本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)，特別是涉及一種支持非正交的多址傳輸方法。

背景技術(shù)：

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的融合，移動(dòng)通信不僅僅要滿足人與人之間的通信的需求，還需要支持人與機(jī)器，機(jī)器與機(jī)器之間的通信，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信的終端數(shù)十分巨大時(shí)，巨連接場(chǎng)景由此產(chǎn)生。巨連接場(chǎng)景具有小數(shù)據(jù)包、海量終端數(shù)、低延時(shí)等特征。大量智能終端產(chǎn)生的短幀數(shù)據(jù)同時(shí)傳送到基站，會(huì)造成嚴(yán)重的擁塞。

目前的移動(dòng)通信系統(tǒng)的媒體訪問控制協(xié)議由于信令開銷過高、延時(shí)過長(zhǎng)等原因無法滿足巨連接場(chǎng)景的需求。由此本專利提出一種支持非正交的多址傳輸方法，發(fā)送端各用戶以非協(xié)調(diào)的方式各自發(fā)送數(shù)據(jù)，不同用戶之間是非正交傳輸，接收端采用更加復(fù)雜的方式檢測(cè)用戶數(shù)據(jù)，以此達(dá)到提高頻譜效率和增加連接數(shù)的目的。

因此在無線通信系統(tǒng)中，新型多址接入技術(shù)是滿足多個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行通信的必要手段。非正交多址接入的基本思想是在發(fā)送端采用非正交發(fā)送，在接收端采用專門設(shè)計(jì)的檢測(cè)算法來實(shí)現(xiàn)用戶的正確檢測(cè)，以提高接收機(jī)復(fù)雜度的代價(jià)來?yè)Q取頻譜效率和連接數(shù)的提高。

非正交多址接入的上行傳輸仍然采用正交頻分復(fù)用，子信道之間相互正交，互不干擾，但一個(gè)子信道不再只分配給一個(gè)用戶，而是多個(gè)用戶共享。同一子信道上不同用戶之間是非正交傳輸。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中不足的支持非正交的多址傳輸方法，滿足巨連接場(chǎng)景對(duì)高頻譜效率、高連接數(shù)和高性能傳輸?shù)囊蟆?/p>

技術(shù)方案：為達(dá)到此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明所述的支持非正交的多址傳輸方法，在發(fā)送端進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理包括：對(duì)于第n個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，n＝1,…N，N為用戶數(shù)目，首先經(jīng)過長(zhǎng)度為D_n的分塊，接著將每塊長(zhǎng)度為D_n的符號(hào)矢量通過完美能量擴(kuò)展變換矩陣P_n變換為長(zhǎng)度為T的信號(hào)矢量，T≥D_n；將所有用戶生成的T維信號(hào)矢量中選取維組成新矢量，并將新矢量映射到包含個(gè)無線資源單元的時(shí)頻資源塊上生成發(fā)送信號(hào)；其中，完美能量擴(kuò)展變換矩陣P_n滿足：

(1)每個(gè)元素的模相等；

(2)每個(gè)元素的相位均勻分布在[-π,π)之間；

(3)各列經(jīng)過T點(diǎn)序列離散時(shí)間傅里葉變換后每個(gè)元素模相等；

(4)各列經(jīng)過T點(diǎn)序列離散時(shí)間傅里葉變換后每個(gè)元素的相位均勻分布在[-π,π)之間；

(5)各列矢量正交；

(6)P_n≠P_m，其中P_m為第m個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，m≠n。

進(jìn)一步，用戶被分為G個(gè)不同的組，對(duì)于第n個(gè)用戶和第m個(gè)用戶，若兩個(gè)用戶在同一組，則為零矩陣；若兩個(gè)用戶在不同組，則矩陣滿足：

(1)每個(gè)元素的模相等；

(2)每個(gè)元素的相位均勻分布在[-π,π)之間；

(3)各列經(jīng)過T點(diǎn)序列離散時(shí)間傅里葉變換后每個(gè)元素模相等；

(4)各列經(jīng)過T點(diǎn)序列離散時(shí)間傅里葉變換后每個(gè)元素的相位均勻分布在[-π,π)之間。

進(jìn)一步，所述第n個(gè)用戶的完美能量擴(kuò)展變換矩陣P_n按照以下步驟生成：

S3.1：生成G個(gè)不同根且長(zhǎng)度為T的Zadoff-Chu序列，用表示其中第g個(gè)Zadoff-Chu序列，1≤g≤G；

S3.2：對(duì)每個(gè)分組，對(duì)進(jìn)行循環(huán)移位生成T-1個(gè)序列，構(gòu)成一個(gè)T×T的矩陣C_g；

S3.3：對(duì)于第g個(gè)用戶組A_g的用戶n，其完美能量擴(kuò)展變換矩陣P_n由C_g中抽取D_n列組成，并且該組不同用戶能量擴(kuò)展變換矩陣由C_g的不同列組成。

