CN109495131B - 一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法。本发明属于无线移动通信领域。本发明为短波共享频段中多用户同时通信的场景提供一种基于稀疏码本扩频的多载波调制方案，通过生成符合一定条件的稀疏码本来生成每个用户I/Q支路各符号的稀疏扩频序列，最终完成对该符号的稀疏扩频。本发明可以有效解决短波共享信道中多用户干扰和模拟窄带干扰同时存在的问题。

Description

一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法

技术领域

本发明属于无线移动通信技术领域，特别涉及一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法。

背景技术

我国是世界上渔船数量最多的国家，如何能够快捷有效的进行通信是保护渔民生命和财产安全的根本。根据农业部在2007年颁发的《渔业船用调频无线电话机通用技术规范》，规定渔业船用调频无线电话机的专用频段为27.5—39.5MHz。属于短波通信范畴。短波主要以天波方式传播，电离层是其天然的“中继系统”。短波通信因为其技术成熟，通信距离远，体积小，适合在移动状态的车、船、飞机等平台上工作，成为渔业通信中主要的通信手段之一。但同时短波通信具有频带窄、用户多、传输距离远和发射功率大等特点，导致信道拥挤，干扰严重。并且部分渔船上原有的模拟系统(如对讲机)会对新的数字系统带来不可忽略的窄带干扰。而传统的纯扩频通信系统虽然可以对抗窄带干扰，但是抗多用户干扰的能力十分有限。因此，在大量用户同时通信的短波环境下，如何有效地应对窄带干扰和多用户干扰同时存在的情形成为多用户渔业短波通信中亟需解决的问题。

原有的纯扩频技术虽然可以通过多个子载波传输相同的信号来抵抗窄带干扰，但同时也造成抗多用户干扰能力的不足。假设有J个用户同时通信，那么在扩频后的每一个频点处都有J个用户符号的叠加，干扰十分严重。

发明内容

发明目的：针对上述缺陷，本发明提供一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法，采用稀疏码本设计的思想对纯扩频系统进行改进，即基于稀疏码本设计新的扩频序列，使得在扩频后的每个频点处只有少量用户符号的叠加，从而在保证一定的抗窄带干扰能力的同时显著提高了系统抗多用户干扰的能力。

技术方案：本发明提出一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法，包括如下步骤：

(1)确定可供短波通信的频段范围，将其两边预留一定的保护间隔后，中间划分为N段频点/子载波，N∈{16,32,64,128}；

(2)设置最大用户数J_max，并确定稀疏码本S的维度为R行U列；

(3)确定稀疏码本S的行重w_r和列重w_c；

(4)生成相应的稀疏码本S；

(5)对于最多J_max个用户，以U个用户一组进行分组，当实际用户数J＜J_max时保留第

组的所有用户以及第

组的前

个用户；对于最多J_max个用户，依次生成每个用户I/Q两路各个符号的稀疏扩频序列。

进一步的，所述步骤(2)中确定稀疏码本维度的具体步骤如下：

根据该应用场景实际用户数J设置最大用户数J_max：

由计算公式λ＝(J_max-N)/N计算最大用户过载率λ，λ有三种取值：0，0.5，1；根据N、J_max和λ的值决定稀疏码本为R行U列，其中R＝N/k，U＝J_max/m；

