CN115622851B - 一种基于混沌成型滤波器的对称数据流扩频noma传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于混沌成型滤波器的对称数据流扩频NOMA传输方法，在解决双流非对称基于CSF扩频通信方法低频谱效率和高优先级数据速率不公平问题的同时，保证低误码率特性。本发明包括以下步骤：步骤一、对称数据流CSF扩频信号产生过程：根据两用户收发信道增益大小分配信号发送功率，将CSF扩频后的两用户信号叠加到同一频谱资源上，形成CSF‑NOMA叠加信号；包括：步骤101、CSF混沌载波基带调制；步骤102、两用户CSF‑NOMA信号生成；步骤二、对称数据流CSF‑NOMA信号解调过程，包括：步骤201、CSF‑NOMA信号中大功率信号解调；步骤202、CSF‑NOMA信号中小功率信号解调。

Description

一种基于混沌成型滤波器的对称数据流扩频NOMA传输方法

技术领域：

本发明属于混沌扩频通信物理层收发设计技术领域，涉及一种双数据流同时同频安全传输方法，具体是一种基于混沌成型滤波器的对称数据流扩频NOMA传输方法。

背景技术：

CSF扩频通信方法利用混沌形成滤波器产生的混沌载波，对信息比特完成调制。该方法得益于类数字信号频带传输过程，具有平方根升余弦脉冲成形滤波器和最小均方误差信道均衡技术特性。传统无线通信复杂度限定下，在仿真和实验中误比特率性能显著改善。然而该方法也具有与其他扩频通信方法相同的缺陷：受频带展宽影响，频率效率有待提升。

目前提升频谱效率的方法主要为非对称双流数据传输方法：在同一时频资源上同时传输具有优先级差异的两路信号，通过序列映射和CSF将低优先级序列扩频调制成混沌信号，再用该混沌信号完成高优先级基带信号调制。该方法虽然完成了同时同频双流数据传输，但缺点明显：第一、频谱效率提升有限：当调制单个高优先级码的低优先级序列长度为k，序列周期为t(单位秒)，扩频增益为s时，频谱效率仅提升第二、限制了高优先级序列的传输速率：相同带宽条件下，高优先级数据比特速率仅为低优先级码片长度分之一；第三、该类方法要求两数据流间存在优先级差异，对于不存在优先级差异的对称数据流，该方法无法完成数据传输过程。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于混沌成型滤波器的对称数据流扩频NOMA传输方法，在解决双流非对称基于CSF扩频通信方法低频谱效率和高优先级数据速率不公平问题的同时，有效保证低误码率特性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于混沌成型滤波器的对称数据流扩频NOMA传输方法，其特征在于：包括以下步骤

步骤一、对称数据流CSF扩频信号的产生：

步骤101、CSF混沌载波基带调制：

具有信道增益差、无需区分信息比特优先级的两用户发送数据流，分别完成CSF基带扩频序列的混沌键控，将扩频序列调制后的发送信息比特映射、叠加成混沌基带信号

其中，s_k,m+1为用户k，k＝{1,2}发送信息比特扩频后的第m+1个码，δ(t)为CSF的基函数；

步骤102、两用户CSF-NOMA信号生成；

步骤二、对称数据流CSF-NOMA信号的解调：

步骤201、CSF-NOMA信号中大功率信号解调；

步骤202、CSF-NOMA信号中小功率信号解调。

步骤102中，根据两用户与基站间的信道增益大小确定发送端的发送功率；当用户1的信道增益优于用户2的信道增益即H₁＞H₂时：两用户发送功率P_k使得P₂H₂/P₁H₁＞Δ_P，Δ_P＞1为信号带宽一定时，满足SIC条件的功率比阈值，可得P₂＞P₁，用户1为大功率用户，用户2为小功率用户；

两用户的发送信号

其中为功率归一化的CSF基带扩频信号，两用户将发送信号加载到中心频率为f_c的同一时频资源上。

步骤201中，接收端先解调出大功率用户即用户1的信息，从载波频率f_c上解调出CSF-NOMA信号R′(t)后，通过匹配滤波器、采样、逆序列映射、符号判决获得需求信号。

步骤202中，接收端完成CSF-NOMA信号匹配滤波、采样判决后，恢复其扩频码R₁′(i)；经过CSF基带信号扩频调制后重构出大发送功率信号

根据用户1到基站的信道增益估计结果，从R′(t)中减去重构大功率信号完成SIC过程，得到小功率信号的基带扩频信号；经过匹配滤波器、采样、逆序列映射、判决获得用户2的发送信号。

与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：

(1)本发明充分扩展功率域空间，考虑将NOMA技术引入到数据量相当的双流CSF扩频信号同时同频传输过程中来，无需考虑高低优先级数据流的数据量差异，系统频谱效率提升为原来的2倍，远大于非对称双流数据CSF传输方法的频谱效率提升效果。

