CN116599545A - 一种适用于lfm系统的多用户传输方法 - Google Patents

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CN116599545A CN202310101535.7A CN202310101535A CN116599545A CN 116599545 A CN116599545 A CN 116599545A CN 202310101535 A CN202310101535 A CN 202310101535A CN 116599545 A CN116599545 A CN 116599545A
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夏家宝
王博昱
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Abstract

本发明公开了一种适用于LFM系统的多用户传输方法，包括：获取多个用户中每个用户的原始用户信息，以及每个用户的调频斜率；不同用户的调频斜率不同；对于每个用户，将用户的原始用户信息经过编码器和交织器，得到用户的码字；采用与用户对应的SSK‑CSS调制器，对用户的码字进行调制，得到用户的调制序列；SSK‑CSS调制器具有预设扩频因子，并且调频斜率为用户的调频斜率；不同用户对应的SSK‑CSS调制器的扩频因子相同；将多个用户的调制序列进行叠加，得到混合调制序列；对混合调制序列进行噪声处理，得到待发送信号并发送。本发明可以支持多个用户并发传输，并且，各用户的传输速率一致，没有传输速率损失，从而适合应用于海量用户并发传输的场景。

Description

一种适用于LFM系统的多用户传输方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种适用于LFM系统的多用户传输方法。
背景技术
在地面物联网传输中，除了使用经典的时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)和码分多址(CDMA)等多址接入技术外，关于线性扩频(LFM)技术的多用户传输方案也得到了一定的关注和研究。根据Shanmuga S J Pet al.“A survey on LoRa networking:Researchproblems,current solutions,and open issues”一文中可知，对于LoRa物理层，可以通过控制扩频因子、传输功率、带宽和信道来实现多用户传输。对于LoRaWAN协议，LoRaAlliance“LoRaWAN-Specification V1.1”一文中告诉我们可以采用ALOHA技术和TDMA技术来实现传输链路上的多用户并发传输。
文献C.Zhang,L.Wang,L.Jiao,S.Wang,J.Shi and J.Yue,“A novel orthogonalLoRa multiple access algorithm for satellite Internet of Things”(in ChinaCommunications,vol.19,no.3,pp.279-289,March 2022)提出了一种基于频分复用的多用户传输方案，然而该方案随着用户数的增加，传输数据速率呈指数级下降。emim M A etal.“An enhanced receiver to decode superposed LoRa-like signals”一文中所提的基于不同大扩频因子LoRa调制的多用户传输方案，其整体复杂度会很高，且占用的存储资源也很大。
发明内容
为了解决相关技术中存在的上述问题，本发明提供了一种适用于LFM系统的多用户传输方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供一种适用于LFM系统的多用户传输方法，包括：
获取多个用户中每个用户的原始用户信息，以及每个用户的调频斜率；不同用户的调频斜率不同；
对于每个用户，将所述用户的原始用户信息经过编码器和交织器，得到所述用户的码字；
采用与所述用户对应的SSK-CSS调制器，对所述用户的码字进行调制，得到所述用户的调制序列；所述SSK-CSS调制器具有预设扩频因子，并且调频斜率为所述用户的调频斜率；不同用户对应的SSK-CSS调制器的扩频因子相同；
将所述多个用户的调制序列进行叠加，得到混合调制序列；
对所述混合调制序列进行噪声处理，得到待发送信号，并将所述待发送信号进行发送。
