CN105610560B - 一种基于稀疏码多址接入的全双工中继系统的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于稀疏码多址接入的全双工中继系统的构建方法，属于通信领域。本发明为了解决传统的OFDMA系统难以满足5G中对频谱效率和传输速率的要求的问题，进而提出了一种基于稀疏码多址的干扰消除全双工中继系统的构建方法。本发明基于稀疏码多址接入的全双工中继系统的构建方法按照以下步骤实现：步骤一、采用稀疏码多址接入的方式，用户A_J将信息进行编码后发送到中继站；步骤二、中继站采用全双工方式收发信息，并对自反馈干扰进行干扰消除，再将信息转发给用户B_J；步骤三、用户B_J接收到中继站转发的信号后进行相应的解码，得到用户A_J发送的信息。本发明适用于通信领域。

Description

一种基于稀疏码多址接入的全双工中继系统的构建方法

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种基于稀疏码多址接入的全双工中继系统的构建方法。

背景技术

现有通信系统中，无论频分双工模式，还是时分双工模式都通过占用不同的资源实现上、下行通信来避免上、下行通信间的干扰，这显然将浪费一半的无线资源。如何利用同一信道实现同时双向的传输现已成为5G后续演进技术中可以挖掘的重要无线频谱资源。

此外，4G中广泛使用的正交频分复用OFDM系统，要求各个用户之间要相互正交，从而避免各个用户之间的干扰，但不能满足5G对于频谱效率和传输速率的要求，因此能够突破OFDMA频谱利用率瓶颈的非正交多址接入技术作为5G的候选技术正逐渐升温，其中最为典型的非正交多址接入技术是华为针对高频谱利用效率而提出的一种高速传输技术—稀疏码多址接入SCMA，目前空中接口技术已被列为5G移动通信候选标准。

稀疏码多址接入SCMA是一种新型的非正交多址接入方式，相比于传统的多址接入技术，它具有容量高时延小传输速率快等优点，抗多径能力强，同时克服了码分多址CDMA远近效应不足的问题。全双工技术则可以进一步增加系统容量，提高频谱利用率，改善中继系统的端到端延时问题。

全双工稀疏码多址接入SCMA无线通信系统采用同一时隙同一频率收发信息，不可避免产生严重的自干扰，如何有效的对自干扰进行消除与抑制是保证全双工无线通信系统正常工作的关键。

发明内容

本发明为了解决传统的OFDMA系统难以满足5G中对于频谱效率和传输速率的要求的问题，进而提出了一种基于稀疏码多址的干扰消除全双工中继系统的构建方法。

步骤一、采用稀疏码多址接入的方式，用户A_J将信息进行编码后发送到中继站；

步骤一一、设稀疏码多址接入系统SCMA具有J个用户，其中J≥1；每个用户分别发送信息，发送的信息比特序列进行前向纠错编码FEC，再进行交织；

稀疏码多址接入SCMA系统用户发射机的结构中所有符号通过上标区分不同的用户，通过下标区分向量中的元素；对于稀疏码多址接入系统中的第j个用户，发送的信息比特序列为其中0≤j≤J-1，且N为帧长；对信息比特序列进行前向纠错编码，即通过增加冗余信息来纠正随机错误，编码比特序列表示为其中M为当码率即R＝M/N时的编码序列长度；编码后的序列进行交织，即通过分散序列来对抗突发错误，交织后的编码序列表示为

步骤一二、根据稀疏码多址接入SCMA码本对每个用户发送的信息比特进行映射，得到第j个用户发送的信号为再按照配置矩阵F将所有用户A_J发送的信息分配到各个子载波上，完成稀疏码多址接入的调制编码过程；

配置矩阵F的每一行表示一个子载波，每一列表示一个用户；当一个用户占用子载波时，配置矩阵F中相应的位置为1，否则为0；由配置矩阵F可以看出，用户1占用前两个子载波，而用户2占用第一个和第三个子载波；经稀疏码多址接入SCMA映射后，每个用户发送的信号为所有用户发送的信息被分配到K个正交的子载波上，且不同用户发送的的信号经过衰减后叠加起来与噪声一起被中继站接收，接收的信号y_w表示为：

