CN106160815A - 基于空时频码跳变的非正交多址接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于空时频码跳变的非正交多址接入方法，用于解决现有非正交多址接入方法抗干扰能力差的技术问题。技术方案是采用空时频码跳变控制非正交多址接入的流程和资源位置。通过采用非正交多址提升移动通信用户连接数、频谱利用率以及网络容量；同时，通过空时频码跳变提升通信抗干扰/抗截获性能。从而使得通信系统能够同时获得两方面的性能优势：一方面，提升了用户连接数、频谱效率和网络容量；另一方面，增强了通信系统的抗干扰、抗截获能力。

Description

基于空时频码跳变的非正交多址接入方法
技术领域
本发明涉及一种非正交多址接入方法，特别涉及一种基于空时频码跳变的非正交多址接入方法。
背景技术
移动通信技术在过去几十年间取得了飞速的发展，已发展成为影响人们工作和生活方方面面的最重要技术之一。移动通信技术经历了从模拟移动通信系统(第一代移动通信系统，即1G)到以GSM(Global System for Mobile Communications)为典型代表的第二代移动通信系统，即2G，然后到以WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)等为典型代表的第三代移动通信系统，即3G，再到目前正在全球范围部署的以LTE/LTE-A(Long-Term Evolution/LTE-Advanced)为典型代表的第四代移动通信系统，即4G。在每一次移动通信系统的更迭过程中，无线接入侧的多址技术始终是其发展的核心。
面向未来移动通信的海量连接数和超大容量的需求，传统的基于资源正交的多址方法(如时分多址、频分多址等)已经捉襟见肘，非正交多址(Non-Orthogonal MultipleAccess)技术目前备受业界关注，成为第五代移动通信系统(5G)的核心关键技术之一。非正交多址技术通过将用户信息在功率域或码域进行叠加，并在接收端通过多用户检测等方式实现对用户信息的分离和提取，从而能够在共享的频率资源上承载更多的用户信息，以达到提高用户连接数、频谱利用率和网络容量的目的。
文献“Nikopour H,Baligh H.Sparse code multiple access[C]//PersonalIndoor and Mobile Radio Communications(PIMRC),2013IEEE 24th InternationalSymposium on.IEEE,2013:332-336.”提出在码域采用系数编码的方法实现非正交多址，以提升用户连接数。然而，该方法的性能严重受限于无线通信环境的各种干扰状况，如果缺乏有效的抗干扰手段，非正交多址技术的性能优势非但难以得到发挥，反而由于干扰而得系统性能恶化。
另一方面，移动和无线通信由于其传播特性以及无线信道衰落的影响而容易受到较大干扰，因此需要引入有效的抗干扰技术。跳频通信技术被广泛应用于抗干扰通信系统中，但多用户接入场景下，如果不同用户的跳频图样存在部分(或全部)重叠，将导致多址干扰，降低了频谱利用率。而且，跳频技术本身并不能提升用户连接数和网络容量。
综上所述，现有非正交多址技术的抗干扰性能较差，跳频技术的用户连接数和网络容量较差。缺乏同时提升用户连接数、网络容量、频谱利用率以及抗干扰性能的技术手段。
发明内容
为了克服现有非正交多址接入方法抗干扰能力差的不足，本发明提供一种基于空时频码跳变的非正交多址接入方法。该方法采用空时频码跳变控制非正交多址接入的流程和资源位置。通过采用非正交多址提升移动通信用户连接数、频谱利用率以及网络容量；同时，通过空时频码跳变提升通信抗干扰/抗截获性能。从而使得通信系统能够同时获得两方面的性能优势：一方面，提升了用户连接数、频谱效率和网络容量；另一方面，增强了通信系统的抗干扰、抗截获能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于空时频码跳变的非正交多址接入方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、将经过信道编码后的码流送入预编码器。
所述预编码器将串行输入的码流转换为M路并行输出的复数域信号，如果M等于1，则表示输出1路复数域信号。
所述预编码器的所有M路输出码字均由码本生成器从码本空间，即码字的集合中产生。
所述码本生成器由空时频码跳变控制器控制。每隔协议规定时间，空时频码跳变控制器会更新码本生成器的码本生成规则，从而使得码本产生跳变。
步骤二、将预编码器的所有M路并行复数域输出送入调制器进行调制。
所述调制器将M路并行复数域信号转换为具有幅度和相位的电信号，即已调信号，该已调信号占据M个正交资源单元，与M个复数域信号一一对应。
