CN106453189B - 一种支持非正交的多址传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持非正交的多址传输方法，在发送端进行的数据处理包括：对于第n个用户的数据，n＝1,…N，N为用户数目，首先经过长度为D_n的分块，接着将每块长度为D_n的符号矢量通过完美能量扩展变换矩阵P_n变换为长度为T的信号矢量，T≥D_n；将所有用户生成的T维信号矢量中选取维组成新矢量，并将新矢量映射到包含个无线资源单元的时频资源块上生成发送信号。本发明公开的一种支持非正交的多址传输方法能够有效降低信令开销，提高频谱效率和连接数。提出的两种多用户接收方案能够有效恢复信号，降低复杂度。

Description

一种支持非正交的多址传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，特别是涉及一种支持非正交的多址传输方法。

背景技术

随着移动互联网和物联网的融合，移动通信不仅仅要满足人与人之间的通信的需求，还需要支持人与机器，机器与机器之间的通信，当网络通信的终端数十分巨大时，巨连接场景由此产生。巨连接场景具有小数据包、海量终端数、低延时等特征。大量智能终端产生的短帧数据同时传送到基站，会造成严重的拥塞。

目前的移动通信系统的媒体访问控制协议由于信令开销过高、延时过长等原因无法满足巨连接场景的需求。由此本专利提出一种支持非正交的多址传输方法，发送端各用户以非协调的方式各自发送数据，不同用户之间是非正交传输，接收端采用更加复杂的方式检测用户数据，以此达到提高频谱效率和增加连接数的目的。

因此在无线通信系统中，新型多址接入技术是满足多个用户同时进行通信的必要手段。非正交多址接入的基本思想是在发送端采用非正交发送，在接收端采用专门设计的检测算法来实现用户的正确检测，以提高接收机复杂度的代价来换取频谱效率和连接数的提高。

非正交多址接入的上行传输仍然采用正交频分复用，子信道之间相互正交，互不干扰，但一个子信道不再只分配给一个用户，而是多个用户共享。同一子信道上不同用户之间是非正交传输。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中不足的支持非正交的多址传输方法，满足巨连接场景对高频谱效率、高连接数和高性能传输的要求。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的支持非正交的多址传输方法，在发送端进行的数据处理包括：对于第n个用户的数据，n＝1,…N，N为用户数目，首先经过长度为D_n的分块，接着将每块长度为D_n的符号矢量通过完美能量扩展变换矩阵P_n变换为长度为T的信号矢量，T≥D_n；将所有用户生成的T维信号矢量中选取维组成新矢量，并将新矢量映射到包含个无线资源单元的时频资源块上生成发送信号；其中，完美能量扩展变换矩阵P_n满足：

(1)每个元素的模相等；

(2)每个元素的相位均匀分布在[-π,π)之间；

(3)各列经过T点序列离散时间傅里叶变换后每个元素模相等；

(4)各列经过T点序列离散时间傅里叶变换后每个元素的相位均匀分布在[-π,π)之间；

(5)各列矢量正交；

(6)P_n≠P_m，其中P_m为第m个用户的数据，m≠n。

进一步，用户被分为G个不同的组，对于第n个用户和第m个用户，若两个用户在同一组，则为零矩阵；若两个用户在不同组，则矩阵满足：

(1)每个元素的模相等；

(2)每个元素的相位均匀分布在[-π,π)之间；

(3)各列经过T点序列离散时间傅里叶变换后每个元素模相等；

(4)各列经过T点序列离散时间傅里叶变换后每个元素的相位均匀分布在[-π,π)之间。

进一步，所述第n个用户的完美能量扩展变换矩阵P_n按照以下步骤生成：

S3.1：生成G个不同根且长度为T的Zadoff-Chu序列，用表示其中第g个Zadoff-Chu序列，1≤g≤G；

S3.2：对每个分组，对进行循环移位生成T-1个序列，构成一个T×T的矩阵C_g；

S3.3：对于第g个用户组A_g的用户n，其完美能量扩展变换矩阵P_n由C_g中抽取D_n列组成，并且该组不同用户能量扩展变换矩阵由C_g的不同列组成。

进一步，所述T×T的矩阵C_g按照以下步骤生成：

S4.1：生成一个对角阵其对角元素是根为r_g、长度为T的Zadoff-Chu序列；

S4.2：生成其中F_T表示大小为T×T的DFT变换矩阵。

进一步，所述T×T的矩阵C_g按照以下方法生成：令再对循环移位，得到共T个序列组成矩阵其中为第t₁个序列，0≤t₁≤T-1。

进一步，所述T取值为不小于的最小质数。

进一步，在接收端进行的数据处理包括：通过M根接收天线组成的天线阵列对发送信号进行接收，得到接收信号，利用接收信号和信道对发送信号进行估计，在检测器和译码器之间传递软信息多次迭代处理，还原出发送端的用户数据。