当λ＝0时，k∈{1，2，4}；m∈{1，2，4}；且k，m不能同时为1；

当λ＝0.5/1时，k＝1，m＝1。

进一步的，所述步骤(3)中确定稀疏码本的行重w_r和列重w_c的具体步骤如下：

当λ＝0时，w_r和w_c是满足w_r*R＝w_c*U的最小整数解；

当λ＝0.5时，w_r＝3，w_c＝2；

当λ＝1时，w_r＝4，w_c＝2。

进一步的，所述步骤(4)中生成稀疏码本S为R行U列的二进制矩阵的具体步骤如下：

首先生成子矩阵S₁，S₁是(U/wr)行U列的二进制矩阵，其非零元素为S₁(r，u)＝1，其中1≤r≤U/w_r，((r-1)w_r+1)≤u≤rw_r；

然后以子矩阵S₁＝[s₁，s₂，...，sU]为基准，其中s₁，s₂，...，s_U为S₁的U个列向量，其余(w_c-1)个子矩阵S_i由如下方式得到：

S_i＝π_i{s₁，s₂，...，s_U}

其中2≤i≤w_c，π_i表示将S₁的列向量s₁，s₂，...，s_U按列随机交织构成S_i；即得到整个稀疏码本矩阵

在同一个通信系统中，在确定频点N和过载率λ后，不同用户都使用该稀疏码本矩阵S。

进一步的，所述步骤(5)中对于最多J_max个用户，依次生成每个用户I/Q两路各个符号的稀疏扩频序列的具体步骤如下：

(5.1)确定移位寄存器的阶数t，t∈{11，13，15，17}，并在该阶数下选取两个不同的m序列，记作η₁和η₂；在η₁和η₂序列中最大(t-1)长度的连零游程后插入一个“0”，将序列长度修正为2^t；

(5.2)对于用户j，1≤j≤J_max，设其编码后I路信号s_I和Q路信号s_Q是维度为L×1的列向量，将修正后的η₁和η₂序列分别重复发生

次，同时将序列中0映射为-1，1映射为1，得到I路短PN码PN_l和Q路短PN码PN_Q；

(5.3)设用户j的PN初始偏移值为p_j＝p*(j-1)，其中p是64的整数倍；定义其I路初始扩频矩阵为

矩阵M^I维度为L×N，其中

是矩阵M^I的行向量，维度为1×N。其中，行向量

的第n个元素

为I路短PN码PN_I中的第((l-1)*N+p_j+n)个元素，即

其中1≤l≤L，1≤n≤N；

同理，用PN_Q代替PN_I即可得到Q路初始扩频矩阵为

矩阵M^Q维度为L×N；其中，维度为1×N的行向量

的第n个元素为

其中1≤l≤L，1≤n≤N；

(5.4)对于稀疏码本

其中α₁，α₂，α₃，...，α_R是它的行向量，维度为1×U；构造矩阵

其中α₁，α₂，α₃，...，α_R各重复k次，新矩阵S_new的维度为N(N＝kR)行U列，其列向量记为β₁，β₂，β₃，...，β_U，维度为N×1；用户j是用户组内的第u个，则用户j的I路信号s_I的第i个符号s_I(i)对应的稀疏扩频序列

的第n个元素为：

其中1≤u≤U，1≤n≤N，

是维度为1×N的行向量；

因此维度为1×N的行向量

就是该用户I支路符号s_I(i)稀疏扩频后的输出，其中1≤i≤L；

同理，用户j的Q路信号s_Q的第i个符号s_Q(i)对应的稀疏扩频序列

的第n个元素为：

其中1≤u≤U，1≤n≤N，

是维度为1×N的行向量；

因此维度为1×N的行向量

就是该用户Q支路符号s_Q(i)稀疏扩频后的输出，其中1≤i≤L。

本发明提供的基于稀疏码本扩频的多载波多用户短波传输方案，实现在短波通信中通过采用设计的基于稀疏码本扩频的多载波调制方式，能使得多用户短波通信的质量得以改善。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

1、方案设计的基于稀疏码本扩频的多载波传输方式首先采用PN序列扩频生成多载波，除了可以有效抑制窄带干扰，各支路在信道存在多径时延即使接收两端非对齐的情况下也能保持良好的自相关特性；

