CN106571891A - 一种喷泉多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷泉多址接入方法，该方法中发送端喷泉译码器为增量译码器，用度分布相同，生成矩阵不同的喷泉码来区分多用户；每个用户用相同的交织器对编码序列比特交织后调制发送出去；接收端先对接收信号解调和解交织，然后对解交织后的数据采用喷泉多用户迭代检测方法进行译码。本发明喷泉多址接入方法，不管用户数有多少、多址干扰多严重、信道条件多恶劣，总可以通过增加开销完成正确译码，因此具有很强的自适应能力。此外，用户间发送信号不用同步，可以异步发送。

Description

一种喷泉多址接入方法

技术领域

本发明涉及一种多址接入方法，具体涉及一种基于喷泉码的多址接入方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

传统的码分多址(CDMA)***主要通过相互正交的扩频序列来区分不同的用户，由于实际使用的扩频码很难做到严格正交和严格同步，导致了多址干扰(MAI)的产生，严重影响了接受性能与***容量。且扩频码专门设计，所以不能满足用户量爆发式增长的需求。近来，非正交多址技术因其支持用户数量大而被广泛研究。常见的非正交多址包括功率多址、稀疏码多址、滤波器多址、图样分割多址、多用户共享多址、喷泉多址等。

数字喷泉码是针对大规模网络数据分发和可靠传输而提出的一种新的纠删编码方法。与传统的纠删码不同，数字喷泉码可以按照某种概率分布独立地产生任意数量的码字，具***率不受限或***率(rateless)特性。接收者不必关心具体的编码分组及分组的顺序，只要接收到足够多的编码分组，就能实现正确的译码。目前研究喷泉码常用的码型为LT码和Raptor码。2002年Luby提出了第一种实用的数字喷泉码--LT码，并设计了实用的度分布(鲁棒孤波分布)，能够在任意删除信道中逼近信道容量，但其译码复杂度是非线性的。2006年Shokrollahi等人将高效的预编码与LT码级联，提出了性能更好的Raptor码，具有线性编译码复杂度。

LT(Luby Transform)码是第一种具有实用意义的数字喷泉码。这类码的主要参数是输出度分布，即对应不同度数{1,2,…,d_max}的不同概率值{1,2,…,d_max}。常用生成函数的形式来表达假设原始数据包长度为K，LT码的编码方案为：(1)在输出度分布Ω(x)中随机选取一个度数i；(2)再从K个原始数据包符号中均匀随机选取出i个不同的符号，将这i个符号进行异或得到一个编码符号；(3)重复上面的操作，即可完成LT编码。

Raptor码采用级联编码的形式，将高效的线性分组码作为外码，LT码作为内码。记线性分组码(n,k)为(n,k)，LT码的度分布为Ω(x)，则Raptor码可以记为(k,C,Ω(x))。线性分组码C称为Raptor码的预编码，一般采用高码率的汉明码或者LDPC码等。预编码将k个原始信息符号编码成长度为n的码字，作为中间编码符号，再进行LT编码。Raptor码的编码方案为：(1)预编码：对输入矢量x＝(x₁,x₂,…,x_k)进行线性分组码编码，得到长度为n的码字z＝(z₁,z₂,…,z_n)；(2)LT编码：将z＝(z₁,z₂,…,z_n)作为LT码的输入符号，采用度分布函数Ω(x)，按上述算法进行LT编码，得到输出编码符号y₁,y₂,…,y_j,…。

在无线信道中，由于噪声的干扰，需要采用可靠的软判决译码，常用的为BP译码。***喷泉码常用的传输方式为增量传输，增量传输步骤为：a.开销为0时，发送端直接发送n个比特数据，若接收端能正确接收，则向发射端发送正确接收反馈信号，发射端结束或发送下一帧数据；若不能正确接收，接收端像发射端反馈接收失败信号；b.发射端接收到失败反馈信号后，发送一段长度为nΔε的编码增量作为校验信息，接收端在接收到这一段校验信息之后将增量与上一次接收到的数据合并成长度为n+nΔε编码信号，对这一接收信号计算似然比，并利用该似然比译码，若正确译码，则发送正确译码反馈信号，发射端结束或发送下一帧数据；若不能正确译码，则反馈接收失败信号；c.发射端端接收到失败反馈信号后继续如步骤二所述过程发送长度为nΔε的校验信息。以此类推，直到发送接收端正确译码为止，若此时发送次数为m，则总开销为mnΔε。即若发送数据长度为n个比特，每次编码增量开销为Δε，则每次编码增量长度为nΔε。当发送端发送m次编码增量后接收端正确译码，此时***总开销为mnΔε，编码总长度为n(1+mΔε)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种喷泉多址接入方法，利用不同的喷泉码区分不同的用户，支持更多的用户传输数据，具有良好的***误码率性能和吞吐率性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种喷泉多址接入方法，包括如下步骤：

