CN107171770A - 上行多用户非正交多址接入方法 - Google Patents

上行多用户非正交多址接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种上行多用户非正交多址接入方法，所述上行多用户非正交多址接入方法包括发送端信号产生过程和接收端信号解码过程，所述发送端信号产生过程包括：对待传输信息进行信道编码和比特交织得到总交织比特；对所述总交织比特进行星座映射得到星座映射符号；根据签名图样将所述星座映射符号映射到资源粒子，其中，所述签名图样为密度可调整并且签名对应的码元符号之间不具有重复特征，区别不同发送端的方式或者比特交织不同，或者签名图样不同，或者比特交织和签名图样均不同。本发明一方面，结合不同的比特交织，通过采用密度可调整的签名图样区分用户；另一方面，取消签名的扩频特征，即签名对应的码元符号之间不具有重复特征。

Description

上行多用户非正交多址接入方法
技术领域
本发明涉及数字信息传输技术领域，特别涉及一种上行多用户非正交多址接入方法。
背景技术
在典型的移动通信***中，基站需要与覆盖范围内的多个用户进行通信，上行多用户传输的信道模型为上行多址接入信道，简称多址信道。传统的上行多用户传输采用正交多址技术，将信道带宽资源正交分割后分配给多个用户，从而，各用户之间的发送信号是相互正交的。对信道条件和用户接入随机的多址信道，采用非正交多址技术有助于挖掘多用户信号叠加带来的功率增益和分集增益。非正交多址技术中，不同用户发送的信号在基站接收端直接叠加，相应地，基站接收端通过SIC(Successive InterferenceCancellation，串行干扰消除)或Turbo-JD(Turbo Joint Decoding，迭代联合解码)技术依次或联合解调解码这些叠加的信号。
第三代移动通信(3G)采用直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)作为上行多用户传输的多址技术，不同用户的待传输信号通过直接序列扩频得到发送信号，即：
yi＝xi*[ai,1,ai,2,…,ai,k]，
其中，xi为用户i的待传输符号，假设长度为1个码元(Chip)，[ai,1,ai,2,…,ai,k]是用户i的长度为k的扩频序列(Spreading Sequence)、扩频图样(Spreading Pattern)或签名(Signature)，yi为长度为k的直接序列扩频信号，长度为k个码元，占用一个资源粒子(Resource Element)。结合图1所示，一个资源粒子包括4个码元，扩频序列长度为4，4个扩频序列[ai,1,ai,2,…,ai,k]，i＝1,2,3,4，支持4个用户的准正交多址，用户负载率为4(用户数)/4(码元数)＝100％。对DS-CDMA多址技术，上行用户发送端通过不同扩频序列区分用户，通常不同扩频序列之间的互相关性较低，满足准正交条件。基站接收端对用户采用参考扩频序列进行解调，因此，传统DS-CDMA可以认为是一种准正交多址技术。
有学者指出，在DS-CDMA***中，不同用户采用准正交的扩频序列，导致扩频序列解调后不同用户信号之间仍然存在多用户干扰(Multi-User Interference)或多址干扰(Multiple-Access Interference)，而这种多址干扰恰恰是非正交多址的具体表现。因此，采用适当扩频序列的DS-CDMA技术更接近非正交多址技术。具体来说，采用互相关性更高的扩频序列，结合接收端SIC或Turbo-JD技术的DS-CDMA***可以进一步提升多用户上行接入的总谱效率，并且可以挖掘多用户信号叠加的功率增益和分集增益。同时，选择更高的互相关性的扩频序列以支持更多的上行接入用户，可以显著提升用户负载率。例如，扩频序列长度为k，选择2*k个扩频序列，可支持2*k个上行用户的同时接入。
作为非正交多址技术的DS-CDMA技术在实际使用中存在如下问题：
1、扩频序列解扩和串行干扰消除的复杂度与扩频序列长度直接成正比，长扩频序列直接导致高接收复杂度；
2、通常扩频序列为+1/-1组成的实数序列，限制了扩频序列集合的设计，也限制了用户负载率；
3、受到每个码元的高叠加用户数限制，传统DS-CDMA***无法采用迭代联合解码技术，在信道条件和用户接入随机的条件下，多用户上行接入的性能急剧恶化。
