CN113938369A - 一种差分调制免调度***的多用户盲检测接收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差分调制免调度***的多用户盲检测接收方法，属于无线通信接收技术领域。本方法在发送端引入差分调制构建多用户叠加传输***，接收端利用调制星座图几何特征进行信道均衡，并利用差分特性作信道均衡简化，信号重构和串行干扰抵消等内容。相比于现有免调度传输***的多用户盲检测接收方案，本发明解决了利用数据的几何特征所造成的相位模糊问题，在不影响接收机整体检测性能的前提下，大大提升了多用户接收的检测效率，降低了接收机***的整体时延和计算复杂度。本发明算法简洁，提高了多用户免调度***接收机算法的适应性，是对现有技术的一种重要改进。

Description

一种差分调制免调度***的多用户盲检测接收方法

技术领域

本发明属于无线通信接收技术领域，特别是指一种差分调制免调度***的多用户盲检测接收方法。

背景技术

多用户检测技术作为上行免调度***接收机的关键技术内容，对提升整个多用户非正交多址传输***的接收性能具有重要意义。在未来移动通信中，随着用户数的急剧增加，精度更高、复杂度更低的多用户检测技术的需求会更加迫切。

在文献1中，为实现对上行免调度***的多用户盲检测，基于接收信号的自相关特性和调制符号的几何特征，在不需要发送端告知的情况下，实现对用户信息的解码。发送端不同用户发送的比特信息在进行编码调制后，采用随机选取的等长扩频序列扩展并叠加在连续的子载波上。在接收端首先针对扩频序列进行激活检测，由于盲检接收机未知有关信道条件的任何信息，因此在平坦衰落的假设下，通过接收信号的自相关特性设计相关矩阵度量来检测扩频序列。利用激活检测得到的扩频序列对接收信号进行解扩，得到的是带有信道增益加权的调制符号，这些符号表现出类似于低阶调制星座图的几何特征，利用这一特性对解扩符号进行信道均衡，消除信道增益，进而解调译码，恢复出原始发送信息。

但是，上述盲检测接收方法在进行信道均衡时会产生相位模糊的问题，仅靠数据本身的特征无法消除相位模糊。此外，文献1将信道均衡后所有可能的情况都进行了解调译码，这极大增加了接收机的复杂度。

文献1：Z.Yuan,Y.Hu,W.Li,and J.Dai,“Blind multi-user detection forautonomous grant-free high-overloading multiple-access withoutreferencesignal,”in 2018IEEE 87th VehicularTechnology Conference(VTCSpring),2018,pp.1–7.

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种差分调制免调度***的多用户盲检测接收方法，该方法通过引入差分调制的方式，解决在检测过程中可能出现的相位模糊问题，大幅降低接收机的复杂度，可在基于差分调制的上行免调度***中进行多用户盲检测接收。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种差分调制免调度***的多用户盲检测接收方法，包括以下步骤：

(1)在发送端构建多用户叠加传输***；

(2)在接收端，利用接收信号的自相关特性构建一个度量标准来进行序列检测，得到激活序列；

(3)根据步骤(2)的激活序列，对接收到的叠加信号进行解扩，结合MMSE信号估计算法和接收信号的自相关矩阵，得出解扩后的数据符号估计值；

(4)针对解扩后的数据符号估计值，利用旋转匹配算法将数据分簇，计算每一簇的中心点，然后通过中心点计算解扩后的数据符号的对数似然比，实现软判决解调；

(5)对信道均衡后的数据进行基于对数似然比的解差分，然后输入到LDPC译码器进行译码，若能通过CRC校验则用户译码成功；

(6)接收机利用正确译码的比特进行符号重构，利用重构符号进行信道的准确估计，然后，利用原始接收信息、扩频序列和信道的准确估计恢复出对应用户的到达信号；将到达信号从原始接收信号中消除，以更新后的接收信号重新执行步骤(2)～(6)，进行下一轮的用户检测。

进一步的，步骤(1)的具体方式为：各用户随机地选取长度为4的扩频序列，将发送信号进行差分调制和扩频，然后映射在四个连续的资源节点上，经过信道衰落后发送到接收端并叠加，信号在信道中叠加均值为0、方差为σ²的高斯白噪声。

