CN110138423B - 一种非正交复用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种非正交复用方法,包括:在发射端形成大并发码流a;发射端对大并发码流进行非正交复用调制编码,得到非正交发送矩阵;发射端对所述非正交发送矩阵进行多次K稀疏观测,得到一组紧凑的发射码字;将所述紧凑的发射码字映射到对应的时频资源上,并从发射端发送至接收端;接收端根据所述紧凑的发射码字恢复出大并发码流。本发明的非正交复用方法通过对设计的非正交发送矩阵多次稀疏观测的方法把大并发信息流转化成小并发信息流,从而在有限的时频资源上承载比原先更多的信息流,在非正交多址技术中实现了现场编码,可以同时适用于不同码长的大并发信息流,解决非正交多址技术中编码所采用的码本设计困难的问题。

Description

一种非正交复用方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域,特别涉及一种非正交复用方法。
背景技术
随着5G系统的普及,无线通信技术在国防军事等专用领域应用逐渐加强。特别的在军事通信中随着可视化指挥系统以及高清战场视频图像资料的需求,数据增长和接入需求呈现爆炸性的增长。目前的无线通信传输速率将难以满足未来军事通信的在该方面需求。为了提高频谱效率和接入量,在实现良好系统吞吐量的同时保持接收的低成本,提出采用新型多址复用方式,即非正交复用。在正交多址技术(OMA)中,只能为一个用户分配单一的无线资源,例如按频率分割或按时间分割,而非正交复用方式可将一个资源分配给多个用户。非正交多址复用通过结合串行干扰消除或类最大似然解调取得容量极限,因此技术实现的难点在于是否能设计出低复杂度的非正交多址复用发送方案以及有效的低复杂度接收机算法。
SCMA是非正交多址技术(NOMA)的一种实现方案,采用MPA译码方法能够达到较高的频谱利用率。SCMA采用码本设计,设计好码本后带编码字根据规则挑选码本中码字进行发送,由于采用复杂的星座点变化实现稀疏码本设计,不同的码长要设计不同的码本,况且设计十分复杂,至今设计的比较好的码本是(6,4)码本见《SCMA Codebook Design》,其缺点在于当用户数量很大时,码本设计困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非正交复用方法,以解决非正交多址技术中编码所采用的码本设计困难的问题。
为了实现上述目的,本发明提供了一种非正交复用方法,包括:
S1:在发射端形成大并发码流a;
S2:发射端对大并发码流a进行非正交复用调制编码,得到非正交发送矩阵G;
S3:发射端对所述非正交发送矩阵G进行多次K稀疏观测,得到一组紧凑的发射码字y;
S4:将所述紧凑的发射码字yi映射到对应的时频资源上,并从发射端发送至接收端;
S5:接收端根据所述紧凑的发射码字yi恢复出大并发码流a。
其中,所述步骤S1包括:用户在发射端产生M个发送码流,将M个发送码流组成大并发码流;
优选地,在所述步骤S2中,所述非正交发送矩阵G为G=[f0,...,fm-1]T
Figure BDA0002040295610000021
其中,
Figure BDA0002040295610000022
Pπ(i)为L×L维置换矩阵,π(i)表示第i行向量fi的一个随机交织排列样式;Fj表示M×M维FFT矩阵的第j列向量;a为大并发码流且表示为M×1维的向量。
优选地,M=L=6。
优选地,所述发射码字yi为:
yi=fi HPπ′(i)b,i=0,1,…,m-1,
其中,fi H为正交发送矩阵G中的第i行向量fi的共轭转置;Pπ′(i)为L×L维置换矩阵;π′(i)表示第i次观测时的一个随机交织排列样式;b=[b0,b1,...bL-1]T是任意的维度为L×1的K稀疏观测向量。
优选地,进行所述K稀疏观测的次数m小于非正交发送矩阵G的列向量矩阵fi的行维数L。
在所述步骤S4中,所述时频资源包括频分多路复用技术的各个频率载波、时分复用技术的各个时间资源和正交频分复用技术的各个子载波。
其中,所述步骤S5包括:
S51:接收端生成译码用的稀疏矩阵B;
S52:接收端根据所述步骤S4中的紧凑的发射码字yi和所述步骤S51的稀疏矩阵B求解方程y=Bfi,得到非正交发送矩阵G的第i行向量f,组合得到非正交发送矩阵G;
S53:接收端通过非正交发送矩阵G恢复出大并发码流a。
优选地,所述稀疏矩阵B为:
Figure BDA0002040295610000031
其中,βi是维度为L×1的列向量且βi=Pπ′(i)b,Pπ′(i)为L×L维置换矩阵,π′(i)表示在发送端定义的第i次观测时的一个随机交织排列样式。
