CN112242855A - 一种增强承载能力的新型跳码多址接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增强承载能力的新型跳码多址接入方法，所述方法包括以下步骤：步骤1，确定上行跳码多址系统(CHMA)的跳码图案矩阵T；步骤2，设计上行跳码多址系统(CHMA)的接入用户数比签名码数多一个的跳码图案；步骤3，设计上行跳码多址系统(CHMA)的接入用户数比签名码数多两个的跳码图案等步骤；本发明的优越效果在于，在现有技术方案中采用全随机选码的方式，平均碰撞概率较大，使得CHMA系统误码平层效应非常严重，影响系统的稳健性，本发明通过跳码图案和用户分组方案的设计，降低系统碰撞概率。

Description

一种增强承载能力的新型跳码多址接入方法
技术领域
本发明涉及非正交多址接入(NOMA)方法，更详细地说，涉及一种增强承载能力的新型跳码多址接入方法。
技术背景
直接序列扩频(DSSS)是扩频通信的一种技术，用伪随机扩频码与信号相乘，使得发送信号的功率谱密度拓展。由于功率谱密度拓展而发送功率不变，因此其功率谱密度的幅度很低，具有很强的抗截获性能。另外，由于可借助伪随机码获得处理增益，因而具有良好的抗窄带干扰的能力。凭借上述优势，DSSS在军事通信领域倍受关注。
一般而言，一定长度的伪随机码数量有限，且其周期性特征明显。随着计算机算力的逐步增强，非目标接收机甚至可以通过暴力搜索的手段将DSSS的信息截获。为了解决这一问题，在20世纪80年代，学者提出跳码直扩(CH-DSSS)技术，令DSSS系统中使用的扩频码随时间变化，进一步改善直扩系统的抗截获性能。在保密通信领域，跳码直扩系统中，扩频码随时间变化的规律称为跳码图案。一般跳码图案是周期极长的伪随机序列，并且构造方式非常复杂，不易被破译。跳码图案的设计相当于对直接序列扩频系统进行二次加密。
在5G以及后5G(B5G)移动通信技术中，为了实现海量节点的接入，有专家提出了非正交多址接入(NOMA)技术。常见的NOMA技术可以分为功率域NOMA和码域NOMA，功率域NOMA依靠功率的差异性进行多用户检测，码域NOMA根据不同用户签名码的设计进行多用户检测。21世纪初，有学者将跳码直扩技术引入多用户检测中，形成跳码多址(CHMA)技术，在跳码多址技术中，用户的签名码随着时间进行一定规律的变化。进一步地，相关研究指出CHMA接入用户数可以大于签名码数。显然，CHMA技术可视为一种码域NOMA。与常见的NOMA技术不同的是，CHMA采用线性解码方法，不需要复杂的串行干扰消除(SIC)或消息传递(MPA)等算法。然而，当多个用户选用同一签名码时，且这些用户恰好处于同步传输状态，那么多用户的信号叠加后在接收端将不可区分，这种现象称为碰撞。现有技术方案中均采用多用户随机选码的方式，这种方式下的平均碰撞概率较大，易导致明显的误码平层，严重影响了CHMA系统的承载能力。
例如，中国专利申请号20111448260.1公开了发明名称为：基于互补码的跳码多址接入方法，属于通信领域，具体涉及一种基于互补码的跳码多址接入方法，为了解决目前的跳码多址系统在用户容量方面受到限制，而一维码解决了用户容量问题，但是只能用户间同步，并且在多路径通道下没有正交性，因此发展性受到极大的限制的问题。具体方法为：每个用户根据扩频码进行跳码扩频，然后进行载波调制，将调制信号合并，获得的1路信号通过天线输出至信道；将接收到的信号进行载波解调，然后进行解扩，对解扩后的数据信号进行合并，获得的1路信号输入判决器进行判决，获得恢复数据。用于多用户的通信领域。
上述发明专利申请依然没有解决多用户随机选码的方式中碰撞概率大、易导致明显的误码平层问题。
发明内容
本发明目的是通过规划CHMA系统中的用户选码方式，减小系统平均碰撞次数，以降低纠错编码的开销，增强跳码多址系统的稳健性，提出一种增强承载能力的新型跳码多址接入方法。
所述方法包括以下步骤：
步骤1，确定上行跳码多址系统(CHMA)的跳码图案矩阵T，跳码图案矩阵T为N×K维，行数N代表跳码图案的周期，列数K对应接入用户总数，矩阵元素的取值范围为1≤ti，j≤M，且ti，j为整数，M为接入用户被分配的签名码池中的签名码总数，矩阵T的元素ti，j表示接入用户中，序号为j的用户在第i次选码时，从被分配的签名码池中选择编号为ti，j的签名码；
