CN114844754A - 基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法 - Google Patents

基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法 Download PDF

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CN114844754A CN202210507254.7A CN202210507254A CN114844754A CN 114844754 A CN114844754 A CN 114844754A CN 202210507254 A CN202210507254 A CN 202210507254A CN 114844754 A CN114844754 A CN 114844754A
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Abstract

本发明公开了基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，步骤为：1)对大量mMTC终端进行分组从而构造多个子***；2)为每个子***设计唯一的扩展序列码本集，子***中的每个用户分配其序列码本集中的一个唯一的扩展序列；3)将每个子***的信号映射到相应的时频资源块中，不同子***的时频数据块重叠复用部分子载波，通过上行信道传输至基站；4)基站通过CB‑GOMP算法对活动用户和数据进行联合检测。本发明适用于大规模机器类型终端通信场景中的多用户检测，在提高***容量的基础上进一步降低扩展序列之间的相关性，提高了活动用户与数据联合检测的准确性；同时将多用户信号的稀疏结构与多载波***结合，进一步提高了频谱效率。

Description

基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法。
背景技术
物联网设备数量的大幅增加对无线***的设计提出了新的挑战，其中，大规模机器类型通信(massive Machine Type Communication，mMTC)是第五代移动通信***的基本组成部分之一。基于压缩感知的多用户检测(Compressive Sensing MultiuserDetection，CSMUD)是应对mMTC大规模连接需求的候选者，它促进了免授权非正交码分多址的使用，以容纳大量的物联网设备。CSMUD对活动用户和数据进行联合检测的能力促进了直接随机访问的可靠检测，以最小的性能损失为代价来提高频谱效率并简化传感器节点处的信息处理。
CSMUD利用mMTC零星传输的特性，从接收信号中引入的稀疏性，进而检测传感器是否处于活动状态(活动检测)以及传感器传输的数据(数据检测)。CSMUD为用户分配非正交扩展序列作为其签名，其性能往往取决于扩展序列之间的相关性。而随着未来用户数量的增加，扩展序列之间的相关性将越来越高，从而为mMTC网络中的多用户检测问题带来了挑战。有人试过通过增加扩展序列的长度来降低序列之间相关性，但效果并不明显，且会浪费更多的无线资源；如何基于多种传输需求建立多用户检测方案，以提高***检测的性能，是一个需要解决的技术问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，该方法将所有用户分组形成多个子***，在每个子***中分配特定的序列码本集，在提高***容量的基础上进一步降低扩展序列之间的相关性，从而提高活动用户与数据联合检测的准确性；同时将CSMUD与多载波***结合，利用多用户信号的稀疏结构，通过增加总体负载进一步提高频谱效率。请注意，本发明中终端、传感器节点和用户可互换使用，接收端与基站可互换使用。
本发明所述的基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，包括以下步骤：
步骤1、对于拥有大规模终端的mMTC***，将全部用户进行分组形成多个用户子***，定义每个子***的用户集合；
步骤2、为每个子***设计唯一的基本扩展序列，根据该序列生成每个子***的序列码本集，为所述子***中的每个用户分配其序列码本集中的一个唯一的扩展序列；
步骤3、将每个子***的用户数据经过调制、扩展序列扩频后相加，形成该子***的和信号；每个子***的和信号通过正交频分复用(OFDM)技术映射到多个子载波上形成时频数据块；不同子***的时频数据块重叠复用部分子载波，通过上行信道传输至基站；
步骤4、基站接收多个子***的上行传输信号并恢复出各个子***的和信号；对于每个子***的和信号，采用基于序列码本块的组正交匹配追踪(CodebookSequence Blockbased Group Orthogonal Matching Pursuit，CB-GOMP)算法对其中的活动用户和用户数据进行联合检测，完成大规模用户的随机接入与数据传输。
进一步的，步骤1中，所述mMTC***中共有K个用户，K个用户位于同一个基站的覆盖范围内，每个用户向无线网络发起接入请求和数据传输；将全部K个用户划分为Nb组，形成Nb个子***；子***标号表示为b，它满足：
b∈B＝{1,...,Nb} (1)
其中，B表示子***标号集合；