2、方案设计的基于稀疏码本扩频的多载波传输方式可以有效抵抗窄带干扰。一方面，通过稀疏码本扩频已经使一些符号避开了窄带干扰的影响。另一方面，因为在稀疏码本中一个用户符号同时占用多个频点，且每个用户通过循环使用稀疏码本可以遍历所有的频点，所以在某一个频点上受窄带干扰对用户整体检测的影响并不大。

3、该方案相比传统方案，最大的优势是通过稀疏码本扩频对不同用户进行频点复用来提高系统容量，从而可以支持传统方案所不能支持的过载系统(通信用户数大于可用频点数)。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的示例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的流程图；

图2为具体实施例中实施例一的用户1前32个符号对频点的使用情况图；

图3为具体实施例中实施例一的多用户平均误帧率性能图(和传统扩频相比较)；

图4为具体实施例中实施例二的用户1前48个符号对频点的使用情况图；

图5为具体实施例中实施例二的多用户平均误帧率性能图(和传统扩频相比较)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明对用户I/Q两路第i个符号的稀疏扩频实现如下：首先生成符合条件的稀疏码本S，然后在I/Q两路结合由各自的PN序列PN_I和PN_Q，生成I/Q两路初始扩频矩阵M^I和M^Q，并结合稀疏码本S产生I/Q两路第i个符号s_I(i)和s_Q(i)对应的稀疏扩频码

和

最后将I/Q两路的信号sI(i)和s_Q(i)与相应的稀疏扩频码

和

相乘，这样即可实现对用户I/Q两路第i个符号s_I(i)和s_Q(i)的稀疏扩频。

举例来说，当移位寄存器的阶数t＝15时，在I/Q两路使用的短PN码来源于由15阶移位寄存器产生的m序列，并且在m序列的连续14个0行程后面插入一个额外的“0”进行修正，这样修正后的短PN码周期为2¹⁵＝32768。

同相I支路所使用的短PN码的特征多项式为：

P_I(x)＝x¹⁵+x¹³+x⁹+x⁸+x⁷+x⁵+1

正交Q支路所使用的短PN码的特征多项式为：

P_Q(x)＝x¹⁵+x¹²+x¹¹¹¹+x¹⁰+x⁶+x5+x⁴+x³+1

需要注意的是，不同用户的相同支路采用同一PN序列，但各个用户的起始PN偏移不同。不同用户之间的PN偏移要是64的整数倍。例如当最大用户数J_max＝64时，可令p＝512，此时用户j的PN偏移p_j＝512*(j-1)，其中1≤j≤64。

其中对于生成稀疏码本S的步骤为，根据子载波数N和最大用户数J_max即可生成在该子载波数N和最大用户数J_max下固定使用的稀疏码本S。其中，当λ＝0时，稀疏码本S为R行U列，R为N的因子，U为J_max的因子；而当λ＝0.5/1时，R＝N，U＝J_max，稀疏码本S为N行J_max列。

下面结合具体仿真进行详细说明：

实施例一：λ＝0(最大用户数和子载波数相等，满载)

表1

子载波数N	64	最大用户数J<sub>max</sub>	64
				编码方式	Turbo	编码码率	1/3
调制方式	QPSK	PN间隔p	512
				稀疏码本维度	16×32	稀疏码本行重w<sub>r</sub>	2
稀疏码本列重w<sub>c</sub>	1	窄带干扰个数	8
				帧长	2048	各用户信号功率	0dB
信道	AWGN

根据子载波数N和最大用户数J_max可计算用户过载率λ＝(J_max-N)/N＝0，因此可以选择k＝4，m＝2。并且选择满足w_r*R＝w_c*U的最小整数解w_r＝2和w_c＝1。

生成的维度为16×32的稀疏码本S具体如下所示：

其中每一行表示4个子载波(k＝N/R＝4)。可令第一行表示子载波1～4，第二行表示子载波5～8，……，第16行表示子载波61～64。

对于用户j(1≤j≤32)，从码本的第j列开始循环使用码本依次对各个符号扩频。对于用户33～64，采用和用户1～32相同的传输方案，仅通过PN偏移隔离。这样，每个用户符号实际采用4个子载波进行扩频，每个子载波在同一时刻实际有4个用户符号的叠加。注意，当实际用户数小于64时，也使用上述的稀疏码本。