在一些实施例中，所述将所述用户的原始用户信息经过编码器和交织器，得到所述用户的码字，包括：
将所述用户的原始用户信息经过编码器后，得到所述用户的编码结果；
将所述编码结果经过交织器后，得到所述用户的所述码字。
在一些实施例中，所述码字为二进制比特流；所述采用与所述用户对应的SSK-CSS调制器，对所述用户的码字进行调制，得到所述用户的调制序列，包括：
将第i个用户的码字转换为十进制数，得到第i个用户的传输数据符号；
将第i个用户的每个符号周期内的传输数据符号送入第i个SSK-CSS调制器中，得到第i个用户的调制序列，所述第i个用户的调制序列的公式如下：
其中，si(l)为第i个用户的调制序列，i为1,2,...,U，U为所述多个用户的用户数量，M＝2SF为每个符号周期内的采样点数，SF为所述预设扩频因子，mi为第i个用户的每个符号周期内的传输数据符号，用于表示第i个用户的原始用户信息在一个符号周期内传输的数据符号，μi为第i个SSK-CSS调制器的调频斜率，l＝0,1,...,M-1，j为虚数单位，exp(.)为以自然常数e为底的指数函数。
在一些实施例中，所述将所述多个用户的调制序列进行叠加，得到混合调制序列，包括：
将U个调制序列进行叠加，得到混合调制序列，所述混合调制序列的公式如下：
s(l)＝s1(l)+s2(l)+,...,+sU-1(l)+sU(l)；
其中，s(l)表示所述混合调制序列，U为所述多个用户的用户数量，sU(l)表示第U个用户的调制序列。
在一些实施例中，所述对所述混合调制序列进行噪声处理，得到待发送信号，包括：
将所述混合调制序列通过加性高斯白噪声信道，得到待发送信号，所述待发送信号的公式如下：
r(l)＝s(l)+n(l)；
其中，r(l)为所述待发送信号，s(l)为所述混合调制序列，n(l)为均值为0、方差为σ2的高斯噪声。
本发明还提供一种适用于LFM系统的多用户传输方法，包括：
获取接收信号，以及所述接收信号对应的多个用户中每个用户的调频斜率；不同用户的调频斜率不同；
对于每个用户，根据所述用户的调频斜率，对所述接收信号进行解啁啾处理，得到所述用户的解啁啾信号；
对所述用户的解啁啾信号进行离散傅里叶变换，得到变换结果；
对所述变换结果进行软判决非相干解调处理，得到所述用户的解调对数似然比；
将所述用户的解调对数似然比经过解交织器和译码器后，得到所述用户的原始用户信息。
在一些实施例中，所述对所述变换结果进行软判决非相干解调处理，得到所述用户的解调对数似然比，包括：
对所述变换结果进行取模值处理，得到取模结果；
对所述取模结果进行平方处理，得到处理结果；
对所述处理结果进行最大值处理和对数处理，得到所述用户的解调对数似然比。
在一些实施例中，所述将所述用户的解调对数似然比经过解交织器和译码器后，得到所述用户的原始用户信息，包括：
将所述用户的解调对数似然比经过解交织器，得到解交织的解调对数似然比；
将所述解交织的解调对数似然比经过译码器后，得到所述用户的原始用户信息。
在一些实施例中，所述用户的解啁啾信号通过如下公式表示：
其中，ri(l)为第i个用户的解啁啾信号，i为1,2,...,U，U为所述多个用户的用户数量，M＝2SF为每个符号周期内的采样点数，SF为用于生成所述接收信号的SSK-CSS调制器的预设扩频因子，r(l)为所述接收信号，j为虚数单位，exp(.)为以自然常数e为底的指数函数。
在一些实施例中，所述变换结果通过如下公式表示：
其中，Ri(q)为第i个用户的变换结果，i为1,2,...,U，U为所述多个用户的用户数量，ri(l)为第i个用户的解啁啾信号，q＝0,1,...,M-1，M＝2SF为每个符号周期内的采样点数，SF为用于生成所述接收信号的SSK-CSS调制器的预设扩频因子，l＝0,1,...,M-1。
本发明具有如下有益技术效果：
可以支持多个用户并发传输，并且，各用户的传输速率一致，没有传输速率损失，从而适合应用于海量用户并发传输的场景。
可以采用具有较低的实现复杂度和较好的解调性能的基于DFT的改进软判决非相干解调方法进行信号解调，从而能够减少存储资源的占用，并提高解调效率。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例提供的应用于发射端的适用于LFM系统的多用户传输方法的一个流程图；
图2为本发明实施例提供的示例性的发射端对3个不同用户对应的原始用户信息的处理流程图；
图3为本发明实施例提供的示例性的应用于接收端的适用于LFM系统的多用户传输方法的一个流程图；