每个子***包含Kb个用户，令子***b中的用户标号为kb，它满足：
kb∈{1,...,Kb} (2)
其中，
Figure BDA0003637870830000021
表示取上整；
用户的数据传输处于偶发状态，整个***用户总数为K＝NbKb。
进一步的，步骤1中，假设每个用户的活动概率为pa，pa＝1，即用户以概率pa进行传输，以1-pa的方式保持静默；因此，在任一给定的时刻，K个用户中只有小部分用户处于活动状态；当一个用户处于活动状态时，它在传输时隙中连续发送短包数据。
进一步的，步骤2中，所述每个子***的基本扩展序列设计方法如下：
用sb表示子***b的基本扩展序列，从单位圆上随机抽取Nb个样本，其中第i个样本表示为
Figure BDA0003637870830000031
其中，U服从区间[0,1]上的均匀分布，表示样本对应的相位；
Figure BDA0003637870830000032
的实部和虚部数值分别转换为长度为
Figure BDA0003637870830000033
的二进制码字，最后将它们拼接得到长度为Nc的二进制序列，即为子***b的基本扩展序列sb；
Nb个子***的基本扩展序列的组合矩阵表示为：
Figure BDA0003637870830000034
进一步的，步骤2中，所述子***的序列码本集由一组扩展序列组成，每个扩展序列均由该子***的基本扩展序列根据特定移位模式进行循环移位后生成，每个子***所属序列码本集的生成方如下；
步骤2-1、生成子***的特定移位模式；
令子***b，b∈B＝{1,...,Nb}的特定移位模式pb为：
Figure BDA0003637870830000035
其中，pb,1＝0，Kb表示子***b中的用户数目；db,k表示子***b中用户k在pb中的索引，即向量pb的第db,k个元素；
Figure BDA0003637870830000036
表示pb的第db,k个元素的数值；
子***b的移位模式pb的第m个索引值pb,m,m≠1由下式计算得到：
Figure BDA0003637870830000037
其中，Nc表示基本扩展序列sb的长度；
Figure BDA0003637870830000038
表示基本扩展序列sb循环右移j位得到的新扩展序列；
Figure BDA0003637870830000039
表示基本扩展序列sb循环右移pb,i位得到的新扩展序列；
Figure BDA0003637870830000041
表示
Figure BDA0003637870830000042
和
Figure BDA0003637870830000043
的相关运算值。
步骤2-2、生成子***的序列码本集；
根据子***b的特定移位模式pb中的Kb个元素对基本扩展序列sb分别进行Kb次循环右移，得到子***b中全部Kb个用户的对应扩展序列：
Figure BDA0003637870830000044
其中，sb表示子***b对应的基本扩展序列，pb表示子***b对应的移位模式，它是长度为Kb的向量；db,k表示子***b中用户k在pb中的索引，即向量pb的第db,k个元素；
Figure BDA0003637870830000045
表示pb的第db,k个元素的数值；
Figure BDA0003637870830000046
是序列sb循环右移
Figure BDA0003637870830000047
位后生成的新序列；
这些扩展序列的集合即为子***b的序列码本集；
子***b中所有用户的扩展序列构成集合
Figure BDA0003637870830000048
即为***b的序列码本集，定义序列码本矩阵
Figure BDA0003637870830000049
进一步的，步骤3中，所述用户数据的调制、扩频、复用过程如下：
步骤3-1、单个子***的用户数据经调制与扩频后形成和信号；
每个子***中每个用户对其待发送数据进行数字调制后形成L个调制符号，若某一用户无数据发送，则认为其传输L个0；不失一般性，令子***b，b∈B＝{1,...,Nb}中所有用户的发送符号矩阵为
Figure BDA00036378708300000410
其中，
Figure BDA00036378708300000411
表示大小为Kb×L的复数集合；
Figure BDA00036378708300000412
为Db的第kb行向量，它表示子***b中第kb个用户发送的L个连续的时间符号；如果某一用户ku处于静默状态，则Db中的第ku行填充L个0；Db的每个列向量包含来自Kb个用户的符号；
用户利用自己的特定扩展序列对已调符号进行扩频，每个已调符号形成长度为Nc的扩频序列；每个子***中所有用户的数据经过调制、扩频后得到的序列相加，得到该子***的和信号；令子***b，b∈B＝{1,...,Nb}的和信号矩阵为
Figure BDA0003637870830000051
即
Xb＝DbSb (9)
其中，
Figure BDA0003637870830000052
为子***b的码本矩阵；
Figure BDA0003637870830000053
表示大小为Nc×L的复数域空间；
每个子***的和信号通过OFDM技术映射到Ns个子载波中形成一个时频资源块；令子***b，b∈B＝{1,...,Nb}的和信号经OFDM技术变换后的频域符号为
