CN103841065B - 非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***及方法 - Google Patents

Abstract

非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***及方法，属于通信技术领域，其特征在于，在发送端，多个用户采用非正交方式接入***，将信号分别进行信道编码、编码符号映射、交织和调制处理；在接收端，将接收信号分别乘以各个用户的特征序列，先后经过多用户检测、解调、解交织和译码处理，然后将输出结果再次进行多用户检测，实现迭代过程。本方法基于消息传递思想，将译码器的输出软信息直接送入多用户检测中，实现译码与多用户检测的联合迭代处理。在线性计算复杂度下，本发明可以实现很好的干扰消除性能，并且有效地较低了环境噪声和干扰对信号信息的影响，得到了较好的误码性能和更可靠的传输效果，同时本发明可以实现多用户干扰消除和译码的联合进行，有利于并行结构的实现。

Description

非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***及方法

技术领域

非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***及方法属于通信技术领域，特别涉及多用户通信***中的一种非正交多用户接入以及消除用户间干扰的联合接收解调译码***与方法。

背景技术

为了降低成本和高效地利用通信***的资源，现有通信***一般采用码分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)、交织多址(Interleaver Division MultipleAccess，IDMA)等非正交接入方式来区分不同的用户，随着用户数目的增加，用户间干扰会增加，从而整个通信***的性能下降。

消除多用户间干扰的一类传统方法是将用户间干扰看作加性噪声，独立地检测各个用户的信息，***性能严重受限于干扰。另一类方法是多用户检测，不再将干扰当噪声处理，而是将其视作具有一定结构的信息，具体是利用地址码之间的相关特性，抑制甚至消除多址干扰的影响。

根据算法是否线性，可以将现有的多用户检测算法分为线性多用户检测算法和非线性多用户检测算法。线性多用户检测算法是对传统的匹配滤波器的输出向量y做一个线性运算L，以消除多址干扰的影响。这种方法涉及到矩阵求逆运算，计算复杂度通常比较高。非线性多用户检测算法的基本思想是干扰消除，即重构已经检测的用户信号，将其从接收信号中消除后再检测其他用户。这种方法会造成误差的传播，带来较大的延时。

本发明提出了非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***及方法。该算法的主要思想是在发送端，多个用户采用非正交方式接入***，在接收端，基于消息传递思想，将译码器的输出软信息直接送入多用户检测中，实现译码与多用户检测的联合迭代处理。在线性计算复杂度下，本发明可以实现很好的干扰消除性能。

发明内容

本发明的目的是提供非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***及方法。在发送端，多用户采用非正交方式接入，在接收端，采用消息传递机制，实现译码与多用户检测的联合迭代处理。本发明适用于非正交接入的多用户通信***，其目的是降低用户间干扰，提高传输的性能。

非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***，其特征在于，分为两大***，一是多用户非正交接入及发送***，一是多用户信号的联合接收解调译码***，其中:

(1)多用户非正交接入及发送***，设有信道编码模块、编码符号映射模块、交织模块以及调制模块，其中：

信道编码模块：对第k个用户的信息序列b_k进行信道编码，k＝1,2,…,K，经过信道编码后输出序列c_k，L为编码之后序列c_k的长度；

编码符号映射模块：把所述序列c_k中的每一个符号分别映射为长度均为N的特征序列p_k，N为大于或等于1的自然数，p_k＝{z₁,z₂,...,z_N}，z_i∈{1,-1}，i＝1,2,…,N，i为特征参数z的序号，N为特征参数的个数，符号的映射规则按照1→p_k，0→-p_k，映射后序列为r_k；

交织模块：把输入的所述序列r_k进行交织，得到序列v_k；

调制模块：把输入的所述序列v_k进行调制，得到序列u_k，发送到接收端；

(2)多用户信号的联合接收解调译码***，设有：多用户联合检测模块、解调和解交织模块以及译码模块：

首先将第k个用户的接收序列y_k[n]逐符号乘以各个用户的特征序列p_k，得到第k个用户的观测节点其中K为用户的个数，k＝1,2,...,K，n是各符号的接收时刻，n＝1,2,...,N'，N'＝NL，L为编码之后的序列c_k的长度，N为特征序列p_k的长度，l＝1,2,...,L，将作为多用户联合检测模块的输入，进入迭代过程；

