CN117061290B - 用于大用户数量的达分多址接入和群路解扩解调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于大用户数量的达分多址接入和群路解扩解调系统。用户在接入时，中心节点一般采用频分多址、时分多址、码分多址、波分多址等方式区分不同用户。每增加一个区分用户的维度，即可在同等的带宽等资源下增加用户的接入效率。本系统采用了达分多址接入方式，通过与其它多址方式的联合使用，在同等通信资源消耗下，可增加同时接入的用户数量。本系统还使用了群路解扩解调方法，通过综合利用硬件资源，利用高倍处理时钟分时处理多用户信息，提升硬件资源利用率，提高硬件资源总量不变情况下的同时接入系统的用户数量。
Description
技术领域
本公开涉及通信和信息传输领域，尤其涉及一种用于大用户数量的达分多址接入和群路解扩解调系统。
背景技术
在通信系统中，用户在接入时，中心节点一般采用频分多址、时分多址、码分多址、波分多址等方式区分不同用户，也就是从频率、时隙和扩频码等维度区分用户。每增加一个区分用户的维度，即可在同等的带宽等资源下增加用户的接入效率。本公开提出一种达分多址接入方式，通过与其它多址方式的联合使用，以同等通信资源消耗下，增加同时接入的用户数量。
在以卫星或者无人机等平台为中心接入节点的通信系统中，由于平台的重量、体积、功耗的严格受限，通信接入设备的算力也受到制约，不能够支持同时接入大量用户的信号处理。
发明内容
为了提高以卫星或者无人机等平台为中心接入节点同时支持的用户数量，本发明提出一种用于大用户数量的达分多址接入和群路解扩解调系统。
本发明采用的技术方案为：
用于大用户数量的达分多址接入和群路解扩解调系统，包括由用户节点和中心节点组成的星状通信网络，其中，中心节点为星状通信网络的中心，用户节点通过达分多址、码分多址和时分多址相结合的方式，向中心节点发送信息；中心节点采用群路解扩解调方法接收用户节点发送的信息；
所述达分多址、码分多址和时分多址相结合的方式，是指在带宽限制下，通过时分多址划分多个时隙，每个时隙通过码分多址划分为多个码分载波；用户节点向中心节点发送信息时，中心节点从到达时刻、扩频码、时隙3个维度区分不同用户；
所述群路解扩解调方法包括正交下变频环节、峰值捕获环节、峰值存储环节和载波恢复环节；其中：
在正交下变频环节，使用同一套硬件资源，把接收的每个用户的接入射频信号统一和本地载波进行正交混频，形成I路和Q路信号，I路和Q路信号分别进行匹配滤波，形成I路基带信号和Q路基带信号，送至峰值捕获环节；所述同一套硬件资源，包括1个正交下变频器和两个匹配滤波器；
在峰值捕获环节，两个相关预算器在码片时钟的驱动下，分别接收并缓存来自正交下变频环节的I路基带信号和Q路基带信号，缓存深度为1个码元的码片长度m；每经过1个码片周期，每个码片的存储位置向后移动1个地址，新输入的码片存储在最低地址位，缓存码片中最早输入的码片移出相关运算器；所述两个相关预算器在第一高倍时钟的驱动下，对I路基带信号和Q路基带信号分别进行相关运算；相关运算使用的本地扩频码来自扩频码存储器；扩频码存储器中存储多个扩频码，在1个码片周期内，扩频码存储器中存储的所有扩频码均和相关运算器中的各个码片进行1次相关运算；I路基带信号和Q路基带信号相关运算的结果经峰值分路器处理后，按照不同的接入用户分路输出至峰值存储环节；
在峰值存储环节，使用多个I路峰值存储器和Q路峰值存储器，每个峰值存储器接收并缓存来自峰值捕获环节的按用户存储的接入信号的码元峰值，缓存深度是用户接入信号的每个时隙的码元长度n；峰值存储环节存储的每个用户接入信号的码元峰值，分为I路峰值和Q路峰值两部分；每个峰值存储器存满码元峰值信息后，向载波恢复环节发送请求载波恢复信号；每个峰值存储器接收到载波恢复环节发送的载波恢复完成信号后，释放该峰值存储器的存储信息，并进行下一个用户接入信号峰值信息的存储；峰值存储环节中的I路峰值存储器和Q路峰值存储器循环使用；