进一步，所述接收端采用基于线性最小均方误差准则的检测算法进行多用户联合接收。

进一步，所述接收端采用基于因子图的近似消息传递迭代检测算法进行多用户联合接收。

进一步，将每个用户的维信号矢量映射到个连续时刻，并加入长度为L_CP的循环前缀，生成长度的发送信号。

进一步，将每个用户的维信号矢量映射到个连续的OFDM子载波上，然后对映射到OFDM子载波上生成的信号进行OFDM调制，即先对维信号矢量做反离散傅里叶变换,得到长度为的时域信号，然后对时域信号加入长度为L_CP的循环前缀，生成发送信号矢量。

进一步，每个用户的维信号矢量映射到DFT扩展OFDM的个连续符号上，再经过DFT扩展OFDM调制，生成发送信号矢量。有益效果：本发明公开了一种支持非正交的多址传输方法，能有效降低信令开销，提高频谱效率和连接数。并且提出了两种多用户接收方案，能够有效恢复信号，降低复杂度。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的发送端用户编码调制扩展过程的示意图；

图2为本发明具体实施方式的基于线性最小均方误差准则的检测算法的多用户联合接收方法示意图；

图3为本发明具体实施方式的基于因子图的近似消息传递迭代检测算法的多用户联合接收方法示意图；

图4为本发明具体实施方式的系统因子图的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本发明公开了一种支持非正交的多址传输方法，包括以下步骤：

S1：在发送端：如图1所示，对于第n个用户的数据——二进制信息序列b_n，n＝1,…N，N为用户数目，首先将二进制信息序列b_n进行信道编码，然后对编码后的信息序列c_n进行QAM符号映射得到多个长度为D_n的符号矢量s_n，接着将每块长度为D_n的符号矢量s_n通过完美能量扩展变换矩阵P_n变换为长度为T的信号矢量x_n，T≥D_n；将所有用户生成的T维信号矢量中选取维组成新矢量，并将新矢量映射到包含个无线资源单元的时频资源块上生成发送信号；

S2：在接收端：通过M根接收天线组成的天线阵列对发送信号进行接收，得到接收信号，利用接收信号和信道对发送信号进行估计，在检测器和译码器之间传递软信息多次迭代处理，还原出用户数据。接收端有两种方法：基于线性最小均方误差准则的检测算法的多用户联合接收和基于因子图的近似消息传递迭代检测算法的多用户联合接收。

其中，b_n、c_n、s_n和x_n满足：K_c＝K_d/R+K_o，R∈[0,1]为码率，K_d为二进制信息序列的长度，K_c为编码序列长度，K_o为编码器带来的冗余，为{0,1}，为复数域。