多用户联合检测模块，依照如下步骤检测：

a，初始化，设定：T为迭代次数，t为本次迭代次数，t＝1,2,...,T，i＝1,2,...,K，j＝1,2,...,K，K为用户的个数，初始时，由第i个用户在时刻n的符号节点x_i[n]向第j个用户的观测节点传递的消息在x_i[n]＝1时为在x_i[n]＝-1时为

b，计算第t次迭代过程中由第i个用户的符号节点x_i[n]向第j个用户的观测节点传递的消息

表示除去第i个和第j个用户，其余第1到第k个用户的观测节点向第i个用户的符号节点传递的消息的连续乘积，

c，根据上式分别计算的均值和方差

其中，α_i表示发送符号集合{-1,1}，

d，计算第t次迭代过程中第j个用户的观测节点向第i个用户的符号节点x_i[n]传递消息的均值和方差

其中表示第j个用户的观测节点与第i个用户的符号节点x_i[n]之间的等效信道增益，σ²表示高斯白噪声的方差，

e，基于上述均值和方差采用高斯近似，计算在第t次迭代过程中，第j个用户的观测节点向第i个用户的符号节点x_i[n]传递的消息

exp表示后面的内容是e的指数，而表示在第t次迭代过程中第j个用户的观测节点与第i个用户的符号节点之间的等效信道增益，

解调和解交织模块：根据计算得到在第t次迭代过程中第i个用户的符号节点x_i[n]向译码器的输入节点传递的消息

其中，n＝1,2,…,N'，N'＝NL，l＝1,2,…,L，

根据上式，进一步得到译码器的输入消息

“dec”是译码器decoder的简写，表示从译码器的输入节点传入到译码器，

译码模块：将所述译码器的输入节点向译码器传递的消息映射为对数似然比的形式，判决得到相应的各个用户的信息比特序列

重复上述多用户检测模块至译码模块之间的步骤直至t＝T为止；

其中：

所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***，信道编码模块中，编码方式采用卷积码、LDPC码、Turbo码、Turbo乘积码中的任何一种。

所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***，调制模块中，采用正交振幅调制(QAM)、四相相移键控信号(QPSK)、多进制数字相位调制(MPSK)中的任何一种调制方式。

所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***，交织模块中，采用分组交织器、卷积交织器或随机交织器中的一种。

非正交多用户接入发送及联合接收解调译码方法，分为两大步骤，一是多用户非正交接入及发送，一是多用户信号的联合接收解调译码:

(1)多用户非正交接入及发送步骤，具体包括信道编码、编码符号映射、交织和调制，发送端对每个用户按以下具体步骤操作：

信道编码：对第k个用户的信息序列b_k进行信道编码，k＝1,2,…,K，经过信道编码后输出序列c_k，L为编码之后序列c_k的长度；

编码符号映射：把所述序列c_k中的每一个符号分别映射为长度均为N的特征序列p_k，N为大于或等于1的自然数，p_k＝{z₁,z₂,...,z_N}，z_i∈{1,-1}，i＝1,2,…,N，i为特征参数z的序号，N为特征参数的个数，符号的映射规则按照1→p_k，0→-p_k，映射后序列为r_k；

交织：把输入的所述序列r_k进行交织，得到序列v_k；

调制：把输入的所述序列v_k进行调制，得到序列u_k，发送到接收端；

(2)多用户信号的联合接收解调译码步骤，包括多用户联合检测、解调和解交织、译码：

首先将第k个用户的接收序列y_k[n]逐符号乘以各个用户的特征序列p_k，得到第k个用户的观测节点其中K为用户的个数，k＝1,2,3,...,K，n是各符号的接收时刻，n＝1,2,...,N'，N'＝NL，L为编码之后的序列c_k的长度，N为特征序列p_k的长度，l＝1,2,...,L，将作为多用户联合检测模块的输入，进入迭代过程；