(2)本发明充分利用基于CSF混沌扩频系统类数字频带传输优势，在NOMA叠加CSF扩频信号接收端采用匹配滤波技术，保证系统误码率性能。

(3)本发明根据用户信道增益客观条件判定扩频信号功率叠加条件，放宽了数据优先级差异对非对称双流数据CSF混沌扩频信号同时同频传输的限制。对称数据流采用复杂度相当的CSF调制过程，避免了对双流数据中的某一数据流二次处理带来的速率不公平问题。

附图说明：

图1为CSF-NOMA两用户信息收发原理框图；

图2为本发明实施例的适用场景示意图；

图3为f＝1Hz时CSF基函数时域冲击响应图；

图4为CSF-NOMA双数据流叠加时域波形图；

图5为CSF双数据流扩频NOMA传输误比特率性能仿真。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明将具有信道增益差的两用户发送数据流经序列映射扩频后，通过CSF调制获得混沌信号。根据信道增益大小，为两混沌信号反比例分配发送功率，通过功率域叠加到同一时频资源上传输，形成CSF扩频NOMA叠加信号(简称CSF-NOMA信号)。接收端对CSF-NOMA叠加信号进行匹配滤波、采样、逆序列映射、判决过程给出大功率用户数据流。恢复大功率用户的CSF扩频信号后，利用串行干扰消除(SIC)技术和信道估计结果，通过串行干扰技术，从CSF-NOMA信号中消除掉大功率CSF扩频信号，得到小功率CSF扩频信号，解调出需求数据。

上述方法要求接入同一时频资源的两用户需存在信道增益差异，以满足接收端SIC条件。

安全性方面，只有当接收端扩频码已知时才能解调出对应需求信号。例如，当接收端需求信号为两发送用户的数据比特时，接收两用户扩频码进行逆系列映射；当接收端需求信号为其中一个发送用户的数据比特，接收端获得对应扩频码进行逆序列映射即可。

本发明中，具有信道增益差异的两用户基带扩频信号经过CSF得到混沌扩频发送信号；根据两用户信道增益大小反比例分配发送功率，而后将两发送信号加载到同一载波上，生成CSF-NOMA信号。基站作为接收端将叠加信号通过匹配滤波器后，解调出高发送功率数据流。重构CSF扩频信号，接收到的NOMA叠加信号经过SIC，减去重构的高发送功率CSF扩频信号后，重复匹配滤波解调过程恢复出另一数据流。本发明发挥NOMA与CSF扩频技术优势，兼顾了系统误比特率性能与频谱效率。

图2所示为混沌成型滤波器对称数据流扩频NOMA传输的适用场景示意图。该方式适用于双数据流同时同频安全传输，发送用户1和发送用户2与基站距离不同，受路径损耗影响图中以H₁＞H₂，满足SIC解调条件。占用频带B，发送用户1的发送功率小于发送用户2，同时将发送信号X₁(t)、X₂(t)叠加到同一上行信道传输给基站。基站放大转发叠加信号给接收用户。按接收用户需求信号接收场景分为两种：场景一、两接收用户需要分别接收不同的发送信号；场景二、单个接收用户需要接收两发送信号。

实施例

本发明包括以下步骤：

步骤一、用户发送数据CSF扩频信号产生过程：

基站根据用户反馈的信道状态指示符，将信道条件差异较大的两用户构成NOMA用户对，在同一用户对中的两用户利用同一载波上完成数据传输，发送原理框图如图1“发送端”部分所示。

步骤101、CSF混沌载波基带调制。用户k，k＝{1,2}信息序列A_k＝[a_k,1,a_k,2,…,a_k,lk,…,a_k,L(k)],l∈[1,L_k]通过序列映射p∈[1,P]得到扩频序列

经过CSF，将序列S_k的各“+1”、“-1”比特映射、叠加成混沌基带信号

如图3(a)和3(b)所示，其中δ(t)为CSF的基函数。

f为基函数基带频率，等于每个数据比特的时间间隔，ω＝2πf，β＝fln2，f＝1Hz时的时域冲击响应，如图4所示，通常当N_δ＜-6时基函数取值可忽略不计。对U_k(t)进行功率归一化得

步骤102、两用户CSF-NOMA信号生成：

根据信道估计结果得到NOMA用户对种用户k到接收端的信道增益为H_k，按照信道增益大小关系，反比例分配基站发送功率，以保证接收端SIC顺利实施。不失一般性，设用户1的信道增益小于用户2，即H₁＜H₂。各用户向基站发送身份认证信息和前导符，与小区建立连接。前导符中包含信道探测参考信号。基站接收用户发送的信道探测参考信号，测得发送信号X_k信道增益H_k。基站根据该大小关系分配两发送端的发送功率P_k，使得P₁H₁/P₂H₂＞Δ_P，Δ_P为信号带宽一定时，满足SIC条件的功率比阈值Δ_P＞1。P_k＝α_kP为两用户发送功率大小，P为终端的平均发送功率，α_k为功率分配因子，则α₁＞α₂且α₁+α₂＝1。