步骤2，设计上行跳码多址系统(CHMA)的接入用户数比签名码数多一个的跳码图案，包括以下步骤：
步骤A1：产生矩阵G，其维度为
Figure BDA0002685631270000021
计算K个用户中可能出现的两两碰撞的用户对数量，即
Figure BDA0002685631270000022
并进行列举，G的行向量gi，
Figure BDA0002685631270000023
对应每一种列举的情况，即gi，1和gi，2为第i种情况中，被列举的用户的索引序号；
步骤A2：产生矩阵T1，其维度为
Figure BDA0002685631270000024
假设ti，j∈T1，其中
Figure BDA0002685631270000025
j＝1，…，K；
步骤A3：在步骤A2所述矩阵T1中，
Figure BDA0002685631270000031
即使用第一个签名码；
步骤A4：不失一般性，第i行的其他元素按照从左到右的顺序赋值2～M，其中M＝K-1；
步骤A5：将T1所有元素加1，若某元素加1后值为M+1，则将其置为1，并记为T2；将T2所有元素加1，若某元素加1后值为M+1则将其置为1，并记为T3；
步骤A6：根据步骤A5设计规则，能够获得M个矩阵，记为T1～TM，将这M个矩阵组合为一个
Figure BDA0002685631270000032
维矩阵T；
步骤3，设计上行跳码多址系统(CHMA)的接入用户数比签名码数多两个的跳码图案，包括以下步骤：
步骤B1：产生矩阵G，其维度为
Figure BDA0002685631270000033
计算K个用户中可能出现的三个一组碰撞的用户组数量，即
Figure BDA0002685631270000034
并进行列举。G的每一个行向量gi，
Figure BDA0002685631270000035
对应每一种列举的情况，即gi，1、gi，2和gi，3为第i种情况中，被列举的用户的索引序号；
步骤B2：产生矩阵T1，其维度为
Figure BDA0002685631270000036
假设ti，j∈T1，其中
Figure BDA0002685631270000037
j＝1，…，K；
步骤B3：在步骤B2所述矩阵T1中，
Figure BDA0002685631270000038
即使用第一个签名码。
步骤B4：不失一般性，第i行的其他元素按照从左到右的顺序赋值2～M，其中M＝K-2；
步骤B5：将T1所有元素加1，若某元素加1后值为M+1，则将其置为1，并记为T2；将T2所有元素加1，若某元素加1后值为M+1，则将其置为1，并记为T3。
步骤B6：按步骤B5所述规律，获得M个矩阵，记为T1～TM，将这M个矩阵组合为一个
Figure BDA0002685631270000039
维矩阵T；
步骤4，设计上行跳码多址系统(CHMA)的接入用户数为签名码数两倍以下的跳码图案，包括以下步骤：
步骤C1：根据步骤A1～A6，生成4个用户3个签名码的跳码图案T4，3和3个用户2个签名码的跳码图案T3，2；
步骤C2：根据步骤B1～B6，生成5个用户3个签名码的跳码图案T5，3和4个用户2个签名码的跳码图案T4，2。
步骤C3：定义一个用户独占一个签名码传输模式为跳码图案T1，1，两个用户使用一个签名码传输模式为跳码图案T2，1；
步骤5，计算CHMA系统中支持用户数与可用签名码数的比值η，据此对用户分组：
步骤5.1，根据η的值将用户分组，若1＜η＜4/3：使用p个T1，1图案和q个T4，3图案，解
Figure BDA0002685631270000041
即
Figure BDA0002685631270000042
步骤5.2，若4/3≤η＜3/2：使用p个T4，3图案和q个T3，2图案，解
Figure BDA0002685631270000043
即
Figure BDA0002685631270000044
步骤5.3，若3/2≤η＜5/3：则使用p个T3，2图案和q个T5，3图案，解
Figure BDA0002685631270000045
即
Figure BDA0002685631270000046
步骤5.4，若5/3≤η＜2：使用p个T5，3图案和q个T4，2图案，解