图4为本发明实施例提供的示例性的接收端对对应了3个不同用户的接收信号的处理流程图；
图5为本发明实施例提供的示例性的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
图1是本发明实施例提供的适用于LFM系统的多用户传输方法的一个流程图，应用于发射端，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
S101、获取多个用户中每个用户的原始用户信息，以及每个用户的调频斜率；不同用户的调频斜率不同。
这里，原始用户信息是用户需要传输的任何数据，例如，音频数据、文字等等。
这里，可以预先为每个用户分配对应的调频斜率，并且，不同用户的调频斜率不同。例如，当有3个用户时，第1个用户分配的调频斜率为m1；第2个用户分配的调频斜率为m2；第3个用户分配的调频斜率为m3。
S102、对于每个用户，将用户的原始用户信息经过编码器和交织器，得到用户的码字。
这里，对于每个用户，可以将该用户的原始用户信息经过编码器后，得到该用户的编码结果，之后，将该编码结果经过交织器后，得到该用户的码字；其中，不同用户对应的编码器相同，交织器也相同。
示例性的，编码器可以为具有K个比特位的输入和N个比特位的输出的编码器，从而与用户1、用户2、用户3一一对应的原始用户信息d1、d2和d3可以先分别经过相同的(N,K)编码器，再经过相同的交织器后，对应得到码字c1、c2和c3。
S103、采用与用户对应的SSK-CSS调制器，对用户的码字进行调制，得到用户的调制序列；SSK-CSS(斜移键控-啁啾扩频)调制器具有预设扩频因子，并且调频斜率为用户的调频斜率；不同用户对应的SSK-CSS调制器的扩频因子相同。
这里，码字为二进制比特流。具体的，可以将第i个用户的码字转换为十进制数，得到第i个用户的传输数据符号，之后，将第i个用户的每个符号周期内的传输数据符号送入第i个SSK-CSS调制器中，得到第i个用户的调制序列，第i个用户的调制序列的公式如下：
其中，T表示每个符号周期，B为发射端的系统带宽，si(l)为第i个用户的调制序列，i为1,2,...,U，U为多个用户的用户数量，M＝2SF为每个符号周期内的采样点数，SF为预设扩频因子，mi为第i个用户的每个符号周期内的传输数据符号(即由SF位二进制比特流转化成的十进制数)，用于表示第i个用户的原始用户信息在一个符号周期内传输的数据符号，μi为第i个SSK-CSS调制器的调频斜率，l＝0,1,...,M-1，j为虚数单位，exp(.)为以自然常数e为底的指数函数。
S104、将多个用户的调制序列进行叠加，得到混合调制序列。
具体的，将U个调制序列进行叠加，得到混合调制序列，混合调制序列的公式如下：
s(l)＝s1(l)+s2(l)+,...,+sU-1(l)+sU(l)；
其中，s(l)表示混合调制序列，sU(l)表示第U个用户的调制序列。
S105、对混合调制序列进行噪声处理，得到待发送信号，并将待发送信号进行发送。
具体的，可以将混合调制序列通过加性高斯白噪声信道，得到待发送信号，待发送信号的公式如下：
r(l)＝s(l)+n(l)；
其中，r(l)为待发送信号，s(l)为混合调制序列，n(l)为均值为0、方差为σ2的高斯噪声。
这里，发射端可以将待发送信号发射至对应的接收端。
示例性的，图2为发射端对3个不同用户对应的原始用户信息的处理流程图。如图2所示，与用户1、2、3一一对应的原始用户信息d1、d2、d3先分别依次经过相同的编码器和交织器后，得到与用户1、2、3一一对应的码字c1、c2和c3；接着，利用相同扩频因子(SF)和调频斜率为μi的SSK-CSS调制器，对码字ci进行调制，可以得到符号长度为M＝2SF的调制序列si，即对应得到s1、s2和s3；将这3个调制序列叠加到一起，得到混合调制序列sc；通过使混合调制序列sc通过加性高斯白噪声(AWGN)信道，为混合调制序列sc添加噪声n(l)，得到待发送信号r(l)。示例性的，如图2所示，3个SSK-CSS调制器的SF均为13，与用户1、2、3一一对应的3个SSK-CSS调制器的调频斜率分别为1、1.05和1.1。
本发明实施例，采用SSK-CSS技术作为调制技术，即根据SSK-CSS技术中不同调频斜率的信号可分离的特点实现多用户传输；信源产生的用户信息序列通过编码和交织之后，给每个用户分配不同的调频斜率，再利用SSK-CSS调制器进行调制操作；因此，可以支持多个用户并发传输，并且，各用户的传输速率一致，没有传输速率损失，从而适合应用于海量用户并发传输的场景。
