CN108494539A - 适用于物联网的ofdm/cdma组合通信方法 - Google Patents

适用于物联网的ofdm/cdma组合通信方法 Download PDF

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Abstract

一种适用于物联网的OFDM/CDMA组合通信方法。其步骤是：(1)处理前导序列；(2)处理其他UE通信产生的长消息；(3)获得基带数字组合信号；(4)发送信号；(5)处理接收到的信号；(6)处理接收到的基带数字组合信号；(7)获得OFDM基带数字信号；(8)获得CDMA基带数字信号；(9)处理CDMA基带数字信号。本发明将OFDM和CDMA分别处理过的信号叠加组合起来发送、接收进行通信，可以提高通信系统中可容纳的终端数目以及无线频谱资源的利用效率。

Description

适用于物联网的OFDM/CDMA组合通信方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及通信技术领域中的一种适用于物联网的正交频分复用技术OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)/码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)组合通信方法。本发明可用于物联网通信系统中，将正交频分复用技术OFDM和码分多址CDMA分别处理的信号叠加组合起来发送、接收的通信。
背景技术
物联网是指物物相连的互联网，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其用户终端扩展到了物品终端，在物联网中任何物品与物品之间都可以进行通信。物联网可以将物理世界中数以亿计的对象连接起来，用户终端从人与人之间的信息交互与通信扩展到了人与物、物与物、物与人之间的沟通连接，因此需要连接进网络的终端数目是巨大的。在LTE的现有技术中，利用正交频分复用技术OFDM显著提高了峰值数据率和频谱效率。但是由于无线频段资源的稀缺性和有限性，即使是正交频分复用技术OFDM也难以再次大幅度的提高系统可容纳的用户终端数目。
李铁峰等人在其发表的论文“LTE和物联网融合”(《通信技术》2013年第4期第46卷第121～127页)中提出了一种物联网中的机器类型通信MTC(Machine TypeCommunication)方法。该方法采用了大量的机器类型通信MTC终端集中在某个区域以及某个时刻接入时，由于终端数目过多的特征，使得终端与服务器之间的数据或信令传递很容易引起接入网和核心网的拥塞，因此将这些终端的交互信令的发起时间进行随机化分散，即在第一段时间发送终端A的信令，在第二段时间发送终端B的信令，在第三段时间发送终端C的信令，以此类推，不同的终端在不同的时刻发送信令。该方法的优点在于解决了由于同一时刻大量的信令交互而堵塞网络的问题。该方法仍然存在的不足之处是，虽然解决了同一时刻网络堵塞的问题，但是没有解决物联网中终端数目过大的问题。
株式会社KT在其申请的专利文献“用于发送窄带物联网用户设备上行数据的方法及装置”(申请号：201710110786.6，申请公布号：CN107197524A)中公开了一种使用窄带发送和接收数据的窄带物联网NB IoT(Narrow Band Internet of Things)用户设备的上行数据信道的资源的分配方法和装置。该方法实现的具体步骤是，首先，从基站接收包括子载波指示字段的下行控制信息DCI(Downlink Control Information)；然后，基于所述子载波指示字段和配置给所述窄带物联网NB IoT用户设备的子载波间隔信息中的至少一个配置上行数据信道的无线资源；最后，使用所述上行数据信道的无线资源发送上行数据的方法。该方法的优点在于通过经由基站分配用于发送窄带物联网NB IoT用户设备的上行数据信道的无线资源，提供了解决用于发送上行数据新到的程序模糊性的效果。但是，该方法仍然存在不足之处是，由于该方法利用基站发送的下行控制信息DCI将无线资源分配给用户终端进行物联网通信，这种情况下不能同时进行人与人之间的长信息交互与通信。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种适用于物联网的正交频分复用技术OFDM/码分多址CDMA组合通信方法。
