CN1571414A - 多用户块传输通信发射方法和接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新的多用户块传输通信系统的发射方法和接收方法。在发射方法中，是将Nu个用户的数据都以K个符号为单位进行分割，再将每个用户的K个符号都在时域上重复N遍，分别形成Nu个长为M的梳状频谱符号序列，对这些序列进行正交载波调制使各个用户符号序列的频谱互不混叠，再将这Nu个符号序列叠加得到长为M的数据块，完成分块和多址接入步骤。相应地，在接收方法中，根据所要接收的用户所占的频谱，进行多址分离，得到所需用户的K个符号信息。采用本发明的技术方案，在发射端利用正交载波调制进行多址接入，在接收端就可以先利用复杂度很低的跳相关操作将用户数据分离出来，从而大大降低后续处理的复杂度。

Description

多用户块传输通信发射方法和接收方法

技术领域：

本发明涉及一种新的多用户块传输通信系统的设计，尤其涉及其中的发射方法和接收方法。

背景技术：

如图3所示，是传统的单载波循环前缀的块传输(Single Carrier Cyclic prefix blocktransmission)通信系统，即SC-CP通信系统的信号发射及接收示意图。在发射机13方，数据通过分割数据块装置11分割成长为M个符号的数据块，再通过添加循环前缀装置12添加长为L的循环前缀，经载波调制后发射；信号通过频率选择性衰落信道14后经接收机19接收；接收机首先通过分割数据块装置15根据同步信息将接收到的数据分割成长为M+L个符号的数据块，再通过去除循环前缀装置16去除循环前缀，得到发射数据与信道圆周卷积所得的接收数据，再通过均衡装置17进行均衡，得到所需的数据符号，最后通过解调判决装置18得到所需的二进制信息。

上述传统的SC-CP系统，具有低峰均比(Peak to Average Rate，PAR)，对频偏不敏感，能获得频率分集的优点，但是它存在以下缺点：(1).它对多址接入方式有很大限制，只能用时分多址(TDMA)。(2).接收端的均衡复杂度随数据块长度变长而增大，而为了保证带宽效率，循环前缀的长度占用整个数据块长度的比例必须很小，因此，数据块的长度必须很长，这样就引入了高复杂度的均衡。

发明内容：

本发明针对上述传统的SC-CP系统的问题，利用OFDM的频分正交的概念，提出了一种新的多用户块传输通信系统方案。该方案使得每个用户数据的频谱只占整个频带的一部分，从而降低均衡复杂度；同时保证每个用户能获得最大的频率分集，不降低误码率性能；另外虽然本发明使用的是正交频分的概念，但相对于OFDM技术，本发明所设计系统具有很低的PAR。

本发明的目的是提供一种新的多用户块传输通信系统的发射方法。

本发明的另一目的是提供一种新的多用户块传输通信系统的接收方法。

采用本发明所提出的多用户块传输通信系统的发射方法和接收方法，即可实现一种新的多用户块传输通信系统，我们称之为循环前缀梳状谱分多址块传输通信系统(Cyclic Prefix Comb Spectrum Division Multiple Access Block Transmission)，即CP-CSDMA系统。

本说明书中所用字母含义为：M为数据块中信息符号的个数，K为数据块中每个用户的信息符号的个数，N为数据块中用户数据重复的次数，M＝NK，Nu为数据块中包含的用户个数，N_u≤N。

本发明的技术方案如下：

多用户块传输通信发射方法，包括以下步骤：

(1)调制步骤：根据需要的调制方式，对数据进行二进制数字调制，即将二进制信息调制为符号；所述调制方式可以采用BPSK/QPSK或QAM等方式；

(2)分块和多址接入步骤：将Nu个用户的数据都以K个符号为单位进行分割；再将每个用户的K个符号都在时域上重复N遍，分别形成Nu个长为M的梳状频谱符号序列，图1示出了对一个用户的符号序列在K＝4、N＝4、M＝16时进行重复操作的例子；对上述Nu个用户符号序列进行正交载波调制，使各个用户符号序列的频谱互不混叠；再将这Nu个符号序列叠加得到长为M的数据块；