進(jìn)一步，所述T×T的矩陣C_g按照以下步驟生成：

S4.1：生成一個(gè)對(duì)角陣其對(duì)角元素是根為r_g、長(zhǎng)度為T的Zadoff-Chu序列；

S4.2：生成其中F_T表示大小為T×T的DFT變換矩陣。

進(jìn)一步，所述T×T的矩陣C_g按照以下方法生成：令再對(duì)循環(huán)移位，得到共T個(gè)序列組成矩陣其中為第t₁個(gè)序列，0≤t₁≤T-1。

進(jìn)一步，所述T取值為不小于的最小質(zhì)數(shù)。

進(jìn)一步，在接收端進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理包括：通過M根接收天線組成的天線陣列對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行接收，得到接收信號(hào)，利用接收信號(hào)和信道對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行估計(jì)，在檢測(cè)器和譯碼器之間傳遞軟信息多次迭代處理，還原出發(fā)送端的用戶數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步，所述接收端采用基于線性最小均方誤差準(zhǔn)則的檢測(cè)算法進(jìn)行多用戶聯(lián)合接收。

進(jìn)一步，所述接收端采用基于因子圖的近似消息傳遞迭代檢測(cè)算法進(jìn)行多用戶聯(lián)合接收。

進(jìn)一步，將每個(gè)用戶的維信號(hào)矢量映射到個(gè)連續(xù)時(shí)刻，并加入長(zhǎng)度為L(zhǎng)_CP的循環(huán)前綴，生成長(zhǎng)度的發(fā)送信號(hào)。

進(jìn)一步，將每個(gè)用戶的維信號(hào)矢量映射到個(gè)連續(xù)的OFDM子載波上，然后對(duì)映射到OFDM子載波上生成的信號(hào)進(jìn)行OFDM調(diào)制，即先對(duì)維信號(hào)矢量做反離散傅里葉變換,得到長(zhǎng)度為的時(shí)域信號(hào)，然后對(duì)時(shí)域信號(hào)加入長(zhǎng)度為L(zhǎng)_CP的循環(huán)前綴，生成發(fā)送信號(hào)矢量。

進(jìn)一步，每個(gè)用戶的維信號(hào)矢量映射到DFT擴(kuò)展OFDM的個(gè)連續(xù)符號(hào)上，再經(jīng)過DFT擴(kuò)展OFDM調(diào)制，生成發(fā)送信號(hào)矢量。有益效果：本發(fā)明公開了一種支持非正交的多址傳輸方法，能有效降低信令開銷，提高頻譜效率和連接數(shù)。并且提出了兩種多用戶接收方案，能夠有效恢復(fù)信號(hào)，降低復(fù)雜度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式的發(fā)送端用戶編碼調(diào)制擴(kuò)展過程的示意圖；

圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式的基于線性最小均方誤差準(zhǔn)則的檢測(cè)算法的多用戶聯(lián)合接收方法示意圖；

圖3為本發(fā)明具體實(shí)施方式的基于因子圖的近似消息傳遞迭代檢測(cè)算法的多用戶聯(lián)合接收方法示意圖；

圖4為本發(fā)明具體實(shí)施方式的系統(tǒng)因子圖的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的介紹。

本發(fā)明公開了一種支持非正交的多址傳輸方法，包括以下步驟：

S1：在發(fā)送端：如圖1所示，對(duì)于第n個(gè)用戶的數(shù)據(jù)——二進(jìn)制信息序列b_n，n＝1,…N，N為用戶數(shù)目，首先將二進(jìn)制信息序列b_n進(jìn)行信道編碼，然后對(duì)編碼后的信息序列c_n進(jìn)行QAM符號(hào)映射得到多個(gè)長(zhǎng)度為D_n的符號(hào)矢量s_n，接著將每塊長(zhǎng)度為D_n的符號(hào)矢量s_n通過完美能量擴(kuò)展變換矩陣P_n變換為長(zhǎng)度為T的信號(hào)矢量x_n，T≥D_n；將所有用戶生成的T維信號(hào)矢量中選取維組成新矢量，并將新矢量映射到包含個(gè)無線資源單元的時(shí)頻資源塊上生成發(fā)送信號(hào)；

