CN108712189A - 用于交织多址系统的结合近似消息传递的多用户检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种用于交织多址系统的结合近似消息传递的多用户检测方法。由于基于交织多址的正交频分复用(OFDM‑IDMA)系统将遭受由多普勒频移或收发端晶振精度不同所造成的多个频偏的影响，而正交频分复用(OFDM)系统中传统的频偏抑制方法并不能适用于OFDM‑IDMA系统，故需要研究OFDM‑IDMA系统中的多频偏抑制方法。本发明的方法是在OFDM‑IDMA系统上，采用一种近似消息传递(AMP)频偏检测算法来抑制频偏。本发明提出的检测方法可以在进行频偏补偿检测之后，系统恢复到与无频偏非常接近的性能。

Description

用于交织多址系统的结合近似消息传递的多用户检测方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于交织多址技术的检测方法。本发明涉及基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)的交织多址技术(Interleave-Division Multiple Access,IDMA)和近似消息传递(Approximate Message Passing,AMP)频偏检测算法。
背景技术
为了适应高速增长的无线网络应用需求，支持海量设备连接，达到更高的频谱效率、更快的数据速率和更大的信道容量，新型的多址接入技术成了下一代移动通信系统5G网络研究的热点之一。
其中，基于交分复用(Interleave Devision Multiplexing,IDM)的多址技术交织多址在2002年被首次提出。IDMA的基本思想是利用不同的码片级交织器来区分不同的用户，所有用户共享相同的频率时间资源。IDMA继承了码分多址(Code-Division MultipleAccess,CDMA)的众多优点，特别是分集抗衰落和小区间干扰消除等优点。此外，IDMA的性能优于CDMA，并具有低复杂度的迭代检测方法。
正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术在第四代移动通信系统中扮演着重要的角色。OFDM系统可以有效对抗多径效应的同时又极大的提高了频谱效率，但对频偏较敏感同时又有着较高的峰均比(PAPR)。近些年，有学者提出频域索引调制技术与交织多址技术相结合，即基于交织多址的正交频分复用(OFDM-IDMA)技术。
OFDM-IDMA系统的接收机一般采用低复杂度的迭代多用户检测方法，例如传统的单元信号估计器(Elementary Signal Estimator,ESE)。然而传统的单元信号估计器还存在例如复杂度较高、性能较差、抗频偏能力差等问题。
因为多频偏的存在严重破坏了子载波的正交性，引入子载波间干扰(InterCarrier Interference，ICI)且无法用单用户检测的方法来消除，所以OFDM-IDMA系统的ICI抑制是一个重要且具有挑战性的课题，若不能在接收端消除频偏的影响，将会严重影响到系统的性能。
发明内容
本发明的目的，提出了一种适用于IDMA系统下的频偏检测算法。本发明的技术方案：一种结合近似消息传递的IDMA系统下的频偏检测方法。
上行IDMA系统的发射机结构如图1所示，其中系统总共包含K个用户。从图中可以看出，IDMA系统的发射机主要包含三个模块：前向纠错(Forward Error Correction,FEC)编码器、扩频器和交织器。IDMA系统依靠交织器来区分不同的用户，所以每个用户可以采用相同的FEC编码器和扩频器。在IDMA系统中，FEC编码器可以采用常见的卷积码、Turbo码或LDPC码，以获得编码增益提高系统的性能；扩频器则可采用简单的重复码对FEC编码器输出的码字进行扩频，以进一步降低码率，此时的扩频器等效于重复码编码器。在IDMA系统中，每个用户的交织器必须是唯一且互不相同的；交织器被用来打乱低码率的扩频序列的顺序，从而尽大可能减小序列的相关性。这样不但可以降低通信过程中的连续性错误，而且能使接收端的低复杂度的检测方法得以实现。
上行IDMA系统的发射机结构的具体描述如下：对于第k个用户，数据比特序列dk首先进行FEC编码，生成编码后的编码序列ck；然后，编码序列ck再进行扩频以进一步降低码率，产生低码率的扩频序列sk；最后，扩频序列sk进入第k个用户的码片级交织器πk，生成被打乱顺序的码片序列xk＝{xk(n),n＝0,...,N-1}，其中N为码片序列的长度。
为叙述方便，假设准静态单径实信道，接收端来自所有用户的接收信号可表示为
其中，hk表示第k个用户的信道系数，w是均值为0、方差为σ2的高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)。
作为一种多载波系统，OFDM-IDMA系统将遭受由多普勒频移或收发端晶振精度不同所造成的频偏影响。特别是在上行OFDM-IDMA系统中，接收机接收到来自不同发射机的信号，以致其将受到多个频偏的影响，如图2所示。