所述正交资源单元，在频率域是指频分多址方式中的信道，或者正交频分多址中的正交子信道；在空间域是指不同的空间流；在时间域是指不同的时隙；在多维资源域是指最小资源单元。
所述正交资源单元的位置由正交资源跳变器指示。
所述正交资源跳变器由空时频码跳变控制器控制。每隔协议规定时间，空时频码跳变控制器会更新资源单元位置，从而使得信息所占据的正交资源单元产生跳变。在频率域是指分配的频率点发生跳变；在空间域是指分配的空间流发生跳变；在时间域是指分配的时隙发生跳变；在多维资源域是指分配的最小资源单元位置发生跳变。
所述调制器输出的已调信号幅度受功率分配器控制。
所述功率分配器由空时频码跳变控制器控制，每隔协议规定时间，空时频码跳变控制器会更新功率分配规则。
步骤三、经过调制器处理后的已调信号通过无线信道发送至接收端。
步骤四、接收端通过多用户联合检测，将所有发送端或者目标发送端的信号分离开。
所述多用户联合检测过程需要码本恢复器、资源跳变恢复器和功率恢复器各自恢复出的信息。所述码本恢复器恢复出发送端的码本信息；所述资源跳变恢复器恢复出发送端的正交资源单元位置；所述功率恢复器恢复出发送端的功率信息。
所述码本恢复器、资源跳变恢复器和功率恢复器均由空时频码跳变控制器控制，每隔协议规定时间，空时频码跳变控制器会更新恢复规则，以确保与发送端同步。
本发明的有益效果是：该方法采用空时频码跳变控制非正交多址接入的流程和资源位置。通过采用非正交多址提升移动通信用户连接数、频谱利用率以及网络容量；同时，通过空时频码跳变提升通信抗干扰/抗截获性能。从而使得通信系统能够同时获得两方面的性能优势：一方面，提升了用户连接数、频谱效率和网络容量；另一方面，增强了通信系统的抗干扰、抗截获能力。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明基于空时频码跳变的非正交多址接入方法的结构图。
图2是实施例一的结构图，其中图2(a)是采用单射频通道的结构图，图2(b)是采用多射频通道的结构图。
图3是实施例二的结构图。
图4是实施例三的结构图。
图5是实施例四的结构图。
图6是实施例五的结构图。
图7是实施例六的结构图。
图8是实施例七的结构图。
图9是实施例八的结构图。
图10是实施例九的结构图。
图11是实施例十的结构图。
图12是实施例十一的结构图。
图13是网络吞吐量的仿真图。
图14是网络抗干扰性能的仿真图。
具体实施方式
以下实施例参照图1-14。
1.具体实施例一。
参照图2，实施例一侧重描述发送端的“空时频码跳变控制器”以“频率与码本跳变控制器”的方式实现，预编码器采用稀疏码编码器方式实现，正交频谱资源采用频分多址方式实现，正交资源跳变器采用频点变换器的方式实现，无功率分配器，调制器采用多载波调制器、一路射频或多路射频的方式实现。频率与码本跳变控制器一方面控制码本生成器产生码本，另一方面控制频点变换器切换M路输入信号的跳频频点位置。输入码流首先经过稀疏码编码器生成并行多路复数域稀疏编码，而后调制到各个频点上。
步骤1：经过信道编码后的码流进入稀疏码编码器实现并行多路复数域稀疏编码，具体步骤如下。
●步骤1.1：经过信道编码后的长度为L比特的原始二进制码流(a1,a2,…,aL)送入稀疏码编码器输入端；
●步骤1.2：频率与码本跳变控制器控制码本产生器，使其每隔一段时间(由相应协议规定)，更新码本生成规则，从而使得码本产生跳变。
●步骤1.3：稀疏码编码器通过码本产生器来查找码本和码字，对原始输入码流进行编码，并输出M路并行多路复数域稀疏码字(c1,c2,…,cM)，以作为待调制符号送入多载波调制器。进入步骤2。
步骤2：待调制符号输入多载波调制器实现多路调制，具体步骤如下：
●步骤2.1：M路并行复数域稀疏码字(c1,c2,…,cM)送入多载波调制器输入端。所述多载波调制器包含M路，与M个稀疏码字一一对应，也与M个互不交叠的载波频点一一对应；
●步骤2.2：频率与码本跳变控制器控制频点变换器来设定跳频图案，即使其每隔一段时间(由相应协议规定)，产生载波频点跳变。
●步骤2.3：对于当前时间片ti(i＝1,2,…)，频点变换器设置所对应的跳频频点(即与复数域符号c1,c2,…,cM相对应的载波频点f1,f2,…,fM)，并将该信息向多载波调制器提供。
●步骤2.4：多载波调制器包含M路并行的载波调制器。每一路载波调制器将对应的复数域信号转换为具有幅度和相位的已调信号，调制到由频点变换器所确定的频点上。M路多载波调制器共输出M路已调信号。如果系统为单射频通道系统，则将M路已调信号送往多路合并器，转至步骤2.4；如果系统为多射频通道系统，则分别将M路已调信号送往M路独立的D/A，转至步骤2.5。
●步骤2.5：多路合并器将M路已调信号合并输出送往模拟数字转换器(D/A)，进入步骤2.5。
