CN108964864B - 一种scma多址系统中的非正交导频与信号传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种SCMA多址系统中的非正交导频与信号传输方法。本发明首先通过一组正交的导频序列估计出多个用户的初始信道信息，然后采用不同用户的导频非正交叠加的方式，更新不同用户的信道信息。在此导频配置方案下，每个子载波上没有不同发射天线的导频叠加，只有不同发射天线的数据和导频重叠，这样既提高了信道估计的准确性，又保证了系统的频谱效率。

Description

一种SCMA多址系统中的非正交导频与信号传输方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种SCMA多址系统中的非正交导频与信号传输方法。
背景技术
稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access，SCMA)是为了满足5G移动通信中所要求的海量连接、超低时延、更高频谱效率等而提出的新型多址接入技术，是非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)技术之一。在发送端，SCMA把星座点映射和扩频相结合，直接将传输数据比特映射为特定的复数域多维码字，多个用户的码字通过稀疏的扩频方式在相同的资源块上进行非正交叠加传输。在接收端，由于码字稀疏性SCMA接收机可以利用消息传递算法(Message Passing Algorithm，MPA)进行多用户检测(Multi-user Detection，MUD)，并结合信道信息完成多用户的数据解调。因为通过稀疏扩频方式得到的多维码字的个数明显大于码字占用的资源块个数，因此SCMA通过多个码字叠加的传输方式提升系统的传输容量和效率，为解决未来越来越稀少的频谱资源与越来越多的用户接入数之间的矛盾，提供了一种良好的解决方案。
低密度扩频是SCMA的关键技术之一。该技术的特点是将1个单载波扩频成为K个子载波(单载波扩频到多载波)，然后将扩频后的K个子载波分给U个用户共同传输数据。其中每个用户使用K个子载波中的N个进行有效数据传输，剩余子载波空载，这就是SCMA中稀疏的概念。SCMA技术通过引入码域多址，并对信号之间的稀疏度(承载单用户数据的子载波数)进行调整，以此对频谱效率进行多倍提升。
信道估计是通信系统中一项重要任务，接收端只有明确所有天线间的信道状态信息才能完成接收端的解调工作，因此信道估计及估计准确性与系统的传输性能好坏密切相关。传统的信道估计算法的研究大多都是使用正交的导频序列进行信道信息估计，使用相互正交的导频序列不仅可以获取到较好的信道状态信息，且信道估计算法实现较为简单。但是，正交的导频传输将导致严重的频谱资源损耗，影响系统的传输速率。而随着移动通信系统的快速发展，系统的用户数必然越来越多，此时基于正交导频序列的传输必将造成大量的频谱资源浪费，严重降低了频谱利用率。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于稀疏结构的非正交导频设计及信道估计的新方法，该方法首先通过一组正交的导频序列估计出多个用户的初始信道信息，然后采用不同用户的导频非正交叠加的方式，更新不同用户的信道信息。在此导频配置方案下，每个子载波上没有不同发射天线的导频叠加，只有不同发射天线的数据和导频重叠，这样既提高了信道估计的准确性，又保证了系统的频谱效率，具体导频的设计结构如图1所示。
本发明的技术方案是：
设定SCMA-OFDM系统中有S个子帧,每个子帧有一个OFDM符号，一个OFDM符号子载波个数为N，用户数为K，且每个用户只有一个发射天线，所述方法包括以下步骤：
发射端：
a.进行子载波分配，根据稀疏码多址接入方式，给K个用户分配各自的可用子载波，每个用户都只能在自己的可用子载波上发送数据，非可用子载波空载；
b.在第s个子帧中，插入K个用户的导频序列；在剩余的子帧中，插入K个用户的星座点调制符号。
接收端：
信道估计方法一：
c.初始信道估计：所有发射天线通过传输相互正交的导频序列完成初始的信道估计得到
Figure BDA0001772262840000021
d.干扰消除：提取第i个子帧的接收符号Yi，Yi由所有发射天线的导频数据组成，从Yi中消除来自干扰天线的导频干扰信息：
Figure BDA0001772262840000022
其中，
Figure BDA0001772262840000023
表示第i个子帧中来自第j个用户的接收到的导频信号，Θi表示第i个子帧中未更新信道信息的用户的集合，Φi表示第i个子帧中已更新信道信息的用户的集合，|Θi|+|Φi|＝K-1；
e.信道更新估计：根据
Figure BDA0001772262840000024
Pi,j，利用导频辅助的信道估计得到第i个子帧中第j个用户的信道信息值更新为
Figure BDA0001772262840000025
Figure BDA0001772262840000026
其中，
Figure BDA0001772262840000027
表示某种信道估计方法，Pi,j表示第i个子帧第j个用户的导频序列；
f.循环步骤d～e，直到导频子帧i中所有用户的信道信息全部更新完毕。