Figure BDA0002685631270000047
即
Figure BDA0002685631270000048
进一步的，步骤5中，若q不为整数，则向下取整，并增加一组用户使用T2，1图案。
本发明所述方法的优越效果在于：
1，在现有技术方案中采用全随机选码的方式，平均碰撞概率较大，使得CHMA系统误码平层效应非常严重，影响系统的稳健性，本发明通过跳码图案和用户分组方案的设计，降低系统碰撞概率，显著提高系统承载能力。
2，使用本发明所述方法，经计算表明，在1＜η＜1.5区间内，本发明所述方法能够将误码平层降低至现有技术方案的二分之一以上，在1＜η≤1.33区间内、BPSK调制下，使误码平层降低至10-3。
3，在异步信道中，使用本发明所述方法在显著降低误码平层的同时减小纠错编码的开销。
附图说明
图1为具体实施方式中上行CHMA系统模型示意图；
图2为具体实施方式中上行CHMA系统用户分组方法流程图；
图3为具体实施方式中上行CHMA系统仿真对比图。
具体实施方案
现结合说明书附图1～3详细描述本发明所述方法的具体实施方式。
实施例1
如图1所示，具体签名码分配方法如下：
基站将用户和签名码分为p+q组，每组用户数量与签名码数量之差不超过2，每组采用本实施方式的跳码图案控制用户选码规律，下面给出组内控制用户选码的跳码图案设计方法：
步骤1，确定上行跳码多址系统(CHMA)的跳码图案矩阵T，跳码图案矩阵T为N×K维，行数N代表跳码图案的周期，列数K对应接入用户总数，矩阵元素的取值范围为1≤ti，j≤M，且ti，j为整数，M为接入用户被分配的签名码池中的签名码总数，矩阵T的元素ti，j表示接入用户中，序号为j的用户在第i次选码时，从被分配的签名码池中选择编号为ti，j的签名码；
步骤2，设计上行跳码多址系统(CHMA)的接入用户数比签名码数多一个的跳码图案包括以下步骤：
步骤A1：产生矩阵G，其维度为
Figure BDA0002685631270000051
计算K个用户中可能出现的两两碰撞的用户对数量，即
Figure BDA0002685631270000052
并进行列举，G的行向量gi，
Figure BDA0002685631270000053
对应每一种列举的情况，即gi，1和gi，2为第i种情况中，被列举的用户的索引序号；
步骤A2：产生矩阵T1，其维度为
Figure BDA0002685631270000054
假设ti，j∈T1，其中
Figure BDA0002685631270000055
j＝1，…，K；
步骤A3：在步骤A2所述矩阵T1中，
Figure BDA0002685631270000061
即使用第一个签名码；
步骤A4：不失一般性，第i行的其他元素按照从左到右的顺序赋值2～M，其中M＝K-1；
步骤A5：将T1所有元素加1，若某元素加1后值为M+1，则将其置为1，并记为T2；将T2所有元素加1，若某元素加1后值为M+1则将其置为1，并记为T3；
步骤A6：根据步骤A5设计规则，能够获得M个矩阵，记为T1～TM，将这M个矩阵组合为一个
Figure BDA0002685631270000062
维矩阵T；
步骤3，上行跳码多址系统(CHMA)的接入用户数比签名码数多两个的跳码图案设计方法包括：
步骤B1：产生矩阵G，其维度为
Figure BDA0002685631270000063
计算K个用户中可能出现的三个一组碰撞的用户组数量，即
Figure BDA0002685631270000064
并进行列举。G的每一个行向量gi，
Figure BDA0002685631270000065
对应每一种列举的情况，即gi，1、gi，2和gi，3为第i种情况中，被列举的用户的索引序号；
步骤B2：产生矩阵T1，其维度为
Figure BDA0002685631270000066
假设ti，j∈T1，其中
Figure BDA0002685631270000067
j＝1，…，K；
步骤B3：在步骤B2所述矩阵T1中，
Figure BDA0002685631270000068
即使用第一个签名码。
步骤B4：不失一般性，第i行的其他元素按照从左到右的顺序赋值2～M，其中M＝K-2；