步骤1，发送端对每个用户的发送数据采用喷泉码进行编码，获得编码序列；

步骤2，将每个用户的编码序列通过相同的交织器进行比特交织，对交织后的数据调制并发送出去；

步骤3，接收端接收多个用户叠加的数据信息，并对接收数据解调解交织；

步骤4，在等概率设定下，根据接收数据计算每个用户的初始似然比，并将初始似然比送入BP译码器进行译码，得到各用户的输出似然比；

步骤5，利用初始似然比和输出似然比计算每个用户的外信息，根据外信息估计每个用户发送数据的先验概率，将任意一个用户的先验概率送入剩余其他用户的BP译码器，得到剩余其他用户更新后的初始似然比；

步骤6，返回步骤4进行循环迭代，直至数据正确接收或达到预设的迭代次数；当达到预设的迭代次数且数据没有正确接收时，则向发送端发送反馈信号，重新进入步骤1。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述多个用户叠加的数据信息表达式为：

其中，y为接收端接收到的信号，h_i为第i个用户的信道冲击响应，p_i为第i个用户的信号发射功率，x_i为第i个用户的发送信号，i＝1,2,…,M，M为用户总数，n₀为高斯白噪声。

作为本发明的一种优选方案，步骤4所述初始似然比计算公式为：

其中，为第i个用户每个调制符号中第j个比特的初始似然比，p表示概率，为第i个用户接收符号中第j个比特信息，y为接收端接收到的信号，χ¹,χ²,…,χ^i-1,χⁱ⁺¹,…,χ^M表示除第i个用户外剩余其他每个用户所有星座点的集合，分别为第i个用户星座点中第j个比特为0、1的所有星座点的集合，h_i为第i个用户的信道冲击响应，p_i为第i个用户的信号发射功率，s_i为第i个用户的星座点信息，i＝1,2,…,M，M为用户总数，δ²为噪声功率。

作为本发明的一种优选方案，步骤5所述先验概率的估计公式为：

其中，p表示概率，x_i为第i个用户的发送信号， 为第i个用户每个调制符号中第j个比特的初始似然比，为第i个用户每个调制符号中第j个比特的输出似然比。

作为本发明的一种优选方案，步骤5所述更新后的初始似然比计算公式为：

其中，为第i个用户每个调制符号中第j个比特更新后的初始似然比，p表示概率，为第i个用户接收符号中第j个比特信息，y为接收端接收到的信号，χ¹,χ²,…,χ^i-1,χⁱ⁺¹,…,χ^M表示除第i个用户外剩余其他每个用户所有星座点的集合，分别为第i个用户星座点中第j个比特为0、1的所有星座点的集合，h_i为第i个用户的信道冲击响应，p_i为第i个用户的信号发射功率，s_i为第i个用户的星座点信息，i＝1,2,…,M，M为用户总数，δ²为噪声功率，p(s_n)为第n个用户接收到星座点s_n的概率，s_n为第n个用户的星座点信息。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明喷泉多址接入方法，通过不同的生成矩阵产生不同的喷泉码(相同的度分布函数)用以区分多用户，因为产生生成矩阵的种子数量有无数种，所以喷泉多址能同时区分大量的用户。

2、本发明喷泉多址接入方法，由于喷泉码的传输特点，不管多址干扰多严重，信道条件多恶劣，都可以增加开销(码长)完成正确译码，因此具有很强的自适应能力。

3、本发明喷泉多址接入方法，喷泉多址接收信号时不需要用户间同步，不同的用户可以异步发送信号，但用户本身的同步仍然需要。

附图说明

图1是本发明喷泉多址接入方法的整体架构图。

图2是本发明实施例两用户时吞吐率仿真图。

图3是本发明实施例两用户时误码率仿真图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本发明喷泉多址接入方法，包括如下步骤：