●步骤2.6：D/A输出调制后的模拟信号x(t)。
2.具体实施例二。
参照图3，实施例二侧重描述发送端的“空时频码跳变控制器”以“频率与码本跳变控制器”的方式实现，预编码器采用稀疏码编码器方式实现，正交资源单元采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)方式实现，正交资源跳变器采用频点变换器的方式实现，无功率分配器，调制器采用OFDM方式实现。频率与码本跳变控制器一方面控制码本生成器产生码本，另一方面控制跳频图样。输入码流首先经过稀疏码编码器生成并行多路复数域稀疏编码，而后以OFDM的方式调制到各个正交的子载波上。该实施例可应用于多种网络场景，例如蜂窝低频上/下行通信、Ad Hoc网络、高频定向波束组网等。
步骤1：经过信道编码后的码流进入预编码器实现并行多路复数域稀疏编码，具体步骤如下：
●步骤1.1：经过信道编码后的长度为L比特的原始二进制码流(a1,a2,…,aL)送入稀疏码编码器输入端；
●步骤1.2：频率与码本跳变控制器控制码本产生器，使其每隔一段时间(由相应协议规定)，更新码本生成规则，从而使得码本产生跳变。
●步骤1.3：稀疏码编码器通过码本产生器来查找码本和码字，将原始输入码流进行编码，并输出M路并行多路复数域稀疏码字(c1,c2,…,cM)，作为待调制符号分别对应地送入OFDM调制器。进入步骤2。
步骤2：待调制符号输入OFDM调制器实现多路调制，具体步骤如下：
●步骤2.1：M路并行复数域稀疏码字(c1,c2,…,cM)送入N点IDFT变换器输入端。所述N点IDFT变换器共有N路输入(N≥M)，除了来自稀疏码编码器的M路输入外，其他N-M路输入信号设定为0；
●步骤2.2：频率与码本跳变控制器控制频点变换器来设定跳频图案，即使其每隔一段时间(由相应协议规定)，产生载波频点跳变。
●步骤2.3：对于当前时间片ti(i＝1,2,…)，频点变换器设置所对应的跳频频点(即与复数域符号c1,c2,…,cM相对应的载波频点f1,f2,…,fM)，并将该信息向IDFT变换器提供。即所述M路输入信号对应到N路子载波中的位置是跳变的，而N路子载波的整体位置不变。
●步骤2.4：IDFT变换器将M路输入信号调制到由频点变换器所确定的M路OFDMA子载波上，其他N-M路子载波输入设定为0。IDFT变换器共输出N路已调信号，然后将其送往并串转换器。
●步骤2.5：并串转换器将M路已调信号合并输出，并送往模拟数字转换器(D/A)。
●步骤2.6：D/A输出调制后的模拟信号x(t)，进入射频(Radio Frequency，RF)单元，进入步骤3。
步骤3：模拟信号x(t)经过RF后进入无线信道。
3.具体实施例三。
参照图4，实施例三侧重描述对应于实施例二的接收端原理。具体而言，非正交方式采用稀疏编码，正交资源单元采用OFDM，资源跳变方式采用跳频方式。频率与码本跳变控制器一方面控制码本恢复器恢复出发送端的码本信息用于稀疏码解码，另一方面控制频点恢复器用于DFT变换。
步骤1：接收端从频率域上接收到多个用户(发送端)叠加的信号y(t)后，送入模数转换器(A/D)，进入步骤2。
步骤2：A/D将接收到的模拟信号转换为数字信号，送入数字带通滤波器，进入步骤3。
步骤3：数字带通滤波器滤除无用信号，将N路子载波上的信号送往串并转换器，进入步骤4。
步骤4：并串转换器将串行信号转换为并行N路信号，对应到N路OFDMA子载波，输出到N点DFT变换器，进入步骤5。
步骤5：N点DFT变换器执行DFT变换，向稀疏码解码器输出M路(M≤N)复数域稀疏码字，具体步骤如下：
●步骤5.1：频率与码本跳变控制器控制频点恢复器来恢复出跳频图案，即使其每隔一段时间(由相应协议规定)，恢复出载波频点跳变信息。
●步骤5.2：对于当前时间片ti(i＝1,2,…)，频点恢复器设置M路有用信号所对应的频点在N个子载波中的位置，并告知N点DFT变换器基于该频点信息进行DFT变换。
●步骤5.3：N点DFT变换器执行DFT变换，将由频点恢复器所确定的M路结果作为输出送往稀疏码解码器，其余N-M路结果丢弃，进入步骤6。
步骤6：稀疏码解码器从多个用户(发送端)叠加的M路输入信号中分离出每个用户(发送端)或者待接收用户(发送端)的信息，具体步骤如下：
●步骤6.1：频率与码本跳变控制器控制码本恢复器以恢复出发送端的码本信息，即使其每隔一段时间(由相应协议规定)，恢复出当前码本信息。
●步骤6.2：对于当前时间片ti(i＝1,2,…)，码本恢复器恢复出当前码本信息，并利用稀疏码解码器进行多用户信息分离。
●步骤6.3：稀疏码解码器基于当前码本信息，从多个用户(发送端)叠加的M路输入信号中分离出每个用户(发送端)或者待接收用户(发送端)的信息，接收完成。
4.具体实施例四。