进一步的，步骤(1)中差分调制的具体方式为，在发送数据时引入前后符号间相位差，引入相位差之后的符号为：

x_u,j+1＝x_u,jq_u,j，

其中，x_u,j为用户原始发送的调制符号，q_u,j＝exp(jφ_u,j)，φ_u,j是用户u的第j个发送符号与前一个符号的相位差，取值为{0,π}，对于BPSK即体现为乘上了+1或-1；对于QPSK调制，符号每间隔一位引入相位差，即x_u,j+1＝x_u,j-1q_u,j-1,j≥1，此时的相位差取值于{π/4,3π/4,5π/4,7π/4}。

进一步的，步骤(2)的具体方式为：利用构建的度量标准，对预先设计好的码本序列中的全部扩频序列进行一次遍历，若***中共计U个激活用户，则选择度量值最小的K条扩频序列，K大于U，由此得到激活序列。

进一步的，步骤(4)的具体方式为：

针对解扩后的数据符号估计值，利用旋转匹配算法将数据分簇，计算每一簇的中心点；

对于BPSK，设分簇中心点为x_c+和x_c-，解扩后符号x′_j的对数似然比LLR_j为：

其中，x′_j表示一组解扩后的数据点中的第j个符号，x_j表示对应的发送调制符号，p(x_j＝+1|x′_j)表示对于该数据点，将其原始发送符号判为+1的概率，p(x_j＝-1|x′_j)则表示将其原始发送符号判为-1的概率，ν²表示由解扩后符号和中心点计算得到的方差，对于某个分簇中心点x_c，其对应的ν²＝E[(x′_j-x_c)²]-[E(x′_j-x_c)]²，再对两簇的方差取平均即可；

对于QPSK调制，由于在进行调制时每2位比特映射为1个QPSK符号，因此在利用解扩后数据进行软解调时每一个数据点应计算出两位比特的LLR值，具体为：假设原始星座点00、01、10、11所对应的解扩后分簇中心点为x_c1 x_c2 x_c3 x_c4，则第一位比特的对数似然比公式为：

第二位比特LLR_j,2的计算式为：

进一步的，步骤(5)中，所述对信道均衡后的数据进行基于对数似然比的解差分，是将解差分过程与软信息LLR相结合，对LLR结果进行解差分；具体方式为：

对于BPSK调制信号，将前一位LLR与当前位LLR进行解差分处理，如下式所示：

对于QPSK调制信号，每间隔一位进行解差分，即：LLR′_j+1＝LLR_j-1(LLR_j+1,j≥1；

式中，LLR′_j+1表示第j+1位信息所对应的解差分更新后的LLR结果，LLR_j+1和LLR_j表示当前第j+1位与前一位第j位进行解差分的原始LLR值，LLR_j-1表示前两位即第j-1位的原始LLR值，sign(·)表示符号函数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明在发射端加入差分调制进行多用户传输，通过引入相邻符号间的相位差，在解调时避免了相位模糊的问题，成倍地降低了接收机的复杂度。

2、本发明利用符号间差分特性简化了信道均衡的步骤，同时保证免调度***的可靠性。

3、本发明通过引入差分调制的方式，解决了在检测过程中可能出现的相位模糊问题，大幅降低接收机的复杂度。

4、本发明方法简洁，计算量小，易于工程实现。

总之，相比于现有的多用户盲检测接收方案，本发明方法解决了利用数据的几何特征所造成的相位模糊问题，在保证多用户检测性能的同时降低了接收机译码复杂度，有利于多用户盲检测算法的实用化。

附图说明

图1是本发明实施例中盲检测接收机端的流程图。

图2是本发明实施例中产生相位模糊的原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的详细描述。

一种差分调制免调度***的多用户盲检测接收方法，用于在多用户检测过程中消除相位模糊问题，在保证接收机整体误码性能的同时大幅降低接收机复杂度和时延，包括以下步骤：

(1)构建发送信号：

(1a)在发送端构建一个多用户叠加传输***，考虑平坦衰落信道，在发送端各用户随机地选取长度为4的扩频序列，将发送信号映射在四个连续的资源节点上，经过信道衰落后发送到接收端并叠加。假设***中共有U个用户进行数据传输，第u个用户选取的扩频序列是c_u，接收信号模型可以表示为:

其中，s′_u＝g_us_u表示调制符号s_u和信道增益g_u的加权，n为零均值，方差σ²为高斯白噪声。

(1b)在发送端引入差分调制。由于在利用几何特征计算中心点进行信道均衡时，仅靠数据本身无法避免相位模糊的问题，如图2所示情况，左上簇所代表的数据点可能由星座点+1或-1旋转而来，而仅采用计算得到的相位角α进行相位补偿时就会造成相位模糊的问题，导致后续解调译码结果全盘错误，文献1对正转和反转两种可能的数据流都进行解调译码。本方法通过采用差分调制方式，在发送数据时引入前后符号间相位差，即x_u,j+1＝x_{u, j}q_u,j，x_u,j为用户原始发送的BPSK调制符号，q_u,j是前后符号的相位差，取值±1。

接收端的流程如图1所示，包括：

(2)接收端序列激活检测：

(2a)接收端接收到的叠加信号是不包含信道信息以及用户信息的，在用户所选取的扩频序列未知的情况下，需要利用接收信号的自相关特性构建一个度量标准来进行序列检测。

假设用户u发送的第j个符号为s_u,j，则第j个接收信号表示为：

其中，y_j是长度为4的矢量。

它的自相关矩阵为：

其中，J表示一个用户发送的符号总数。

利用该相关矩阵，设置度量标准

对于具体的某一条扩频序列c_k而言，当用其解扩得到的相应符号流的SINR_k比较大时，该度量值A_k则会比较小。

(2b)利用构建的度量标准，对预先设计好的码本序列中的全部扩频序列进行一次遍历，选择出度量值最小的8条扩频序列，由此得到激活序列，用于后续的信号解扩。

(3)接收信号解扩：

(3a)根据步骤(2)中得到的激活序列，对接收到的叠加信号进行解扩。在用检测得到的扩频序列进行数据解扩时，以序列c_u为例，通常发送符号的理想MMSE估计值为

MMSE加权矩阵为

其中，h_u,j表示用户的等效信道增益。

在这里接收机未知每个用户的等效信道，利用

h_u＝c_ug_u

计算得出解扩后数据符号：

值得注意的是，解扩后的符号是带有信道增益

加权的调制符号估计值。由于低阶调制的星座图具有明显的几何特征，在经历了强相关的衰落信道后，这些调制符号依然保留一定的几何特征，利用这一特性，可以对解扩后的数据信息进行信道盲均衡，估计出加权信道增益并将其消除，从而得到实际调制符号的估计值并进行解调译码。

(4)信道均衡：解扩后的符号是带有信道增益加权的调制符号估计值，由于低阶调制的星座图具有明显的几何特征，在经历了强相关的衰落信道后，这些调制符号依然保留一定的几何特征。针对解扩后数据符号的几何特性，利用旋转匹配算法将数据分簇，计算每一簇的中心点，利用该中心点与原始星座点相比较，得到解扩后数据点应当进行补偿的相位角，消除信道增益的影响。

(4a)散点簇分类。人为地确定初始簇分界线，通过分界线可以以实部的正负，虚部的正负和实部虚部间的相对大小将星座点划分为多个初始区域，即将y＝0,x＝0,y＝x,y＝-x四条线分别作为分界线将星座点划分为2个区域。

(4b)确定最佳分类。在划分区域后，针对每一种划分方法，计算散布在分界线两边的数据点的均值，即两簇的中心点。每一种分类都可以求出一个两簇重心的距离矢量，以该矢量的模值大小为标准选择最合适的分类。

