CN114584435B - 一种基于调制信息的ofdm-noma均衡检测方法 - Google Patents

一种基于调制信息的ofdm-noma均衡检测方法 Download PDF

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Abstract

一种基于调制信息的OFDM‑NOMA均衡检测方法，属于通信技术领域。本发明为了解决非正交多址接入技术的可靠性能较差的问题。本发明的均衡检测方法包括发送端的处理过程，在发送端的处理中，OFDM‑NOMA系统有Nc个子载波，每个子载波上以功率域NOMA的方式承载两个用户，2Nc个用户经过调制和功率域NOMA的功率分配后，叠加形成Nc个数据流；根据信道增益和大功率用户的调制信息生成预均衡的Nc个权值，并与Nc个数据流相乘；按照OFDM系统把Nc个数据流映射到Nc个子载波上，并加上保护间隔，然后发射到信道中。主要用于OFDM‑NOMA的均衡检测。

Description

一种基于调制信息的OFDM-NOMA均衡检测方法
技术领域
本发明涉及一种OFDM-NOMA均衡检测方法，属于通信技术领域。
背景技术
自5G始，万物互联和多样的业务类型就使得在就资源扩充的同时，也对系统的频带利用率要求越来越高，因此非正交多址应运而生，其优点是可以在资源有限的情况扩大用户连接数，提高资源的复用率。NOMA使多个用户信息叠加一起后在同一个时频资源块内同时传输数据的多址接入技术。虽然非正交多址接入技术的引入带来了有效性的提升，但就可靠性而言，由于其引入了共信道的干扰，其误码性能在AWGN信道下，与OMA比较就有几dB损失，如果考虑衰落信道其可靠性性能就更差了，这使得目前对于非正交来说进入了一个举步维艰的境地，因此需要系统进一步探索提升系统的可靠性的手段，以及探索抗衰落信道手段。
发明内容
本发明是为了解决非正交多址接入技术的可靠性能较差的问题。
一种基于调制信息的OFDM-NOMA均衡检测方法，所述均衡检测方法包括发送端的处理过程，所述发送端的处理过程包括以下步骤：
步骤一、OFDM-NOMA系统有Nc个子载波，每个子载波上以功率域NOMA的方式承载两个用户，2Nc个用户经过调制和功率域NOMA的功率分配后，叠加形成Nc个数据流；
步骤二、根据信道增益和大功率用户的调制信息生成预均衡的Nc个权值，并与Nc个数据流相乘；
步骤三、按照OFDM系统把Nc个数据流映射到Nc个子载波上，并加上保护间隔，然后发射到信道中。
进一步地，步骤一所述2Nc用户经过调制和功率域NOMA的功率分配后叠加形成Nc个数据流的过程包括以下步骤：
假设第k子载波上的两个用户的调制符号分别为和/>其中u1和u2表示共享第k子载波的两个用户，用户u1和用户u2在第k个子载波上的分配功率分别为/>和/>第k子载波上的叠加信号S(k)为
进一步地，所述步骤二的具体过程包括以下步骤：
将Nc个子载波分成Nc/2组，每组里有两个子载波，假定第k子载波和第k'子载波被分在一组；每个组内做基于调制信息的预均衡设计，假设用户u1的被分配的功率大，以子载波上承载的用户u1的调制信息设计预均衡权值，预均衡权值具体设计如下
其中，Wk和Wk'表示预均衡的第k个子载波和第k'个子载波的权值，θ表示星座图旋转角度，e是自然常数，j表示虚数；εk,k'和εk',k指预均衡的可行域划分，εk,k'表示第k个子载波旋转而第k'个子载波不旋转的情况，即Wk＝ejθ,Wk'＝1；同理，εk',k表示第k'个子载波旋转而第k个子载波不旋转的情况，即Wk＝1,Wk'＝ejθ。
优选地，所述指预均衡的可行域划分εk,k'和εk',k如下：
其中，和/>用户u1和用户u2在子载波上经历的信道；Pe0(k,k')表示原来OFDM-NOMA的第k个子载波和第k'个子载波总误码率；Pek'-T(k,k')表示为第k'个子载波的调制信息星座图旋转，得到的第k个子载波和第k'个子载波总误码率；Pek-T(k,k')表示为第k个子载波的调制信息星座图旋转，得到的第k个子载波和第k'个子载波总误码率。
优选地，所述Pe0(k,k')、Pek'-T(k,k')、Pek-T(k,k')分别如下：
其中，erfc(x)表示互补误差函数；Eb表示每比特信号能量，N0表示复高斯噪声的方差。
进一步地，步骤三所述按照OFDM系统把Nc个数据流映射到Nc个子载波上并加上保护间隔的过程包括以下步骤：