在载波恢复环节，在第二高倍时钟的驱动下，对峰值存储环节的每个用户接入信号的码元峰值，进行载波误差提取；根据提取的载波误差对所述用户接入信号的码元峰值进行相位旋转运算，解调出各用户的接入信息；各用户接入信息在高倍时钟2的驱动下，按载波恢复完成顺序分时，然后在同一个输出接口输出；
所述第一高倍时钟为码片速率的a倍时钟，a为扩频码存储器中存储的扩频码数量；所述第二高倍时钟为第一高倍时钟的b倍，b为大于1的正整数。
进一步地，所述达分多址是指，采用扩频信号，利用不同用户到达通信中心节点的不同时刻，区分不同用户信息，其中，区分不同用户的时间分辨率为1个码片周期。
进一步地，在峰值捕获环节中，对接入信号的捕获分为捕获阶段和维持阶段，相关运算器的相关运算、扩频码存储器扩频码输出、峰值分路器峰值分路的操作在捕获控制器和维持控制器的控制下进行；
其中，在捕获阶段，捕获控制器在第一高倍时钟的驱动下，控制扩频码存储器相继输出不同的扩频码；每个扩频码在相关运算器内完成相关运算后，再进行下一个扩频码的相关运算，直至每个扩频码均完成相关运算；所述捕获控制器在第一高倍时钟的驱动下，把时隙内第一次进行相关运算的码片位置定义为0位置，每经过1个码片周期，码片位置加1；捕获控制器检测扩频码和捕获峰值，首次检测到某一用户信号的捕获峰值，记录此时码片位置为t；对同一扩频码的kn+t的码片位置连续发现r次峰值，则认为捕获信号，向维持控制器发送确认捕获信号，同时发送当前扩频码和峰值码片位置信号；其中，k为码元序号，t为峰值码片位置，r为确认捕获次数；k和t均为非负整数，r为正整数；
在维持阶段，维持控制器在第一高倍时钟的驱动下，接收到捕获控制器发送的确认捕获信号、当前扩频码信号和峰值码片位置信号后，向峰值分路器转发输出这3个信号；输出1个时隙后，维持控制器停止向峰值分路器发送这3个信号；在维持阶段，峰值分路器接收维持控制器发送的确认捕获信号、当前扩频码信号和峰值码片位置信号后，根据同一个扩频码信号和同一类峰值码片位置信号共同确定1个用户信号，即把在同一个扩频码和码片位置为kn+t的相关峰值，确认为是同一个用户信号的相关峰值；把各用户信号的峰值相关运算结果按用户输出到载波恢复环节。
本发明的有益效果在于：
1、本发明使用群路解扩解调技术，通过综合利用硬件资源，利用高倍处理时钟分时处理多用户信息，提升硬件资源利用率，提高硬件资源总量不变情况下的同时接入系统的用户数量。
2、本发明适用于平台的重量、体积、功耗受限的情况，可以提高以卫星或者无人机等平台为中心接入节点同时支持的用户数量，支持同时接入大量用户的信号处理。
附图说明
图1是达分多址与其他多址方式原理图。
图2是大用户数量的群路解扩解调原理框图。
图3是峰值捕获环节原理框图。
图4是载波恢复环节原理框图。
图5是时隙、码元和码片的关系示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
用户在接入时，中心节点一般采用频分多址、时分多址、码分多址、波分多址等方式区分不同用户。每增加一个区分用户的维度，即可在同等的带宽等资源下增加用户的接入效率。本发明采用了一种达分多址接入方式，通过与其它多址方式的联合使用，在同等通信资源消耗下，可增加同时接入的用户数量。同时，在以卫星或者无人机等平台为中心接入节点的通信系统中，由于平台的重量、体积、功耗的严格受限，通信接入设备的算力也受到制约，不能够支持同时接入大量用户的信号处理。为此，本发明使用了群路解扩解调方法，通过综合利用硬件资源，利用高倍处理时钟分时处理多用户信息，提升硬件资源利用率，提高硬件资源总量不变情况下的同时接入系统的用户数量。