Figure BDA0003637870830000054
其中
Figure BDA0003637870830000055
表示大小为Ns×L的复数域空间；
步骤3-2、多个子***的和信号通过载波部分重叠方式复用传输；
***中共有Nb个子***，因此共有Nb个时频资源块，每个时频资源块包含Ns个连续子载波；令相邻子***复用No个子载波，0≤No≤Ns，Nb个子***的和信号按照载波复用图样映射叠加为***的上行传输信号
Figure BDA0003637870830000056
表示为：
Figure BDA0003637870830000057
其中，
Figure BDA0003637870830000058
表示大小为Nmax×L的复数集合；通过重叠复用子载波，***占据的子载波总数Nmax计算为：
Figure BDA0003637870830000061
定义***承载的用户总数与子载波总数的比值为***载波负载，通过子***之间的子载波复用，***载波负载计算为：
Figure BDA0003637870830000062
其中，K＝NbKb；
该信号经天线馈送至上行信道中传输给基站。
进一步的，步骤4中，基站接收多个子***的上行传输信号并恢复出各个子***的和信号，所述上行信号接收处理步骤如下：
步骤4-1、基站接收多个子***的上行传输信号；
考虑平坦衰落信道，基站接收的频域信号
Figure BDA0003637870830000063
表示为：
Y＝HX+N (12)
其中，
Figure BDA0003637870830000064
表示大小为Nmax×L的复数域空间；矩阵
Figure BDA0003637870830000065
表示信道系数矩阵，它是对角矩阵，即
Figure BDA0003637870830000066
其中，
Figure BDA0003637870830000067
表示大小为Nmax×Nmax的复数域空间；hs表示子载波s的平坦衰落系数；N表示信道加性白噪声矩阵，它服从均值为0方差为
Figure BDA0003637870830000068
的复高斯分布，即
Figure BDA0003637870830000069
通过OFDM技术解调并消除信道干扰后，为了简化***模型，使Ns＝Nc，将Nb个子***在频域上的和信号
Figure BDA00036378708300000610
转换为时域和信号
Figure BDA0003637870830000071
步骤4-2、基站从上行传输信号中恢复每个子***的和发送信号；
基站接收到多个子***中活跃用户的上行信号后，通过OFDM技术反变换恢复出单个子***对应的接收信；令基站接收恢复出的子***b的和信号为
Figure BDA0003637870830000072
Yb表示为：
Yb＝HbXb+Nb (14)
其中，
Figure BDA0003637870830000073
表示大小为Nc×L的复数域空间；矩阵
Figure BDA0003637870830000074
表示子***b，b∈B＝{1,...,Nb}和信号矩阵；
Figure BDA0003637870830000075
表示信道系数矩阵，它是一个对角矩阵，表示为：
Hb＝diag{hb} (15)
其中，向量
Figure BDA0003637870830000076
表示子***b中每个终端用户的平坦衰落系数的集合，
Figure BDA0003637870830000077
表示子***b中终端用户k的平坦衰落系数；Nb表示均值为0方差为
Figure BDA0003637870830000078
的加性高斯白噪声矩阵，即
Figure BDA0003637870830000079
步骤4-3、基站采用CB-GOMP算法从每个子***和信号中联合检测活跃用户及用户数据。
进一步的，利用CB-GOMP算法迭代检测每个子***中的活跃用户并恢复其发送信号，以子***b的序列码本
Figure BDA00036378708300000710
接收信号Y为输入，子***中用户的估计矩阵
Figure BDA00036378708300000711
作为输出；所述CB-GOMP算法的具体步骤如下：
步骤4-3-1、初始化算法参数；
令子***b的支持集的估计，即子***b中活跃用户序号集合为Γb，其初始值
Figure BDA00036378708300000712
为空集，即
Figure BDA00036378708300000713
令检测子***码本索引的迭代次数为g，检测子***b中活跃用户数据的迭代次数q的初值为0；基站接收到全部子***的信号Y为：
Figure BDA00036378708300000714
Figure BDA0003637870830000081
其中，yl表示当前帧的第l个符号；Nc为扩展序列的长度，L为一帧内发送的符号数目；将yl分割为Nb个子信号，如式(17)所示；
Figure BDA0003637870830000082
表示yl分组得到的第g个子信号；残差r表示接收信号与算法恢复信号的差，残差rl表示接收信号yl与算法恢复信号
Figure BDA0003637870830000083
的差，1≤l≤L；
Figure BDA0003637870830000084
表示迭代次数为q-1时的残差；
Figure BDA0003637870830000085