信道估计方法二：
c.初始信道估计：所有发射天线通过传输相互正交的导频序列完成初始的信道估计得到
Figure BDA0001772262840000031
d.获得天线的信道估计更新顺序：对于第i帧中的导频子帧，计算每根发射天线的归一化均方误差(Normalized Mean-square Error,NMSE)，并对这K个用户按照NMSE进行降序排列，此顺序即为信道信息更新顺序；
e.干扰消除：提取第i个子帧的接收符号Yi，Yi由所有发射天线的导频数据组成，从Yi中消除来自干扰天线的导频干扰信息，按照步骤f中的排列顺序，在未更新的用户的集合中，选择NMSE最大的那个用户j进行干扰消除：
Figure BDA0001772262840000032
其中，
Figure BDA0001772262840000033
表示第i个子帧中来自第j个用户的接收到的导频信号，Θi表示第i个子帧中未更新信道信息的用户的集合，Φi表示第i个子帧中已更新信道信息的用户的集合，|Θi|+|Φi|＝K-1；
f.信道更新估计：根据
Figure BDA0001772262840000034
Pi,j，利用导频辅助的信道估计得到第i个子帧中第j个用户的信道信息值更新为
Figure BDA0001772262840000035
Figure BDA0001772262840000036
g.按照步骤f中发射天线的排列顺序，循环步骤e～f，最先更新NMSE值大的发射天线，直到导频子帧i中K个用户的信道信息全部更新完毕为止。
本发明的有益效果为，既提高了信道估计的准确性，又保证了系统的频谱效率。
附图说明
图1为实施例导频配置方案的传输帧结构；
图2为方法一的信道估计流程图；
图3为方法二的信道估计流程图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行进一步说明。
实施例
设定SCMA-OFDM系统中有24个子帧,每个子帧有一个OFDM符号，一个OFDM符号子载波个数为1024，用户数为6，且每个用户只有一根发射天线，所述方法包括以下步骤：
表1实施例仿真参数
仿真参数 值
子载波个数 1024
CP长度 64
子载波间隔 15kHz
调制方式 QPSK
多径信道 EVA
移动速度 10km/h、30km/h
帧数 24
用户数 6
数据检测算法 MPA检测
发射端：
步骤1：在第6个子帧中，插入6个用户的正交导频序列P1,…,P6。
步骤2：在第18个子帧中，按照图1的导频设计方式，每四个子载波为一个单元，每个单元中第一个和第二个子载波插入用户1的导频信息；第一个和第三个子载波插入用户2的导频信息；第一个和第四个子载波插入用户3的导频信息；第二个和第三个子载波插入用户4的导频信息；第二个和第四个子载波插入用户5的导频信息；第三个和第四个子载波插入用户6的导频信息。
接收端：
信道估计方法一：
步骤3：初始信道估计，利用第6个子帧中的正交的导频序列进行信道估计得到6个用户的初始信道信息：
Figure BDA0001772262840000051
其中，Pk表示第k个用户的导频序列，
Figure BDA0001772262840000052
表示一种确定的信道估计算法。
步骤4：干扰消除，提取第17个子帧中的接收符号Y17，Y17由所有用户的导频信息组成。根据已知的初始信息估计信息从Y17中消除来自2-6五个用户的导频干扰信息：
Figure BDA0001772262840000053
其中，
Figure BDA0001772262840000054
表示第17个子帧中来自第一个用户的导频位置处的接收信号，Θ17＝{2,3,4,5,6}表示第17个子帧中未更新信道信息的用户的集合，
Figure BDA00017722628400000513
表示第17个子帧中已更新信道信息的用户的集合，|Θi|+|Φi|＝5；
步骤5：信道更新估计，根据
Figure BDA0001772262840000055
P17,1，利用导频辅助的信道估计得到第17个子帧中第1个用户的信道估计值更新为
Figure BDA0001772262840000056
Figure BDA0001772262840000057
步骤6：循环步骤4-步骤5可以得到其他五个用户的信道更新值
Figure BDA0001772262840000058
信道估计方法二：
步骤3：初始信道估计，利用第6个子帧中的正交的导频序列进行信道估计得到6个用户的初始信道信息：
Figure BDA0001772262840000059
其中，Pk表示第k个用户的导频序列，
Figure BDA00017722628400000510
表示一种确定的信道估计算法。
步骤4：获得天线的信道估计更新顺序，对于第17个子帧，计算每个用户信道信息的归一化均方误差(Normalized Mean-square Error,NMSE)，并对这6用户按照NMSE进行降序排列为2,4,5,1,3,6；
步骤5：按照步骤4中的排列顺序，在未更新的发射天线集合中，选择NMSE最大的那用户2进行干扰消除：根据已知的初始信息估计信息从Y17中消除来自其他五个用户的导频干扰信息：
Figure BDA00017722628400000511
其中，
Figure BDA00017722628400000512