参照图5，实施例四与实施例二类似，区别在于：实施例二中的N个子载波频点位置不变，频率与码本跳变控制器控制承载M路有用信号的子载波位置在N个子载波中跳变。实施例四中，频率与码本跳变控制器控制N个子载波位置整体跳变，而承载M路有用信号的子载波位置在N个子载波中不变。该实施例可应用于多种网络场景，例如蜂窝低频上/下行通信、Ad Hoc网络、定向波束组网等。
步骤1：经过信道编码后的码流进入预编码器实现并行多路复数域稀疏编码，具体步骤如下：
●步骤1.1：经过信道编码后的长度为L比特的原始二进制码流(a1,a2,…,aL)送入稀疏码编码器输入端；
●步骤1.2：频率与码本跳变控制器控制码本产生器，使其每隔一段时间(由相应协议规定)，更新码本生成规则，从而使得码本产生跳变。
●步骤1.3：稀疏码编码器通过码本产生器来查找码本和码字，将原始输入码流进行编码，并输出M路并行多路复数域稀疏码字(c1,c2,…,cM)，作为待调制符号分别对应地送入OFDM调制器。进入步骤2。
步骤2：待调制符号输入OFDM调制器实现多路调制，具体步骤如下：
●步骤2.1：M路并行复数域稀疏码字(c1,c2,…,cM)送入N点IDFT变换器输入端。所述N点IDFT变换器共有N路输入(N≥M)，除了来自稀疏码编码器的M路输入外，其他N-M路输入信号设定为0；
●步骤2.2：IDFT变换器将M路输入信号调制到M路正交子载波上，其他N-M路子载波输入设定为0。IDFT变换器共输出N路已调信号，然后将其送往并串转换器。所述M路输入信号对应到N路子载波中的位置是相对不变的。
●步骤2.3：并串转换器将M路已调信号合并输出送往模拟数字转换器(D/A)。
●步骤2.4：D/A输出已调模拟信号x(t)，进入射频(Radio Frequency，RF)单元，转至步骤3。
步骤3：模拟信号x(t)经过RF后进入无线信道，具体步骤如下：
●步骤3.1：频率与码本跳变控制器控制频点变换器来设定跳频图案，即使其每隔一段时间(由相应协议规定)，产生载波频点跳变。
●步骤3.2：对于当前时间片ti(i＝1,2,…)，频点变换器设置N个子载波整体的频率跳变位置，并将x(t)搬移到该RF频率段上，随后进入无线信道。
5.具体实施例五。
参照图6，实施例五侧重描述对应于实施例四的接收端原理。具体而言，非正交方式采用稀疏编码，正交资源单元采用OFDM，资源跳变方式采用跳频。频率与码本跳变控制器一方面控制码本恢复器恢复出发送端的码本信息用于稀疏码解码，另一方面控制频点恢复器用于数字带通滤波器频点变换。
步骤1：接收端从频率域上接收到多个用户(发送端)叠加的信号y(t)后，送入模数转换器(A/D)，进入步骤2。
步骤2：A/D将接收到的模拟信号转换为数字信号，送入数字带通滤波器，进入步骤3。
步骤3：数字带通滤波器基于频点恢复器所确定的当前频点接收有用信号，滤除无用信号，具体步骤如下：
●步骤3.1：频率与码本跳变控制器控制频点恢复器来恢复出跳频图案，即使其每隔一段时间(由相应协议规定)，恢复出载波频点跳变信息。
●步骤3.2：对于当前时间片ti(i＝1,2,…)，频点恢复器设置所对应的N个子载波所在频率段，并告知数字带通滤波器基于该频点信息进行数字滤波。
●步骤3.3：数字带通滤波器基于查询频点恢复器得到的频点信息将有用信号提取出来，其他频点信号滤除，之后将输出结果送往串并转换器，进入步骤4。
步骤4：并串转换器将串行信号转换为并行N路信号，对应到N路正交子载波，输出到N点DFT变换器，进入步骤5。
步骤5：N点DFT变换器执行DFT变换，向稀疏码解码器输出M路(M≤N)复数域稀疏码字，其余N-M路结果丢弃，进入步骤6。
步骤6：稀疏码解码器从多个用户(发送端)叠加的M路输入信号中分离出每个用户(发送端)或者待接收用户(发送端)的信息，具体步骤如下：
●步骤6.1：频率与码本跳变控制器控制码本恢复器来恢复出发送端的码本信息，即使其每隔一段时间(由相应协议规定)，恢复出当前码本信息。
●步骤6.2：对于当前时间片ti(i＝1,2,…)，码本恢复器恢复出当前码本信息，并由稀疏码解码器进行多用户信息分离。
●步骤6.3：稀疏码解码器基于当前码本信息，从多个用户(发送端)叠加的M路输入信号中分离出每个用户(发送端)或者待接收用户(发送端)的信息，接收完成。
6.具体实施例六。
参照图7，实施例六对应于实施例二～五，侧重描述频率与码本跳变控制器控制频率跳变的过程。随着时间的变化，用户收发数据的频率和码本发生变化。另外，用户1可以同时占据多个跳频频段，以提高传输速率。
频率与码本跳变控制器配置发送端的码本生成器、频点变换器以及接收端的码本恢复器、频点恢复器。所以实现的用户x1、x2和x3的资源占用情况为：
●在t1时间，x1和x2占用频率段f6，其中f6包含M1个子载波，码本集为CB1；
●在t2时间，x1、x2、x3跳转到频率段f1，其中f1包含M1个子载波，码本集为CB1；