以用户1举例，图2是用户1前32个符号对频点/子载波的使用情况。如图2所示，用户1的第一个符号采用码本第一列的1个1对应的频点(频点1～4)进行扩频，第二个符号采用码本第二列的1个1对应的频点(频点1～4)进行扩频，……，第32个符号采用码本第32列的1个1对应的频点(频点61～64)进行扩频，如此为一周期。从第33个符号开始循环采用上述方式。

在接收部分，可以通过设置子载波功率阈值辅助解稀疏扩频。具体包括以下步骤：

(1)计算接收部分进入解稀疏扩频模块前信号各子载波的平均功率，可以发现一部分子载波的平均功率明显大于其余子载波的平均功率；

(2)将平均功率较小的那一部分子载波的平均功率的两倍设为阈值；

(3)将信号中平均功率大于阈值的子载波直接滤除，同时也将各用户各支路的稀疏扩频码中的相应子载波删除；

(4)将剩余信号和相应的稀疏扩频码相乘，即可完成各用户各支路的信息解稀疏扩频。

同时，接收端在解码后还可以对多用户信号进行基于CRC辅助的硬判决干扰抵消(HIC)检测。具体步骤如下：

步骤A.以帧为单位，对解码后各个用户的信号进行CRC校验，判断每个用户的这一帧信号是正确还是错误，然后进入步骤B；

步骤B.将一帧时间内所有解码正确的帧的用户的信号进行重构，复现该用户在接收信号中的分量，然后进入步骤C；

步骤C.从一帧时间内接收端的接收总信号中减去这些解码正确的帧的用户的信号，得到新的接收信号，随即重新检测之前解码错误的帧的用户，这样就可以减少解码正确的帧的用户对解码错误的帧的用户的干扰，使用户平均误帧率性能比原先更好，实现了基于CRC辅助的硬判决干扰抵消(HIC)检测。

仿真得到的64个用户的平均误帧率性能如图3所示。图中将这种情况下稀疏扩频的误帧率性能和传统扩频方式进行了对比。如图所示，当过载率λ＝0时，在10^-2量级的误帧率上，传统纯扩频方式所需的SNR约为11dB，而本专利设计的稀疏扩频方式的SNR约为4.5dB，此时本专利设计的稀疏扩频相较传统的纯扩频有接近6.5dB的增益。同时，采用本专利设计的基于CRC辅助的硬判决干扰抵消检测后，稀疏扩频方式的误帧率性能得到进一步提升，在10^-2量级的误帧率处相对未做HIC的稀疏扩频有1dB以上的增益，相对传统的纯扩频增益超过了7.5dB，而在10-³量级的误帧率处采用HIC的稀疏扩频相对未做HIC的稀疏扩频有接近2.5dB的增益，相当可观。

仿真示例二：λ＝0.5(最大用户数是子载波数的1.5倍，过载)

表2

子载波数N	32	最大用户数J<sub>max</sub>	48
				编码方式	Turbo	编码码率	1/3
调制方式	QPSK	PN间隔p	512
				稀疏码本维度	32×48	稀疏码本行重w<sub>r</sub>	3
稀疏码本列重w<sub>c</sub>	2	窄带干扰个数	4
				帧长	2048	各用户信号功率	0dB
信道	AWGN

根据子载波数N和最大用户数J_max可计算用户过载率λ＝(J_max-N)/N＝0.5，因此可以选择N＝32作为稀疏码本的行数R，选择J_max＝48作为稀疏码本的列数U。并且选择行重w_r＝3和列重w_c＝2使得w_r*R＝w_c*U。