多用户联合检测，依照如下步骤：

a，初始化，设定：T为迭代次数，t为本次迭代次数，t＝1,2,...,T，i＝1,2,...,K，j＝1,2,...,K，K为用户的个数，初始时，由第i个用户在时刻n的符号节点x_i[n]向第j个用户的观测节点传递的消息在x_i[n]＝1时为在x_i[n]＝-1时为

b，计算第t次迭代过程中由第i个用户的符号节点x_i[n]向第j个用户的观测节点传递的消息

表示除去第i个和第j个用户，其余第1到第k个用户的观测节点向第i个用户的符号节点传递的消息的连续乘积，符号“Π”表示连乘,p表示K中某个用户，符号“∩”表示‘并且’的意思，

c，根据上式分别计算的均值和方差

其中，α_i表示发送符号集合{-1,1}；

d，计算第t次迭代过程中第j个用户的观测节点向第i个用户的符号节点x_i[n]传递消息的均值和方差

其中表示第j个用户的观测节点与第i个用户的符号节点x_i[n]之间的等效信道增益，σ²表示高斯白噪声的方差，

e，基于上述均值和方差采用高斯近似，计算在第t次迭代过程中，第j个用户的观测节点向第i个用户的符号节点x_i[n]传递的消息

解调和解交织：根据计算得到在第t次迭代过程中第i个用户的符号节点x_i[n]向译码器的输入节点传递的消息

其中，n＝1,2,…,N'，N'＝NL，l＝1,2,…,L，

根据上式，进一步得到译码器的输入消息

译码：将所述译码器的输入节点向译码器传递的消息映射为对数似然比的形式，判决得到相应的各个用户的信息比特序列

重复上述多用户检测步骤至译码步骤，直至t＝T为止。

所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码方法，信道编码步骤中，编码方式采用卷积码、LDPC码、Turbo码、Turbo乘积码中的任何一种。

所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码方法，调制步骤中，采用正交振幅调制(QAM)、四相相移键控信号(QPSK)、多进制数字相位调制(MPSK)中的任何一种调制方式。

所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码方法，交织步骤中，采用分组交织器、卷积交织器和随机交织器中的任何一种。

本发明中方法和传统多用户干扰消除方法相比具有以下两个显著特征：

(1)消除干扰能力增强；

(2)运算复杂度降低；

附图说明

图1是本发明所述的多用户非正交接入及发送流程图。

图2是本发明所述的多用户联合接收解调译码流程图。

图3是Case 1与Case 2情况下的仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提出的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***及方法，以下给出工作流程，便于理解本发明的目的、特征和优点。主要分为两大***，一是多用户非正交接入及发送，一是多用户的联合接收解调译码。

(1)如图1所示，多用户非正交接入及发送***，设有信道编码模块、编码符号映射模块、交织模块以及调制模块(每个用户均按以下步骤操作)：

信道编码模块：对第k个用户的信息序列b_k进行信道编码，k＝1,2,…,K，经过信道编码后输出序列c_k，L为编码之后序列c_k的长度；

编码符号映射模块：把所述序列c_k中的每一个符号分别映射为长度均为N的特征序列p_k，N为大于或等于1的自然数，p_k＝{z₁,z₂,...,z_N}，z_i∈{1,-1}，i＝1,2,…,N，i为特征参数z的序号，N为特征参数的个数，符号的映射规则按照1→p_k，0→-p_k，映射后序列为r_k；

交织模块：把输入的所述序列r_k进行交织，得到序列v_k；

调制模块：把输入的所述序列v_k进行调制，得到序列u_k，发送到接收端；

(2)多用户信号的联合接收解调译码***，设有：多用户联合检测模块、解调和解交织模块以及译码模块：

首先将第k个用户的接收序列y_k[n]逐符号乘以各个用户的特征序列p_k，得到第k个用户的观测节点其中K为用户的个数，k＝1,2,...,K，n是各符号的接收时刻，n＝1,2,...,N'，N'＝NL，L为编码之后的序列c_k的长度，N为特征序列p_k的长度，l＝1,2,...,L，将作为多用户联合检测模块的输入，进入迭代过程；