其中，是信道的特征向量，表明信息传输过程中的衰减；diag(h^j)是一个对角矩阵；n₀是随机噪声，遵从复数域上的高斯分布。

步骤二、中继站采用全双工方式收发信息，并对自反馈干扰进行干扰消除，再将信息转发给用户B_J；

全双工中继站对接收的信号y_w进行放大转发，采用基于时域干扰抵消的最小均方算法LMS对干扰进行抵消；

利用发送信号和发送信号的延迟样本对自反馈信道进行估计；在自反馈干扰抵消模块中w(n)＝[w₀(n),w₁(n)…w_L-1(n)]^T为自适应滤波器系数，其中w_k(n)为第n时刻滤波器第k个元素，L为滤波器阶数；

在第n时刻，全双工中继站接收的信号为y_w，全双工中继站发送信号为out(n)，自反馈干扰信号为y_F(n)，估计干扰信号为y_E(n)；自反馈干扰信道h_li，k₀为信道延迟单位时间，为k₀信道延迟单位时间的延时处理，基站到全双工中继站信道矩阵为h_sr，功放增益为定值G，n₁(n)表示第n时刻的接收信号的高斯噪声；

全双工中继站发送信号out(n)形成自反馈干扰信号y_F(n)到达全双工中继站时刻与估计干扰信号y_E(n)生成时刻对齐，将经过放大器前的发送的信号e(n)延迟k₀个时刻，获得用于自反馈干扰信道估计y_E(n)生成的信号u(n)；

设自反馈干扰信道无衰减，全双工中继站自反馈干扰信号为

误差信号e(n)表示为

e(n)＝y_w+y_F(n)-y_E(n)+n₁(n) (3)

其中

当全双工中继站接收的来自基站信号y_w样本均值为零且样本间独立同分布时，得到误差信号e(n)的能量E为

E{|e(n)|²}＝E{|y_w|²}+E{|y_F(n)-y_E(n)|²} (5)

以自适应滤波器系数为自变量求偏导数得到结果为E{e(n)u(n-k)}，其中k＝0,1,…L-1；当自反馈干扰得到抵消时，满足误差信号e(n)正交于u(n)；

设计自适应滤波器更新表达式为

w(0)＝0 (6)

w(n+1)＝w(n)+tE{e(n)u(n)} (7)

其中w(0)表示自适应滤波器的初始值，w(n)表示n时刻自适应滤波器的系数向量，t表示更新自适应滤波器系数的步进因子；当w(n)趋于收敛时，w(n)u(n)即为干扰信号的估计值，在全双工中继站接收信号减去干扰信号的估计值即实现干扰消除。

步骤三、用户B_J接收到中继站转发的信号后进行相应的解码，得到用户A_J发送的信息。

根据J个用户，占用K个子载波，过载系数为J/K以及配置矩阵F确定因子图；利用迭代算法—消息传递算法对y_w进行多用户检测，得到每个用户发送信息的概率值；根据得到的每个用户发送信息的概率值依次进行解调、解交织、信道解码和硬判决获得信息比特。

发明有益效果

本发明提出的基于稀疏码多址接入全双工中继系统的构建方法，在负载系数为1.5时，全双工SCMA系统相比于传统的OFDMA系统提升3倍的频谱效率，相比于未采用传统的全双工SCMA系统提升2倍的频谱效率，降低了误码率；干扰消除的全双工SCMA系统相比于未进行干扰消除的全双工SCMA系统误码率低；本发明方法设计的干扰消除的全双工SCMA系统有效的提高了频谱效率，降低了误码率。

附图说明

图1是稀疏码多址接入SCMA系统用户发射机的结构图；

图2是稀疏码多址接入系统全双工中继站自反馈干扰时域抵消模型图；

图3是稀疏码多址接入系统因子图示例；

图4是传统OFDMA系统、传统SCMA系统、干扰消除后的全双工SCMA系统与未进行干扰消除的全双工SCMA系统误码率对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种基于稀疏码多址接入的全双工中继系统的构建方法，其特征在于，所述的基于稀疏码多址接入的全双工中继系统的构建方法按照以下步骤实现：