●在t3时间，x1、x2、x3跳转到频率段f5，其中f5包含M1个子载波，码本集为CB1；
●在t4时间，x1、x2、x3跳转到频率段f3，其中f3包含M1个子载波，码本集跳转为CB2；
●在t5时间，x1、x2、x3跳转到频率段f6，其中f6包含M1个子载波，码本集为CB2；
x1、x4和x5的资源占用情况为：
●在t1时间，x1、x4和x5占用频率段f3，其中f3包含M2个子载波，码本集为CB3；
●在t2时间，x1、x4和x5跳转到频率段f5，其中f5包含M2个子载波，码本集为CB3；
●在t3时间，x1、x4和x5跳转到频率段f2，其中f2包含M2个子载波，码本集为CB3；
●在t4时间，x1、x4和x5跳转到频率段f6，其中f6包含M2个子载波，码本集跳转为CB4；
●在t5时间，x1、x4和x5跳转到频率段f1，其中f1包含M2个子载波，码本集为CB4；
7.具体实施例七。
参照图8，实施例七基于实施例二～五，侧重描述多小区协作场景(协作多点传输，即CoMP)。多个小区的基站同时向位于小区重叠覆盖用户发送不同的数据以提升边缘节点吞吐量。
步骤1：在t1时间段，基站1、2、3、4在频率段f6上同时向用户发送下行服务，且基站之间发送的数据不同，分别为DATA1、DATA2、DATA3和DATA4。每个基站发送数据的过程与实施例二或四一致。
所述频率段f6包含有M个正交子载波。
基站1在M个子载波中的子载波1和子载波2发送DATA1；基站2在M个子载波中的子载波2和子载波3发送DATA2；基站3在M个子载波中的子载波1和子载波M发送DATA3；基站4在M个子载波中的子载波2和子载波M发送DATA4。
每一个基站与子载波的对应关系由稀疏码码本所生成的码字确定，该基站内部的频率与码本跳变控制器控制其码本产生器，使其每隔一段时间(由相应协议规定)，更新码本生成规则，从而使得码本产生跳变。
步骤2：在t2时间段，各个基站的码本不发生变化，频率与码本跳变控制器要求工作频段发生跳变，基站1、2、3、4在频率段f1上同时向用户发送下行服务，且基站之间发送的数据不同，其余配置与步骤1一致。
所述频率段f1包含有M个正交子载波。
步骤3：在t3时间段，频率与码本跳变控制器要求工作频段发生跳变，基站1、2、3、4在频率段f5上同时向用户发送下行服务，且基站之间发送的数据不同，其余配置与步骤1一致。
所述频率段f5包含有M个正交子载波。
步骤4：在t4时间段，频率与码本跳变控制器要求工作频段和码本均发生跳变，基站1、2、3、4在频率段f3上同时向用户发送下行服务，且基站之间发送的数据不同，分别为DATA6、DATA7、DATA8和DATA9。每个基站发送数据的过程与实施例二或四一致。
所述频率段f3包含有M个正交子载波。
所述码本的跳变体现为：基站1在M个子载波中的子载波1和子载波M发送DATA6；基站2在M个子载波中的子载波1和子载波3发送DATA7；基站3在M个子载波中的子载波2和子载波M发送DATA8；基站4在M个子载波中的子载波2和子载波3发送DATA9。
步骤5：在t5时间段，各个基站的码本不发生变化，频率与码本跳变控制器要求工作频段发生跳变，基站1、2、3、4在频率段f6上同时向用户发送下行服务，且基站之间发送的数据不同，其余配置与步骤4一致。
8.具体实施例八。
参照图9，实施例八侧重描述发送端的“空时频码跳变控制器”以“功率、时间与码本跳变控制器”的方式实现，非正交方式采用功分多址，有功率分配器，预编码器采用一般调制星座点映射(如BPSK、QPSK星座点映射)方式实现，正交频谱资源采用单信道实现，正交资源跳变器采用时隙变换器的方式实现，调制器采用单载波调制器。在单信道(频域)下通过功率域的变化实现非正交多址，并且通过时隙跳变的方式实现抗干扰。
步骤1：经过信道编码后的码流进入预编码器实现并行多路复数域稀疏码。所述预编码器将串行信息序列转化为复数域信号。具体步骤如下。
●步骤1.1：经过信道编码后的长度为L比特的原始二进制码流(a1,a2,…,aL)送入预编码器输入端；
●步骤1.2：功率、时间与码本跳变控制器控制码本产生器，使其每隔一段时间(由相应协议规定)，更新码本生成规则，从而使得码本产生跳变。
●步骤1.3：预编码器通过码本产生器来查找码本和码字，将原始输入码流进行编码，并输出复数域码字c，作为待调制符号分别对应地送入单载波调制器。进入步骤2。
步骤2：待调制符号输入单载波调制器实现调制，具体步骤如下：
●步骤2.1：复数域稀疏码字c送入单载波调制器输入端。
●步骤2.2：功率、时间与码本跳变控制器控制时隙变换器来设定跳时图案，使其任意两个数据发送时隙之间的间隔遵循某伪随机序列，产生跳变。
●步骤2.3：对于当前时间片ti(i＝1,2,…)，如果不是数据发送时隙，则返回并等待下一时隙；如果是数据发送时隙，则继续步骤2.4。
