用不同的比特交织),并通过接收端的迭代多用户检测和信道解码进行解调;
综合所述,不同用户可以通过编码调制参数和发送功率调整后对应的接收端信噪比的组合进行区分。
另外,本发明实施例的一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的,为了减少冗余,不做赘述。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同限定。
Claims (8)
1.一种多址接入信道的多用户编码调制传输方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:基站根据K个用户的信道条件,确定每个用户的编码调制参数和发送功率,并通过下行信道告知每个用户,其中,K为基站覆盖范围内基站准许接入的存在上行传输需求的用户数目,且K个用户中或者编码调制参数不同、或者在基站端的接收信噪比不同;
S2:根据所述编码调制参数生成每个用户的符号序列,根据所述发送功率将所述符号序列发送至所述基站;以及
S3:所述基站对经过多址接入信道的多个用户信号叠加的所述符号序列进行解调解码,得到每个用户的信息比特的估计值。
2.根据权利要求1所述的多址接入信道的多用户编码调制传输方法,其特征在于,所述编码调制参数包括:信道编码、比特交织、星座映射和扩频码。
3.根据权利要求2所述的多址接入信道的多用户编码调制传输方法,其特征在于,所述步骤S2进一步包括:
S201:每个用户根据所述编码调制参数,将信息比特进行信道编码得到编码比特;
S202:将所述编码比特进行比特交织得到交织比特;
S203:对所述交织比特进行星座映射产生星座符号序列;
S204:所述星座符号序列直接得到该用户的发送符号序列,或者,
将所述星座符号序列进行扩频,产生该用户的发送符号序列,其中,所述扩频为每个用户将星座映射输出的每个符号,按照该用户的扩频码或扩频图案,产生一个N符号长的符号序列,N为该用户扩频码的长度且N为自然数;以及
S205:将所述发送符号序列处理后根据所述发送功率发送到基站。
4.根据权利要求3所述的多址接入信道的多用户编码调制传输方法,其特征在于,所述编码调制参数是所述基站告知的或传输协议预设的。
5.根据权利要求3或4所述的多址接入信道的多用户编码调制传输方法,其特征在于,所述解调解码的算法包括串行干扰消除或联合解调解码。
6.根据权利要求5所述的多址接入信道的多用户编码调制传输方法,其特征在于,所述解调解码的过程包括以下步骤:
A:多用户联合检测模块根据多个用户的扩频码和星座映射,结合多个用户的信道状态信息和信道解码模块反馈的先验信息,得到每个用户交织比特的外信息;
B:每个用户的交织比特的外信息经比特软信息解交织后,得到每个用户编码比特的先验信息,输入到所述信道解码模块;
C:所述信道解码模块进行软入软出信道解码,得到所述每个用户编码比特的外信息,经比特软信息交织后得到每个用户交织比特的先验信息,反馈到多用户联合检测模块;以及
D:步骤A的所述多用户联合检测模块和步骤C的所述信道解码模块迭代进行,由信道解码器得到用户信息比特估计值。
7.根据权利要求6所述的址接入信道的多用户编码调制传输方法,其特征在于,在所述步骤A中,所述每个用户交织比特的外信息是通过内部迭代或直接计算得到的。
8.根据权利要求6所述的址接入信道的多用户编码调制传输方法,其特征在于,在所述步骤D中,所述用户信息比特估计值是通过解码成功或迭代结束后得到的。
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