(4c)确定最佳初始分类后，将该分类情况下的重心连线的矢量与x轴的夹角作为旋转角度，对其进行相位补偿，从而实现盲均衡。

(5)解调和译码：假设解扩后数据点经过信道均衡后的符号为

也就是调制符号的估计值，对该估计值进行解调后输入到译码器进行译码，若能通过CRC校验即为该用户译码成功。LDPC译码器输入的软信息表达式为

(5a)在接收端进行相应的解差分调制。通过在接收端对信道均衡后的数据进行解差分操作，即对解调后的符号前后进行模2加：

由于前后符号间存在相位差，即使发生相位模糊，解差分后的结果依然正确。相应地，结合LDPC信道译码的软解调，LLR的计算式为：

为了方便计算，LLR的解差分计算式可以进一步简化：

其中sign(·)表示取符号函数。

(5b)利用解扩后的数据符号前后间仍具有的差分特性，直接进行符号的解调与解差分。假设根据解扩后数据计算出的分簇中心点为x_c+和x_c-，那么解扩后符号x′_j的LLR值计算式为：

可见，由于差分调制方式的引入，解扩后的数据符号除了表现出几何特征外，前后符号间也具有差分特性。利用这一性质，本方法在用扩频序列对接收信号解扩后得到数据点，在通过旋转匹配的方法计算出各数据分簇的中心点后，可以利用符号间的差分特性直接进行符号的解调与解差分，省去对每个点作相位补偿的操作。该方法既解决了信道均衡中导致的相位模糊问题，也降低了接收机的复杂度。

(6)信号重构与串行干扰抵消：

(6a)送去译码的结果如果能通过CRC校验，说明对应用户正确译码，接收机就可以利用正确译码的比特进行符号重构。本实施例采用经典的最小二乘法(LS)进行联合信道估计：

H＝[g₁,...,g_k]^T＝(S^*S)^-1S^*y

其中，S是由k个正确译码用户重构得到的符号矩阵，S＝[s₁,...,s_k]，s_k＝[s_k,1,...,s_k,j]^T。

计算得到准确的信道估计后，用户的原始发送信息、扩频序列和信道条件都得到了准确的估计，利用正确译码的比特进行符号重构，从而恢复出正确译码用户的到达信号。

(6b)结合串行干扰抵消的原理，将正确译码用户恢复成的到达信号从原始接收信号中消除，得到更新后的叠加信号，并重新进行下一轮的检测，直至没有新的用户译码成功。随着SIC过程中越来越多的用户被成功检出，后续用户的信道估计也会逐渐趋近于实际信道，译码的准确性会越来越高。

在盲检测接收机流程中，对信号的解调和译码是接收机复杂度的主要来源，本方法将一组数据流的正向反向两次解调译码减少到一次。假设在一轮检测中有M条数据流进行了解扩，每条数据流中包含J个符号，根据接收机的流程框图对其进行复杂度分析可知：文献1中所提方案在一轮检测中至少需要进行2*M*J次信道均衡，本方法所提方案则不需要进行信道均衡；同样地，在解调模块中，现有技术需要进行2*M*J次解调，而本方法减少至M*J次，进而在译码和CRC校验模块，所需复杂度也都降低至原有复杂度的一半。

总之，本发明在发送端引入差分调制构建多用户叠加传输***，接收端利用调制星座图几何特征进行信道均衡，并利用差分特性作信道均衡简化，信号重构和串行干扰抵消等内容。相比于现有免调度传输***的多用户盲检测接收方案，本发明解决了利用数据的几何特征所造成的相位模糊问题，简化了信道均衡步骤，在不影响接收机整体检测性能的前提下，大大提升多用户接收的检测效率，降低接收机***的整体时延和计算复杂度。本发明算法简洁，提高了多用户免调度***接收机算法的适应性，是对现有技术的一种重要改进。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种差分调制免调度***的多用户盲检测接收方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在发送端构建多用户叠加传输***；