步骤一、采用稀疏码多址接入的方式，用户A_J将信息进行编码后发送到中继站；

步骤二、中继站采用全双工方式收发信息，并对自反馈干扰进行干扰消除，再将信息转发给用户B_J；

步骤三、用户B_J接收到中继站转发的信号后进行相应的解码，得到用户A_J发送的信息。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：其特征在于，所述的步骤一采用稀疏码多址接入的方式，用户A_J将信息进行编码后发送到中继站按照以下步骤实现：

步骤一一、设稀疏码多址接入系统SCMA具有J个用户，其中J≥1；每个用户分别发送信息，发送的信息比特序列进行前向纠错编码FEC，再进行交织；

稀疏码多址接入SCMA系统用户发射机的结构中所有符号通过上标区分不同的用户，通过下标区分向量中的元素；对于稀疏码多址接入系统中的第j个用户，发送的信息比特序列为其中0≤j≤J-1，且N为帧长；对信息比特序列进行前向纠错编码，即通过增加冗余信息来纠正随机错误，编码比特序列表示为其中M为当码率即R＝M/N时的编码序列长度；编码后的序列进行交织，即通过分散序列来对抗突发错误，交织后的编码序列表示为

步骤一二、根据稀疏码多址接入SCMA码本对每个用户发送的信息比特进行映射，得到第j个用户发送的信号为再按照配置矩阵F将所有用户A_J发送的信息分配到各个子载波上，完成稀疏码多址接入的调制编码过程；

配置矩阵F的每一行表示一个子载波，每一列表示一个用户；当一个用户占用子载波时，配置矩阵F中相应的位置为1，否则为0；由配置矩阵F可以看出，用户1占用前两个子载波，而用户2占用第一个和第三个子载波；经稀疏码多址接入SCMA映射后，每个用户发送的信号为所有用户发送的信息被分配到K个正交的子载波上，且不同用户发送的的信号经过衰减后叠加起来与噪声一起被中继站接收，接收的信号y_w表示为：

其中，是信道的特征向量，表明信息传输过程中的衰减；diag(h^j)是一个对角矩阵；n₀是随机噪声，遵从复数域上的高斯分布。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：其特征在于，所述的步骤二中继站采用全双工方式收发信息，并对自反馈干扰进行干扰消除，再将信息转发给用户B_J按照以下步骤实现：

全双工中继站对接收的信号y_w进行放大转发，采用基于时域干扰抵消的最小均方算法LMS对干扰进行抵消；

利用发送信号和发送信号的延迟样本对自反馈信道进行估计；在自反馈干扰抵消模块中w(n)＝[w₀(n),w₁(n)…w_L-1(n)]^T为自适应滤波器系数，其中w_k(n)为第n时刻滤波器第k个元素，L为滤波器阶数；

在第n时刻，全双工中继站接收的信号为y_w，全双工中继站发送信号为out(n)，自反馈干扰信号为y_F(n)，估计干扰信号为y_E(n)；自反馈干扰信道h_li，k₀为信道延迟单位时间，为k₀信道延迟单位时间的延时处理，基站到全双工中继站信道矩阵为h_sr，功放增益为定值G，n₁(n)表示第n时刻的接收信号的高斯噪声；

全双工中继站发送信号out(n)形成自反馈干扰信号y_F(n)到达全双工中继站时刻与估计干扰信号y_E(n)生成时刻对齐，将经过放大器前的发送的信号e(n)延迟k₀个时刻，获得用于自反馈干扰信道估计y_E(n)生成的信号u(n)；

设自反馈干扰信道无衰减，全双工中继站自反馈干扰信号为

误差信号e(n)表示为

e(n)＝y_w+y_F(n)-y_E(n)+n₁(n) (3)