S2：在接收端：通過M根接收天線組成的天線陣列對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行接收，得到接收信號(hào)，利用接收信號(hào)和信道對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行估計(jì)，在檢測(cè)器和譯碼器之間傳遞軟信息多次迭代處理，還原出用戶數(shù)據(jù)。接收端有兩種方法：基于線性最小均方誤差準(zhǔn)則的檢測(cè)算法的多用戶聯(lián)合接收和基于因子圖的近似消息傳遞迭代檢測(cè)算法的多用戶聯(lián)合接收。

其中，b_n、c_n、s_n和x_n滿足：K_c＝K_d/R+K_o，R∈[0,1]為碼率，K_d為二進(jìn)制信息序列的長(zhǎng)度，K_c為編碼序列長(zhǎng)度，K_o為編碼器帶來的冗余，為{0,1}，為復(fù)數(shù)域。

用戶被分為G個(gè)不同的組，對(duì)于第n個(gè)用戶和第m個(gè)用戶，若兩個(gè)用戶在同一組，則為零矩陣；若兩個(gè)用戶在不同組，則矩陣滿足：

(1)每個(gè)元素的模相等；

(2)每個(gè)元素的相位均勻分布在[-π,π)之間；

(3)各列經(jīng)過T點(diǎn)序列離散時(shí)間傅里葉變換后每個(gè)元素模相等；

(4)各列經(jīng)過T點(diǎn)序列離散時(shí)間傅里葉變換后每個(gè)元素的相位均勻分布在[-π,π)之間。

其中，第n個(gè)用戶的完美能量擴(kuò)展變換矩陣P_n滿足：

(1)每個(gè)元素的模相等；

(2)每個(gè)元素的相位均勻分布在[-π,π)之間；

(3)各列經(jīng)過T點(diǎn)序列離散時(shí)間傅里葉變換后每個(gè)元素模相等；

(4)各列經(jīng)過T點(diǎn)序列離散時(shí)間傅里葉變換后每個(gè)元素的相位均勻分布在[-π,π)之間；

(5)各列矢量正交；

(6)P_n≠P_m，其中P_m為第m個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，m≠n。

第n個(gè)用戶的完美能量擴(kuò)展變換矩陣P_n按照以下步驟生成：

S3.1：生成G個(gè)不同根且長(zhǎng)度為T的Zadoff-Chu序列，用c_g表示其中第g個(gè)Zadoff-Chu序列，1≤g≤G；

S3.2：對(duì)每個(gè)分組，對(duì)c_g進(jìn)行循環(huán)移位生成T-1個(gè)序列，構(gòu)成一個(gè)T×T的矩陣C_g；

S3.3：對(duì)于第g個(gè)用戶組A_g的用戶n，其完美能量擴(kuò)展變換矩陣P_n由C_g中抽取D_n列組成，并且該組不同用戶能量擴(kuò)展變換矩陣由C_g的不同列組成。

T×T的矩陣C_g可以按照以下步驟生成：

S4.1：生成一個(gè)對(duì)角陣其對(duì)角元素是根為r_g、長(zhǎng)度為T的Zadoff-Chu序列；

S4.2：生成其中F_T表示大小為T×T的DFT變換矩陣。

T×T的矩陣C_g還可以按照以下步驟生成：

S5.1：生成根為r_g，長(zhǎng)度為T的Zadoff-Chu序列其中0≤t₁≤T-1；

S5.2：對(duì)循環(huán)移位，得到T₀個(gè)序列組成矩陣

步驟S1中，將新矢量映射到包含個(gè)無線資源單元的時(shí)頻資源塊上生成發(fā)送信號(hào)包括三種方式：

第一種方式是用步驟S5.1和S5.2得到的C_g生成完美能量擴(kuò)展變換矩陣P_n，將每塊長(zhǎng)度為D_n的符號(hào)矢量s_n通過完美能量擴(kuò)展變換矩陣P_n變換為長(zhǎng)度為T的信號(hào)矢量x_n，x_n＝P_ns_n，T≥D_n，在長(zhǎng)度為T的信號(hào)矢量x_n中選取長(zhǎng)度為的矢量，映射到個(gè)連續(xù)時(shí)刻，并加入長(zhǎng)度為L(zhǎng)_CP的循環(huán)前綴，生成T+L_CP長(zhǎng)度的信號(hào)矢量。