以下为实现本发明目的的具体实施例：
一种用于大用户数量的达分多址接入和群路解扩解调系统，包括由用户节点和中心节点组成的星状通信网络，其中，中心节点为星状通信网络的中心，用户节点通过达分多址、码分多址和时分多址相结合的方式，向中心节点发送信息；中心节点采用群路解扩解调方法接收用户节点发送的信息；
所述达分多址、码分多址和时分多址相结合的方式，是指在带宽限制下，通过时分多址划分多个时隙，每个时隙通过码分多址划分为多个码分载波；用户节点向中心节点发送信息时，中心节点从到达时刻、扩频码、时隙3个维度区分不同用户；
所述群路解扩解调方法包括正交下变频环节、峰值捕获环节、峰值存储环节和载波恢复环节；其中：
在正交下变频环节，使用同一套硬件资源，把接收的每个用户的接入射频信号统一和本地载波进行正交混频，形成I路和Q路信号，I路和Q路信号分别进行匹配滤波，形成I路基带信号和Q路基带信号，送至峰值捕获环节；所述同一套硬件资源，包括1个正交下变频器和两个匹配滤波器；
在峰值捕获环节，两个相关预算器在码片时钟的驱动下，分别接收并缓存来自正交下变频环节的I路基带信号和Q路基带信号，缓存深度为1个码元的码片长度m；每经过1个码片周期，每个码片的存储位置向后移动1个地址，新输入的码片存储在最低地址位，缓存码片中最早输入的码片移出相关运算器；所述两个相关预算器在第一高倍时钟的驱动下，对I路基带信号和Q路基带信号分别进行相关运算；相关运算使用的本地扩频码来自扩频码存储器；扩频码存储器中存储多个扩频码，在1个码片周期内，扩频码存储器中存储的所有扩频码均和相关运算器中的各个码片进行1次相关运算；I路基带信号和Q路基带信号相关运算的结果经峰值分路器处理后，按照不同的接入用户分路输出至峰值存储环节；
在峰值存储环节，使用多个I路峰值存储器和Q路峰值存储器，每个峰值存储器接收并缓存来自峰值捕获环节的按用户存储的接入信号的码元峰值，缓存深度是用户接入信号的每个时隙的码元长度n；峰值存储环节存储的每个用户接入信号的码元峰值，分为I路峰值和Q路峰值两部分；每个峰值存储器存满码元峰值信息后，向载波恢复环节发送请求载波恢复信号；每个峰值存储器接收到载波恢复环节发送的载波恢复完成信号后，释放该峰值存储器的存储信息，并进行下一个用户接入信号峰值信息的存储；峰值存储环节中的I路峰值存储器和Q路峰值存储器循环使用；
在载波恢复环节，在第二高倍时钟的驱动下，对峰值存储环节的每个用户接入信号的码元峰值，进行载波误差提取；根据提取的载波误差对所述用户接入信号的码元峰值进行相位旋转运算，解调出各用户的接入信息；各用户接入信息在高倍时钟2的驱动下，按载波恢复完成顺序分时，然后在同一个输出接口输出；
所述第一高倍时钟为码片速率的a倍时钟，a为扩频码存储器中存储的扩频码数量；所述第二高倍时钟为第一高倍时钟的b倍，b为大于1的正整数。
该系统采用了如下处理方式：
（1）达分多址方式
达分多址方式是以在一个时隙内用户达到中心节点的时刻作为参数，区分不同的用户。如果一个用户到达中心节点时的时刻为第t个码片，则该用户信号中的后续码元到达时刻为kn+t，k为码元序号。即在kn+t时刻达到的码元均为同1个用户信息。可以看出，采用达分多址接入方式时，各用户信息需要在不同的码元时刻到达中心节点。
在实际使用中，可采用达分多址、码分多址、时分多址、频分多址、波分多址相结合的方式，从多个维度区分用户，增加用户向中心节点接入的效率。每增加一个接入维度，可以在通信资源不变的情况下，提高中心节点同时接入的用户数量，如图1所示。