(3)添加循环保护位步骤：对要发送的数据块添加长为L的循环保护位，L为正整数；可参见中国专利公开说明书CN1449144A。

(4)发射步骤：将数据符号经载波调制后发射。

相应的，多用户块传输通信接收方法，包括以下步骤：

(1)接收步骤：通过接收天线接收通过信道后的信号，并进行下变频，获得基带信号。

(2)块分割步骤：根据同步信息和数据块的长度将数据进行分块，得到长为M+L的数据块，L为发射时添加的循环保护位的长度。

(3)去除循环保护位步骤：去掉数据块的循环保护位，得到长为M的数据块。

(4)多址分离步骤：根据所要接收的用户所占的频谱，进行多址分离，得到所需用户的K个符号信息；

(5)均衡步骤：根据估计所得的信道对多址分离后的K个符号信息进行均衡(例如迫零(ZF)均衡和最小均方误差均衡(MMSE))，获得所需用户的K个数据符号。

(6)解调判决步骤：根据发射端采用的调制方式对所得的数据符号进行解调判决，得到二进制信息。

上述的多用户块传输通信发射方法，所述步骤(2)中采用的正交载波调制方法是：将各个用户频谱的零频分别调制到0，ω₀，2ω₀，......，(Nu-1)ω₀上，其中 ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{MT}}_s},$ T_s为符号持续时间，图2示出了K＝4、N＝4、M＝16、Nu＝4的例子。

相应的，上述多用户块传输通信接收方法，所述步骤(4)采用的多址分离方法是跳相关，即先对接收到的数据块进行下变频，得到所需用户的基带信号；然后将数据块进行以K为间距的等间距叠加，剩下所需要的用户符号信息。

利用本发明的发射方法和接收方法实现的CP-CSDMA系统，具有如下优点：在发射端利用正交载波调制进行多址接入，这样在接收端就可以先利用复杂度很低的跳相关操作将用户数据分离出来，将所需要的用户数据转换成一个相对很小的数据块，再对该数据块进行处理，例如均衡，从而大大降低了均衡的复杂度。另外，每个用户数据虽然占用了K个频点，但是在时域上具有等功率分布，所以该系统的峰均比很低。

附图说明：

下面参照附图说明根据本发明的优选实施例，图中相同的参考标号表示相同或类似的部件。

图1示出对一个用户的符号序列进行重复N次的操作，其中图1(a)示出重复前的符号序列，图1(b)示出重复后的符号序列，其中，K＝4，N＝4，M＝16；

图2示出本发明所设计系统各用户信号经过正交载波调制后的梳状频谱分布，其中，K＝4，N＝4，M＝16，Nu＝4；

图3示出传统的SC-CP通信系统的结构框图；

图4示出本发明所设计CP-CSDMA通信系统的结构框图；

图5示出CP-CSDMA系统的均衡复杂度与传统的SC-CP系统的比较，其中，M＝64；

图6示出仿真所得CP-CSDMA系统与OFDM系统的峰均比比较，其中，M＝64；

图7示出仿真所得CP-CSDMA系统与传统的SC-CP系统误比特率性能比较，其中M＝64。

具体实施方式：

参照图4介绍一下本发明所设计的CP-CSDMA通信系统。

在发射机13方，Nu个用户的数据通过分割数据块装置11分割成Nu个长为K个符号的数据块，再通过装置21重复N遍，得到Nu个长为M的数据块，然后再通过装置22进行正交载波调制和叠加，得到满足梳状谱条件的长为M个符号包含Nu个用户符号信息的数据块，最后通过添加循环前缀装置12添加长为L的循环前缀，经载波调制后发射；信号通过频率选择性衰落信道14后经接收机19接收；接收机首先通过分割数据块装置15根据同步信息将接收到的数据切割成长为M+L个符号的数据块，再通过取出循环前缀装置16去除循环前缀，得到发射数据与信道圆周卷积所得的接收数据，再通过跳相关装置23将所需用户数据进行分离，得到所需用户数据与信道的圆周卷积，然后再通过均衡装置17进行均衡，得到所需用户的数据符号，最后通过解调判决装置18得到所需的二进制信息。

下面通过数学表达式具体介绍本专利的原理：

在该数学模型中，采用数据块长度为M个符号，每个数据块用户数为Nu，每个用户K个符号，重复次数为N，M＝NK。

1.信号发射方法

设：S_k ⁽ⁿ⁾是第n个用户的第k个符号，则未加循环前缀前的数据块为：

$B\left(m\right)=\underset{n=0}{\overset{N_u-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{mod}(m,K)}^{\left(n\right)}{e}^{\mathrm{jnm}{\mathrm{\ω}}_0}--m=\mathrm{0,1},......,M-1---\left(1\right)$

式中m为发射信号的时间序号， ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{MT}}_s},$ T_s为符号持续时间，mod(m，K)表示m除以K所得的余数。数据块用向量表示为：

             B＝[B(0)，B(1)，…，B(M-1)]                     (2)

添加长度为L循环前缀后数据块的数学表达式为：

2.频率选择性衰落径信道

设：一个频率选择性衰落信道宽带脉冲响应特性为：

$h\left(t\right)=\underset{l=0}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{h}_1\mathrm{\δ}(t-l{T}_s)---\left(4\right)$