经过预均衡设计后，用逆快速傅里叶变换处理信号：
其中，t是表示离散时间且1≤t≤Nc；
在传输之前，插入保护间隔(GI)以避免符号间干扰；然后，OFDM-NOMA符号通过衰落信道传输。
进一步地，所述均衡检测方法还包括接收端的处理过程，所述接收端的处理过程包括以下步骤：
步骤四、用户接收端接收信号后，接收机首先进行去保护间隔，然后做Nc点的快速傅立叶变换得到Nc个数据流，然后根据信道状态信息做频域均衡；
步骤五、根据预均衡设计和信道增益对Nc个数据流做MAP检测得到每个子载波上功率大的用户数据，再根据串行干扰消除算法得到功率小的用户数据。
进一步地，用户接收端接收的信号如下：
假设第u个用户和基站之间的信道是一个频率选择性衰落信道，假设共有L条多径，即hu＝[hu,1,hu,2,...,hu,l,...,hu,L]，则第u个用户接收信号yu(t)为
其中，zu(t)是加性高斯白噪声，其方差为N0，并且τl表示第l条径的延时。
进一步地，步骤四所述做Nc点的快速傅立叶变换得到Nc个数据流，然后根据信道状态信息做频域均衡的过程包括以下步骤：
去除保护间隔后，对接收到的信号yu(t)进行快速傅立叶变换，处理信号表示为
将式(11)代入式(12)中，得出第k子载波承载的用户的接收信号分别为
Yu(k)＝WkHu(k)S(k)+Zu(k), (13)
其中，Hu(k)和Zu(k)分别表示信道增益和噪声的频域形式；
用频域均衡处理后的信号，如式(16)所示：
其中，Vu(k)是第u个用户在第k个子载波的频域均衡系数，根据迫零均衡原则表示如下
其中，表示Hu(k)的共轭变量。
优选地，所述信道增益和噪声的频域如下：
有益效果：
本发明基于调制信息和信道特征设计预均衡和与之匹配的检测译码方案，在不影响系统有效性的前提下，通过构建不同子载波信道之间调制符号的相关性，来达到系统分集效果，从而起到抗衰落信道的作用，提高系统可靠性，进一步提高了OFDM-NOMA系统的实用性和扩展性。
附图说明
图1为系统发射机流框图；
图2为系统接收机框图；
图3为OFDM-NOMA系统有无预均衡设计误比特率性能对比。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，
本实施方式为一种基于调制信息的OFDM-NOMA均衡检测方法，可以在不影响系统有效性的同时，提升系统可靠性，具有很好的实践意义和应用前景。其思想是基于不同子载波上调制的信息，设计一种预均衡方案，预均衡权值的设计需要考虑信道特征和调制信息，使得原本每个子载波上独立的调制信息变得具有相关性，从而达到信道分集和抗衰落信道的效果。
在本发明的预均衡权值的设计有两个重要的影响因素，一是当前调制符号信息，二是信道增益的大小。具体设计如下：当两个子载波发一样的调制符号，则二者的星座图保持不变，即预均衡的权值为1。当两个子载波发的调制符号不一样，则信道增益小的用户保持不变，信道增益大的用户需要做星座图的旋转，即预均衡的权值为ejθ。
本实施方式所述的一种基于调制信息的OFDM-NOMA均衡检测方法，包括以下步骤：
步骤一：因此2Nc用户经过调制和功率域NOMA的功率分配后，叠加形成Nc个数据流。
步骤二：根据信道增益和大功率用户的调制信息生成预均衡的Nc个权值，并与Nc个数据流相乘。
步骤三：按照OFDM系统把Nc个数据流映射到Nc个子载波上，并加上保护间隔，然后发射到信道中。
步骤四：用户接收端接收信号后，接收机首先进行去保护间隔，然后做Nc点的FFT得到Nc个数据流，然后根据信道状态信息做频域均衡。
步骤五：根据预均衡设计和信道增益对Nc个数据流做MAP检测得到每个子载波上功率大的用户数据，再根据串行干扰消除算法可以得到功率小的用户数据。
为了提供一个具体方案，本实施方式假设系统有Nc个子载波，而每个子载波上以功率域NOMA的方式承载两个用户，每个用户采用BPSK调制。
步骤一：假设第k子载波上的两个用户的调制符号分别为和/>其中下标u1和u2表示共享第k子载波的两个用户，用户u1和用户u2在第k个子载波上的分配功率分别为/>和/>且用户u1和用户u2在第k个子载波上经历的信道分别为/>和/>为了方便分析，假设用户u1和用户u2的信道增益/>根据功率域NOMA的设计易得/>因此，第k子载波上的叠加信号S(k)为
步骤二：将Nc个子载波分成Nc/2组，每组里有两个子载波，分组方式可以是随机分组，每个组内做基于调制信息的预均衡设计；为了方便表示，假设第k子载波和第k'子载波被分在一组，根据式(1)可以写出第k'子载波上的信号为
