CN110601796B - 下行多用户联合信道编码发射、接收方法及系统 - Google Patents

Abstract

下行多用户联合信道编码发射、接收方法及系统，涉及通信技术领域，为解决现有技术中多址接入技术未考虑编码增益的问题，包括以下步骤：步骤一：根据资源块和服务用户的数目确定多址接入系统的参数；步骤二：将多用户的发送信息进行多用户联合信道编码和交织，根据映射矩阵，将码字从有限域映射到复数域；步骤三：根据传输码本将信息分配给不同的资源块，进而在信道中传输。本发明在支持多用户传输的同时，还获得了编码增益。本发明从编码的角度给出了多址接入的数学模型，并引入多用户编码的概念，从而将多址接入技术和传统的编码技术之间建立起了联系。

Description

下行多用户联合信道编码发射、接收方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体为一种下行多用户联合信道编码发射、接收方法及系统。

背景技术

蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用户进行通信，许多同时进行通信的用户，互相以信道来区分，这就是多址。因为移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积无线电波覆盖的特点，网内一个用户发射的信号其他用户均可以收到，所以网内用户如何能从播发的信号中识别出发送给本用户地址的信号就成为了建立连接的首要问题。在无线通信环境的电波覆盖范围内，建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题。解决多址接入问题的方法叫多址接入技术。

多址接入技术在无线通信系统中扮演着很重要的角色，在第五代无线通信系统中，多址接入技术需要支持大量设备接入，因此人们提出了很多种多址接入技术。目前，多址接入技术和传统的信道编码技术通常是单独考虑的。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中多址接入技术未考虑编码增益的问题，提出一种下行多用户联合信道编码传输系统。

本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：

下行多用户联合信道编码发射方法，包括以下步骤：

步骤一：根据资源块和服务用户的数目确定多址接入系统的参数；

步骤二：将多用户的发送信息进行多用户联合信道编码和交织，根据映射矩阵，将码字从有限域映射到复数域；

步骤三：根据传输码本将信息分配给不同的资源块，进而在信道中传输。

进一步的，所述步骤三中各路资源的承载率通过如下步骤得到：

假设用户数量K，码长为N，码率为R，资源块数为M，调制符号取自信号集δ，且δ中含有Q个元素，则资源承载率λ为：

进一步的，所述传输码本表示为：

其中x_m,n表示第m路资源上第n个变量节点的调制信号，若x_m,n＝0，则说明第n个变量节点不占用第m路资源，假设矩阵X行重为ρ，列重为η，则可以定义一个新的向量：

x＝(x₁,x₂,…,x_j,…,x_J) (3)，

其中J＝Mρ＝Nη。

下行多用户联合信道编码接收方法，包括以下步骤：首先对各路资源上的接收信号分别进行串行干扰消除，然后进行信号合并及处理，最后进行译码，将不同用户的信息区分。

进一步的，若信道编码部分采用二进制低密度奇偶校验码，则所述接收方法的具体步骤为：

Q1、利用串行干扰消除技术获得x_j的对数似然函数L_j；

Q2、对第n个变量节点s_n的对数似然函数L_n进行初始化；

Q3、计算第l个校验节点传给第n个变量节点的对数似然比L_l→n；

Q4、对第n个变量节点s_n的对数似然函数

进行更新；

Q5、对于第n个变量节点，若

则v_n＝0，否则，v_n＝1，若

或迭代次数达到预设值时，译码结束，否则进入步骤Q3，其中H^T是求矩阵H的转置。

进一步的，所述x_j的对数似然函数L_j通过以下步骤获得：

首先利用串行干扰消除技术从第m路资源上的接收信号r_m中检测出x_j，假设

占用第m个资源块，且有

根据串行干扰消除的原则，先检测出

然后从r_m中减去检测信号

再检测

以此类推，最后得到的检测信号

检测信号为硬判决信号或者软信息，定义x_j的对数似然函数为：

其中，x_j为向量x中的第j位。

进一步的，所述第n个变量节点s_n的对数似然函数L_n通过下式得到：

若L_n≥0，则s_n判为0，否则判为1，采用最大比合并方式，则式(5)修正为：

进一步的，所述译码采用SPA算法进行LDPC译码，所述第l个校验节点传给第n个变量节点的对数似然比L_l→n通过下式得到：

进一步的，所述第n个变量节点s_n的对数似然函数

通过下式得到：

其中N(n)表示和第n个变量节点相连的校验节点组成的集合。

下行多用户联合信道编码传输系统，包括发射端和接收端，所述发射端执行如权利要求1至权利要求3所述步骤，所述接收端执行如权利要求4至权利要求9所述步骤。

本发明的有益效果是：

本发明适用于下行多用户联合传输的通信场景。在发射端，先将多用户的信息进行多用户联合编码和交织映射，然后根据传输码本将其分配到不同资源上，再进行传输。在接收端，对各路资源上的接收信号分别进行串行干扰消除，然后进行信号合并及处理，最后进行译码，从而将各个用户的信息区分开来。对于给定的资源块数和用户数，本发明通过对传输码本进行合理设计，可以在保证资源承载率的同时获得更好的误比特率性能。