生成的维度为32×48的稀疏码本S具体如下所示：

其中每一行表示1个子载波(k＝N/R＝1)。可令第一行表示子载波1，第二行表示子载波2，……，第32行表示子载波32。

对于用户j(1≤j≤48)，从码本的第j列开始循环使用码本依次对各个符号扩频。这样，每个用户符号用2个频点进行扩频，每个频点在同一时刻有3个用户符号的叠加。

以用户1举例，图4是用户1前48个符号对频点的使用情况。如图4所示，用户1的第一个符号采用码本第一列的2个1对应的频点(频点1、28)进行扩频，第二个符号采用码本第二列的2个1对应的频点(频点1、26)进行扩频，……，第48个符号采用码本第48列的2个1对应的频点(频点16、17)进行扩频，如此为一周期。从第49个符号开始循环采用上述方式。当实际用户数小于48时，仍使用上述的稀疏码本。

在接收部分，同样可以通过采用设置子载波功率阈值辅助解稀疏扩频和对多用户信号进行基于CRC辅助的硬判决干扰抵消(HIC)检测来提高用户平均误帧率性能。

仿真得到的48个用户的平均误帧率性能如图5所示。注意此时图中纯扩频系统的误帧率为1。

通过图3和图5中的误帧率性能曲线，可以看出本专利设计的基于稀疏码本扩频的多载波多用户短波传输方案在用户数较大时相对传统的多用户扩频系统有明显增益。当过载率λ＝0时，在10^-2量级的误帧率上，稀疏扩频相较传统的纯扩频已有接近6.5dB增益；而当过载率λ＝0.5时传统纯扩频系统的误帧率为1，已无法分辨各个用户，但图5中本专利设计的基于稀疏码本扩频的多用户短波传输方案当SNR在11.5dB左右时，误帧率性能可以达到10^-2量级。同时，从图3和图5中还可以看出，采用本专利中设计的基于CRC辅助的硬判决干扰抵消(HIC)检测方案可以进一步提升多用户的平均误帧率性能。图3中在10^-2量级的误帧率处采用HIC检测的稀疏扩频相较未采用HIC的稀疏扩频有1dB以上的增益，在10^-3量级的误帧率处采用HIC相对未做HIC有接近2.5dB的增益。而图5中在10^-2量级的误帧率处采用HIC检测的稀疏扩频相较未采用HIC的稀疏扩频有3dB以上的增益。并且从图中可以看出，随着SNR的增加，未做HIC检测的稀疏扩频系统误帧率下降缓慢，而做HIC检测的稀疏扩频系统误帧率下降迅速。

特别说明，虽然仿真示例中没有讨论，但当各用户信号功率不等时，接收端解码后进行多次HIC迭代检测，可以支持过载率λ＝1的多用户通信系统(用户平均误帧率可达到10^-2量级以下)。

Claims (5)

1.一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定可供短波通信的频段范围，将其两边预留一定的保护间隔后，中间划分为N段频点/子载波，N∈{16，32，64，128}；

(2)设置最大用户数J_max，并确定稀疏码本S的维度为R行U列；

(3)确定稀疏码本S的行重w_r和列重w_c；

(4)生成相应的稀疏码本S；

(5)对于最多J_max个用户，以U个用户一组进行分组，当实际用户数J＜J_max时保留第

组的所有用户以及第

组的前

个用户；对于最多J_max个用户，依次生成每个用户I/Q两路各个符号的稀疏扩频序列。

2.根据权利要求1所述的一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法，其特征在于，所述步骤(2)中确定稀疏码本维度的具体步骤如下：

根据应用场景实际用户数J设置最大用户数J_max：

由计算公式λ＝(J_max-N)/N计算最大用户过载率λ，λ有三种取值：0，0.5，1；根据N、J_max和λ的值决定稀疏码本为R行U列，其中R＝N/k，U＝J_max/m；