步骤1，发送端对每个用户的发送数据采用喷泉码进行编码，获得编码序列；不同用户的喷泉码的度分布相同，产生喷泉码生成矩阵的种子不同，用不同的生成矩阵区分多用户。

步骤2，将每个用户的编码序列通过相同的交织器进行比特交织，对交织后的数据调制并发送出去；每个用户的交织器相同，即交织器的映射规则相同。

步骤3，接收端接收多个用户叠加的数据信息，并对接收数据解调解交织。

步骤4，在等概率设定下，根据接收数据计算每个用户的初始似然比，并将初始似然比送入BP译码器进行译码，得到各用户的输出似然比。

步骤5，利用初始似然比和输出似然比计算每个用户的外信息，根据外信息估计每个用户发送数据的先验概率，将任意一个用户的先验概率送入剩余其他用户的BP译码器，得到剩余其他用户更新后的初始似然比。

在步骤4、5中，每个用户似然比更新基本公式为：

上式中，p(s_n)表示第n个用户接收到星座点s_n的概率，p(x_t)为星座点s_n中第t个比特信息的先验概率，k为星座点中比特位数。当调制的阶数为m时，星座点中比特位数k＝2^m。

计算第一次迭代的初始似然比时，接收端不知道任何先验信息，所以假设发射端发送0和1的概率是相等的，即计算似然比时，上式中相等。

步骤6，返回步骤4进行循环迭代，直至数据正确接收或达到预设的迭代次数；当达到预设的迭代次数且数据没有正确接收时，则向发送端发送反馈信号，重新进入步骤1。

以两用户BPSK调制(比特0映射为1，比特1映射为-1)为例，两用户时接收信号可表示为：

y＝h₁p₁x₁+h₂p₂x₂+n₀

其中，h₁是用户1的信道冲击响应，p₁是用户1的发射功率，x₁是用户1的发送信号，h₂为用户2的信道冲击响应，p₂是用户2的发射功率，x₂是用户2的发送信号，n₀是高斯白噪声。具体过程如下：

本文仿真采用***LT码，码长为1000，度分布为d＝[1 2 3 4 5 8 14 30 33200]，Ω＝[0.006 0.492 0.0339 0.2403 0.006 0.095 0.049 0.018 0.0356 0.033]，d表示度数，Ω表示度数对应的概率。两用户发送端分别产生一串二进制源数据，用上述度分布对源数据编码获得编码序列，并将编码序列送入BPSK调制器调制。调制后的编码序列在各自的交织器中打乱顺序，两个交织器的映射规则是随机和独立的。

接收端对接收到的叠加信号计算初始似然比为：

BP译码后得到两用户输出似然比分别为llr₁、llr₂，此时可以计算出外信息vllr₁、vllr₂，则先验概率为：

由此，可以获得更新后初始似然比为：

将更新后的两用户的初始似然比送入译码器重新译码，直到译出或达到最大迭代次数。

归一化后两用户的功率为0.5和0.5，迭代次数为20次。如图2所示，可以看出本发明两用户时的吞吐率性能。如图3所示，可以看出本发明两用户时的误码率性能。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种喷泉多址接入方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，发送端对每个用户的发送数据采用喷泉码进行编码，获得编码序列；

步骤2，将每个用户的编码序列通过相同的交织器进行比特交织，对交织后的数据调制并发送出去；

步骤3，接收端接收多个用户叠加的数据信息，并对接收数据解调解交织；

步骤4，在等概率设定下，根据接收数据计算每个用户的初始似然比，并将初始似然比送入BP译码器进行译码，得到各用户的输出似然比；

步骤5，利用初始似然比和输出似然比计算每个用户的外信息，根据外信息估计每个用户发送数据的先验概率，将任意一个用户的先验概率送入剩余其他用户的BP译码器，得到剩余其他用户更新后的初始似然比；