第二種方式是用步驟S5.1和S5.2得到的C_g生成完美能量擴(kuò)展變換矩陣P_n，將每塊長(zhǎng)度為D_n的符號(hào)矢量s_n通過完美能量擴(kuò)展變換矩陣P_n變換為長(zhǎng)度為T的信號(hào)矢量x_n，x_n＝P_ns_n，T≥D_n，在長(zhǎng)度為T的信號(hào)矢量x_n中選取長(zhǎng)度為的矢量，映射到個(gè)連續(xù)OFDM子載波，對(duì)信號(hào)做IDFT變換到時(shí)域，并加入長(zhǎng)度為L(zhǎng)_CP的循環(huán)前綴，生成T+L_CP長(zhǎng)度的信號(hào)矢量。

第三種方式是用步驟S4.1和S4.2得到的C_g生成完美能量擴(kuò)展變換矩陣P_n，將每塊長(zhǎng)度為D_n的符號(hào)矢量s_n通過完美能量擴(kuò)展變換矩陣P_n變換為長(zhǎng)度為T的信號(hào)矢量x_n，x_n＝P_ns_n，T≥D_n，在長(zhǎng)度為T的信號(hào)矢量x_n中選取長(zhǎng)度為的矢量，映射到DFT擴(kuò)展OFDM的個(gè)連續(xù)符號(hào)，再經(jīng)過DFT擴(kuò)展OFDM調(diào)制，生成發(fā)送信號(hào)矢量。

N個(gè)用戶各自向基站發(fā)送數(shù)據(jù)x_n，不存在通道不一致的情況下，上行傳輸基站端接收信號(hào)可以表示為：

其中為基站側(cè)接收的頻域信號(hào)，為用戶_n的發(fā)送信號(hào)，為用戶_n的信道矩陣，為加性高斯白噪聲，為噪聲方差。

下面分別介紹一下基于線性最小均方誤差準(zhǔn)則的檢測(cè)算法的多用戶聯(lián)合接收方法和基于因子圖的近似消息傳遞迭代檢測(cè)算法的多用戶聯(lián)合接收方法。

1、基于線性最小均方誤差準(zhǔn)則(LMMSE)的檢測(cè)算法的多用戶聯(lián)合接收方法，過程如圖2所示。

接收信號(hào)可表示為：

對(duì)于用戶i來說，H_iP_is_i代表有效信號(hào)項(xiàng)，為干擾加噪聲項(xiàng)。對(duì)用戶i的符號(hào)向量s_i進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)LMMSE準(zhǔn)則，估計(jì)值為：

其中：_α為歸一化參數(shù)，其數(shù)值上等于矩陣對(duì)角線上元素的平均數(shù)，為s_j的平均自協(xié)方差。

估計(jì)誤差：服從

其中，為y的均值，為s_i的自協(xié)方差。

以4QAM為例，LMMSE內(nèi)迭代具體步驟如下：

表1.LMMSE內(nèi)部迭代

其中L_E,I(s_n,k,I)和L_E,Q(s_n,k,Q)分別代表實(shí)部和虛部，s_i,k為用戶i的第k個(gè)符號(hào)。

L_E(s_i,k)輸入譯碼器，進(jìn)行軟譯碼處理，得到軟信息L_D(s_i,k)，更新均值符號(hào)向量均值和方差返回譯碼器進(jìn)行迭代處理，直到達(dá)到外迭代次數(shù)N_{o_iter}。

其中：L(s_n,k)為用戶_n的第k個(gè)符號(hào)軟信息。

2、基于因子圖的近似消息傳遞(AMP)迭代檢測(cè)算法的多用戶聯(lián)合接收方法，過程如圖3所示。

系統(tǒng)因子圖如圖4所示。

首先根據(jù)接收信號(hào)對(duì)x_n進(jìn)行估計(jì)，對(duì)于第k個(gè)資源塊，接收信號(hào)y(k)＝H(k)x(k)+w(k)，其中對(duì)個(gè)資源塊上的數(shù)據(jù)依次估計(jì)。

其次根據(jù)估計(jì)出的根據(jù)以下關(guān)系對(duì)s_n進(jìn)行估計(jì)：

x_n＝P_ns_n

根據(jù)估計(jì)值得到{L_E(s_i,k)}輸入譯碼器，進(jìn)行軟譯碼處理，得到軟信息{L_D(s_i,k)}，再更新均值符號(hào)向量均值和方差進(jìn)行循環(huán)迭代。

基于因子圖的迭代檢測(cè)算法如表2所示：

表2.基于因子圖的迭代檢測(cè)算法