实现本发明目的的思路是，利用码分多址CDMA处理前导序列等短消息，利用正交频分复用技术OFDM处理其他用户终端UE通信产生的长消息，在同一段的频域资源上将两种消息进行叠加组合通信的方法。
实现本发明目的的具体步骤如下：
(1)处理前导序列：
(1a)用户终端UE生成不同的前导序列，从中随机选择一个前导序列，作为通信待发射信号；
(1b)利用卷积编码方法，对通信待发射信号进行卷积编码处理，得到一个编码比特序列；
(1c)对编码比特序列进行交织处理，得到交织比特序列；
(1d)对交织比特序列进行码分多址CDMA扩频操作，得到码分多址CDMA基带数字信号；
(2)处理其他用户终端UE通信产生的长消息：
(2a)利用卷积编码方法，将其他用户终端UE通信产生的长消息作为通信待发射信号，进行卷积编码处理，得到一个串行的编码比特序列；
(2b)对串行的编码比特序列进行串并转换操作，得到并行的比特序列；
(2c)对并行比特序列进行正交相移键控QPSK映射操作，得到并行的映射符号序列；
(2d)将并行的映射符号序列进行快速傅里叶逆变换IFFT操作，得到正交频分复用技术OFDM调制信号；
(2e)对正交频分复用技术OFDM调制信号进行并串转换操作，得到正交频分复用技术OFDM串行信号；
(2f)将正交频分复用技术OFDM串行信号加上循环前缀CP，得到正交频分复用技术OFDM基带数字信号；
(3)获得基带数字组合信号：
对码分多址CDMA基带数字信号和正交频分复用技术OFDM基带数字信号进行叠加操作，得到基带数字组合信号；
(4)发送信号：
(4a)对基带数字组合信号进行数模D/A转换，得到基带模拟组合信号；
(4b)对基带模拟组合信号进行上变频操作，发送得到待发送信号；
(5)处理接收到的信号：
(5a)接收端对接收到的信号进行下变频操作；
(5b)对经过下变频操作的信号进行模数A/D转换，得到接收端的基带数字组合信号；
(6)处理接收到的基带数字组合信号：
(6a)在接收端的基带数字组合信号中，去除循环前缀CP对应的信号，得到正交频分复用技术OFDM待解信号；
(6b)对正交频分复用技术OFDM待解信号进行串并转换操作，得到正交频分复用技术OFDM待解并行信号；
(6c)对正交频分复用技术OFDM待解并行信号，进行快速傅里叶变换FFT操作，得到并行的映射符号序列；
(6d)对并行的映射符号序列进行正交相移键控QPSK解映射操作，得到并行比特序列；
(6e)对并行比特序列进行并串转换操作，得到串行比特序列；
(6f)对串行比特序列进行卷积码解码处理，恢复出其他用户终端UE通信产生的长消息；
(7)获得正交频分复用技术OFDM基带数字信号：
采用与步骤(2)中处理其他用户终端UE通信产生的长消息相同的步骤，处理接收端恢复出的其他用户终端UE通信产生的长消息，获得正交频分复用技术OFDM基带数字信号；
(8)获得码分多址CDMA基带数字信号：
用接收到的基带数字组合信号，减去接收端的正交频分复用技术OFDM基带数字信号，得到码分多址CDMA基带数字信号；
(9)处理码分多址CDMA基带数字信号：
(9a)对通过匹配滤波器后的码分多址CDMA基带数字信号，进行码分多址CDMA解扩频操作，得到原始交织比特序列；
(9b)对原始交织比特序列进行解交织处理，得到原始卷积编码比特序列；
(9c)对原始卷积编码比特序列进行卷积码解码处理，得到原始的前导序列。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一，由于本发明对码分多址CDMA基带数字信号和正交频分复用技术OFDM基带数字信号进行叠加操作，使得在同一段频域资源上允许更多的用户终端接入物联网，克服了现有技术无法适用于物联网用户终端数目过大的问题，使得本发明具有了可容纳物联网中更多用户终端的优势。