优选地,所述方程y=Bfi通过消息传递译码算法计算求解。
在所述步骤S53中,所述大并发码流a为:
Figure BDA0002040295610000032
其中,
Figure BDA0002040295610000033
Pπ(i)为L×L维置换矩阵,π(i)表示第i行向量fi的一个随机交织排列样式,Fj表示M×M维FFT矩阵的第j列向量。
本发明的非正交复用方法基于信号稀疏特性的理论,在发射端通过对设计的非正交发送矩阵多次稀疏观测的方法把大并发信息流转化成小并发信息流,在合适的时频资源上进行发送,从而达到在有限的时频资源上承载比原先更多的信息流的目的,一方面相对于现有的正交多址技术提高了资源利用率和频谱效率,另一方面在非正交多址技术中实现了现场编码,不需要通过不同的码长采用不同的码本来实现非正交复用编码,可以同时适用于不同码长的大并发信息流,解决非正交多址技术中编码所采用的码本设计困难的问题,显著降低设计复杂度。另外,本发明额外提供了非正交复用系统设计的参数约束条件和范围,避免了由于参数选择错误导致的译码性能下降的问题。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的非正交复用方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的非正交复用方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书,本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1,其为本发明的非正交复用方法的流程图,如图1所示,所述非正交复用方法,包括:
步骤S1:在发射端形成大并发码流a,具体包括:用户在发射端产生M个发送码流,将M个发送码流组成大并发码流a,
步骤S2:发射端对大并发码流a进行非正交复用调制编码,得到非正交发送矩阵G;
其中,非正交发送矩阵G为G=[f0,...,fm-1]T
Figure BDA0002040295610000041
fi为L×1维列向量矩阵;
其中,
Figure BDA0002040295610000042
Pπ(i)为L×L维置换矩阵,π(i)表示第i行向量fi的一个随机交织排列样式,Fj表示M×M维FFT矩阵的第j列向量;a为大并发码流且表示为M×1维的向量,M≥L,在本实施例中,M=L=6,L为上文所述的向量fi的行维数。
步骤S3:发射端对所述非正交发送矩阵G进行m次K稀疏观测,得到一组紧凑的发射码字yi(即小并发码流);其中m为进行所述K稀疏观测的次数,也是长度为M=6的码流通过编码后生成的复信号的长度,一般m小于非正交发送矩阵G的列向量矩阵fi的行维数L,在本实施例中,m=4。
该发射码字yi为:
yi=fi HPπ′(i)b,i=0,1,…,m-1
其中,y=[y0,y1,...ym-1]T表示紧凑的发射码字;fi H为上文的正交发送矩阵G中的第i行向量fi的共轭转置,Pπ′(i)为L×L维置换矩阵。π′(i)表示第i次观测时的一个随机交织排列样式;b=[b0,b1,...bL-1]T是任意的维度为L×1的K稀疏观测向量且K≤m,由此实现了对非正交发送矩阵的K稀疏观测。
步骤S4:将所述紧凑的发射码字yi映射到对应的时频资源上,并从发射端发送至接收端,从而使得接收端在对应时频资源上取得该紧凑的发射码字yi;其中,该时频资源包括FDM(频分多路复用技术)的各个频率载波、TDM(时分复用技术)的各个时间资源和OFDM(正交频分复用技术)的各个子载波。
步骤S5:接收端根据所述紧凑的发射码字yi恢复出大并发码流a,具体包括:
步骤S51:接收端生成译码用的稀疏矩阵B,该稀疏矩阵B为:
Figure BDA0002040295610000051
其中,βi是维度为L×1的列向量且βi=Pπ′(i)b,Pπ′(i)为L×L维置换矩阵,π′(i)表示在发送端定义的第i次观测时的一个随机交织排列样式。该π′(i)的值是默认的,在进行本发明的非正交复用方法之前已经定义并发送至接收端。
步骤S52:接收端根据所述步骤S4中的发射码字和所述步骤S51的稀疏矩阵B通过MPA(消息传递译码)算法计算求解方程y=Bfi,得到非正交发送矩阵G的第i行向量f,组合得到非正交发送矩阵G;
由此,本发明采用信号传递算法对非正交发送矩阵进行压缩感知,从而能够恢复出大并发信息流。
步骤S53:接收端通过非正交发送矩阵G恢复出大并发码流a。
所述大并发码流a为:
Figure BDA0002040295610000061
其中,
Figure BDA0002040295610000062