表示第17个子帧中来自第一个用户的导频位置处的接收信号，Θ17＝{1,3,4,5,6}表示第17个子帧中未更新信道信息的用户的集合，
Figure BDA0001772262840000065
表示第17个子帧中已更新信道信息的用户的集合，|Θi|+|Φi|＝5；
步骤6：信道更新估计，根据
Figure BDA0001772262840000061
P17,2，利用导频辅助的信道估计得到第17个子帧中第2个用户的信道估计值更新为
Figure BDA0001772262840000062
Figure BDA0001772262840000063
步骤7：按照步骤4中的排列顺序结果，循环步骤5-步骤6可以依次得到其他五个用户的信道更新值
Figure BDA0001772262840000064

Claims (2)

1.一种SCMA多址系统中的非正交导频与信号传输方法，该方法用于SCMA-OFDM系统，设定SCMA-OFDM系统中有S个子帧,每个子帧有一个OFDM符号，一个OFDM符号子载波个数为N，用户数为K，且每个用户只有一个发射天线，其特征在于，该方法包括以下步骤：
发射端：
a.进行子载波分配，根据稀疏码多址接入方式，给K个用户分配各自的可用子载波，每个用户都只能在自己的可用子载波上发送数据，非可用子载波空载；
b.在第s个子帧中，插入K个用户的导频序列；在剩余的子帧中，插入K个用户的星座点调制符号；
接收端：
c.初始信道估计：所有发射天线通过传输相互正交的导频序列完成初始的信道估计得到
Figure FDA0002684587320000011
Figure FDA0002684587320000012
其中，Pk表示第k个用户的导频序列，
Figure FDA0002684587320000013
表示信道估计算法；
d.干扰消除：提取第i个子帧的接收符号Yi，Yi由所有发射天线的导频数据组成，从Yi中消除来自干扰天线的导频干扰信息：
Figure FDA0002684587320000014
其中，
Figure FDA0002684587320000015
表示第i个子帧中来自第j个用户的接收到的导频信号，Θi表示第i个子帧中未更新信道信息的用户的集合，Φi表示第i个子帧中已更新信道信息的用户的集合，|Θi|+|Φi|＝K-1；
e.信道更新估计：根据
Figure FDA0002684587320000016
Pi,j，利用导频辅助的信道估计得到第i个子帧中第j个用户的信道信息值更新为
Figure FDA0002684587320000017
Figure FDA0002684587320000018
其中，
Figure FDA0002684587320000019
表示某种信道估计方法，Pi,j表示第i个子帧第j个用户的导频序列；
f.循环步骤d～e，直到导频子帧i中所有用户的信道信息全部更新完毕。
2.一种SCMA多址系统中的非正交导频与信号传输方法，该方法用于SCMA-OFDM系统，设定SCMA-OFDM系统中有S个子帧,每个子帧有一个OFDM符号，一个OFDM符号子载波个数为N，用户数为K，且每个用户只有一个发射天线，其特征在于，该方法包括以下步骤：
发射端：
a.进行子载波分配，根据稀疏码多址接入方式，给K个用户分配各自的可用子载波，每个用户都只能在自己的可用子载波上发送数据，非可用子载波空载；
b.在第s个子帧中，插入K个用户的导频序列；在剩余的子帧中，插入K个用户的星座点调制符号；
接收端：
c.初始信道估计：所有发射天线通过传输相互正交的导频序列完成初始的信道估计得到
Figure FDA0002684587320000021
Figure FDA0002684587320000022
其中，Pk表示第k个用户的导频序列，
Figure FDA0002684587320000023
表示信道估计算法；
d.获得天线的信道估计更新顺序：对于第i帧中的导频子帧，计算每根发射天线的归一化均方误差NMSE，并对这K个用户按照NMSE进行降序排列，此顺序即为信道信息更新顺序；
e.干扰消除：提取第i个子帧的接收符号Yi，Yi由所有发射天线的导频数据组成，从Yi中消除来自干扰天线的导频干扰信息，按照步骤f中的排列顺序，在未更新的用户的集合中，选择NMSE最大的那个用户j进行干扰消除：
Figure FDA0002684587320000024
其中，
Figure FDA0002684587320000025
表示第i个子帧中来自第j个用户的接收到的导频信号，Θi表示第i个子帧中未更新信道信息的用户的集合，Φi表示第i个子帧中已更新信道信息的用户的集合，|Θi|+|Φi|＝K-1；
f.信道更新估计：根据
Figure FDA0002684587320000026
Pi,j，利用导频辅助的信道估计得到第i个子帧中第j个用户的信道信息值更新为
Figure FDA0002684587320000027
Figure FDA0002684587320000031
g.按照步骤f中发射天线的排列顺序，循环步骤e～f，最先更新NMSE值大的发射天线，直到导频子帧i中K个用户的信道信息全部更新完毕为止。
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