用户被分为G个不同的组，对于第n个用户和第m个用户，若两个用户在同一组，则为零矩阵；若两个用户在不同组，则矩阵满足：

(1)每个元素的模相等；

(2)每个元素的相位均匀分布在[-π,π)之间；

(3)各列经过T点序列离散时间傅里叶变换后每个元素模相等；

(4)各列经过T点序列离散时间傅里叶变换后每个元素的相位均匀分布在[-π,π)之间。

其中，第n个用户的完美能量扩展变换矩阵P_n满足：

(1)每个元素的模相等；

(2)每个元素的相位均匀分布在[-π,π)之间；

(3)各列经过T点序列离散时间傅里叶变换后每个元素模相等；

(4)各列经过T点序列离散时间傅里叶变换后每个元素的相位均匀分布在[-π,π)之间；

(5)各列矢量正交；

(6)P_n≠P_m，其中P_m为第m个用户的数据，m≠n。

第n个用户的完美能量扩展变换矩阵P_n按照以下步骤生成：

S3.1：生成G个不同根且长度为T的Zadoff-Chu序列，用c_g表示其中第g个Zadoff-Chu序列，1≤g≤G；

S3.2：对每个分组，对c_g进行循环移位生成T-1个序列，构成一个T×T的矩阵C_g；

S3.3：对于第g个用户组A_g的用户n，其完美能量扩展变换矩阵P_n由C_g中抽取D_n列组成，并且该组不同用户能量扩展变换矩阵由C_g的不同列组成。

T×T的矩阵C_g可以按照以下步骤生成：

S4.1：生成一个对角阵其对角元素是根为r_g、长度为T的Zadoff-Chu序列；

S4.2：生成其中F_T表示大小为T×T的DFT变换矩阵。

T×T的矩阵C_g还可以按照以下步骤生成：

S5.1：生成根为r_g，长度为T的Zadoff-Chu序列其中0≤t₁≤T-1；

S5.2：对循环移位，得到T₀个序列组成矩阵

步骤S1中，将新矢量映射到包含个无线资源单元的时频资源块上生成发送信号包括三种方式：

第一种方式是用步骤S5.1和S5.2得到的C_g生成完美能量扩展变换矩阵P_n，将每块长度为D_n的符号矢量s_n通过完美能量扩展变换矩阵P_n变换为长度为T的信号矢量x_n，x_n＝P_ns_n，T≥D_n，在长度为T的信号矢量x_n中选取长度为的矢量，映射到个连续时刻，并加入长度为L_CP的循环前缀，生成T+L_CP长度的信号矢量。

第二种方式是用步骤S5.1和S5.2得到的C_g生成完美能量扩展变换矩阵P_n，将每块长度为D_n的符号矢量s_n通过完美能量扩展变换矩阵P_n变换为长度为T的信号矢量x_n，x_n＝P_ns_n，T≥D_n，在长度为T的信号矢量x_n中选取长度为的矢量，映射到个连续OFDM子载波，对信号做IDFT变换到时域，并加入长度为L_CP的循环前缀，生成T+L_CP长度的信号矢量。

第三种方式是用步骤S4.1和S4.2得到的C_g生成完美能量扩展变换矩阵P_n，将每块长度为D_n的符号矢量s_n通过完美能量扩展变换矩阵P_n变换为长度为T的信号矢量x_n，x_n＝P_ns_n，T≥D_n，在长度为T的信号矢量x_n中选取长度为的矢量，映射到DFT扩展OFDM的个连续符号，再经过DFT扩展OFDM调制，生成发送信号矢量。

N个用户各自向基站发送数据x_n，不存在通道不一致的情况下，上行传输基站端接收信号可以表示为：

其中为基站侧接收的频域信号，为用户_n的发送信号，为用户_n的信道矩阵，为加性高斯白噪声，为噪声方差。

下面分别介绍一下基于线性最小均方误差准则的检测算法的多用户联合接收方法和基于因子图的近似消息传递迭代检测算法的多用户联合接收方法。

1、基于线性最小均方误差准则(LMMSE)的检测算法的多用户联合接收方法，过程如图2所示。

接收信号可表示为：

对于用户i来说，H_iP_is_i代表有效信号项，为干扰加噪声项。对用户i的符号向量s_i进行估计，根据LMMSE准则，估计值为：

其中： _α为归一化参数，其数值上等于矩阵对角线上元素的平均数，为s_j的平均自协方差。

估计误差：服从

其中，为y的均值，为s_i的自协方差。

以4QAM为例，LMMSE内迭代具体步骤如下：

表1.LMMSE内部迭代

其中L_E,I(s_n,k,I)和L_E,Q(s_n,k,Q)分别代表实部和虚部，s_i,k为用户i的第k个符号。

L_E(s_i,k)输入译码器，进行软译码处理，得到软信息L_D(s_i,k)，更新均值符号向量均值和方差返回译码器进行迭代处理，直到达到外迭代次数N_{o_iter}。

其中：L(s_n,k)为用户_n的第k个符号软信息。

2、基于因子图的近似消息传递(AMP)迭代检测算法的多用户联合接收方法，过程如图3所示。

系统因子图如图4所示。

首先根据接收信号对x_n进行估计，对于第k个资源块，接收信号y(k)＝H(k)x(k)+w(k)，其中对个资源块上的数据依次估计。

其次根据估计出的根据以下关系对s_n进行估计：

x_n＝P_ns_n

根据估计值得到{L_E(s_i,k)}输入译码器，进行软译码处理，得到软信息{L_D(s_i,k)}，再更新均值符号向量均值和方差进行循环迭代。

基于因子图的迭代检测算法如表2所示：

表2.基于因子图的迭代检测算法

Claims (11)