步骤B5：将T1所有元素加1，若某元素加1后值为M+1，则将其置为1，并记为T2；将T2所有元素加1，若某元素加1后值为M+1，则将其置为1，并记为T3。
步骤B6：按步骤B5所述规律，获得M个矩阵，记为T1～TM，将这M个矩阵组合为一个
Figure BDA0002685631270000069
维矩阵T；
步骤4，上行跳码多址系统(CHMA)的接入用户数为签名码数两倍以下的跳码图案设计方法包括：
如图2所示，通过将用户和签名码分组，使得该系统允许以任意的签名码数量接入任意用户数，具体步骤如下：
步骤C1：根据步骤A1～A6，生成4个用户3个签名码的跳码图案T4，3和3个用户2个签名码的跳码图案T3，2。
步骤C2：根据步骤B1～B6，生成5个用户3个签名码的跳码图案T5，3和4个用户2个签名码的跳码图案T4，2。
步骤C3：定义一个用户独占一个签名码传输模式为跳码图案T1，1，两个用户使用一个签名码传输模式为跳码图案T2，1。
步骤5，计算CHMA系统中支持用户数与可用签名码数的比值η，据此对用户分组：
步骤5.1，根据η的值将用户分组，若1＜η＜4/3：使用p个T1，1图案和q个T4，3图案，解
Figure BDA0002685631270000071
即
Figure BDA0002685631270000072
步骤5.2，若4/3≤η＜3/2：使用p个T4，3图案和q个T3，2图案，解
Figure BDA0002685631270000073
即
Figure BDA0002685631270000074
步骤5.3，若3/2≤η＜5/3：则使用p个T3，2图案和q个T5，3图案，解
Figure BDA0002685631270000075
即
Figure BDA0002685631270000076
步骤5.4，若5/3≤η＜2：使用p个T5，3图案和q个T4，2图案，解
Figure BDA0002685631270000077
即
Figure BDA0002685631270000078
实施例2
在实施例1的步骤5中，若q不为整数，则向下取整，并增加一组用户使用T2，1图案，其余步骤与实施例1相同。
在上述实施例1、实施例2中，上行CHMA通信系统用户端的信号为：
sk(t)＝bk，nck，n(t)cos2πfct.......(1)，
式中：bk，n表示用户k在第n个传输时刻所发送的信息，ck，n(t)表示用户k在第n个传输时刻所选用的签名码，受分组情况和跳码图案的控制。
如图1所示，跳码图案控制用户选码的具体方法为：用户根据基站的分组，得到在本组中的序号x，随后依据本组跳码图案T，取T中第x个列向量为该用户的选码规律，记列向量长度为d，计算y＝(n mod d)+1，取列向量第y个元素ty，x，则用户此时刻选择本组签名码池中编号为ty，x的签名码。
在CHMA系统中，用户所处位置不同，各个用户的电磁信号到达基站经历的时间不同，因而是不同步的。假设每个用户的信号经过了功率控制，使得到达基站时各个用户信号的功率相同，那么基站接收信号可以表示为：
Figure BDA0002685631270000081
式中：为a损耗系数，n(t)为加性高斯白噪声，τk为第k个用户到达接收端时与第一个用户的相对时延，并令τ1＝0。接收端分别对每个用户进行载波和签名码同步，每一路信号解码算法表示为：
Figure BDA0002685631270000082
根据rk，n的值进行判决：当中多个用户同步传输并且选择了相同签名码时，这些用户的信号会被叠加，有可能引发失真，导致这些用户的信号无法被正确判决，导致发生碰撞，通过计算得到BPSK调制下n个用户发生碰撞时的平均误比特率，如下式(4)所示：
Figure BDA0002685631270000083
在上行CHMA系统的n个用户中，某一用户与其他j-1个用户同步传输的概率为下式(5)：
Figure BDA0002685631270000084
上式(5)中：L为签名码长度，而当所有用户随机地从码池中选择签名码，那么某一用户与其他n-1个用户选用同一签名码的概率为下式(6)：
Figure BDA0002685631270000091
根据上式(6)，假定签名码正交性完美，就能够计算出上行CHMA全随机选码系统BPSK调制下的误码平层为下式(7)所示：
Figure BDA0002685631270000092