步骤6，返回步骤4进行循环迭代，直至数据正确接收或达到预设的迭代次数；当达到预设的迭代次数且数据没有正确接收时，则向发送端发送反馈信号，重新进入步骤1。

2.根据权利要求1所述喷泉多址接入方法，其特征在于，步骤3所述多个用户叠加的数据信息表达式为：

$y=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{p}_i{x}_i+n_0$

其中，y为接收端接收到的信号，h_i为第i个用户的信道冲击响应，p_i为第i个用户的信号发射功率，x_i为第i个用户的发送信号，i＝1,2,…,M，M为用户总数，n₀为高斯白噪声。

3.根据权利要求1所述喷泉多址接入方法，其特征在于，步骤4所述初始似然比计算公式为：

${\mathrm{llr}}_i^j=\ln \frac{p\left(x_i^j=0|y\right)}{p\left(x_i^j=1|y\right)}=\ln \frac{\underset{s_M\∈{\mathrm{\χ}}^M}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{...}\underset{s_{i+1}\∈{\mathrm{\χ}}^{i+1}}{\mathrm{\Σ}}\underset{s_i\∈{\mathrm{\χ}}_0^{ij}}{\mathrm{\Σ}}\underset{s_{i-1}\∈{\mathrm{\χ}}^{i-1}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{...}\underset{s_2\∈{\mathrm{\χ}}^2}{\mathrm{\Σ}}\underset{s_1\∈{\mathrm{\χ}}^1}{\mathrm{\Σ}}\exp \left(-\frac{|y-\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{p}_i{s}_i{|}^2}{{\mathrm{\δ}}^2}\right)}{\underset{s_M\∈{\mathrm{\χ}}^M}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{...}\underset{s_{i+1}\∈{\mathrm{\χ}}^{i+1}}{\mathrm{\Σ}}\underset{s_i\∈{\mathrm{\χ}}_1^{ij}}{\mathrm{\Σ}}\underset{s_{i-1}\∈{\mathrm{\χ}}^{i-1}}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{...}\underset{s_2\∈{\mathrm{\χ}}^2}{\mathrm{\Σ}}\underset{s_1\∈{\mathrm{\χ}}^1}{\mathrm{\Σ}}\exp \left(-\frac{|y-\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i{p}_i{s}_i{|}^2}{{\mathrm{\δ}}^2}\right)}$

其中，为第i个用户每个调制符号中第j个比特的初始似然比，p表示概率，为第i个用户接收符号中第j个比特信息，y为接收端接收到的信号，χ¹,χ²,…,χ^i-1,χⁱ⁺¹,…,χ^M表示除第i个用户外剩余其他每个用户所有星座点的集合，分别为第i个用户星座点中第j个比特为0、1的所有星座点的集合，h_i为第i个用户的信道冲击响应，p_i为第i个用户的信号发射功率，s_i为第i个用户的星座点信息，i＝1,2,…,M，M为用户总数，δ²为噪声功率。

4.根据权利要求1所述喷泉多址接入方法，其特征在于，步骤5所述先验概率的估计公式为：

$\left\{\begin{array}{c}p\left(x_i=0\right)=\frac{\exp \left({{\mathrm{vllr}}_i}^j\right)}{1+\exp \left({{\mathrm{vllr}}_i}^j\right)}\\ p\left(x_i=1\right)=\frac{1}{1+\exp \left({{\mathrm{vllr}}_i}^j\right)}\end{array}\right.$

其中，p表示概率，x_i为第i个用户的发送信号， 为第i个用户每个调制符号中第j个比特的初始似然比，为第i个用户每个调制符号中第j个比特的输出似然比。

5.根据权利要求1所述喷泉多址接入方法，其特征在于，步骤5所述更新后的初始似然比计算公式为：

其中，为第i个用户每个调制符号中第j个比特更新后的初始似然比，p表示概率，为第i个用户接收符号中第j个比特信息，y为接收端接收到的信号，χ¹,χ²,…,χ^i-1,χⁱ⁺¹,…,χ^M表示除第i个用户外剩余其他每个用户所有星座点的集合，分别为第i个用户星座点中第j个比特为0、1的所有星座点的集合，h_i为第i个用户的信道冲击响应，p_i为第i个用户的信号发射功率，s_i为第i个用户的星座点信息，i＝1,2,…,M，M为用户总数，δ²为噪声功率，p(s_n)为第n个用户接收到星座点s_n的概率，s_n为第n个用户的星座点信息。