图3是本发明实施例提供的适用于LFM系统的多用户传输方法的另一个流程图，应用于接收端，如图3所示，所述方法包括以下步骤：
S201、获取接收信号，以及接收信号对应的多个用户中每个用户的调频斜率；不同用户的调频斜率不同。
这里，接收端通过接收对应的发射端发送的待发送信号，得到接收信号。
S202、对于每个用户，根据用户的调频斜率，对接收信号进行解啁啾处理，得到用户的解啁啾信号。
这里，用户的解啁啾信号通过如下公式表示：
其中，ri(l)为第i个用户的解啁啾信号，i为1,2,...,U，U为多个用户的用户数量，M＝2SF为每个符号周期内的采样点数，SF为用于生成接收信号的SSK-CSS调制器的预设扩频因子，r(l)为接收信号。
这里，第i个用户的解啁啾信号的公式的展开过程如下：
其中，n′(l)为噪声项n(l)和其他U-1个用户的干扰信号叠加的结果。
S203、对用户的解啁啾信号进行离散傅里叶变换，得到变换结果。
S204、对变换结果进行软判决非相干解调处理，得到用户的解调对数似然比。
具体的，S203～S204的具体过程包括：
1)对第i个用户的解啁啾信号ri(l)进行M点的离散傅里叶变换(DFT)，得到Ri(q)，原理如下述公式：
其中，q＝0,1,...,M-1；
2)对Ri(q)通过取模值操作，得到原理如下：
3)对进行平方操作，得到/>原理如下：
4)对进行最大值操作和对数操作，得到传输数据符号mi中第t个二进制比特bi,t的解调对数似然比(LLR)，原理如下：
其中，t＝0,...,SF-1，bi,t为第i个用户的一个符号周期内的第t个二进制比特，Λ(bi,t)为bi,t对应的解调对数似然比，和/>分别表示按照自然映射的十进制数0～M-1所对应的二进制比特表示中，第l个位置为0的索引集合和第l个位置为1的索引集合。
S205、将用户的解调对数似然比经过解交织器和译码器后，得到用户的原始用户信息。
这里，可以将第i个用户的解调LLR通过解交织器进行解交织操作，之后，将解交织的解调LLR送入译码器，得到第i个用户的原始用户信息，即第i个用户的原始用户信息的原始数据比特流
示例性的，图4为接收端对对应了3个不同用户的接收信号的处理流程图。如图4所示，接收信号r(l)分别经过解啁啾1、2、3后，得到用户1、2、3分别对应的解啁啾信号，通过使用户1、2、3的解啁啾信号分别经过相同的非相干解调器，对用户1、2、3的解啁啾信号分别进行软判决非相干解调处理，得到用户1、2、3分别对应的解调对数似然比(图4中的软输出)，将用户1、2、3分别对应的解调对数似然比依次经过相同的解交织器和相同的译码器后，得到与用户1、2、3一一对应的原始用户信息
本发明实施例，在接收端，先对接收信号用不同斜率的下啁啾信号做解啁啾操作，之后，对得到的解啁啾信号进行DFT变换，再利用软判决非相干解调方法对DFT变换结果进行解调，得到各个用户的解调软信息，将获得的软信息分别送至解交织器和译码器便可恢复出各用户信息的原始数据比特流，如此，采用了具有较低的实现复杂度和较好的解调性能的基于DFT的改进软判决非相干解调方法进行信号解调，从而能够减少存储资源的占用，并提高解调效率。
为了进一步说明本发明的有益效果，下面通过仿真实验进行说明。
1.1仿真条件
表1列出了该传输方法所使用到的仿真参数。
表1
1.2仿真结果与分析
图5给出了该传输方法的误码性能。其中，图5中以星形标记的曲线表示在AWGN信道下，用户信息1的误码性能；以三角形标记的曲线表示在AWGN信道下，用户信息2的误码性能；以叉形标记的曲线表示在AWGN信道下，用户信息3的误码性能。由图5的仿真结果可知，由于三个用户信息都分配了相同的扩频因子，故它们的性能表现是相似的。具体来说，考虑BER＝1×10-5，用户信息1、用户信息2和用户信息3对应的实际信噪比约为-27.4dB，低于目标信噪比(即-26dB)1.4dB，仿真结果表明该传输方法达到了既定的性能指标。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于LFM系统的多用户传输方法，其特征在于，包括：
获取多个用户中每个用户的原始用户信息，以及每个用户的调频斜率；不同用户的调频斜率不同；
对于每个用户，将所述用户的原始用户信息经过编码器和交织器，得到所述用户的码字；
采用与所述用户对应的SSK-CSS调制器，对所述用户的码字进行调制，得到所述用户的调制序列；所述SSK-CSS调制器具有预设扩频因子，并且调频斜率为所述用户的调频斜率；不同用户对应的SSK-CSS调制器的扩频因子相同；