表示残差rl的初值，其中
Figure BDA0003637870830000086
初始化为
Figure BDA0003637870830000087
g初始化为1；执行步骤4-3-2；
步骤4-3-2、检测活动用户的子***码本索引；
对接收到的一帧L个符号，即
Figure BDA0003637870830000088
利用式(18)分别求出序列码本集Sb各列即
Figure BDA0003637870830000089
与L组初始残差
Figure BDA00036378708300000810
的内积值之和，比较Nb组求和结果，得到求和结果最大的一组所对应的子***的码本索引Ig后，执行步骤4-3-3；
Figure BDA00036378708300000811
步骤4-3-3、检测活动用户索引；利用Ig对应的序列码本集
Figure BDA00036378708300000812
与残差
Figure BDA00036378708300000813
进行组正交匹配追踪GOMP算法求解；
活动用户的检测基于从接收信号中获取与码本扩展序列的最大相关值对应的用户索引，通过公式(19)迭代求出序列码本集
Figure BDA00036378708300000814
各列与L组残差值
Figure BDA00036378708300000815
的内积值之和，比较Kb组求和结果，得到求和结果数值最大的一组所对应的活动用户的索引，利用公式(20)更新子***Ig中活动用户的支持集；执行步骤4-3-4；
Figure BDA00036378708300000816
Figure BDA00036378708300000817
步骤4-3-4、检测子***活动用户数据；
利用公式(21)，使用最小二乘估计来估计当前迭代时子***Ig中用户数据的集合
Figure BDA0003637870830000091
其中
Figure BDA0003637870830000092
表示伪逆计算；遍历循环L组残差
Figure BDA0003637870830000093
后，执行步骤4-3-5；
Figure BDA0003637870830000094
步骤4-3-5、更新残差；利用当前检测用户的扩展序列，根据公式(22)，从
Figure BDA0003637870830000095
中减去估计数据的贡献来更新残差
Figure BDA0003637870830000096
根据公式(23)，残差能量小于阈值时停止更新，得到当前检测子***Ig中用户数据的估计矩阵
Figure BDA0003637870830000097
并保存到***用户数据的估计矩阵
Figure BDA0003637870830000098
中；遍历更新L组残差
Figure BDA0003637870830000099
后，当前子***的活动用户数据检测完毕后，执行步骤4-3-6；
Figure BDA00036378708300000910
||r||＜γ (23)
步骤4-3-6、对下一个子***的活动用户和数据进行迭代检测；将g更新为g+1,则分组信号
Figure BDA00036378708300000911
更新为
Figure BDA00036378708300000912
利用已检测的子***的支持集和序列码本集，根据公式(24)，从而消除已检测的子***的活动用户数据对待测子***的活动用户数据的干扰；消除干扰后的信号为
Figure BDA00036378708300000913
其中
Figure BDA00036378708300000914
可以表示为：
Figure BDA00036378708300000915
迭代更新初始残差
Figure BDA00036378708300000916
返回步骤4-3-2，对待测子***的活动用户以及数据进行检测，更新子***Ig+1用户数据的估计矩阵
Figure BDA00036378708300000917
已检测的子***不再被重复检测；直到迭代次数达到g＞Nb时，活动用户和数据的联合检测结束，得到***用户数据的估计矩阵
Figure BDA00036378708300000918
本发明的有益效果为：(1)本发明所述的方法改善了用户之间扩展序列的相关性问题，基于分组序列码本集方法，基本扩展序列形成了特定的循环移位版本，从而减小信令开销，在提高***容量的基础上进一步降低扩展序列之间的相关性，从而进一步提高活动用户与数据联合检测的准确性；
(2)本发明所述的方法将CSMUD与多载波***结合，利用多用户信号的稀疏结构，通过增加总体负载进一步提高了频谱效率，并通过CB-GOMP算法提高CSMUD的性能，本发明所述的方法能适应于mMTC场景下的大规模连接，相比于传统的方法，具有更高的实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例中所述的基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法的流程图；
图2为本发明实施例中***场景图；
图3为本发明实施例中扩展序列的分配图；
图4为本发明实施例中传感器节点的处理过程图；
图5为本发明实施例中子***CSMUD的资源块图；