1.一种支持非正交的多址传输方法，其特征在于：在发送端进行的数据处理包括：对于第n个用户的数据，n＝1,…N，N为用户数目，首先经过长度为D_n的分块，接着将每块长度为D_n的符号矢量通过完美能量扩展变换矩阵P_n变换为长度为T的信号矢量，T≥D_n；将所有用户生成的T维信号矢量中选取维组成新矢量，并将新矢量映射到包含个无线资源单元的时频资源块上生成发送信号；其中，完美能量扩展变换矩阵P_n满足：

(1)每个元素的模相等；

(2)每个元素的相位均匀分布在[-π,π)之间；

(3)各列经过T点序列离散时间傅里叶变换后每个元素模相等；

(4)各列经过T点序列离散时间傅里叶变换后每个元素的相位均匀分布在[-π,π)之间；

(5)各列矢量正交；

(6)P_n≠P_m，其中P_m为第m个用户的数据，m≠n；

所述第n个用户的完美能量扩展变换矩阵P_n按照以下步骤生成：

S3.1：生成G个不同根且长度为T的Zadoff-Chu序列，用表示其中第g个Zadoff-Chu序列，1≤g≤G；

S3.2：对每个分组，对进行循环移位生成T-1个序列，构成一个T×T的矩阵C_g；

S3.3：对于第g个用户组A_g的用户n，其完美能量扩展变换矩阵P_n由C_g中抽取D_n列组成，并且该组不同用户能量扩展变换矩阵由C_g的不同列组成。

2.根据权利要求1所述的支持非正交的多址传输方法，其特征在于：用户被分为G个不同的组，对于第n个用户和第m个用户，若两个用户在同一组，则为零矩阵；若两个用户在不同组，则矩阵满足：

(1)每个元素的模相等；

(2)每个元素的相位均匀分布在[-π,π)之间；

(3)各列经过T点序列离散时间傅里叶变换后每个元素模相等；

(4)各列经过T点序列离散时间傅里叶变换后每个元素的相位均匀分布在[-π,π)之间。

3.根据权利要求1所述的支持非正交的多址传输方法，其特征在于：所述T×T的矩阵C_g按照以下步骤生成：

S4.1：生成一个对角阵其对角元素是根为r_g、长度为T的Zadoff-Chu序列；

S4.2：生成其中F_T表示大小为T×T的DFT变换矩阵。

4.根据权利要求1所述的支持非正交的多址传输方法，其特征在于：所述T×T的矩阵C_g按照以下方法生成：令再对循环移位，得到共T个序列组成矩阵其中为第t₁个序列，0≤t₁≤T-1。

5.根据权利要求1所述的支持非正交的多址传输方法，其特征在于：所述T取值为不小于的最小质数。

6.根据权利要求1所述的支持非正交的多址传输方法，其特征在于：在接收端进行的数据处理包括：通过_M根接收天线组成的天线阵列对发送信号进行接收，得到接收信号，利用接收信号和信道对发送信号进行估计，在检测器和译码器之间传递软信息多次迭代处理，还原出发送端的用户数据。

7.根据权利要求6所述的支持非正交的多址传输方法，其特征在于：所述接收端采用基于线性最小均方误差准则的检测算法进行多用户联合接收。

8.根据权利要求6所述的支持非正交的多址传输方法，其特征在于：所述接收端采用基于因子图的近似消息传递迭代检测算法进行多用户联合接收。

9.根据权利要求1所述的支持非正交的多址传输方法，其特征在于：将每个用户的维信号矢量映射到个连续时刻，并加入长度为L_CP的循环前缀，生成长度的发送信号。

10.根据权利要求1所述的支持非正交的多址传输方法，其特征在于：将每个用户的维信号矢量映射到个连续的OFDM子载波上，然后对映射到OFDM子载波上生成的信号进行OFDM调制，即先对维信号矢量做反离散傅里叶变换,得到长度为的时域信号，然后对时域信号加入长度为L_CP的循环前缀，生成发送信号矢量。

11.根据权利要求1所述的支持非正交的多址传输方法，其特征在于：每个用户的维信号矢量映射到DFT扩展OFDM的个连续符号上，再经过DFT扩展OFDM调制，生成发送信号矢量。