当λ＝0时，k∈{1，2，4}；m∈{1，2，4}；且k，m不能同时为1；

当λ＝0.5/1时，k＝1，m＝1。

3.根据权利要求1所述的一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法，其特征在于，所述步骤(3)中确定稀疏码本的行重w_r和列重w_c的具体步骤如下：

当λ＝0时，w_r和w_c是满足w_r*R＝w_c*U的最小整数解；

当λ＝0.5时，w_r＝3，w_c＝2；

当λ＝1时，w_r＝4，w_c＝2。

4.根据权利要求l所述的一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法，其特征在于，所述步骤(4)中生成稀疏码本S为R行U列的二进制矩阵的具体步骤如下：

首先生成子矩阵S₁，S₁是(U/w_r)行U列的二进制矩阵，其非零元素为S₁(r，u)＝1，其中1≤r≤U/w_r，((r-1)w_r+1)≤u≤rw_r；

然后以子矩阵S₁＝[s₁，s₂，...，s_U]为基准，其中s₁，s₂，...，s_U为S₁的U个列向量，其余(w_c-1)个子矩阵S_i由如下方式得到：

S_i＝π_i{s₁，s₂，...，s_U}

其中2≤i≤w_c，π_i表示将S₁的列向量s₁，s₂，...，s_U按列随机交织构成S_i；即得到整个稀疏码本矩阵

在同一个通信系统中，在确定频点N和过载率λ后，不同用户都使用该稀疏码本矩阵S。

5.根据权利要求1所述的一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法，其特征在于，所述步骤(5)中对于最多J_max个用户，依次生成每个用户I/Q两路各个符号的稀疏扩频序列的具体步骤如下：

(5.1)确定移位寄存器的阶数t，t∈{11，13，15，17}，并在该阶数下选取两个不同的m序列，记作η₁和η₂；在η₁和η₂序列中最大(t-1)长度的连零游程后插入一个“0”，将序列长度修正为2^t；

(5.2)对于用户j，1≤j≤J_max，设其编码后I路信号s_I和Q路信号s_Q是维度为L×1的列向量，将修正后的η₁和η₂序列分别重复发生

次，同时将序列中0映射为-1，1映射为1，得到I路短PN码PN_I和Q路短PN码PN_Q；

(5.3)设用户j的PN初始偏移值为p_j＝p*(j-1)，其中p是64的整数倍；定义其I路初始扩频矩阵为

矩阵M^I维度为L×N，其中

是矩阵M^I的行向量，维度为1×N；其中，行向量

的第n个元素

为I路短PN码PN_I中的第((l-1)*N+p_j+n)个元素，即

其中1≤l≤L，1≤n≤N；

同理，用PN_Q代替PN_I即可得到Q路初始扩频矩阵为

矩阵M^Q维度为L×N；其中，维度为1×N的行向量

的第n个元素为

其中1≤l≤L，1≤n≤N；

(5.4)对于稀疏码本

其中α₁，α₂，α₃，...，α_R是它的行向量，维度为1×U；构造矩阵

其中α₁，α₂，α₃，...，α_R各重复k次，新矩阵S_new的维度为N(N＝kR)行U列，其列向量记为β₁，β₂，β₃，...，β_U，维度为N×1；用户j是用户组内的第u个，则用户j的I路信号s_I的第i个符号s_I(i)对应的稀疏扩频序列

的第n个元素为：

其中1≤u≤U，1≤n≤N，

是维度为1×N的行向量；

因此维度为1×N的行向量

就是该用户I支路符号s_I(i)稀疏扩频后的输出，其中1≤i≤L；

同理，用户j的Q路信号s_Q的第i个符号s_Q(i)对应的稀疏扩频序列

的第n个元素为：

其中1≤u≤U，1≤n≤N，

是维度为1×N的行向量；

因此维度为1×N的行向量

就是该用户Q支路符号s_Q(i)稀疏扩频后的输出，其中1≤i≤L。

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