式中T_s和l分别代表一个符号所持续的时间和时延序号，L为径数。

信道的离散模型用向量表示为

            h＝[h₀，h₁，…，h_L-1]               (5)

3.信号接收方法

在接受端去除了循环前缀后所得的一个数据块B_r相当于没有前缀的原始数据块与信道的圆周卷积，其数学表达式可表示为：

$\stackrel{\‾}{B_r}=\stackrel{\‾}{B}\⊗\stackrel{\‾}{h}+\stackrel{\‾}{\mathrm{Noise}}$

      表示圆周卷积， Noise为系统噪声向量       (6)

信号通过多址分离装置即跳相关装置的数学表达式为

$B_g\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{B}_r(\mathrm{nK}+k)e^{-j{n}_0(\mathrm{nK}+k){\mathrm{\ω}}_0}--k=\mathrm{0,1,2},...,K-1---\left(7\right)$

式中B_g表示多址分离后所得的数据，n₀＝0，1，2，......，N-1，为所要分离出来的用户序号。

将式(1)、(2)和式(6)带入式(7)，得

$B_g\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}(\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}R{\left[B(\mathrm{nK}+k-l)\right]}_{M}h\left(l\right)+\mathrm{Noise}(\mathrm{nK}+k-l))e^{-j{n}_0(\mathrm{nK}+k){\mathrm{\ω}}_0}$

$=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{h}_l\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}R[\underset{n^{\′}=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{mod}(\mathrm{nK}+k-l,K)}^{\left(n^{\′}\right)}{e}^{j{n}^{\′}(\mathrm{nK}+k-l){\mathrm{\ω}}_0}{]}_M{e}^{-j{n}_0(\mathrm{nK}+k){\mathrm{\ω}}_0}+\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Nouse}(\mathrm{nK}+k-l)e^{-j{n}_0(\mathrm{nK}+k){\mathrm{\ω}}_0}---\left(8\right)$

$=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{h}_l\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}R[S_{\mathrm{mod}(\mathrm{nK}+k-l,K)}^{\left(n_0\right)}{]}_M+\mathrm{Nois}{e}^{\′}\left(k\right)$

$=N\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{l}R{\left[S_{k-l}^{\left(n_0\right)}\right]}_K+N{\mathrm{oise}}^{\′}\left(k\right)$

式中R[]_M表示以M为总长度的循环移位，Noise′表示跳相关后的噪声。用向量表示上式为：

$\stackrel{\‾}{B_g}=N\stackrel{\‾}{S^{\left(n_0\right)}}\⊗\stackrel{\‾}{h}---\left(9\right)$

式中 $\stackrel{\‾}{B_g}=[B_g\left(0\right),B_g\left(1\right),\·\·\·,B_g(K-1)],$ $\stackrel{\‾}{S^{\left(n_0\right)}}=[S_0^{\left(n_0\right)},S_1^{\left(n_0\right)},\·\·\·,S_{K-1}^{\left(n_0\right)}].$

也就是说，经过多址分离后的数据为所要分离的用户符号序列与信道之间的圆周卷积，这样下面我们就可以使用频域均衡得到该用户的数据符号。如果使用的是MMSE均衡，则其数学表达式为：

$\stackrel{\‾}{B_{\mathrm{ef}}}=\frac{{\stackrel{\‾}{H}}^{*}}{\stackrel{\‾}{H}+\mathrm{\σ}/s}\stackrel{\‾}{B_{\mathrm{gf}}}---\left(10\right)$

式中 表示均衡后的频域数据符号向量， H表示 h的K点FFT变换， 为

的FFT变换。再对上式进行IFFT变换，可得时域数据符号向量

$\stackrel{\‾}{B_e}=N\stackrel{\‾}{S^{\left(n_0\right)}}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{Noise}}^{\′\′}}+\stackrel{\‾}{{\mathrm{ISI}}_r}---\left(11\right)$

式中 Noise″表示均衡后的系统噪声，

表示均衡后的残留符号间串扰。

再对上式进行解调判决，即可得到所需用户的二进制信息。

4.接收端复杂度分析

传统的SC-CP系统在保证各用户数据所占带宽不变且带宽效率不下降的前提下，都必须进行整个数据块长度的均衡，即必须实现长为M的频域均衡，复杂度为2Mlog₂(M)+3M，而本发明通过梳状频谱区分用户，不降低各用户的带宽，且保持数据块长度不变，保证了带宽效率，在接收端通过简单的跳相关操作区分用户后，只用均衡所需用户的K个符号，即只需进行长为K的频域均衡，复杂度为2Klog₂(K)+3K，因此复杂度大大降低，图5示出了M＝64时上述两系统在不同的N下的均衡复杂度的比较。