第二，由于本发明对码分多址CDMA基带数字信号和正交频分复用技术OFDM基带数字信号进行叠加操作，使得在同一段频域资源上允许不同的信号叠加组合进行通信，克服了现有技术将无线资源分配给用户终端进行物联网通信的情况下，不能同时进行人与人之间的长信息交互与通信的问题，使得本发明提高了无线频谱资源的利用效率。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的发送端示意图；
图3是本发明的接收端示意图。
具体实施方法
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
参照附图1，本发明的具体实现步骤如下：
步骤1，处理前导序列。
用户终端UE生成不同的前导序列，从中随机选择一个前导序列，作为通信待发射信号。利用卷积编码方法，对通信待发射信号进行卷积编码处理，得到一个编码比特序列。对编码比特序列进行交织处理，得到交织比特序列。对交织比特序列进行码分多址CDMA扩频操作，得到码分多址CDMA基带数字信号。
所述生成不同的前导序列的具体步骤如下：
按照下式，计算用于生成用户终端UE通信待发射信号的每个基准序列：
其中，xu(n)表示用于生成用户终端UE通信待发射信号的根指数值u的第n个基准序列，u表示从长期演进LTE系统协议表中查询的逻辑根序列号对应的根指数值，n表示基准序列的序号，n的取值范围为[1,NZC-1]，NZC表示基准序列的长度，e表示以自然常数为底的指数操作，j表示虚数单位符号，π表示圆周率。
将用于生成用户终端UE通信待发射信号的每个基准序列，依次向右移动v位进行循环移位操作，直到基准序列的第一位元素移位到最后一位，得到移位后的不同的前导序列，其中，v表示用户终端UE从广播信道中接收到的循环移位步长。
所述卷积编码方法是指，将通信待发射信号中的信息比特，存储到一个由k0个寄存器单元组成的线性移位寄存器中，每个寄存器单元存储k个信息比特，对线性移位寄存器的各个寄存器单元的信息比特之间进行模2操作，得到N个比特，将N个比特生成一个比特序列，其中，k0表示在[2,+∞]范围内任意取的正整数，k表示在[2,+∞]范围内任意取的正整数，N的取值与k0相等。
所述交织处理的具体步骤如下：
将编码比特序列按间隔p均分成q组，构成一个p*q阶的矩阵，其中，p表示在[1,N]范围内任意取的能被N整除的正整数，
从p*q阶的矩阵中按列依次读出编码比特，组成交织比特序列。
所述码分多址CDMA扩频操作是指，将区分不同用户终端UE的扩频码与交织比特序列中的每一位比特相乘，得到码分多址CDMA基带数字信号。
步骤2，处理其他用户终端UE通信产生的长消息。
利用卷积编码方法，将其他用户终端UE通信产生的长消息作为通信待发射信号，进行卷积编码处理，得到一个串行的编码比特序列。对串行的编码比特序列进行串并转换操作，得到并行的比特序列。对并行比特序列进行正交相移键控QPSK映射操作，得到并行的映射符号序列。将并行的映射符号序列进行快速傅里叶逆变换IFFT操作，得到正交频分复用技术OFDM调制信号。对正交频分复用技术OFDM调制信号进行并串转换操作，得到正交频分复用技术OFDM串行信号。将正交频分复用技术OFDM串行信号加上循环前缀CP，得到正交频分复用技术OFDM基带数字信号。
所述卷积编码方法是指，将通信待发射信号中的信息比特，存储到一个由k0个寄存器单元组成的线性移位寄存器中，每个寄存器单元存储k个信息比特，对线性移位寄存器的各个寄存器单元的信息比特之间进行模2操作，得到N个比特，将N个比特生成一个比特序列，其中，k0表示在[2,+∞]范围内任意取的正整数，k表示在[2,+∞]范围内任意取的正整数，N的取值与k0相等。
步骤3，获得基带数字组合信号。
对码分多址CDMA基带数字信号和正交频分复用技术OFDM基带数字信号进行叠加操作，得到基带数字组合信号。
步骤4，发送信号。
对基带数字组合信号进行数模D/A转换，得到基带模拟组合信号。对基带模拟组合信号进行上变频操作，发送得到待发送信号。
参照附图2发送端示意图，对上述步骤1至步骤4发送端通信待发射信号处理和发送过程做进一步的描述。利用码分多址CDMA处理前导序列等短消息，利用正交频分复用技术OFDM处理用户终端UE通信产生的长消息，将码分多址CDMA基带数字信号和正交频分复用技术OFDM基带数字信号进行叠加操作，发送组合信号。
步骤5，处理接收到的信号。