其中

当全双工中继站接收的来自基站信号y_w样本均值为零且样本间独立同分布时，得到误差信号e(n)的能量E为

E{|e(n)|²}＝E{|y_w|²}+E{|y_F(n)-y_E(n)|²} (5)

以自适应滤波器系数为自变量求偏导数得到结果为E{e(n)u(n-k)}，其中k＝0,1,…L-1；当自反馈干扰得到抵消时，满足误差信号e(n)正交于u(n)；

设计自适应滤波器更新表达式为

w(0)＝0 (6)

w(n+1)＝w(n)+tE{e(n)u(n)} (7)

其中w(0)表示自适应滤波器的初始值，w(n)表示n时刻自适应滤波器的系数向量，t表示更新自适应滤波器系数的步进因子；当w(n)趋于收敛时，w(n)u(n)即为干扰信号的估计值，在全双工中继站接收信号减去干扰信号的估计值即实现干扰消除。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：其特征在于，所述的步骤三用户B_J接收到中继站转发的信号后进行相应的解码，得到用户A_J发送的信息按照以下步骤实现：

根据J个用户，占用K个子载波，过载系数为J/K以及配置矩阵F确定因子图；确定因子图，利用迭代算法—消息传递算法对y_w进行多用户检测，得到每个用户发送信息的概率值；根据得到的每个用户发送信息的概率值依次进行解调、解交织、信道解码和硬判决获得信息比特。

实施例

选择6个用户A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆发送信息，4个子载波资源，负载系数为1.5，用户A₁至A₆的信息通过中继站转发给6个用户B₁、B₂、B₃、B₄、B₅、B₆，中继站采用全双工方式进行通信，用户A₁至A₆均采用相同编码速率的卷积码进行信道编码，编码速率为0.5，编码长度为1000个比特，所有SCMA系统利用消息传递算法MPA进行SCMA解映射，全双工干扰抵消基于最小均方误差LMS算法的时域抵消。

在负载系数为1.5时，以信噪比为横坐标，以误码率为纵轴坐标，建立OFDMA系统、SCMA系统、未进行干扰抵消的全双工SCMA系统、干扰抵消的全双工SCMA系统，得到上述四种系统正常工作时在接收端的误码率性能曲线如图4，由图4可以看出，全双工SCMA系统相较于传统的OFDM系统提升3倍的频谱效率，相对于未采用全双工技术的传统SCMA系统提升2倍的频谱效率，降低了误码率；干扰消除的全双工SCMA系统相比于未进行干扰消除的全双工SCMA系统误码率低；本发明方法构建的干扰消除的全双工SCMA系统有效的提高了频谱效率，降低了误码率。

Claims (2)

1.一种基于稀疏码多址接入的全双工中继系统的构建方法，其特征在于，所述的基于稀疏码多址接入的全双工中继系统的构建方法是按照以下步骤实现的：

步骤一、采用稀疏码多址接入的方式，用户A_J将信息进行编码后发送到中继站；

步骤二、中继站采用全双工方式收发信息，并对自反馈干扰进行干扰消除，再将信息转发给用户B_J；

步骤三、用户B_J接收到中继站转发的信号后进行相应的解码，得到用户A_J发送的信息；

所述的步骤一采用稀疏码多址接入的方式，用户A_J将信息进行编码后发送到中继站按照以下步骤实现：

步骤一一、设稀疏码多址接入系统SCMA具有J个用户，其中J≥1；每个用户分别发送信息，发送的信息比特序列进行前向纠错编码FEC，再进行交织；

稀疏码多址接入SCMA系统用户发射机的结构中所有符号通过上标区分不同的用户，通过下标区分向量中的元素；对于稀疏码多址接入系统中的第j个用户，发送的信息比特序列为其中0≤j≤J-1，且N为帧长；对信息比特序列进行前向纠错编码，即通过增加冗余信息来纠正随机错误，编码比特序列表示为其中M为当码率即R＝M/N时的编码序列长度；编码后的序列进行交织，即通过分散序列来对抗突发错误，交织后的编码序列表示为