5.仿真结果

(1)仿真条件

采用Matlab编程，在WindowsXP下实施本发明所设计的系统的仿真，以MMSE均衡处理信号为例，而且作为比较，还进行了相同频带条件下的SC-CP系统和OFDM系统的性能仿真。仿真包括本发明所设计系统的峰均比和下行信道误比特率特性，并分别与OFDM系统的峰均比和传统的SC-CP系统的误比特率进行了比较。

系统的信息符号为QPSK调制。未加循环前缀的数据块长度为M＝64个符号，每个数据块内包含Nu个用户的数据，每个用户K个符号，重复次数为N＝M/K，循环前缀长度等于时延扩展宽度。

频率选择性衰落信道各径系数h_i为独立同分布的瑞利随机数，相位服从[0，2π]均匀分布，时延扩展宽度为L个符号。

(2)仿真结果

图6给出了本发明所设计CP-CSDMA系统的峰均比随同时发送的用户数Nu变化的变化曲线，并与传统的OFDM系统的峰均比进行了比较。可见，随着Nu的增大，CP-CSDMA系统峰均比逐渐增大，其上界是OFDM系统的峰均比。

图7给出了使用MMSE均衡的本发明系统误比特率仿真结果，并与传统SC-CP系统的误码率进行了比较。由图可见本发明的CP-CSDMA系统的性能与传统的SC-CP系统性能很接近，能够获得很好的频率分集；而根据前文的讨论，本发明的系统接收端复杂度远远低于传统的SC-CP系统，所以本发明在降低系统复杂度的前提下性能没有很大下降，具有明显的技术优势。

尽管在上文中以及参照本发明的优选实例对本发明的原理和实现方式进行了详细的描述，但是本领域的普通技术人员在不脱离本发明范围的情况下可以做出各种变形和改进。例如，本书明书中系统发射机也可以用FFT方式实现；本说明书中以均衡的方法处理用户信号，但是也可以使用多用户检测、最大似然法等方法。这些变形和改进实例不脱离本发明权利要求书中所规定的本发明的范围。

Claims (4)

1.多用户块传输通信发射方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)调制步骤：根据需要的调制方式，对数据进行二进制数字调制，即将二进制信息调制为符号；

(2)分块和多址接入步骤：将Nu个用户的数据都以K个符号为单位进行分割；再将每个用户的K个符号都在时域上重复N遍，分别形成Nu个长为M的梳状频谱符号序列；对上述Nu个用户符号序列进行正交载波调制，使各个用户符号序列的频谱互不混叠；再将这Nu个符号序列叠加得到长为M的数据块；

(3)添加循环保护位步骤：对要发送的数据块添加长为L的循环保护位，L为正整数；

(4)发射步骤：将数据符号经载波调制后发射；

其中，M为数据块中信息符号的个数，K为数据块中每个用户的信息符号的个数，N为数据块中用户数据重复的次数，M＝NK，Nu为数据块中包含的用户个数，N_u≤N。

2.如权利要求1所述的多用户块传输通信发射方法，其特征在于所述步骤(2)中采用的正交载波调制方法是：将各个用户频谱的零频分别调制到0，ω₀，2ω₀，......，(Nu-1)ω₀上，其中 ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{MT}}_s},$ T_s为符号持续时间。

3.多用户块传输通信接收方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)接收步骤：通过接收天线接收通过信道后的信号，并进行下变频，获得基带信号；

(2)块分割步骤：根据同步信息和数据块的长度将数据进行分块，得到长为M+L的数据块，L为发射时添加的循环保护位的长度；

(3)去除循环保护位步骤：去掉数据块的循环保护位，得到长为M的数据块；

(4)多址分离步骤：根据所要接收的用户所占的频谱，进行多址分离，得到所需用户的K个符号信息；

(5)均衡步骤：根据估计所得的信道对多址分离后的K个符号信息进行均衡，获得所需的K个数据符号；

(6)解调判决步骤：根据发射端采用的调制方式对所得的数据符号进行解调判决，得到二进制信息；

其中，M为数据块中信息符号的个数，K为数据块中每个用户的信息符号的个数。

4.如权利要求3所述的多用户块传输通信接收方法，其特征在于，所述步骤(4)采用的多址分离方法是跳相关，即先对接收到的数据块进行下变频，得到所需用户的基带信号；然后将数据块进行以K为间距的等间距叠加，剩下所需要的用户符号信息。

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