一方面，有学者提出多用户共享接入技术(Multi-User Shared Access)技术，采用短复数序列作为上行用户的扩频序列，不同用户通过短复数序列进行区分，克服了传统DS-CDMA技术扩频序列长和扩频序列简单的缺点。但是，MUSA技术和DS-CDMA技术一样，都属于高密度(High Density)扩频技术，单个码元叠加的用户数与上行接入用户数相等，限制了迭代联合解码技术的应用。
另一方面，有学者提出了低密度扩频/签名多址技术(Low Density Spreading/Signature Multiple Access)技术，采用低密度签名作为上行用户的扩频序列，不同用户通过低密度签名进行区分，克服了传统DS-CDMA技术扩频序列长和单个码元叠加用户数多的显著缺点。结合图2所示，一个资源粒子包括4个码元，LDS-MA分别为6个用户选择6个不同的低密度签名，即[1,1,0,0]、[1,0,1,0]、[1,0,0,1]、[0,1,1,0]、[0,1,0,1]、和[0,0,1,1]，单个用户占用码元的密度均为2/4＝50％。其中，6个低密度签名有3对两两正交。与图1采用DS-CDMA技术相比，用户负载率从100％提升到150％，而每个码元的叠加用户数从4减小到3。
LDS-MA技术在实际使用中仍然存在如下问题：
1、低密度签名(即扩频序列)对应的取值通常为0或1，低密度签名的数量受到低密度特征的限制，导致签名短且低密度时用户负载率受限。
2、由于两个多用户低密度签名之间可能正交，即互相关联系数可能为0，因此，在用户负载率较低时，LDS-MA技术可能等价为正交多址技术。
3、低密度签名的扩频特征等价为符号重复码，导致一个资源粒子内的多用户检测性能受到限制，同时导致迭代联合解码***的容量损失，不利于多用户编码调制方案的优化。
4、一个资源粒子内的多用户检测无法保证传输可靠性，因此，LDS-MA技术需要信道编码辅助，考虑到低密度签名的扩频重复特征，因此，传统LDS-MA等价为码率很低的多用户编码调制***，导致高谱效率下单个码元多用户检测的复杂度急剧升高。
5、实际的LDS-MA技术采用MPA(Message Passing Algorithm，消息传递算法)算法进行一个资源粒子内的多用户检测，采用面向单用户传输设计的信道编码与多用户检测进行迭代解码，其迭代解码性能受限，无法面向多种信道条件和用户接入条件优化多用户编码调制方案。
有学者提出稀疏码分多址(Sparse Code Multiple Access,SCMA)技术，将信息比特直接映射为一个资源粒子的低密度签名对应的高维符号，改变了LDS-MA的扩频特征，提升了一个资源粒子内的多用户检测性能。但是，其它问题仍有待解决。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种上行多用户非正交多址接入方法。该上行多用户非正交多址接入方法克服传统LDS-MA技术的多个缺陷。
为了实现上述目的，本发明公开了一种上行多用户非正交多址接入方法，所述上行多用户非正交多址接入方法包括发送端信号产生过程和接收端信号解码过程，所述发送端信号产生过程包括：对待传输信息进行信道编码和比特交织得到总交织比特；对所述总交织比特进行星座映射得到星座映射符号；根据签名图样将所述星座映射符号映射到资源粒子，其中，所述签名图样为密度可调整并且签名对应的码元符号之间不具有重复特征，区别不同发送端的方式或者比特交织不同，或者签名图样不同，或者比特交织和签名图样均不同。
根据本发明的上行多用户非正交多址接入方法，克服传统LDS-MA技术的多个缺陷。一方面，结合不同的比特交织，通过采用密度可调整的签名图样区分用户，提高低用户负载率条件下不同用户签名图样之间的互相关性，保证多用户上行接入的非正交叠加特征，在高中低不同用户负载率条件下均可维持单个码元的叠加用户数，维持接收端逐码元多用户检测的复杂度；另一方面，取消签名的扩频特征，即签名对应的码元符号之间不具有重复特征，因此，可以设计码率较高的多用户编码调制***，显著降低高谱效率下单个码元多用户检测的复杂度；例如，对高频谱效率场景，可重新设计信道编码，以保证迭代联合解码的非正交多址性能，促进逐码元多用户检测与每个用户的信道解码之间的外信息传递。