步骤一二、根据稀疏码多址接入SCMA码本对每个用户发送的信息比特进行映射，得到第j个用户发送的信号为再按照配置矩阵F将所有用户A_J发送的信息分配到各个子载波上，完成稀疏码多址接入的调制编码过程；

配置矩阵F的每一行表示一个子载波，每一列表示一个用户；当一个用户占用子载波时，配置矩阵F中相应的位置为1，否则为0；由配置矩阵F可以看出，用户1占用前两个子载波，而用户2占用第一个和第三个子载波；经稀疏码多址接入SCMA映射后，每个用户发送的信号为所有用户发送的信息被分配到K个正交的子载波上，且不同用户发送的的信号经过衰减后叠加起来与噪声一起被中继站接收，接收的信号y_w表示为：

其中，是信道的特征向量，表明信息传输过程中的衰减；diag(h^j)是一个对角矩阵；n₀是随机噪声，遵从复数域上的高斯分布；

所述的步骤二中继站采用全双工方式收发信息，并对自反馈干扰进行干扰消除，再将信息转发给用户B_J按照以下步骤实现：

全双工中继站对接收的信号y_w进行放大转发，采用基于时域干扰抵消的最小均方算法LMS对干扰进行抵消；

利用发送信号和发送信号的延迟样本对自反馈信道进行估计；在自反馈干扰抵消模块中w(n)＝[w₀(n),w₁(n)...w_L-1(n)]^T为自适应滤波器系数，其中w_k(n)为第n时刻滤波器第k个元素，L为滤波器阶数；

在第n时刻，全双工中继站接收的信号为y_w，全双工中继站发送信号为out(n)，自反馈干扰信号为y_F(n)，估计干扰信号为y_E(n)；自反馈干扰信道h_li，k₀为信道延迟单位时间，为k₀信道延迟单位时间的延时处理，基站到全双工中继站信道矩阵为h_sr，功放增益为定值G，n₁(n)表示第n时刻的接收信号的高斯噪声；

全双工中继站发送信号out(n)形成自反馈干扰信号y_F(n)到达全双工中继站时刻与估计干扰信号y_E(n)生成时刻对齐，将经过放大器前的发送的信号e(n)延迟k₀个时刻，获得用于自反馈干扰信道估计y_E(n)生成的信号u(n)；

设自反馈干扰信道无衰减，全双工中继站自反馈干扰信号为

误差信号e(n)表示为

e(n)＝y_w+y_F(n)-y_E(n)+n₁(n) (3)

其中

当全双工中继站接收的来自基站信号y_w样本均值为零且样本间独立同分布时，得到误差信号e(n)的能量E为

E{|e(n)|²}＝E{|y_w|²}+E{|y_F(n)-y_E(n)|²} (5)

以自适应滤波器系数为自变量求偏导数得到结果为E{e(n)u(n-k)}，其中k＝0,1,…L-1；当自反馈干扰得到抵消时，满足误差信号e(n)正交于u(n)；

设计自适应滤波器更新表达式为

w(0)＝0 (6)

w(n+1)＝w(n)+tE{e(n)u(n)} (7)

其中w(0)表示自适应滤波器的初始值，w(n)表示n时刻自适应滤波器的系数向量，t表示更新自适应滤波器系数的步进因子；当w(n)趋于收敛时，w(n)u(n)即为干扰信号的估计值，在全双工中继站接收信号减去干扰信号的估计值即实现干扰消除。

2.根据权利要求1所述一种基于稀疏码多址接入的全双工中继系统的构建方法，其特征在于，所述的步骤三用户B_J接收到中继站转发的信号后进行相应的解码，得到用户A_J发送的信息按照以下步骤实现：

根据J个用户，占用K个子载波，过载系数为J/K以及配置矩阵F确定因子图；利用迭代算法—消息传递算法对y_w进行多用户检测，得到每个用户发送信息的概率值；根据得到的每个用户发送信息的概率值依次进行解调、解交织、信道解码和硬判决获得信息比特。