在图1中，从4个维度区分用户。第一是频率维度，对应频分多址方式；以原点0为中心，以时间t轴为半径，顺时针旋转，旋转不同角度代表不同频率f；在不同旋转角度，即对应不同的频率，可分配给不同用户进行接入。第二是时间维度，对应时分多址方式；在频率维度的每个旋转角度上，可等效为一个时分多址、码分多址和达分多址相结合的平面，该平面以时间轴为坐标，划分为不同时隙，可分配给不同用户进行接入。第三维度是扩频码维度，对应码分多址方式；在每个时隙内，可等效为一个码分多址和达分多址相结合的单列子平面，该子平面把不同扩频码分配给不同用户进行接入。第四维度是达分中心节点时刻，对应达分多址方式；在每个扩频码资源面内，根据不同达到时刻t0、t1、t2等，划分为不同信道，分配给不同用户进行接入。
（2）群路解扩解调方法
在以卫星或者无人机等平台为中心接入节点的通信系统中，由于平台的重量、体积、功耗的严格受限，通信接入设备的算力也受到制约，不能够支持同时接入大量用户的信号处理。本公开使用群路解扩解调技术，通过综合利用硬件资源，利用高倍处理时钟分时处理多用户信息，提升硬件资源利用率，提高硬件资源总量不变情况下的同时接入系统的用户数量。
如图2所示，群路解扩解调过程分为4个环节，即正交下变频环节、峰值捕获环节、峰值存储环节和载波恢复环节。
图2中的正交下变频环节，包括1个正交下变频和两个匹配滤波模块，正交下变频模块接收多用户接入射频信号，并把接收的每个用户的接入射频信号，利用同一套硬件资源，统一和本地载波进行正交混频，形成I路和Q路信号分别送入两个匹配滤波模块；两个匹配滤波模块，分别对I路和Q路信号进行匹配滤波，形成I路基带信号和Q路基带信号，并把I路基带信号和Q路基带信号送至峰值捕获环节。
图2中的峰值捕获环节，包括两个相关预算器、1个扩频码存储器、1个捕获控制器、1个维持控制器和两个峰值分路器，如图3所示。所述峰值捕获环节的两个相关预算器在码片时钟的驱动下，分别接收并缓存来自正交下变频环节的I路基带信号和Q路基带信号，缓存深度为1个码元的码片长度m；每经过1个码片周期，每个码片的存储位置向后移动1个地址，新输入的码片存储在最低地址位，缓存码片中最早输入的码片移出相关运算器。所述两个相关预算器在高倍时钟1的驱动下，对I路基带信号和Q路基带信号分别进行相关运算；相关运算使用的本地扩频码来自扩频码存储器；扩频码存储器中存储多个扩频码，在1个码片周期内，扩频码存储器中存储的所有扩频码均和相关运算器中的各个码片进行1次相关运算。I路基带信号和Q路基带信号相关运算的结果经峰值分路器处理后，按照不同的接入用户分路输出至峰值存储环节。相关运算器的相关运算、扩频码存储器扩频码输出、峰值分路器峰值分路等操作在捕获控制器和维持控制器的控制下进行。
图2中的峰值存储环节，存在j个I路峰值存储器和Q路峰值存储器；每个峰值存储器接收并缓存来自峰值捕获环节的按用户存储的接入信号的码元峰值，缓存深度是用户接入信号的每个时隙的码元长度n。所述峰值存储环节存储的每个用户接入信号的码元峰值，分为I路峰值和Q路峰值两部分。每个峰值存储器存满码元峰值信息后，向载波恢复环节发送请求载波恢复信号；每个峰值存储器接收到载波恢复环节发送的载波恢复完成信号后，释放该峰值存储器的存储信息，并进行下一个用户接入信号峰值信息的存储。峰值存储环节中存在j个I路峰值存储器和Q路峰值存储器，循环使用。
图2中的载波恢复环节，详细组成如图4所示，在高倍时钟2的驱动下，对所述峰值存储环节的每个用户接入信号的码元峰值，进行载波误差提取；根据提取的载波误差对所述用户接入信号的码元峰值进行相位旋转运算，解调出各用户的接入信息；各用户接入信息，在高倍时钟2的驱动下，按载波恢复完成顺序分时在同一个输出接口输出。