另外，根据本发明上述实施例的上行多用户非正交多址接入方法还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，包括：对待传输信息进行级联信道编码和级联比特交织得到所述总交织比特。
进一步地，具体为：对所述待传输信息进行外信道编码和外比特交织得到外交织比特，对所述外交织比特进行内信道编码、比特分组和组内比特交织得到所述总交织比特。
进一步地，所述内信道编码为非规则重复编码，其中，所述非规则重复编码为不同信息比特的重复次数不同。
进一步地，所述组内比特交织长度远小于外比特交织长度。
进一步地，不同的所述组内比特交织对应不同的发送端。
进一步地，所述接收端信号解码过程包括：对接收信号进行模式检测和信道估计，得到多用户传输信息，其中，所述接收信号包括资源粒子；根据多用户传输信息，结合多用户外交织比特的先验信息，对多个资源粒子进行MPA算法迭代，得到多个资源粒子的外交织比特的外信息，经外比特解交织，得到多个用户的外编码比特的先验信息，其中，信道解码反馈的多用户外交织比特先验信息初始化为零；对多用户的外编码比特的先验信息进行外信道解码，得到多用户的外编码比特的外信息；检测是否达到最大迭代次数或解调解码成功，如果是，则输出信息比特估计值，如果不是，则根据外比特交织，利用多用户的外编码比特的外信息得到多用户外交织比特的先验信息，重新进行MPA算法迭代。
进一步地，所述接收端信号解码过程包括：对接收信号进行模式检测和信道估计，得到多用户传输信息，所述接收信号包括资源粒子；根据多用户传输信息，结合信道解码反馈的多用户交织比特先验信息，对资源粒子进行逐码元多用户检测得到多用户交织比特的外信息，经总比特解交织后得到多用户编码比特的先验信息，其中，信道解码反馈的多用户交织比特先验信息初始化为零；对每个用户编码比特的先验信息进行信道解码，得到每个用户编码比特的外信息；检测是否达到最大迭代次数或解调解码成功，如果是，则输出信息比特估计值，如果不是，则根据总比特交织，利用多用户编码比特的外信息得到多用户交织比特的先验信息，重新进行逐码元多用户检测。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是DS-CDMA示意图；
图2是LDS-MA示意图；
图3是根据本发明一个实施例的上行多用户非正交多址接入方法的发送端信号产生过程的流程图；
图4是级联信道编码和级联比特交织及其等价示意图；
图5是非规则重复码的校验矩阵示意图；
图6是不同密度的签名示意图；
图7是根据本发明一个实施例的上行多用户非正交多址接入方法的接收端信号解码过程流程图；
图8是根据本发明一个实施例的上行多用户非正交多址接入方法的接收端信号解码过程示意图；
图9是根据本发明另一个实施例的上行多用户非正交多址接入方法的接收端信号解码过程流程图；以及
图10是根据本发明另一个实施例的上行多用户非正交多址接入方法的接收端信号解码过程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图描述根据本发明实施例的上行多用户非正交多址接入方法。
图3是根据本发明一个实施例的上行多用户非正交多址接入方法的发送端信号产生过程的流程图。
根据本发明一个实施例的上行多用户非正交多址接入方法，包括：
上行多用户非正交多址接入方法包括发送端信号产生过程和接收端信号解码过程，如图3所示，发送端信号产生过程包括：
S1：对待传输信息进行信道编码和比特交织得到总交织比特。
在一些实施例中，包括：对待传输信息进行级联信道编码和级联比特交织得到所述总交织比特。结合图4所示，具体为：对待传输信息进行外信道编码和外比特交织得到外交织比特，对外交织比特进行内信道编码和内比特交织得到总交织比特。级联信道编码和级联比特交织可等价为总信道编码和总比特交织。优选地，外比特交织长度与外信道编码的码字长度相同。
外交织比特经内信道编码后得到的内信道编码的码字长度显著增加，可以对内信道编码比特首先进行比特分组后得到分组比特，并对分组比特进行组内比特交织，得到总交织比特。其中，内信道编码和比特分组可以根据需要交换次序，即可以对外交织比特先进行比特分组，再进行内信道编码。
优选地，组内比特交织长度小于外比特交织长度，例如，组内比特交织长度限制为一个用户在一个或多个资源粒子内的传输比特数，以方便接收端的多个资源粒子的MPA迭代检测。