接收端对接收到的信号进行下变频操作。对经过下变频操作的信号进行模数A/D转换，得到接收端的基带数字组合信号。
步骤6，处理接收到的基带数字组合信号。
在接收端的基带数字组合信号中，去除循环前缀CP对应的信号，得到正交频分复用技术OFDM待解信号。对正交频分复用技术OFDM待解信号进行串并转换操作，得到正交频分复用技术OFDM待解并行信号。对正交频分复用技术OFDM待解并行信号，进行快速傅里叶变换FFT操作，得到并行的映射符号序列。对并行的映射符号序列进行正交相移键控QPSK解映射操作，得到并行比特序列。对并行比特序列进行并串转换操作，得到串行比特序列。对串行比特序列进行卷积码解码处理，恢复出其他用户终端UE通信产生的长消息。
步骤7，获得正交频分复用技术OFDM基带数字信号。
采用与步骤(2)中处理其他用户终端UE通信产生的长消息相同的步骤，处理接收端恢复出的其他用户终端UE通信产生的长消息，获得正交频分复用技术OFDM基带数字信号。
步骤8，获得码分多址CDMA基带数字信号。
用接收到的基带数字组合信号，减去接收端的正交频分复用技术OFDM基带数字信号，得到码分多址CDMA基带数字信号。
步骤9，处理码分多址CDMA基带数字信号。
对通过匹配滤波器后的码分多址CDMA基带数字信号，进行码分多址CDMA解扩频操作，得到原始交织比特序列。对原始交织比特序列进行解交织处理，得到原始卷积编码比特序列。对原始卷积编码比特序列进行卷积码解码处理，得到原始的前导序列。
所述码分多址CDMA解扩频操作是指，将与发送端相同的扩频码与通过匹配滤波器后的码分多址CDMA基带数字信号进行模2加操作，得到原始交织比特序列。
所述解交织处理的具体步骤如下：
将原始交织比特序列按间隔q均分成p组，构成一个q*p阶的矩阵。
从q*p阶的矩阵中按列读出编码比特，组成原始卷积比特序列。
参照附图3接收端示意图，对上述步骤5到步骤9接收端接收和恢复组合信号做进一步的描述。处理接收到的信号，恢复出基带数字组合信号并进行处理，获得正交频分复用技术OFDM基带数字信号，然后获得码分多址CDMA基带数字信号，并处理码分多址CDMA基带数字信号。

Claims (7)

1.一种适用于物联网的正交频分复用技术OFDM/码分多址CDMA组合通信方法，其特征在于，该方法是在物联网中，将正交频分复用技术OFDM和码分多址CDMA分别处理过的信号叠加组合起来发送、接收的通信方法，具体步骤包括如下：
(1)处理前导序列：
(1a)用户终端UE生成不同的前导序列，从中随机选择一个前导序列，作为通信待发射信号；
(1b)利用卷积编码方法，对通信待发射信号进行卷积编码处理，得到一个编码比特序列；
(1c)对编码比特序列进行交织处理，得到交织比特序列；
(1d)对交织比特序列进行码分多址CDMA扩频操作，得到码分多址CDMA基带数字信号；
(2)处理其他用户终端UE通信产生的长消息：
(2a)利用卷积编码方法，将其他用户终端UE通信产生的长消息作为通信待发射信号，进行卷积编码处理，得到一个串行的编码比特序列；
(2b)对串行的编码比特序列进行串并转换操作，得到并行的比特序列；
(2c)对并行比特序列进行正交相移键控QPSK映射操作，得到并行的映射符号序列；
(2d)将并行的映射符号序列进行快速傅里叶逆变换IFFT操作，得到正交频分复用技术OFDM调制信号；
(2e)对正交频分复用技术OFDM调制信号进行并串转换操作，得到正交频分复用技术OFDM串行信号；
(2f)将正交频分复用技术OFDM串行信号加上循环前缀CP，得到正交频分复用技术OFDM基带数字信号；
(3)获得基带数字组合信号：
对码分多址CDMA基带数字信号和正交频分复用技术OFDM基带数字信号进行叠加操作，得到基带数字组合信号；
(4)发送信号：
(4a)对基带数字组合信号进行数模D/A转换，得到基带模拟组合信号；
(4b)对基带模拟组合信号进行上变频操作，发送得到待发送信号；
(5)处理接收到的信号：
(5a)接收端对接收到的信号进行下变频操作；
(5b)对经过下变频操作的信号进行模数A/D转换，得到接收端的基带数字组合信号；
(6)处理接收到的基带数字组合信号：
(6a)在接收端的基带数字组合信号中，去除循环前缀CP对应的信号，得到正交频分复用技术OFDM待解信号；