本发明在支持多用户传输的同时，还获得了编码增益。本发明从编码的角度给出了多址接入的数学模型，并引入多用户编码的概念，从而将多址接入技术和传统的编码技术之间建立起了联系。

附图说明

图1为本发明发射端基本框图。

图2为本发明接收端基本框图。

图3为本发明平均误比特率性能图。

图4为本发明时选衰落信道下的平均误比特性能图。

图5为本发明实施例中发射端基本框图。

图6为本发明实施例中接收端基本框图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图具体说明本实施方式，本实施方式所述的下行多用户联合信道编码传输系统，包括：发射端和接收端，

所述发射端执行以下步骤：

步骤一：根据资源块和服务用户的数目确定多址接入系统的参数；

步骤二：将多用户的发送信息进行多用户联合信道编码和交织，即将多用户的信息作为输入信息比特，然后根据信道编码准则添加冗余信息；

步骤三：根据映射矩阵，将码字从有限域映射到复数域；

步骤四：根据传输码本将信息分配给不同的资源块，进而在信道中传输；

所述接收端执行以下步骤：

首先对各路资源上的接收信号分别进行串行干扰消除，然后进行信号合并及处理，最后进行译码，将不同用户的信息区分。

本发明基于多用户传输的通信系统模型，为了将多址接入技术和编码技术建立起联系，提出多用户编码的概念。

发射端和接收端基本框图如图1和图2所示，其中，K为用户数目，N为码长，M为可用资源块数目。

整个发射和接收过程具体通过以下算法实现：

表1多用户编码算法流程

本发明基于多用户联合传输的通信模式。其适用场景为下行多用户场景。

为了衡量多址接入系统的频谱效率，我们将每路传输资源所能传输的信息比特数定义为承载率λ，单位为比特/资源(或比特/符号)。假设用户数为K，码长为N，码率为R，资源数为M，调制符号取自信号集δ，且δ中含有Q个元素，则λ可利用下式计算。

仿真分析：

仿真1给出了AWGN信道下不同系统的平均BER性能，具体参数如表2所示：

表2平均误比特性能的仿真参数设定

仿真1效果如图3所示，信道编码部分采用(8400,7805)QC-LDPC码，当参数(η,ρ)＝(1,4)时，我们给出一个2100×8400的传输码本，最多可支持7805个用户，故承载率λ＝3.7168bits/resource，当(η,ρ)＝(1,6)时，传输码本是一个1400×8400阶的矩阵，λ＝5.5752bits/resource，同理当(η,ρ)＝(1,8)时，传输码本是一个1050×8400阶的矩阵，此时λ＝7.4336bits/resource。从图中可以看出，由于具有非正交特性，因此ρ越大，达到一定BER性能所需的传输功率越大，故承载率的提高是以增加传输功率为代价的。此外，对比未编码曲线和编码曲线可知，增加信道编码可以带来BER性能的显著提升，但迭代次数为10和50时的性能基本接近，因此对于所使用的(8400,7805)QC-LDPC码，10次的迭代已经足够。

仿真2给出了时选衰落信道下不同系统的平均BER性能，具体参数如表3所示：

表3时选衰落信道下误比特性能的仿真参数设定

仿真2效果如图4所示，其中k用来表示信道变化的程度，k越大，信道变化越快，进而变成一个时选衰落信道。从图中可以看出，随着k值的增大，本文提出的系统模型的BER性能越来越好。此外，由于增加了信号处理的过程，本文提出的检测算法相比于传统的SPA算法具有更好的BER性能。

实施例：

假设：

(1)应用场景为多用户下行数据传输；

(2)基站使用一根发射天线，每个用户使用一根接收天线

结合算法流程和各部分的具体框图，所述方法通过以下步骤实现：

以K＝4、N＝6、M＝3、η＝2、ρ＝4为例，发射端基本框图如图5所示。其中编码部分采用(6,4)LDPC码，码率为2/3，用户信息为u₁,u₂,u₃,u₄，经过编码后得到码字v＝(v₁,v₂,v₃,v₄,v₅,v₆)，将其映射到复数域得到s＝(s₁,s₂,s₃,s₄,s₅,s₆)，假设v＝(1,0,0,1,0,1)，则相应的s＝(-,+,+,-,+,-)，从图中给出的码本中可以看出，每个变量节点占用两路资源，每路资源服务四个变量节点，由于每个s_n(n＝1,2,...,6)只有符号信息，因此需将s_n映射成