优选地，内信道编码为非规则重复编码，其中，非规则重复编码为不同信息比特的重复次数不同。有限的组内比特交织长度和非规则重复编码保证了接收端MPA算法的低复杂度和外信息传递能力。
结合图5所示，非规则重复码对k个信息比特进行重复编码，得到m个校验比特，码率为k/(m+k)，可以用校验矩阵表示，如图中m＝4，k＝3。校验矩阵的列表示变量节点，变量节点由k个信息比特变量节点和m个校验比特变量节点组成，校验矩阵的行表示校验节点，即校验方程。非规则重复码的校验矩阵的基本特征是行重固定为2，表示比特重复关系，一个校验比特且仅是一个信息比特的重复。信息比特对应的列重即为比特重复次数，如信息比特k3对应列重为2，则重复次数为2，即一个信息比特对应两个校验比特；作为特例，列重为0表示该信息比特不参与重复编码。非规则重复码的校验矩阵的列重非规则。综上，非规则重复码可以调整不同信息比特的重复次数，得到不同的等效码率，并且可以通过优化对应的校验矩阵，改善MPA算法的外信息传递特性或改善迭代联合解码的整体性能。
这种结合组内比特交织、非规则重复编码、和传统单用户信道编码的方案，对于中低频谱效率场景来说，将一个资源粒子内的多用户检测扩展到多个资源内的多用户检测。保持传统MPA算法迭代简单的优势，同时，多个资源粒子内的多用户检测可通过组内比特交织传递外信息，显著改善基于MPA算法的多用户检测结果，避免迭代联合解码***或非迭代MPA解码***的容量损失。
在一些实施例中，不同的组内比特交织对应不同的发送端。也就是说，不同用户选择不同比特交织，以便于基站接收端区别不同用户。优选地，不同用户选择相同的外信道编码、外比特交织、非规则重复码、和比特分组，但是选择不同的组内比特交织。
S2：总交织比特进行星座映射得到星座映射符号。
S3：根据签名图样将星座映射符号映射到资源粒子，其中，签名图样为密度可调整并且签名对应的码元符号之间不具有重复特征，区别不同发送端的方式或者比特交织不同，或者签名图样不同，或者比特交织和签名图样均不同。
签名图样的密度可以根据上行多址接入的传输条件进行调整。
结合图6所示，给出的3个不同密度的签名分配，一个资源包括4个码元，针对用户负载率150％、100％、和75％三种情况，通过选择密度分别为50％、75％和100％的签名，使得单个码元叠加用户数保持为3，既获得多用户叠加的功率增益和分集增益，又维持单个码元多用户检测的复杂度。
如果3个用户的签名相同，基站接收端无法有效区分用户。进一步地，不同用户选择不同的比特交织和签名图样组合，以便于基站接收端区别不同用户。例如，基站可以区分签名图样相同但比特交织不同或比特交织相同但签名图样不同的两个用户。结合交织多址(Interleave Division Multiple Access，IDMA)技术用交织图样区分用户的思想，本发明采用比特交织和签名图样相结合区分用户，可有效提高用户负载率。
相对于上述发送端信号产生过程，对应于接收端信号解码以便进行上行多用户非正交多址接入，即：结合图7和图8所示，接收端信号解码过程包括：
S11：对接收信号进行模式检测和信道估计，得到多用户传输信息，其中，所述接收信号包括资源粒子；其中，多用户传输信息包括但不限于：信道编码、比特交织、星座映射、资源粒子签名图样、和信道状态信息等。
S12：根据多用户传输信息，结合多用户外交织比特的先验信息，对多个资源粒子进行MPA算法迭代，得到多个资源粒子的外交织比特的外信息，经外比特解交织，得到多个用户的外编码比特的先验信息，其中，信道解码反馈的多用户外交织比特先验信息初始化为零；
S13：对多用户的外编码比特的先验信息进行外信道解码，得到多用户的外编码比特的外信息；
S14：检测是否达到最大迭代次数或解调解码成功，如果是，则输出信息比特估计值，如果不是，则根据外比特交织，利用多用户的外编码比特的外信息得到多用户外交织比特的先验信息，重新进行MPA算法迭代。
作为另一个实施例的接收端解码过程，结合图9和图10所示，包括：
S21：对接收信号进行模式检测和信道估计，得到多用户传输信息，接收信号包括资源粒子；
S22：根据多用户传输信息，结合信道解码反馈的多用户交织比特先验信息，对资源粒子进行逐码元多用户检测得到多用户交织比特的外信息，经总比特解交织后得到多用户编码比特的先验信息，其中，信道解码反馈的多用户交织比特先验信息初始化为零；