(6b)对正交频分复用技术OFDM待解信号进行串并转换操作，得到正交频分复用技术OFDM待解并行信号；
(6c)对正交频分复用技术OFDM待解并行信号，进行快速傅里叶变换FFT操作，得到并行的映射符号序列；
(6d)对并行的映射符号序列进行正交相移键控QPSK解映射操作，得到并行比特序列；
(6e)对并行比特序列进行并串转换操作，得到串行比特序列；
(6f)对串行比特序列进行卷积码解码处理，恢复出其他用户终端UE通信产生的长消息；
(7)获得正交频分复用技术OFDM基带数字信号：
采用与步骤(2)中处理其他用户终端UE通信产生的长消息相同的步骤，处理接收端恢复出的其他用户终端UE通信产生的长消息，获得正交频分复用技术OFDM基带数字信号；
(8)获得码分多址CDMA基带数字信号：
用接收到的基带数字组合信号，减去接收端的正交频分复用技术OFDM基带数字信号，得到码分多址CDMA基带数字信号；
(9)处理码分多址CDMA基带数字信号：
(9a)对通过匹配滤波器后的码分多址CDMA基带数字信号，进行码分多址CDMA解扩频操作，得到原始交织比特序列；
(9b)对原始交织比特序列进行解交织处理，得到原始卷积编码比特序列；
(9c)对原始卷积编码比特序列进行卷积码解码处理，得到原始的前导序列。
2.根据权利要求1所述的适用于物联网的正交频分复用技术OFDM/码分多址CDMA组合通信方法，其特征在于：步骤(1a)中所述生成不同的前导序列的具体步骤如下：
第一步，按照下式，计算用于生成用户终端UE通信待发射信号的每个基准序列：
其中，xu(n)表示用于生成用户终端UE通信待发射信号的根指数值u的第n个基准序列，u表示从长期演进LTE系统协议表中查询的逻辑根序列号对应的根指数值，n表示基准序列的序号，n的取值范围为[1,NZC-1]，NZC表示基准序列的长度，e表示以自然常数为底的指数操作，j表示虚数单位符号，π表示圆周率；
第二步，将用于生成用户终端UE通信待发射信号的每个基准序列，依次向右移动v位进行循环移位操作，直到基准序列的第一位元素移位到最后一位，得到移位后的不同的前导序列，其中，v表示用户终端UE从广播信道中接收到的循环移位步长。
3.根据权利要求1所述的适用于物联网的正交频分复用技术OFDM/码分多址CDMA组合通信方法，其特征在于：步骤(1b)、步骤(2a)中所述的卷积编码方法是指，将通信待发射信号中的信息比特，存储到一个由k0个寄存器单元组成的线性移位寄存器中，每个寄存器单元存储k个信息比特，对线性移位寄存器的各个寄存器单元的信息比特之间进行模2操作，得到N个比特，将N个比特生成一个比特序列，其中，k0表示在[2,+∞]范围内任意取的正整数，k表示在[2,+∞]范围内任意取的正整数，N的取值与k0相等。
4.根据权利要求1所述的适用于物联网的正交频分复用技术OFDM/码分多址CDMA组合通信方法，其特征在于：步骤(1c)中所述交织处理的具体步骤如下：
第一步，将编码比特序列按间隔p均分成q组，构成一个p*q阶的矩阵，其中，p表示在[1,N]范围内任意取的能被N整除的正整数，
第二步，从p*q阶的矩阵中按列依次读出编码比特，组成交织比特序列。
5.根据权利要求1所述的适用于物联网的正交频分复用技术OFDM/码分多址CDMA组合通信方法，其特征在于：步骤(1d)中所述的码分多址CDMA扩频操作是指，将区分不同用户终端UE的扩频码与交织比特序列中的每一位比特相乘，得到码分多址CDMA基带数字信号。
6.根据权利要求1所述的适用于物联网的正交频分复用技术OFDM/码分多址CDMA组合通信方法，其特征在于：步骤(9a)中所述的码分多址CDMA解扩频操作是指，将与发送端相同的扩频码与通过匹配滤波器后的码分多址CDMA基带数字信号进行模2加操作，得到原始交织比特序列。
7.根据权利要求1所述的适用于物联网的正交频分复用技术OFDM/码分多址CDMA组合通信方法，其特征在于：步骤(9b)中所述的解交织处理的具体步骤如下：
第一步，将原始交织比特序列按间隔q均分成p组，构成一个q*p阶的矩阵；
第二步，从q*p阶的矩阵中按列读出编码比特，组成原始卷积比特序列。
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