将所述多个用户的调制序列进行叠加，得到混合调制序列；
对所述混合调制序列进行噪声处理，得到待发送信号，并将所述待发送信号进行发送。
2.根据权利要求1所述的适用于LFM系统的多用户传输方法，其特征在于，所述将所述用户的原始用户信息经过编码器和交织器，得到所述用户的码字，包括：
将所述用户的原始用户信息经过编码器后，得到所述用户的编码结果；
将所述编码结果经过交织器后，得到所述用户的所述码字。
3.根据权利要求1所述的适用于LFM系统的多用户传输方法，其特征在于，所述码字为二进制比特流；所述采用与所述用户对应的SSK-CSS调制器，对所述用户的码字进行调制，得到所述用户的调制序列，包括：
将第i个用户的码字转换为十进制数，得到第i个用户的传输数据符号；
将第i个用户的每个符号周期内的传输数据符号送入第i个SSK-CSS调制器中，得到第i个用户的调制序列，所述第i个用户的调制序列的公式如下：
其中，si(l)为第i个用户的调制序列，i为1,2,...,U，U为所述多个用户的用户数量，M＝2SF为每个符号周期内的采样点数，SF为所述预设扩频因子，mi为第i个用户的每个符号周期内的传输数据符号，用于表示第i个用户的原始用户信息在一个符号周期内传输的数据符号，μi为第i个SSK-CSS调制器的调频斜率，l＝0,1,...,M-1，j为虚数单位，exp(.)为以自然常数e为底的指数函数。
4.根据权利要求1所述的适用于LFM系统的多用户传输方法，其特征在于，所述将所述多个用户的调制序列进行叠加，得到混合调制序列，包括：
将U个调制序列进行叠加，得到混合调制序列，所述混合调制序列的公式如下：
s(l)＝s1(l)+s2(l)+,...,+sU-1(l)+sU(l)；
其中，s(l)表示所述混合调制序列，U为所述多个用户的用户数量，sU(l)表示第U个用户的调制序列。
5.根据权利要求1所述的适用于LFM系统的多用户传输方法，其特征在于，所述对所述混合调制序列进行噪声处理，得到待发送信号，包括：
将所述混合调制序列通过加性高斯白噪声信道，得到待发送信号，所述待发送信号的公式如下：
r(l)＝s(l)+n(l)；
其中，r(l)为所述待发送信号，s(l)为所述混合调制序列，n(l)为均值为0、方差为σ2的高斯噪声。
6.一种适用于LFM系统的多用户传输方法，其特征在于，包括：
获取接收信号，以及所述接收信号对应的多个用户中每个用户的调频斜率；不同用户的调频斜率不同；
对于每个用户，根据所述用户的调频斜率，对所述接收信号进行解啁啾处理，得到所述用户的解啁啾信号；
对所述用户的解啁啾信号进行离散傅里叶变换，得到变换结果；
对所述变换结果进行软判决非相干解调处理，得到所述用户的解调对数似然比；
将所述用户的解调对数似然比经过解交织器和译码器后，得到所述用户的原始用户信息。
7.根据权利要求6所述的适用于LFM系统的多用户传输方法，其特征在于，所述对所述变换结果进行软判决非相干解调处理，得到所述用户的解调对数似然比，包括：
对所述变换结果进行取模值处理，得到取模结果；
对所述取模结果进行平方处理，得到处理结果；
对所述处理结果进行最大值处理和对数处理，得到所述用户的解调对数似然比。
8.根据权利要求6所述的适用于LFM系统的多用户传输方法，其特征在于，所述将所述用户的解调对数似然比经过解交织器和译码器后，得到所述用户的原始用户信息，包括：
将所述用户的解调对数似然比经过解交织器，得到解交织的解调对数似然比；
将所述解交织的解调对数似然比经过译码器后，得到所述用户的原始用户信息。
9.根据权利要求6所述的适用于LFM系统的多用户传输方法，其特征在于，所述用户的解啁啾信号通过如下公式表示：
其中，ri(l)为第i个用户的解啁啾信号，i为1,2,...,U，U为所述多个用户的用户数量，M＝2SF为每个符号周期内的采样点数，SF为用于生成所述接收信号的SSK-CSS调制器的预设扩频因子，r(l)为所述接收信号，j为虚数单位，exp(.)为以自然常数e为底的指数函数。
10.根据权利要求6所述的适用于LFM系统的多用户传输方法，其特征在于，所述变换结果通过如下公式表示：
其中，Ri(q)为第i个用户的变换结果，i为1,2,...,U，U为所述多个用户的用户数量，ri(l)为第i个用户的解啁啾信号，q＝0,1,...,M-1，M＝2SF为每个符号周期内的采样点数，SF为用于生成所述接收信号的SSK-CSS调制器的预设扩频因子，l＝0,1,...,M-1。
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