多用户联合检测模块，依照如下步骤检测：

a，初始化，设定：T为迭代次数，t为本次迭代次数，t＝1,2,...,T，i＝1,2,...,K，j＝1,2,...,K，K为用户的个数，初始时，由第i个用户在时刻n的符号节点x_i[n]向第j个用户的观测节点传递的消息在x_i[n]＝1时为在x_i[n]＝-1时为

b，计算第t次迭代过程中由第i个用户的符号节点x_i[n]向第j个用户的观测节点传递的消息

c，根据上式分别计算的均值和方差

d，计算第t次迭代过程中第j个用户的观测节点向第i个用户的符号节点x_i[n]传递消息的均值和方差

e，基于上述均值和方差采用高斯近似，计算在第t次迭代过程中，第j个用户的观测节点向第i个用户的符号节点x_i[n]传递的消息

解调和解交织模块：根据计算得到在第t次迭代过程中第i个用户的符号节点x_i[n]向译码器的输入节点传递的消息以及译码器的输入消息；

译码模块：将所述译码器的输入节点向译码器传递的消息映射为对数似然比的形式，判决得到相应的各个用户的信息比特序列

重复上述多用户检测模块至译码模块之间的步骤直至t＝T为止。

本发明的一个具体实施例

本发明提出的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***及方法，以一个多用户CDMA扩频通信***为例，扩频比为N＝16，***用户数为K＝6，假设采用1/2码率的LDPC编码，编码长度为1024，采用完美功率控制，BPSK调制，随机交织，信道为AWGN信道。以下给出工作流程，便于理解本发明的目的、特征和优点。

(1)对各个用户的信息比特序列b_k进行LDPC编码，得到编码后的序列c_k；

(2)将编码之后的序列c_k分映射为长度为N的序列(N为大于等于1的自然数)

p_k＝{z₁,z₂,...,z_N},(z_i∈{1,-1},i＝1,2,…,N)，得到扩频后的序列r_k，映射规则如下：1→p_k，0→-p_k，完成扩频；

(3)对扩频后的序列r_k进行随机交织处理，得到序列v_k；

(4)对序列v_k进行BPSK调制后发射出去；

(5)终端的射频单元接收信号，实现下变频和模数变换，产生数字基带信号；

(6)将接收序列y[n]逐符号乘以各个用户的序列p_k，得到对应K个用户的K路序列其中k＝1,2,...,K，n＝1,2,...,NL，L为编码之后的序列c_k的长度。

(7)将K个用户的观测节点代入多用户检测节点，根据的值，结合置信算法和中心极限定理，计算出第t次迭代过程中所述消息以及

(8)根据的值，计算x_i(n)向传递的消息

(9)根据计算向译码器传递的消息

(10)在译码器中，将上述向译码器传递的消息映射为对数似然比的形式:基于对数似然比，得到相应的各个用户的信息比特序列

(11)重复上述过程(7)-(11)，直到满足迭代次数。

对上述***进行计算机仿真测试，得出了下面的结果：

设定了如下两组仿真参数，如表1所示。

表1

图3表示了Case 1与Case 2两种情况下的仿真曲线，与两种情况下的迭代MMSE算法相比，相同迭代次数下的联合迭代算法可以有效提高***的性能，并且随着迭代次数的增加，联合迭代算法的性能更加接近单用户无干扰时的性能。

本发明的效果是，通过利用外信息在多用户检测节点构成的因子图上的传播和更新使外信息更加可靠的特点，有效地较低了环境噪声和干扰对信号信息的影响，得到了较低的误码结果和更可靠的传输效果，同时本算法可以实现多用户干扰消除和译码的联合进行，有利于并行结构的实现。因此，对于多用户干扰消除，本方法明显优于其他方法。

Claims (12)