●步骤2.4：发送功率基于功率分配器来设定，并将已调数字信号送往D/A。所述功率分配器受控于功率、时间与码本跳变控制器，使其每隔一段时间(由相应协议规定)，会更新功率分配规则。
●步骤2.5：D/A输出已调模拟信号x(t)。
9.具体实施例九。
参照图10，实施例九基于实施例二，侧重描述一个节点向多个节点发送数据的情形。发送节点拟同时向多个接收节点发送数据，发送节点采用稀疏编码的方式将多用户并行数据流映射到相同的频率段上，其信息在该频率段上相互交叠，该频率段在整个N路正交子载波上跳变。
步骤1：发送端将发往不同用户的原始信息码流送往不同的稀疏码编码器，每一路稀疏码编码器实现并行多路复数域稀疏编码，产生M路并行多路复数域稀疏码字，作为待调制符号分别对应地送入OFDM调制器。OFDM调制器与稀疏码编码器一一对应，即每一路用户信息流对应一个稀疏码编码器和一个OFDM调制器。
所述发往不同用户的原始信息码流互不相同，对应发往不同用户的信息。
具体步骤描述如下：
●步骤1.1：发送端将发往不同用户的原始二进制信息码流送往与用户相对应的稀疏码编码器输入端，不同用户的原始信息码流互不相同，而后每一路稀疏码编码器独立并行且独立执行步骤1.2-1.3。
●步骤1.2：对于任意一路稀疏码编码器，频率与码本跳变控制器控制码本产生器，使其每隔一段时间(由相应协议规定)，更新码本生成规则，从而使得码本产生跳变。
●步骤1.4：对于任意一路稀疏码编码器，稀疏码编码器通过码本产生器来查找码本和码字，将原始输入码流进行编码，并输出M路并行多路复数域稀疏码字，例如第i个稀疏码编码器的输出为(ci,1,ci,2,…,ci,M)，作为待调制符号分别对应地送入OFDM调制器。进入步骤2。
步骤2：每一个稀疏码编码器产生的M路待调制符号输入与之对应的OFDM调制器实现多路调制。
●步骤2.1：每一个稀疏码编码器输出的M路并行复数域稀疏码字送入N点IDFT变换器输入端。所述N点IDFT变换器共有N路输入(N≥M)，除了来自稀疏码编码器的M路输入外，其他N-M路输入信号设定为0。
●步骤2.2：频率与码本跳变控制器控制频点变换器来设定跳频图案，即使其每隔一段时间(由相应协议规定)，产生载波频点跳变。
●步骤2.3：对于当前时间片ti(i＝1,2,…)，频点变换器设置所对应的跳频频点(即与复数域符号c1,c2,…,cM相对应的载波频点f1,f2,…,fM)，并将该信息向所有IDFT变换器提供，即所有IDFT变换器共享跳频频点。该方法实现了M路输入信号对应到N路子载波中的位置是跳变的，而N路子载波的整体位置不变。
●步骤2.4：对于每一路IDFT变换器，将M路输入信号调制到由频点变换器所确定的M路OFDMA子载波上，其他N-M路子载波输入设定为0。每一路IDFT变换器均输出N路已调信号，然后将其送往多路叠加器，如第k路IDFT变换器输出xk,1，xk,2，…，xk,N。
●步骤2.5：多路叠加器实现来自不同IDFT变换器的信号叠加，输出N路并行叠加后的信号。具体而言，多路叠加器在信号叠加时，其第i路(i＝1,2,…,N)的输出是来自所有IDFT变换器第i路已调信号的复数域叠加，例如第p路输出而后，将叠加后的信号送往并串转换器。
●步骤2.6：并串转换器将M路已调信号合并输出，并送往模拟数字转换器(D/A)。
●步骤2.7：D/A输出调制后的模拟信号x(t)，进入射频(Radio Frequency，RF)单元，进入步骤3。
步骤3：模拟信号x(t)经过RF后进入无线信道。
10.具体实施例十。
参照图11，实施例十基于实施例四，侧重描述一个节点向多个节点发送数据的情形。发送节点拟同时向多个接收节点发送数据，发送节点采用稀疏编码的方式将多用户并行数据流映射到相同的频率段上，其信息在该频率段上相互交叠，该频率段在整个N路正交子载波上跳变。与实施例九不同之处在于，本实施例中，频率与码本跳变控制器控制N个子载波位置整体跳变，而承载M路有用信号的子载波位置在N个子载波中不变。
步骤1：发送端将发往不同用户的原始信息码流送往不同的稀疏码编码器，每一路稀疏码编码器实现并行多路复数域稀疏编码，产生M路并行多路复数域稀疏码字，作为待调制符号分别对应地送入OFDM调制器。OFDM调制器与稀疏码编码器一一对应，即每一路用户信息流对应一个稀疏码编码器和一个OFDM调制器。
所述发往不同用户的原始信息码流互不相同，对应发往不同用户的信息。
具体步骤描述如下：
●步骤1.1：发送端将发往不同用户的原始二进制信息码流送往与用户相对应的稀疏码编码器输入端，不同用户的原始信息码流互不相同，而后每一路稀疏码编码器独立并行且独立执行步骤1.2-1.3。
●步骤1.2：对于任意一路稀疏码编码器，频率与码本跳变控制器控制码本产生器，使其每隔一段时间(由相应协议规定)，更新码本生成规则，从而使得码本产生跳变。