即将传输码本写成如下形式：

其中，每一列的两个元素具有相同的符号，但幅值可以不相同，传输向量x＝(x_1,1,x_2,1,x_1,2,x_3,2,x_2,3,x_3,3,x_1,4,x_2,4,x_1,5,x_3,5,x_2,6,x_3,6)＝(x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆,x₇,x₈,x₉,x₁₀,x₁₁,x₁₂)然后将x送入信道中进行传输；

接收端基本框图如图6所示。首先利用串行干扰消除技术从r_m中检测出x_j(1≤j≤12)，假设

占用第m个资源块，且有

根据串行干扰消除的原则，先检测出

然后从r_m中减去检测信号

再检测

以此类推，最后得到的检测信号

可用于迭代译码的初始化信息。由于本例中我们使用是LDPC码，因此检测结果采用软信息的形式，以二进制域GF(2)为例，定义x_j的对数似然函数如下式所示，

然后进行信号联合处理，由于每个s_n传输η次，且假定传输等概，则每个s_n即每个变量节点的对数似然函数为

若L_n≥0，则s_n判为0，否则判为1。若采用最大比合并方式，则式(3)也可以修正为

接下来进行LDPC译码，采用SPA算法，第l个校验节点和第n个变量节点利用式(6)和(7)进行更新，

其中N(n)表示和第n个变量节点相连的校验节点组成的集合。综上，接收端检测算法可以总结如表4所示。

表4接收端检测算法流程

需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.下行多用户联合信道编码传输方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：根据资源块和服务用户的数目确定多址接入系统的参数；

步骤二：将多用户的发送信息进行多用户联合信道编码和交织，根据映射矩阵，将码字从有限域映射到复数域；

步骤三：根据传输码本将信息分配给不同的资源块，进而在信道中传输；

所述传输码本表示为：

其中x_m,n表示第m路资源上第n个变量节点的调制信号，若x_m,n＝0，则说明第n个变量节点不占用第m路资源，假设矩阵X行重为ρ，列重为η，则可以定义一个新的向量：

x＝(x₁,x₂,…,x_j,…,x_J) (3)，

其中J＝Mρ＝Nη，码长为N，资源块数为M。

2.根据权利要求1所述的下行多用户联合信道编码传输方法，其特征在于所述步骤三中各路资源的承载率通过如下步骤得到：

假设用户数量K，码长为N，码率为R，资源块数为M，调制符号取自信号集δ，且δ中含有Q个元素，则资源承载率λ为：

3.下行多用户联合信道编码接收方法，其特征在于包括以下步骤：首先对各路资源上的接收信号分别进行串行干扰消除，然后进行信号合并及处理，最后进行译码，将不同用户的信息区分；

若信道编码部分采用二进制低密度奇偶校验码，则所述接收方法的具体步骤为：

Q1、利用串行干扰消除技术获得x_j的对数似然函数L_j；

Q2、对第n个变量节点s_n的对数似然函数L_n进行初始化；

Q3、计算第l个校验节点传给第n个变量节点的对数似然比L_l→n；

Q4、对第n个变量节点s_n的对数似然函数

进行更新；

Q5、对于第n个变量节点，若

则v_n＝0，否则，v_n＝1，若

或迭代次数达到预设值时，译码结束，否则进入步骤Q3，其中H^T是求矩阵H的转置，x_j为传输向量x中的第j位。

4.根据权利要求3所述的下行多用户联合信道编码接收方法，其特征在于所述x_j的对数似然函数L_j通过以下步骤获得：

首先利用串行干扰消除技术从第m路资源上的接收信号r_m中检测出x_j，假设

占用第m个资源块，且有

根据串行干扰消除的原则，先检测出

然后从r_m中减去检测信号

再检测

以此类推，最后得到的检测信号

检测信号为硬判决信号或者软信息，若为软信息，则定义x_j的对数似然函数为：

其中，x_j为向量x中的第j位。

5.根据权利要求4所述的下行多用户联合信道编码接收方法，其特征在于所述第n个变量节点s_n的对数似然函数L_n通过下式得到：

若L_n≥0，则s_n判为0，否则判为1，采用最大比合并方式，则式(5)修正为：

列重为η，

表示传输向量第n列中每列非零元素的个数。

6.根据权利要求5所述的下行多用户联合信道编码接收方法，其特征在于所述译码采用SPA算法进行LDPC译码，所述第l个校验节点传给第n个变量节点的对数似然比L_l→n通过下式得到：

N(l)表示和第l个校验节点相连的校验节点组成的集合。

7.根据权利要求6所述的下行多用户联合信道编码接收方法，其特征在于所述第n个变量节点s_n的对数似然函数

通过下式得到：

其中N(n)表示和第n个变量节点相连的校验节点组成的集合。

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