1.非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***，其特征在于，分为两大***，一是多用户非正交接入及发送***，一是多用户信号的联合接收解调译码***，其中:

(1)多用户非正交接入及发送***，设有信道编码模块、编码符号映射模块、交织模块以及调制模块，其中:

信道编码模块：对第k个用户的信息序列b_k进行信道编码，k＝1,2,…,K，经过信道编码后输出序列c_k，L为编码之后序列c_k的长度；

编码符号映射模块：把所述序列c_k中的每一个符号分别映射为长度均为N的特征序列p_k，N为大于或等于1的自然数，p_k＝{z₁,z₂,...,z_N}，z_i∈{1,-1}，i＝1,2,…,N，i为特征参数z的序号，N为特征参数的个数，符号的映射规则按照1→p_k，0→-p_k，映射后序列为r_k；

交织模块：把输入的所述序列r_k进行交织，得到序列v_k；

调制模块：把输入的所述序列v_k进行调制，得到序列u_k，发送到接收端；

(2)多用户信号的联合接收解调译码***，设有：多用户联合检测模块、解调和解交织模块以及译码模块:

首先将第k个用户的接收序列y_k[n]逐符号乘以各个用户的特征序列p_k，得到第k个用户的观测节点其中K为用户的个数，k＝1,2,...,K，n是各符号的接收时刻，n＝1,2,...,N'，N'＝NL，L为编码之后的序列c_k的长度，N为特征序列p_k的长度，l＝1,2,...,L，将作为多用户联合检测模块的输入，进入迭代过程；

多用户联合检测模块，依照如下步骤检测：

a，初始化，设定：T为迭代次数，t为本次迭代次数，t＝1,2,...,T，i＝1,2,...,K，j＝1,2,...,K，K为用户的个数，初始时，由第i个用户在时刻n的符号节点x_i[n]向第j个用户的观测节点传递的消息在x_i[n]＝1时为在x_i[n]＝-1时为

b，计算第t次迭代过程中由第i个用户的符号节点x_i[n]向第j个用户的观测节点传递的消息

表示除去第i个和第j个用户，其余第1到第k个用户的观测节点向第i个用户的符号节点传递的消息的连续乘积，

c，根据上式分别计算的均值和方差

d，计算第t次迭代过程中第j个用户的观测节点向第i个用户的符号节点x_i[n]传递消息的均值和方差

e，基于上述均值和方差采用高斯近似，计算在第t次迭代过程中，第j个用户的观测节点向第i个用户的符号节点x_i[n]传递的消息

解调和解交织模块：根据计算得到在第t次迭代过程中第i个用户的符号节点x_i[n]向译码器的输入节点传递的消息

其中，n＝1,2,…,N'，N'＝NL，l＝1,2,…,L，

根据上式，进一步得到译码器的输入消息

译码模块：将所述译码器的输入节点向译码器传递的消息映射为对数似然比的形式，判决得到相应的各个用户的信息比特序列

重复上述多用户联合检测模块至译码模块之间的步骤直至t＝T为止。

2.根据权利要求1所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***，其特征在于，信道编码模块中，编码方式采用卷积码、LDPC码、Turbo码、Turbo乘积码中的任何一种。

3.根据权利要求1所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***，其特征在于，调制模块中，采用正交振幅调制(QAM)、四相相移键控信号(QPSK)、多进制数字相位调制(MPSK)中的任何一种调制方式。

4.根据权利要求1所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***，其特征在于，交织模块中，采用分组交织器、卷积交织器和随机交织器中的任何一种。

5.根据权利要求1所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***，其特征在于，多用户联合检测模块中，的均值和方差按如下公式计算：

其中，α_i表示发送符号集合{1,1}。

6.根据权利要求1所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码***，其特征在于，多用户联合检测模块中，第j个用户的观测节点向第i个用户的符号节点x_i[n]传递消息的均值和方差

其中表示第j个用户的观测节点与第i个用户的符号节点x_i[n]之间的等效信道增益，σ²表示高斯白噪声的方差。

7.应用于权利要求1的***的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码方法，其特征在于，分为两大步骤，一是多用户非正交接入及发送，一是多用户信号的联合接收解调译码:

(1)多用户非正交接入及发送步骤，具体包括信道编码、编码符号映射、交织和调制，发送端对每个用户按以下具体步骤操作：

信道编码：对第k个用户的信息序列b_k进行信道编码，k＝1,2,…,K，经过信道编码后输出序列c_k，L为编码之后序列c_k的长度；

编码符号映射：把所述序列c_k中的每一个符号分别映射为长度均为N的特征序列p_k，N为大于或等于1的自然数，p_k＝{z₁,z₂,...,z_N}，z_i∈{1,-1}，i＝1,2,…,N，i为特征参数z的序号，N为特征参数的个数，符号的映射规则按照1→p_k，0→-p_k，映射后序列为r_k；

交织：把输入的所述序列r_k进行交织，得到序列v_k；

调制：把输入的所述序列v_k进行调制，得到序列u_k，发送到接收端；

(2)多用户信号的联合接收解调译码步骤，包括多用户联合检测、解调和解交织、译码：

首先将第k个用户的接收序列y_k[n]逐符号乘以各个用户的特征序列p_k，得到第k个用户的观测节点其中K为用户的个数，k＝1,2,3,...,K，n是各符号的接收时刻，n＝1,2,...,N'，N'＝NL，L为编码之后的序列c_k的长度，N为特征序列p_k的长度，l＝1,2,...,L，将作为多用户联合检测模块的输入，进入迭代过程；

多用户联合检测，依照如下步骤：

a初始化，设定：T为迭代次数，t为本次迭代次数，t＝1,2,...,T，i＝1,2,...,K，j＝1,2,...,K，K为用户的个数，初始时，由第i个用户在时刻n的符号节点x_i[n]向第j个用户的观测节点传递的消息在x_i[n]＝1时为在x_i[n]＝-1时为

b计算第t次迭代过程中由第i个用户的符号节点x_i[n]向第j个用户的观测节点传递的消息

表示除去第i个和第j个用户，其余第1个到第k个用户的观测节点向第i个用户的符号节点传递的消息的连续乘积，

c根据上式分别计算的均值和方差

d计算第t次迭代过程中第j个用户的观测节点向第i个用户的符号节点x_i[n]传递消息的均值和方差

e基于上述均值和方差采用高斯近似，计算在第t次迭代过程中，第j个用户的观测节点向第i个用户的符号节点x_i[n]传递的消息

解调和解交织：根据计算得到在第t次迭代过程中第i个用户的符号节点x_i[n]向译码器的输入节点传递的消息

其中，n＝1,2,…,N'，N'＝NL，l＝1,2,…,L，

根据上式，进一步得到译码器的输入消息

译码：将所述译码器的输入节点向译码器传递的消息映射为对数似然比的形式，判决得到相应的各个用户的信息比特序列

重复上述多用户检测步骤至译码步骤，直至t＝T为止。

8.根据权利要求7所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码方法，其特征在于，信道编码步骤中，编码方式采用卷积码、LDPC码、Turbo码、Turbo乘积码中的任何一种。

9.根据权利要求7所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码方法，其特征在于，调制步骤中，采用正交振幅调制(QAM)、四相相移键控信号(QPSK)、多进制数字相位调制(MPSK)中的任何一种调制方式。

10.根据权利要求7所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码方法，其特征在于，交织步骤中，采用分组交织器、卷积交织器和随机交织器中的任何一种。

11.根据权利要求7所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码方法，其特征在于，多用户检联合测步骤中，的均值和方差按如下公式计算：

其中，α_i表示发送符号集合{1,1}。

12.根据权利要求7所述的非正交多用户接入发送及联合接收解调译码方法，其特征在于，多用户联合检测步骤中，第j个用户的观测节点向第i个用户的符号节点x_i[n]传递消息的均值和方差

其中表示第j个用户的观测节点与第i个用户的符号节点x_i[n]之间的等效信道增益，σ²表示高斯白噪声的方差。