●步骤1.3：对于任意一路稀疏码编码器，稀疏码编码器通过码本产生器来查找码本和码字，将原始输入码流进行编码，并输出M路并行多路复数域稀疏码字，例如第i个稀疏码编码器的输出为(ci,1,ci,2,…,ci,M)，作为待调制符号分别对应地送入OFDM调制器。进入步骤2。
步骤2：每一个稀疏码编码器产生的M路待调制符号输入与之对应的OFDM调制器实现多路调制。
●步骤2.1：每一个稀疏码编码器输出的M路并行复数域稀疏码字(c1,c2,…,cM)送入N点IDFT变换器输入端。所述N点IDFT变换器共有N路输入(N≥M)，除了来自稀疏码编码器的M路输入外，其他N-M路输入信号设定为0。
●步骤2.2：对于每一路IDFT变换器，IDFT变换器将M路输入信号调制到M路正交子载波上，其他N-M路子载波输入设定为0。IDFT变换器共输出N路已调信号，然后将其送往多路叠加器，如第k路IDFT变换器输出xk,1，xk,2，…，xk,N。所述M路输入信号对应到N路子载波中的位置是相对不变的。
●步骤2.5：多路叠加器实现来自不同IDFT变换器的信号叠加，输出N路并行叠加后的信号。具体而言，多路叠加器在信号叠加时，其第i路(i＝1,2,…,N)的输出是来自所有IDFT变换器第i路已调信号的复数域叠加，例如第p路输出而后，将叠加后的信号送往并串转换器。
●步骤2.6：并串转换器将M路已调信号合并输出，并送往模拟数字转换器(D/A)。
●步骤2.7：D/A输出调制后的模拟信号x(t)，进入射频(Radio Frequency，RF)单元，进入步骤3。
步骤3：模拟信号x(t)经过RF后进入无线信道，具体步骤如下：
●步骤3.1：频率与码本跳变控制器控制频点变换器来设定跳频图案，即使其每隔一段时间(由相应协议规定)，产生载波频点跳变。
●步骤3.2：对于当前时间片ti(i＝1,2,…)，频点变换器设置N个子载波整体的频率跳变位置，并将x(t)搬移到该RF频率段上，随后进入无线信道。
11.具体实施例十一。
参照图12，实施例十一侧重描述发送端的非正交方式采用稀疏编码，正交资源单元采用空间流，资源跳变方式采用跳频。不同的颜色代表不同空间流波束覆盖的区域，与实施例六不同之处在于，a)本实施例中的频率域c1，c2,……，c6均为单个频点(子载波)，并非包含M个子载波的频段，通过空间流来区分用户；b)本实施例中的控制器为频率与码本跳变控制器。
步骤1：在t1时间段，用户1、2、3、4在载波f6上同时向基站发送上行服务，且不同空间流发送的数据不同，分别为DATA1、DATA2、DATA3和DATA4。每个基站发送数据的过程与实施例二一致。
所述载波f6只包含一个频域通道或者一个OFDMA子载波；但包含M个空间流。
用户1在M个空间流中的空间流1和空间流2向基站发送DATA1；用户2在M个空间流中的空间流2和空间流3向基站发送DATA2；用户3在M个空间流中的空间流1和空间流M向基站发送DATA3；用户4在M个空间流中的空间流2和空间流M向基站发送DATA4。
每一个用户与空间流的对应关系由稀疏码码本所生成的码字确定，该用户内部的频率与码本跳变控制器控制其码本产生器，使其每隔一段时间(由相应协议规定)，更新码本生成规则，从而使得码本产生跳变。与实施例二～五不同，本实施例中码本产生的码字与空间流直接对应，而实施例二～五中个码本产生的码字与正交子载波对应。
步骤2：在t2时间段，各个波束对应码本不发生变化，频率与空间跳变控制器要求工作频段发生跳变，基站1、2、3、4在载波f1上同时向用户发送下行服务，且不同空间流发送的数据不同，其余配置与步骤1一致。
所述载波f1只包含一个频域通道或者一个OFDMA子载波；但包含M个空间流。
步骤3：在t3时间段，频率与空间跳变控制器要求工作频段发生跳变，基站1、2、3、4在载波f5上同时向用户发送下行服务，且不同空间流发送的数据不同，其余配置与步骤1一致。
所述载波f5只包含一个频域通道或者一个OFDMA子载波；但包含M个空间流。
步骤4：在t4时间段，频率与空间跳变控制器要求工作频段发生跳变，基站1、2、3、4在载波f3上同时向用户发送下行服务，且不同空间流发送的数据不同，分别为DATA6、DATA7、DATA8和DATA9。每个基站发送数据的过程与实施例二一致。
所述载波f3只包含一个频域通道或者一个OFDMA子载波；但包含M个空间流。
用户1在M个空间流中的空间流1和空间流M向基站发送DATA6；用户2在M个空间流中的空间流1和空间流3向基站发送DATA7；用户3在M个空间流中的空间流2和空间流M向基站发送DATA8；用户4在M个空间流中的空间流2和空间流3向基站发送DATA9。
每一个用户与空间流的对应关系由稀疏码码本所生成的码字确定，该用户内部的频率与码本跳变控制器控制其码本产生器，使其每隔一段时间(由相应协议规定)，更新码本生成规则，从而使得码本产生跳变。与实施例二～五不同，本实施例中码本产生的码字与空间流直接对应，而实施例二～五中个码本产生的码字与正交子载波对应。