两用户的发送信号

f_c为载波频率。

步骤二、对称数据流CSF-NOMA信号解调过程：

当两用户的发送信息比特A_k为接收端的需求信号时，接收端获取对应扩频序列Φ^k，即可完成需求信号解调过程。当只有A₁是需求信号，接收端获知对应扩频序列Φ¹，可完成解调过程，而Φ²未知，无法通过逆序列映射恢复CSF-NOMA信号中的另一路信号A₂。同理，只有A₂是接收端需求信号时，无法解调出另一路信号A₁。

原理框图如图1“接收端”部分所示。经过基站放大转发，接收端接收到的信号为两者叠加信号

其中，n₀为高斯白噪声，R(t)信号示意图如图3(c)所示。经过相干解调和低通滤波得到基带接收信号

R′(t)为大功率信号和小功率信号/>的和信号。

步骤201、CSF-NOMA信号中大功率信号解调：

从载波频率f_c上解调出基带叠加信号R′(t)后，通过匹配滤波器、采样完成类数字信号解调过程，而后将最大似然检测结果作为大功率恢复信号，逆序列映射、符号判决获得解调数据比特。具体如下：

R′(t)经过匹配滤波器δ(-t)得

对在固定时刻采样得

其中，T为两用户信息的比特周期，基站端两用户的扩频序列Φ^k已知。

而后经过逆序列映射

以0为判决门限得到用户1信号

步骤202、CSF-NOMA信号中小功率信号解调：

通过信道估计模块获得好信道条件用户的信道增益H₁。利用SIC技术，从R′(t)中减去用户1CSF扩频信号乘以信道增益H₁后的重构信号，得到用户2的基带接收信号。重复与用户1相同的基带信号解调过程：通过匹配滤波器、采样、判决、逆序列映射、采样/判决，得到用户2数据比特。具体如下：

用户1信号解调过程中经过匹配滤波器、采样/判决到其扩频码R₁′(i)，经过CSF得到重构的用户1信号

基带信号R′(t)中包含了两用户的叠加信号，经过SIC，减去用户1的重构信号，获得用户2基带信号

R″(t)经过匹配滤波器δ(-t)得

对在固定时刻采样得到被分配了小发送功率的用户2信号

采用与用户1需求信号相同的解扩过程：逆序列映射得解扩后的序列

以0为门限对A₂中元素判决得用户2信号

本发明仿真关键参数设置如表1所示。

表1仿真参数

参数	数值
		用户1的功率分配因子α1	0.7
用户2的功率分配因子α2	0.3
		用户终端平均发送功率P	-34dBm
混沌扩频增益	16dB
		功率比阈值Δp	1.7

仿真结果图5对比了复杂度相当的以三维双涡卷吸引子为扩频信号的对称数据流NOMA传输(简称SPD-NOMA)方法。当E_b/N₀＝0dB时，CSF-NOMA误码率为SPD-NOMA的1/2，接收端低发送功率用户信号误码率随着E_b/N₀的提高成10的指数倍下降，当E_b/N₀＝8dB时误码率约为10^-5；高发送功率用户信号误码率性能优势也较为明显，当E_b/N₀＝20dB时，CSF-NOMA误码率约为SPD-NOMA的1/5。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于混沌成型滤波器的对称数据流扩频NOMA传输方法，其特征在于：包括以下步骤

步骤一、对称数据流CSF扩频信号的产生：

步骤101、CSF混沌载波基带调制：

具有信道增益差、无需区分信息比特优先级的两用户发送数据流，分别完成CSF基带扩频序列的混沌键控，将扩频序列调制后的发送信息比特映射、叠加成混沌基带信号

其中，s_k,m+1为用户k，k＝{1,2}发送信息比特扩频后的第m+1个码，δ(t)为CSF的基函数；

步骤102、两用户CSF-NOMA信号生成；

步骤二、对称数据流CSF-NOMA信号的解调：

步骤201、CSF-NOMA信号中大功率信号解调；

步骤202、CSF-NOMA信号中小功率信号解调；

步骤102中，根据两用户与基站间的信道增益大小确定发送端的发送功率；当用户1的信道增益优于用户2的信道增益即H₁>H₂时：两用户发送功率P_k使得P₂H₂/P₁H₁>△_P，△_P>1为信号带宽一定时，满足SIC条件的功率比阈值，可得P₂>P₁，用户1为大功率用户，用户2为小功率用户；

两用户的发送信号

其中为功率归一化的CSF基带扩频信号，两用户将发送信号加载到中心频率为f_c的同一时频资源上；

步骤202中，接收端完成CSF-NOMA信号匹配滤波、采样判决后，恢复其扩频码R₁′(i)；经过CSF基带信号扩频调制后重构出大功率信号

根据用户1到基站的信道增益估计结果，从CSF-NOMA信号R′(t)中减去重构大功率信号得到小功率信号的基带扩频信号；经过匹配滤波器、采样、逆序列映射、判决获得用户2的发送信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于混沌成型滤波器的对称数据流扩频NOMA传输方法，其特征在于：步骤201中，接收端先解调出大功率用户即用户1的信息，从载波频率f_c上解调出CSF-NOMA信号R′(t)后，通过匹配滤波器、采样、逆序列映射、符号判决获得需求信号。