根据实施例l的步骤A1～A6，组内同一时刻有且仅有两个用户选用同一签名码，某个用户与其他用户选择同一签名码的次数占图案周期的
Figure BDA0002685631270000093
并且有pe(2)＝0.25，计算得误码平层为
Figure BDA0002685631270000094
根据实施例1的步骤B1～B6，组内同一时刻有且仅有三个用户选用同一签名码，某个用户与其他用户选择同一签名码的次数占图案周期的
Figure BDA0002685631270000095
并且有pe(3)＝0.25，计算得误码平层为
Figure BDA0002685631270000096
按照实施例1的步骤C1-C3中使用的跳码图案得到：
T4，3：K＝4，M＝3，过载率η＝133％，在签名码使用127位gold序列时，误码平层是f＝9.8×10-4，而现有技术解决方案中的误码平层f是2×10-3，具有显著性能增益。
T3，2：K＝3，M＝2，过载率η＝150％，误码平层是f＝1.3×10-3，而现有技术解决方案中的误码平层f为2×10-3，具有显著性能增益。
T5，3：K＝5，M＝3过载率η＝167％，误码平层是f＝2.4×10-3，而现有技术方案误码平层为2.6×10-3，具有一定性能增益。
T4，2：K＝4，M＝2，过载率η＝200％，误码平层是f＝2.9×10-3，与现有技术解决方案几乎相等。
根据具体实施步骤5分组后，本实施例的CHMA系统总误码率为各组误码率的加权平均，由于各组使用具体实施步骤C1-C3中的跳码图案，所以系统总误码平层低于全随机选码，形成了显著的性能增益。
再以10个用户7个签名码为例，签名码使用长度为127的gold序列，BPSK调制，如图3所示，图3中的上部曲线为现有技术的误比特率与信噪比，下部曲线为本发明的误比特率与信噪比，通过matlab仿真说明本实施方式的性能增益，按照本实施方式，10个用户被分为3组，其中一组每组4个用户使用3个签名码，另外两组用户每组3个用户使用2个签名码，分别按照T4，3和T3，2图案进行传输，本发明实施方式的误码平层为1.2×10-3，而现有技术解决方案为2.5×10-3，显著降低百分之五十以上。
本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明构思和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。

Claims (7)

1.一种增强承载能力的新型跳码多址接入方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，确定上行跳码多址系统(CHMA)的跳码图案矩阵T；
步骤2，设计上行跳码多址系统(CHMA)的接入用户数比签名码数多一个的跳码图案；
步骤3，设计上行跳码多址系统(CHMA)的接入用户数比签名码数多两个的跳码图案；
步骤4，设计上行跳码多址系统(CHMA)的接入用户数为签名码数两倍以下的跳码图案；
步骤5，计算CHMA系统中支持用户数与可用签名码数的比值η，并对用户进行分组。
2.按照权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1所述确定上行跳码多址系统(CHMA)的跳码图案矩阵T，为N×K维，行数N代表跳码图案的周期，列数K对应接入用户总数，矩阵元素的取值范围为1≤ti，j≤M，且ti，j为整数，M为接入用户被分配的签名码池中的签名码总数，矩阵T的元素ti，j表示接入用户中，序号为j的用户在第i次选码时，从被分配的签名码池中选择编号为ti，j的签名码。
3.按照权利要求1所述方法，其特征在于，步骤2所述设计上行跳码多址系统(CHMA)的接入用户数比签名码数多一个的跳码图案，包括以下步骤：
步骤A1：产生矩阵G，其维度为
Figure FDA0002685631260000011
计算K个用户中可能出现的两两碰撞的用户对数量，即
Figure FDA0002685631260000012
并进行列举，G的行向量gi，i＝1，…，
Figure FDA0002685631260000013
对应每一种列举的情况，即gi，1和gi，2为第i种情况中，被列举的用户的索引序号；