步骤5：在t5时间段，频率与空间跳变控制器要求工作频段发生跳变，基站1、2、3、4在载波f6上同时向用户发送下行服务，且不同空间流发送的数据不同，其余配置与步骤4一致。
附录：仿真效果。
1.网络吞吐量仿真。
本仿真固定空时频码跳频方式，旨在对比非正交多址和正交多址在网络吞吐量、用户连接数上的性能增益。
该仿真基于实施例四和实施例五。其中，OFDMA总子载波个数64个，每个时隙的长度为500us。基于稀疏编码的非正交参数设置：每6个用户一组共享4个子载波，于是共有16个用户组。每一个数据层中映射的最大星座点数为4，码本中非零元素个数为2。信道编码方式采用1/2码率的LDPC信道编码。每一个slot每一组用户整体跳频一次。
对照组采用QPSK调制方式的通信系统参数配置，频率域采用FDMA方式，每个时隙的长度为500us。信道编码方式采用1/2码率的LDPC信道编码。每一个slot每一组用户整体跳频一次。
如图13所示，在等效信道数量相同的条件下，非正交系统的总吞吐量大约是正交系统的总吞吐量的超过或者接近三倍。从而证明了在等效信道数相同的情况下，非正交比正交通信系统能提供更小或者相差无几的误比特率的条件下，承载3倍用户数量，提供3倍的总吞吐量。具有显著的性能优越性。
2.网络抗干扰性能仿真。
本仿真固定采用的非正交方式，旨在对比空时频码跳变和资源固定资源分配对于系统误码的性能差别。
该仿真基于实施例四和实施例五。用户数为6个(即仅有1组用户)，共享4个子载波，将这4个子载波称为1组。共有16组子载波，。每隔一个时隙，用户所在子载波组随机跳变一次。
对照组同样采用基于稀疏编码的非正交方式，用户数依然为6个，固定地在子载波1-4上传输数据(即不跳频)。其他配置与仿真1一致。
干扰方案1：固定在子载波1上增大干扰(噪声功率)。
干扰方案2：固定在子载波1和2上增大干扰(噪声功率)。
干扰方案3：固定在子载波1-3上增大干扰(噪声功率)。
干扰方案4：固定在子载波1-4上增大干扰(噪声功率)。
干扰方案5：总共加4个强干扰。在子载波1-4中随机选择1个增大干扰。在其余信道中，选择3个子载波增加干扰。
干扰方案6：总共加8个强干扰。在子载波1-4中随机选择1个增大干扰。在其余信道中，选择7个子载波增加干扰。
从图14可知，采用跳频之后在各个场景下均能显著提升抗干扰性能。

Claims (1)

1.一种基于空时频码跳变的非正交多址接入方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、将经过信道编码后的码流送入预编码器；
所述预编码器将串行输入的码流转换为M路并行输出的复数域信号，如果M等于1，则表示输出1路复数域信号；
所述预编码器的所有M路输出码字均由码本生成器从码本空间，即码字的集合中产生；
所述码本生成器由空时频码跳变控制器控制；每隔协议规定时间，空时频码跳变控制器会更新码本生成器的码本生成规则，从而使得码本产生跳变；
步骤二、将预编码器的所有M路并行复数域输出送入调制器进行调制；
所述调制器将M路并行复数域信号转换为具有幅度和相位的电信号，即已调信号，该已调信号占据M个正交资源单元，与M个复数域信号一一对应；
所述正交资源单元，在频率域是指频分多址方式中的信道，或者正交频分多址中的正交子信道；在空间域是指不同的空间流；在时间域是指不同的时隙；在多维资源域是指最小资源单元；
所述正交资源单元的位置由正交资源跳变器指示；
所述正交资源跳变器由空时频码跳变控制器控制；每隔协议规定时间，空时频码跳变控制器会更新资源单元位置，从而使得信息所占据的正交资源单元产生跳变；在频率域是指分配的频率点发生跳变；在空间域是指分配的空间流发生跳变；在时间域是指分配的时隙发生跳变；在多维资源域是指分配的最小资源单元位置发生跳变；
所述调制器输出的已调信号幅度受功率分配器控制；
所述功率分配器由空时频码跳变控制器控制，每隔协议规定时间，空时频码跳变控制器会更新功率分配规则；
步骤三、经过调制器处理后的已调信号通过无线信道发送至接收端；
步骤四、接收端通过多用户联合检测，将所有发送端或者目标发送端的信号分离开；
所述多用户联合检测过程需要码本恢复器、资源跳变恢复器和功率恢复器各自恢复出的信息；所述码本恢复器恢复出发送端的码本信息；所述资源跳变恢复器恢复出发送端的正交资源单元位置；所述功率恢复器恢复出发送端的功率信息；
所述码本恢复器、资源跳变恢复器和功率恢复器均由空时频码跳变控制器控制，每隔协议规定时间，空时频码跳变控制器会更新恢复规则，以确保与发送端同步。
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