在通过信道之后，受到多频偏影响的时域接收信号变为：
其中εi，i＝0,...,Nt表示第i根发射天线上的频率偏移，其值是以子载波间隔归一化后得到的频偏值，hji表示第j根接收天线与第i根发射天线之间的信道时域冲激响应。zn是AWGN。
将时域接收信号r(n)去除CP、然后转换到频域，可表示为：
其中Si(k)表示第k个子载波上第i个发射天线的频偏因子，可用下式表示：
上式用矩阵表示可得：
其中D(k)＝H(k)S(0)X(k)表示信号项，表示频偏导致的干扰项，Z(k)表示噪声项。其中H(k)与S(k)可分别如下表示：
在多用户或者多天线的情况下，其频偏不能采用简单的单用户检测方式进行补偿。
下面将提出一种用于上行OFDM-IDMA系统中抑制多频偏的检测方法。该方法首先在时域对每个用户分别采用单用户频偏校正方法进行粗同步，以抑制各用户自身的频偏；然后将各用户的接收信号通过FFT变换到频域，最后在频域采用一种迭代干扰消除方法去抑制其它用户的残留频偏，并检测出每个用户的信号。
虽然获取最佳的频偏补偿值εopt的最优方法是最大化瞬间SIR，但由于每个子载波上的瞬时SIR有可能不一样，所以无法得到唯一确定的最佳频偏补偿值εopt。所以我们可以通过最大平均SIR的方法来获取最佳的频偏补偿值ε0。
经过频偏补偿值后，第j根接收天线第k个子载波上的信号可以表示为：
其中，和分别表述信号部分，ICI部分和噪声部分。具体形式表示如下：
其中表示经过CFO补偿后的残留频偏因子，可用公式表示为：
本发明的技术方案是：
将AMP检测器与IDMA系统有机结合，若采用M-PSK或M-QAM调制，Nt和Nr分别为发射天线数和接收天线数，N为帧长，K个用户，那么基于频偏的AMP算法包括以下步骤：
S1、初始化：我们首先假设第1次迭代时的概率其中 是M阶调制星座图中的符号集合。另一方面，我们假设第j根接收天线上的信息和其中yj表示接收端接收到的信号向量的第j个元素。
S2、计算残留频偏因子
其中εi表示第i个用户的频偏值，N为每个用户的数据长度，最佳补偿值ε0为：
S3、从yj到xi的第t次迭代时的功率信息和为
其中Hji表示信道矩阵的第(j,i)个元素，Sji表示子ICI相关矩阵的第(j,i)个元素，和表示第t次迭代时第i根发射天线信息xi的均值和方差。
S4、更新第t次迭代的信息和非高斯干扰
S5、计算第t次迭代的xi的估计和噪声的方差
S6、用如下两个公式更新xi的后验均值和方差：
S7、将t置为t+1，返回步骤S4，直到满足t>Tmax或条件，迭代循环完成。
本发明的有益效果是：本发明提出的检测方法可以在进行频偏补偿检测之后，系统恢复到与无频偏非常接近的性能。
附图说明
图1为IDMA系统发射机的基本模型；
图2为受多频偏影响的IDMA系统结构
图3为单发双收采用QPSK调制的3用户基于正交频分复用的交织多址系统AMP检测方法的频偏抑制对比仿真图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
本例中，子载波数72个，调制方式为QPSK调制，发射天线和接收天线数分别为1和2，用户数为2。本例采用以下步骤：
步骤1：产生三组用户的初始数据分别各1008bits，并分别依次进行编码、扩频、交织，进行QPSK调制；
步骤3：过信道后对信号加入频偏，并过高斯白噪声，之后进行频偏补偿、快速傅里叶变换送入接收端；
步骤3：在接收端，对2路接受天线上的数据做最大比合并后，进行基于AMP的频偏检测、解交织、解扩频和译码完成迭代循环；
步骤4：将检测后的恢复数据，与初始数据对比统计得到BER。
根据图2可得，由仿真结果可知，OFDM-IDMA-AMP系统因为频偏多存在，性能下降了约5dB，而在检测端进行频偏补偿检测之后，系统恢复到与无频偏非常接近的性能。

Claims (1)

1.用于交织多址系统的结合近似消息传递的多用户检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、初始化：
设系统采用M-PSK或M-QAM调制，发射天线数为Nt，接收天线数为Nr，用户数为K；
假设第1次迭代时的概率其中 是M阶调制星座图中的符号集合；
同时第j根接收天线上的信息和其中yj表示接收端接收到的信号向量的第j个元素；
S2、计算残留频偏因子
其中ei表示第i个用户的频偏值，N为每个用户的数据长度，最佳补偿值ε0为：
S3、从yj到xi的第t次迭代时的功率信息和为
其中Hji表示信道矩阵的第(j,i)个元素，Sji表示子ICI相关矩阵的第(j,i)个元素,和表示第t次迭代时第i根发射天线信息xi的均值和方差；
S3、更新第t次迭代的信息和非高斯干扰
S4、计算第t次迭代的xi的估计和噪声的方差
S5、用如下两个公式更新xi的后验均值和方差：
S6、将t置为t+1，返回步骤S3，直到满足t>Tmax或条件，其中Tmax为预设的最大迭代次数，迭代循环完成。
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