步骤A2：产生矩阵T1，其维度为
Figure FDA0002685631260000014
假设ti，j∈T1，其中i＝1，…，
Figure FDA0002685631260000015
j＝1，…，K；
步骤A3：在步骤A2所述矩阵T1中，
Figure FDA0002685631260000016
即使用第一个签名码；
步骤A4：不失一般性，第i行的其他元素按照从左到右的顺序赋值2～M，其中M＝K-1；
步骤A5：将T1所有元素加1，若某元素加1后值为M+1，则将其置为1，并记为T2；将T2所有元素加1，若某元素加1后值为M+1，则将其置为1，并记为T3；
步骤A6：根据步骤A5设计规则，能够获得M个矩阵，记为T1～TM，将这M个矩阵组合为一个
Figure FDA0002685631260000017
维矩阵T。
4.按照权利要求1所述方法，其特征在于，步骤3所述设计上行跳码多址系统(CHMA)的接入用户数比签名码数多两个的跳码图案，包括以下步骤：
步骤B1：产生矩阵G，其维度为
Figure FDA0002685631260000021
计算K个用户中可能出现的三个一组碰撞的用户组数量，即
Figure FDA0002685631260000022
并进行列举。G的每一个行向量gi，i＝1，…，
Figure FDA0002685631260000023
对应每一种列举的情况，即gi，1、gi，2和gi，3为第i种情况中，被列举的用户的索引序号；
步骤B2：产生矩阵T1，其维度为
Figure FDA0002685631260000024
假设ti，j∈T1，其中i＝1，…，
Figure FDA0002685631260000025
j＝1，…，K；
步骤B3：在步骤B2所述矩阵T1中，
Figure FDA0002685631260000026
即使用第一个签名码；
步骤B4：不失一般性，第i行的其他元素按照从左到右的顺序赋值2～M，其中M＝K-2；
步骤B5：将T1所有元素加1，若某元素加1后值为M+1，则将其置为1，并记为T2；将T2所有元素加1，若某元素加1后值为M+1，则将其置为1，并记为T3；
步骤B6：按步骤B5所述规律，获得M个矩阵，记为T1～TM，将这M个矩阵组合为一个
Figure FDA0002685631260000027
维矩阵T。
5.按照权利要求1所述方法，其特征在于，步骤4所述设计上行跳码多址系统(CHMA)的接入用户数为签名码数两倍以下的跳码图案，包括以下步骤：
步骤C1：根据步骤A1～A6，生成4个用户3个签名码的跳码图案T4，3和3个用户2个签名码的跳码图案T3，2；
步骤C2：根据步骤B1～B6，生成5个用户3个签名码的跳码图案T5，3和4个用户2个签名码的跳码图案T4，2；
步骤C3：定义一个用户独占一个签名码传输模式为跳码图案T1，1，两个用户使用一个签名码传输模式为跳码图案T2，1。
6.按照权利要求1所述方法，其特征在于，步骤5所述计算CHMA系统中支持用户数与可用签名码数的比值η，并对用户进行分组，包括以下步骤：
步骤5.1，根据η的值将用户分组，若1＜η＜4/3：使用p个T1，1图案和q个T4，3图案，解
Figure FDA0002685631260000028
即
Figure FDA0002685631260000029
步骤5.2，若4/3≤η＜3/2：使用p个T4，3图案和q个T3，2图案，解
Figure FDA00026856312600000210
即
Figure FDA0002685631260000031
步骤5.3，若3/2≤η＜5/3：则使用p个T3，2图案和q个T5，3图案，解
Figure FDA0002685631260000032
即
Figure FDA0002685631260000035
步骤5.4，若5/3≤η＜2：使用p个T5，3图案和q个T4，2图案，解
Figure FDA0002685631260000033
即
Figure FDA0002685631260000034
7.按照权利要求6所述方法，其特征在于，步骤5中，如所述q不为整数，则向下取整，并增加一组用户使用T2，1图案。
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