其中u1'和u2'表示共享第k'子载波的两个用户。
然而本发明以在OFDM-NOMA系统设计预均衡，由于用户u1的被分配的功率大，因此这里以子载波上承载的用户u1的调制信息为准，预均衡权值具体设计如下
其中，Wk和Wk'表示预均衡的第k个子载波和第k'个子载波的权值，θ表示星座图旋转角度，e是自然常数，j表示虚数；εk,k'和εk',k指预均衡的可行域划分，εk,k'表示第k个子载波旋转而第k'个子载波不旋转的情况，即Wk＝ejθ,Wk'＝1。同理，εk',k表示第k'个子载波旋转而第k个子载波不旋转的情况，即Wk＝1,Wk'＝ejθ。这里给出一个简单的可行域，即分别表达为
其中，Pe0(k,k')表示原来OFDM-NOMA的第k个子载波和第k'个子载波总误码率；Pek'-T(k,k')表示为第k'个子载波的调制信息星座图旋转，得到的第k个子载波和第k'个子载波总误码率；Pek-T(k,k')表示为第k个子载波的调制信息星座图旋转，得到的第k个子载波和第k'个子载波总误码率；具体表示如下
其中，表示互补误差函数，z表示积分参量；Eb表示每比特信号能量，N0表示复高斯噪声的方差。
步骤三：经过预均衡设计后，用逆快速傅里叶变换(IFFT)处理信号
其中，t是表示离散时间且1≤t≤Nc。
在传输之前，插入保护间隔(GI)以避免符号间干扰；然后，OFDM-NOMA符号通过衰落信道传输。
步骤四：假设第u个用户和基站之间的信道是一个频率选择性衰落信道，假设共有L条多径，即hu＝[hu,1,hu,2,...,hu,l,...,hu,L]，则第u个用户接收信号yu(t)为
其中，zu(t)是加性高斯白噪声，其方差为N0，并且τl表示第l条径的延时。
去除保护间隔后，对接收到的信号yu(t)进行快速傅立叶变换(FFT)，处理信号表示为
将式(11)代入式(12)中，得出第k子载波承载的用户的接收信号分别为
Yu(k)＝WkHu(k)S(k)+Zu(k), (13)
其中，Hu(k)和Zu(k)分别表示信道增益和噪声的频域形式，表示如下
为了恢复用户信号，需要用频域均衡去处理信号，如式(16)所示，
其中，Vu(k)是第u个用户在第k个子载波的频域均衡系数，根据迫零均衡原则表示如下
其中，表示Hu(k)的共轭变量。
步骤五：经过基于ZF准则的频域均衡处理后，接收信号和/>可以根据预均衡设计做MAP检测，解码得到用户u1；再根据串行干扰消除算法，在接受信号中剔除掉用户u1信号，再解用户u2的信号。
本实施方式中给出一个实例系统，其中系统总功率为PT，子载波数为Nc＝16，保护间隔Ng＝4，功率域NOMA的功率分配系数β＝0.7,0.9，即p1＝βPt(k)和p2＝(1-β)Pt(k)，每个子载波是等功率分配，即Pt(k)＝PT/Nc。多径衰落信道的多径数L＝4，每条径服从参数1/L为瑞利衰落。得到的系统误码性能仿真图如图3所示。
本发明适用于下行密集用户场景，功率域NOMA和OFDM系统的结合本身在提升系统用户连接数，资源复用率和频谱效率上具有极大优势，但这种有效性的提升就是以牺牲可靠性为代价的。这是由于功率域NOMA本身引入了子载波内的干扰，使得NOMA与OMA比较时，在抗噪声和抗衰落等方面都比较脆弱。因此，提出一种在不影响系统频谱效率的前提下，设计不同子载波信道之间传输数据的相关性和在用户接收端多个子载波联合检测译码的情况下，提高系统的可靠性。
在原本OFDM-NOMA系统上考虑一种基于调制信息的预均衡设计方案，并且相对应的在接收端也有与之匹配的检测解码方法。本发明的方案通过认为增加不同信道之间数据的相关性，进而得到分集效果，起到抗衰落的效果。而且对于功率域NOMA来说，该方案在抗衰落的同时可以降低了SIC本身的误码传播影响，并且其复杂度并不高，也不妨碍功率域NOMA的设计和技术兼容。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于调制信息的OFDM-NOMA均衡检测方法，其特征在于，所述均衡检测方法包括发送端的处理过程，所述发送端的处理过程包括以下步骤：
步骤一、OFDM-NOMA系统有Nc个子载波，每个子载波上以功率域NOMA的方式承载两个用户，2Nc个用户经过调制和功率域NOMA的功率分配后，叠加形成Nc个数据流；
步骤二、根据信道增益和大功率用户的调制信息生成预均衡的Nc个权值，并与Nc个数据流相乘；具体过程包括以下步骤：