所述高倍时钟1为码片速率的a倍时钟，a为扩频码存储器中存储的扩频码数量。
所述高倍时钟2为高倍时钟1的b倍，b为大于1的正整数；b值越大，能够同时接入的用户数量越多。
（3）峰值捕获环节细述
如图3所示，峰值捕获环节中，相关运算器的相关运算、扩频码存储器扩频码输出、峰值分路器峰值分路等操作在捕获控制器和维持控制器的控制下进行，对接入信号的捕获分为两个阶段，即捕获阶段和维持阶段。
所述捕获阶段，即捕获控制器在高倍时钟1的驱动下，控制扩频码存储器相继输出不同的扩频码；每个扩频码在相关运算器内完成相关运算后，再进行下一个扩频码的相关运算，直至每个扩频码均完成相关运算。所述捕获控制器在高倍时钟1的驱动下，把时隙内第一次进行相关运算的码片位置定义为0位置，每经过1个码片周期，码片位置加1。所述捕获控制器检测扩频码和捕获峰值,首次检测到某一用户信号的捕获峰值，记录此时码片位置为t；对同一扩频码的kn+t(k=0,1,2…)的码片位置连续发现r次峰值，即认为捕获信号，向维持控制器发送确认捕获信号，同时发送当前扩频码和峰值码片位置信号。其中k为码元序号，t为峰值码片位置，r为确认捕获次数；k和t均为非负整数，r为正整数。
所述维持阶段，即维持控制器在高倍时钟1的驱动下，接收到捕获控制器发送的确认捕获信号、当前扩频码信号和峰值码片位置信号后，向峰值分路器转发输出所述3个信号；输出1个时隙后，所述维持控制器停止向峰值分路器发送所述3个信号。
在所述维持阶段，所述峰值分路器接收所述维持控制器发送的确认捕获信号、当前扩频码信号和峰值码片位置信号后，根据同一个扩频码信号和同一类峰值码片位置信号共同确定为1个用户信号；把各用户信号的峰值相关运算结果按用户输出到载波恢复环节。
所述利用同一个扩频码信号和同一类码片位置信号共同确定1个用户信号，即把在同一个扩频码和码片位置为kn+t（k为0,1,2…）的相关峰值，确认为是同一个用户信号的相关峰值
（4）码片、码元和时隙的关系
如图5所示，1个时隙内的用户接入信号，由若干个码元组成，每个码元持续时间相同，1个码元持续时间即1个码元周期；每个码元由若干码片组成，每个码片持续时间相同，1个码片持续时间即1个码片周期。
所述用户接入信号即用户向中心节点发送的信号。
总之，本系统采用了达分多址接入方式，通过与其它多址方式的联合使用，在同等通信资源消耗下，可增加同时接入的用户数量。本系统还使用了群路解扩解调方法，通过综合利用硬件资源，利用高倍处理时钟分时处理多用户信息，提升硬件资源利用率，提高硬件资源总量不变情况下的同时接入系统的用户数量。
Claims (2)
1.用于大用户数量的达分多址接入和群路解扩解调系统，其特征在于，包括由用户节点和中心节点组成的星状通信网络，其中，中心节点为星状通信网络的中心，用户节点通过达分多址、码分多址和时分多址相结合的方式，向中心节点发送信息；中心节点采用群路解扩解调方法接收用户节点发送的信息；所述达分多址是指，采用扩频信号，利用不同用户到达通信中心节点的不同时刻，区分不同用户信息，其中，区分不同用户的时间分辨率为1个或多个码片周期；
所述达分多址、码分多址和时分多址相结合的方式，是指在带宽限制下，通过时分多址划分多个时隙，每个时隙通过码分多址划分为多个码分载波；用户节点向中心节点发送信息时，中心节点从到达时刻、扩频码、时隙3个维度区分不同用户；
所述群路解扩解调方法包括正交下变频环节、峰值捕获环节、峰值存储环节和载波恢复环节；其中：
在正交下变频环节，使用同一套硬件资源，把接收的每个用户的接入射频信号统一和本地载波进行正交混频，形成I路和Q路信号，I路和Q路信号分别进行匹配滤波，形成I路基带信号和Q路基带信号，送至峰值捕获环节；所述同一套硬件资源，包括1个正交下变频器和两个匹配滤波器；