S23：对每个用户编码比特的先验信息进行信道解码，得到每个用户编码比特的外信息；
S24：检测是否达到最大迭代次数或解调解码成功，如果是，则输出信息比特估计值，如果不是，则根据总比特交织，利用多用户编码比特的外信息得到多用户交织比特的先验信息，重新进行逐码元多用户检测。
根据本发明的上行多用户非正交多址接入方法，克服传统LDS-MA技术的多个缺陷。一方面，结合不同的比特交织，通过采用密度可调整的签名区分用户，提高低用户负载率条件下不同用户签名之间的互相关性，保证多用户上行接入的非正交叠加特征，在高中低不同用户负载率条件下均可维持单个码元的叠加用户数，维持接收端逐码元多用户检测的复杂度；另一方面，取消签名的扩频特征，即签名对应的码元符号之间不具有重复特征，因此，可以设计码率较高的多用户编码调制***，显著降低高谱效率下单个码元多用户检测的复杂度；例如，对高频谱效率场景，可重新设计信道编码，以保证迭代联合解码的非正交多址性能，促进逐码元多用户检测与每个用户的信道解码之间的外信息传递。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种上行多用户非正交多址接入方法，其特征在于，所述上行多用户非正交多址接入方法包括发送端信号产生过程和接收端信号解码过程，所述发送端信号产生过程包括：
对待传输信息进行信道编码和比特交织得到总交织比特；
对所述总交织比特进行星座映射得到星座映射符号；
根据签名图样将所述星座映射符号映射到资源粒子，其中，所述签名图样为密度可调整并且签名对应的码元符号之间不具有重复特征，区别不同发送端的方式或者比特交织不同，或者签名图样不同，或者比特交织和签名图样均不同。
2.根据权利要求1所述的上行多用户非正交多址接入方法，其特征在于，包括：
对待传输信息进行级联信道编码和级联比特交织得到所述总交织比特。
3.根据权利要求1或2所述的上行多用户非正交多址接入方法，其特征在于，具体为：对所述待传输信息进行外信道编码和外比特交织得到外交织比特，对所述外交织比特进行内信道编码、比特分组、和组内比特交织得到所述总交织比特。
4.根据权利要求3所述的上行多用户非正交多址接入方法，其特征在于，所述内信道编码为非规则重复编码，其中，所述非规则重复编码为不同信息比特的重复次数不同。
5.根据权利要求3所述的上行多用户非正交多址接入方法，其特征在于，所述组内比特交织长度小于外比特交织长度。
6.根据权利要求3所述的上行多用户非正交多址接入方法，其特征在于，不同的所述组内比特交织对应不同的发送端。
7.根据权利要求1-6任一项所述的上行多用户非正交多址接入方法，其特征在于，所述接收端信号解码过程包括：
对接收信号进行模式检测和信道估计，得到多用户传输信息，其中，所述接收信号包括资源粒子；
根据多用户传输信息，结合多用户外交织比特的先验信息，对多个资源粒子进行MPA算法迭代，得到多个资源粒子的外交织比特的外信息，经外比特解交织，得到多个用户的外编码比特的先验信息，其中，信道解码反馈的多用户外交织比特先验信息初始化为零；
对多用户的外编码比特的先验信息进行外信道解码，得到多用户的外编码比特的外信息；
检测是否达到最大迭代次数或解调解码成功，如果是，则输出信息比特估计值，如果不是，则根据外比特交织，利用多用户的外编码比特的外信息得到多用户外交织比特的先验信息，重新进行MPA算法迭代。
8.根据权利要求1-6任一项所述的上行多用户非正交多址接入方法，其特征在于，所述接收端信号解码过程包括：
对接收信号进行模式检测和信道估计，得到多用户传输信息，所述接收信号包括资源粒子；
根据多用户传输信息，结合信道解码反馈的多用户交织比特先验信息，对资源粒子进行逐码元多用户检测得到多用户交织比特的外信息，经总比特解交织后得到多用户编码比特的先验信息，其中，信道解码反馈的多用户交织比特先验信息初始化为零；
对每个用户编码比特的先验信息进行信道解码，得到每个用户编码比特的外信息；
检测是否达到最大迭代次数或解调解码成功，如果是，则输出信息比特估计值，如果不是，则根据总比特交织，利用多用户编码比特的外信息得到多用户交织比特的先验信息，重新进行逐码元多用户检测。
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