将Nc个子载波分成Nc/2组，每组里有两个子载波，假定第k子载波和第k'子载波被分在一组；每个组内做基于调制信息的预均衡设计，假设用户u1的被分配的功率大，以子载波上承载的用户u1的调制信息设计预均衡权值，预均衡权值具体设计如下
其中，Wk和Wk'表示预均衡的第k个子载波和第k'个子载波的权值，θ表示星座图旋转角度，e是自然常数，j表示虚数；εk,k'和εk',k指预均衡的可行域划分，εk,k'表示第k个子载波旋转而第k'个子载波不旋转的情况，即Wk＝ejθ,Wk'＝1；同理，εk',k表示第k'个子载波旋转而第k个子载波不旋转的情况，即Wk＝1,Wk'＝ejθ；
所述指预均衡的可行域划分εk,k'和εk',k如下：
其中，和/>用户u1和用户u2在子载波上经历的信道；Pe0(k,k')表示原来OFDM-NOMA的第k个子载波和第k'个子载波总误码率；Pek'-T(k,k')表示为第k'个子载波的调制信息星座图旋转，得到的第k个子载波和第k'个子载波总误码率；Pek-T(k,k')表示为第k个子载波的调制信息星座图旋转，得到的第k个子载波和第k'个子载波总误码率；
步骤三、按照OFDM系统把Nc个数据流映射到Nc个子载波上，并加上保护间隔，然后发射到信道中。
2.根据权利要求1所述的一种基于调制信息的OFDM-NOMA均衡检测方法，其特征在于，步骤一所述2Nc个用户经过调制和功率域NOMA的功率分配后叠加形成Nc个数据流的过程包括以下步骤：
假设第k子载波上的两个用户的调制符号分别为和/>其中u1和u2表示共享第k子载波的两个用户，用户u1和用户u2在第k个子载波上的分配功率分别为/>和/>第k子载波上的叠加信号S(k)为
3.根据权利要求2所述的一种基于调制信息的OFDM-NOMA均衡检测方法，其特征在于，所述Pe0(k,k')、Pek'-T(k,k')、Pek-T(k,k')分别如下：
其中，erfc(x)表示互补误差函数；Eb表示每比特信号能量，N0表示复高斯噪声的方差。
4.根据权利要求3所述的一种基于调制信息的OFDM-NOMA均衡检测方法，其特征在于，步骤三所述按照OFDM系统把Nc个数据流映射到Nc个子载波上并加上保护间隔的过程包括以下步骤：
经过预均衡设计后，用逆快速傅里叶变换处理信号：
其中，t是表示离散时间且1≤t≤Nc；
在传输之前，插入保护间隔(GI)以避免符号间干扰；然后，OFDM-NOMA符号通过衰落信道传输。
5.根据权利要求4所述的一种基于调制信息的OFDM-NOMA均衡检测方法，其特征在于，所述均衡检测方法还包括接收端的处理过程，所述接收端的处理过程包括以下步骤：
步骤四、用户接收端接收信号后，接收机首先进行去保护间隔，然后做Nc点的快速傅立叶变换得到Nc个数据流，然后根据信道状态信息做频域均衡；
步骤五、根据预均衡设计和信道增益对Nc个数据流做MAP检测得到每个子载波上功率大的用户数据，再根据串行干扰消除算法得到功率小的用户数据。
6.根据权利要求5所述的一种基于调制信息的OFDM-NOMA均衡检测方法，其特征在于，用户接收端接收的信号如下：
假设第u个用户和基站之间的信道是一个频率选择性衰落信道，假设共有L条多径，即hu＝[hu,1,hu,2,...,hu,l,...,hu,L]，则第u个用户接收信号yu(t)为
其中，zu(t)是加性高斯白噪声，其方差为N0，并且τl表示第l条径的延时。
7.根据权利要求6所述的一种基于调制信息的OFDM-NOMA均衡检测方法，其特征在于，步骤四所述做Nc点的快速傅立叶变换得到Nc个数据流，然后根据信道状态信息做频域均衡的过程包括以下步骤：
去除保护间隔后，对接收到的信号yu(t)进行快速傅立叶变换，处理信号表示为
将式(11)代入式(12)中，得出第k子载波承载的用户的接收信号分别为
Yu(k)＝WkHu(k)S(k)+Zu(k), (13)
其中，Hu(k)和Zu(k)分别表示信道增益和噪声的频域形式；
用频域均衡处理后的信号，如式(16)所示：
其中，Vu(k)是第u个用户在第k个子载波的频域均衡系数，根据迫零均衡原则表示如下
其中，表示Hu(k)的共轭变量。
8.根据权利要求7所述的一种基于调制信息的OFDM-NOMA均衡检测方法，其特征在于，所述信道增益和噪声的频域如下：
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