在峰值捕获环节，两个相关运算器在码片时钟的驱动下，分别接收并缓存来自正交下变频环节的I路基带信号和Q路基带信号，缓存深度为1个码元的码片长度m；每经过1个码片周期，每个码片的存储位置向后移动1个地址，新输入的码片存储在最低地址位，缓存码片中最早输入的码片移出相关运算器；所述两个相关运算器在第一高倍时钟的驱动下，对I路基带信号和Q路基带信号分别进行相关运算；相关运算使用的本地扩频码来自扩频码存储器；扩频码存储器中存储多个扩频码，在1个码片周期内，扩频码存储器中存储的所有扩频码均和相关运算器中的各个码片进行1次相关运算；I路基带信号和Q路基带信号相关运算的结果经峰值分路器处理后，按照不同的接入用户分路输出至峰值存储环节；
在峰值存储环节，使用多个I路峰值存储器和Q路峰值存储器，每个峰值存储器接收并缓存来自峰值捕获环节的按用户存储的接入信号的码元峰值，缓存深度是用户接入信号的每个时隙的码元长度n；峰值存储环节存储的每个用户接入信号的码元峰值，分为I路峰值和Q路峰值两部分；每个峰值存储器存满码元峰值信息后，向载波恢复环节发送请求载波恢复信号；每个峰值存储器接收到载波恢复环节发送的载波恢复完成信号后，释放该峰值存储器的存储信息，并进行下一个用户接入信号峰值信息的存储；峰值存储环节中的I路峰值存储器和Q路峰值存储器循环使用；
在载波恢复环节，在第二高倍时钟的驱动下，对峰值存储环节的每个用户接入信号的码元峰值，进行载波误差提取；根据提取的载波误差对所述用户接入信号的码元峰值进行相位旋转运算，解调出各用户的接入信息；各用户的接入信息在第二高倍时钟的驱动下，按载波恢复完成顺序分时，然后在同一个输出接口输出；
所述第一高倍时钟为码片速率的a倍时钟，a为扩频码存储器中存储的扩频码数量；所述第二高倍时钟为第一高倍时钟的b倍，b为大于1的正整数。
2.根据权利要求1所述的用于大用户数量的达分多址接入和群路解扩解调系统，其特征在于，在峰值捕获环节中，对接入信号的捕获分为捕获阶段和维持阶段，相关运算器的相关运算、扩频码存储器扩频码输出、峰值分路器峰值分路的操作在捕获控制器和维持控制器的控制下进行；
其中，在捕获阶段，捕获控制器在第一高倍时钟的驱动下，控制扩频码存储器相继输出不同的扩频码；每个扩频码在相关运算器内完成相关运算后，再进行下一个扩频码的相关运算，直至每个扩频码均完成相关运算；所述捕获控制器在第一高倍时钟的驱动下，把时隙内第一次进行相关运算的码片位置定义为0位置，每经过1个码片周期，码片位置加1；捕获控制器检测扩频码和捕获峰值，首次检测到某一用户信号的捕获峰值，记录此时码片位置为t；对同一扩频码的kn+t的码片位置连续发现r次峰值，则认为捕获信号，向维持控制器发送确认捕获信号，同时发送当前扩频码和峰值码片位置信号；其中，k为码元序号，t为峰值码片位置，r为确认捕获次数；k和t均为非负整数，r为正整数；
在维持阶段，维持控制器在第一高倍时钟的驱动下，接收到捕获控制器发送的确认捕获信号、当前扩频码信号和峰值码片位置信号后，向峰值分路器转发输出这3个信号；输出1个时隙后，维持控制器停止向峰值分路器发送这3个信号；在维持阶段，峰值分路器接收维持控制器发送的确认捕获信号、当前扩频码信号和峰值码片位置信号后，根据同一个扩频码信号和同一类峰值码片位置信号共同确定1个用户信号，即把在同一个扩频码和码片位置为kn+t的相关峰值，确认为是同一个用户信号的相关峰值；把各用户信号的峰值相关运算结果按用户输出到峰值存储环节。
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