Pπ(i)为L×L维置换矩阵,π(i)表示第i行向量fi的一个随机交织排列样式,Fj表示M×M维FFT矩阵的第j列向量。
实验结果
假设用户产生M个发送码流符号为a=[1,1,1,-1,1,-1]T,并采用本发明的非正交复用方法,则在步骤S2中,所得到的发射端非正交发送矩阵G的第1行f1表示为:
Figure BDA0002040295610000063
其余fi值类似可以得到,不再罗列。
在步骤S3中,所得到的多次稀疏观测得到紧凑的发射码字y,表示为:
Figure BDA0002040295610000064
在步骤S51中所生成的稀疏矩阵B表示为:
Figure BDA0002040295610000065
进而通过MPA算法,求解y=Bfi得到发送码流a。因此,本发明的非正交复用方法只要提供一串待编码码字,通过上面所述一系列变换,一定能得到一个编码压缩后的码字。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述,并非对本发明范围的任何限定,本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰,均属于权利要求书的保护范围。

Claims (11)

1.一种非正交复用方法,其特征在于,包括:
步骤S1:在发射端形成大并发码流a;
步骤S2:发射端对大并发码流a进行非正交复用调制编码,得到非正交发送矩阵G;
步骤S3:发射端对所述非正交发送矩阵G进行多次K稀疏观测,得到一组紧凑的发射码字yi
步骤S4:将所述紧凑的发射码字yi映射到对应的时频资源上,并从发射端发送至接收端;
步骤S5:接收端根据所述紧凑的发射码字yi恢复出大并发码流a。
2.根据权利要求1所述的非正交复用方法,其特征在于,所述步骤S1包括:用户在发射端产生M个发送码流,将M个发送码流组成大并发码流。
3.根据权利要求1所述的非正交复用方法,其特征在于,在所述步骤S2中,所述非正交发送矩阵G为G=[f0,...,fm-1]T
Figure FDA0002909802560000011
其中,
Figure FDA0002909802560000012
Pπ(i)为L×L维置换矩阵,π(i)表示第i行向量fi的一个随机交织排列样式;Fj表示M×M维FFT矩阵的第j列向量;a为大并发码流且表示为M×1维的向量,M≥L。
4.根据权利要求3所述的非正交复用方法,其特征在于,M=L=6。
5.根据权利要求1所述的非正交复用方法,其特征在于,在所述步骤S3中,所述发射码字yi为:
yi=fi HPπ′(i)b,i=0,1,…,m-1,
其中,fi H为正交发送矩阵G中的第i行向量fi的共轭转置;Pπ′(i)为L×L维置换矩阵;π′(i)表示第i次观测时的一个随机交织排列样式;b=[b0,b1,...bL-1]T是任意的维度为L×1的K稀疏观测向量。
6.根据权利要求3所述的非正交复用方法,其特征在于,在所述步骤S3中,进行所述K稀疏观测的次数m小于非正交发送矩阵G的列向量矩阵fi的行维数L。
7.根据权利要求1所述的非正交复用方法,其特征在于,在所述步骤S3中,在所述步骤S4中,所述时频资源包括频分多路复用技术的各个频率载波、时分复用技术的各个时间资源和正交频分复用技术的各个子载波。
8.根据权利要求1所述的非正交复用方法,其特征在于,所述步骤S5包括:
步骤S51:接收端生成译码用的稀疏矩阵B;
步骤S52:接收端根据所述步骤S4中的紧凑的发射码字yi和所述步骤S51的稀疏矩阵B求解方程y=Bfi,得到非正交发送矩阵G的第i行向量f,组合得到非正交发送矩阵G;
步骤S53:接收端通过非正交发送矩阵G恢复出大并发码流a。
9.根据权利要求8所述的非正交复用方法,其特征在于,所述稀疏矩阵B为:
Figure FDA0002909802560000021
其中,βi是维度为L×1的列向量且βi=Pπ′(i)b,Pπ′(i)为L×L维置换矩阵,π′(i)表示在发送端定义的第i次观测时的一个随机交织排列样式。
10.根据权利要求8所述的非正交复用方法,其特征在于,所述方程y=Bfi通过消息传递译码算法计算求解。
11.根据权利要求8所述的非正交复用方法,其特征在于,在所述步骤S53中,所述大并发码流a为:
Figure FDA0002909802560000031
其中,
Figure FDA0002909802560000032
Pπ(i)为L×L维置换矩阵,π(i)表示第i行向量fi的一个随机交织排列样式,Fj表示M×M维FFT矩阵的第j列向量。
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