(2)在接收端，利用接收信号的自相关特性构建一个度量标准来进行序列检测，得到激活序列；

(3)根据步骤(2)的激活序列，对接收到的叠加信号进行解扩，结合MMSE信号估计算法和接收信号的自相关矩阵，得出解扩后的数据符号估计值；

(4)针对解扩后的数据符号估计值，利用旋转匹配算法将数据分簇，计算每一簇的中心点，然后通过中心点计算解扩后的数据符号的对数似然比，实现软判决解调；

(5)对信道均衡后的数据进行基于对数似然比的解差分，然后输入到LDPC译码器进行译码，若能通过CRC校验则用户译码成功；

(6)接收机利用正确译码的比特进行符号重构，利用重构符号进行信道的准确估计，然后，利用原始接收信息、扩频序列和信道的准确估计恢复出对应用户的到达信号；将到达信号从原始接收信号中消除，以更新后的接收信号重新执行步骤(2)～(6)，进行下一轮的用户检测。

2.根据权利要求1所述的一种差分调制免调度***的多用户盲检测接收方法，其特征在于，步骤(1)的具体方式为：各用户随机地选取长度为4的扩频序列，将发送信号进行差分调制和扩频，然后映射在四个连续的资源节点上，经过信道衰落后发送到接收端并叠加，信号在信道中叠加均值为0、方差为σ²的高斯白噪声。

3.根据权利要求2所述的一种差分调制免调度***的多用户盲检测接收方法，其特征在于，步骤(1)中差分调制的具体方式为，在发送数据时引入前后符号间相位差，引入相位差之后的符号为：

x_u,j+1＝x_u,jq_u,j，

其中，x_u,j为用户原始发送的调制符号，q_u,j＝exp(jφ_u,j)，φ_u,j是用户u的第j个发送符号与前一个符号的相位差，取值为{0,π}，对于BPSK即体现为乘上了+1或-1；对于QPSK调制，符号每间隔一位引入相位差，即x_u,j+1＝x_u,j-1q_u,j-1,j≥1，此时的相位差取值于{π/4,3π/4,5π/4,7π/4}。

4.根据权利要求3所述的一种差分调制免调度***的多用户盲检测接收方法，其特征在于，步骤(2)的具体方式为：利用构建的度量标准，对预先设计好的码本序列中的全部扩频序列进行一次遍历，若***中共计U个激活用户，则选择度量值最小的K条扩频序列，K大于U，由此得到激活序列。

5.根据权利要求4所述的一种差分调制免调度***的多用户盲检测接收方法，其特征在于，步骤(4)的具体方式为：

针对解扩后的数据符号估计值，利用旋转匹配算法将数据分簇，计算每一簇的中心点；

对于BPSK，设分簇中心点为x_c+和x_c-，解扩后符号x′_j的对数似然比LLR_j为：

其中，x′_j表示一组解扩后的数据点中的第j个符号，x_j表示对应的发送调制符号，p(x_j＝+1|x′_j)表示对于该数据点，将其原始发送符号判为+1的概率，p(x_j＝-1|x′_j)则表示将其原始发送符号判为-1的概率，ν²表示由解扩后符号和中心点计算得到的方差，对于某个分簇中心点x_c，其对应的ν²＝E[(x′_j-x_c)²]-[E(x′_j-x_c)]²，再对两簇的方差取平均即可；

对于QPSK调制，由于在进行调制时每2位比特映射为1个QPSK符号，因此在利用解扩后数据进行软解调时每一个数据点应计算出两位比特的LLR值，具体为：假设原始星座点00、01、10、11所对应的解扩后分簇中心点为x_c1 x_c2 x_c3 x_c4，则第一位比特的对数似然比公式为：

第二位比特LLR_j,2的计算式为：

6.根据权利要求5所述的一种差分调制免调度***的多用户盲检测接收方法，其特征在于，步骤(5)中，所述对信道均衡后的数据进行基于对数似然比的解差分，是将解差分过程与软信息LLR相结合，对LLR结果进行解差分；具体方式为：

对于BPSK调制信号，将前一位LLR与当前位LLR进行解差分处理，如下式所示：

对于QPSK调制信号，每间隔一位进行解差分，即：LLR′_j+1＝LLR_j-1(LLR_j+1,j≥1；

式中，LLR′_j+1表示第j+1位信息所对应的解差分更新后的LLR结果，LLR_j+1和LLR_j表示当前第j+1位与前一位第j位进行解差分的原始LLR值，LLR_j-1表示前两位即第j-1位的原始LLR值，sign(·)表示符号函数。

Images