图6为本发明实施例中CB-GOMP算法流程图。。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
本发明所述的基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法的流程图如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤1中，考虑一个典型的上行mMTC***场景，如图2所示；所述mMTC***中共有K个用户，K个用户位于同一个基站的覆盖范围内，每个用户可以向无线网络发起接入请求和数据传输；将全部K个用户划分为Nb组，形成Nb个子***；子***标号表示为b，它满足：
b∈B＝{1,...,Nb} (1)
其中，B表示子***标号集合；
每个子***包含Kb个用户，令子***b中的用户标号为kb，它满足：
kb∈{1,...,Kb} (2)
其中，
Figure BDA0003637870830000101
表示取上整；
用户的数据传输处于偶发状态，整个***用户总数为K＝NbKb。
假设每个用户的活动概率为pa，pa＝1，即用户以概率pa进行传输，以1-pa的方式保持静默；因此，在任一给定的时刻，K个用户中只有小部分用户处于活动状态；当一个用户处于活动状态时，它在传输时隙中连续发送短包数据。
步骤2中，所述每个子***的基本扩展序列设计方法如下：
用sb表示子***b的基本扩展序列，从单位圆上随机抽取Nb个样本，其中第i个样本表示为
Figure BDA0003637870830000111
其中，U服从区间[0,1]上的均匀分布，表示样本对应的相位；
Figure BDA0003637870830000112
的实部和虚部数值分别转换为长度为
Figure BDA0003637870830000113
的二进制码字，最后将它们拼接得到长度为Nc的二进制序列，即为子***b的基本扩展序列sb；
Nb个子***的基本扩展序列的组合矩阵表示为：
Figure BDA0003637870830000114
步骤2中，所述子***的序列码本集由一组扩展序列组成，每个扩展序列均由该子***的基本扩展序列根据特定移位模式进行循环移位后生成，每个子***所属序列码本集的生成方如下；
步骤2-1、生成子***的特定移位模式；
令子***b，b∈B＝{1,...,Nb}的特定移位模式pb为：
Figure BDA0003637870830000115
其中，pb,1＝0，Kb表示子***b中的用户数目；db,k表示子***b中用户k在pb中的索引，即向量pb的第db,k个元素；
Figure BDA0003637870830000116
表示pb的第db,k个元素的数值；
子***b的移位模式pb的第m个索引值pb,m,m≠1由下式计算得到：
Figure BDA0003637870830000121
其中，Nc表示基本扩展序列sb的长度；
Figure BDA0003637870830000122
表示基本扩展序列sb循环右移j位得到的新扩展序列；
Figure BDA0003637870830000123
表示基本扩展序列sb循环右移pb,i位得到的新扩展序列；
Figure BDA0003637870830000124
表示
Figure BDA0003637870830000125
和
Figure BDA0003637870830000126
的相关运算值；
步骤2-2、生成子***的序列码本集；
根据子***b的特定移位模式pb中的Kb个元素对基本扩展序列sb分别进行Kb次循环右移，得到子***b中全部Kb个用户的对应扩展序列：
Figure BDA0003637870830000127
其中，sb表示子***b对应的基本扩展序列，pb表示子***b对应的移位模式，它是长度为Kb的向量；db,k表示子***b中用户k在pb中的索引，即向量pb的第db,k个元素；
Figure BDA0003637870830000128
表示pb的第db,k个元素的数值；
Figure BDA0003637870830000129
是序列sb循环右移
Figure BDA00036378708300001210
位后生成的新序列；
这些扩展序列的集合即为子***b的序列码本集；
如图3所示，子***b中所有用户的扩展序列构成集合
Figure BDA00036378708300001211
即为***b的序列码本集，定义序列码本矩阵
Figure BDA00036378708300001212
步骤3中，所述用户数据的调制、扩频、复用过程如图4所示，具体步骤如下：
步骤3-1、单个子***的用户数据经调制与扩频后形成和信号；
每个子***中每个用户对其待发送数据进行数字调制后形成L个调制符号，若某一用户无数据发送，则认为其传输L个0；不失一般性，令子***b，b∈B＝{1,...,Nb}中所有用户的发送符号矩阵为
Figure BDA0003637870830000131
其中，
Figure BDA0003637870830000132
表示大小为Kb×L的复数集合；
Figure BDA0003637870830000133
为Db的第kb行向量，它表示子***b中第kb个用户发送的L个连续的时间符号；如果某一用户ku处于静默状态，则Db中的第ku行填充L个0；Db的每个列向量包含来自Kb个用户的符号；
用户利用自己的特定扩展序列对已调符号进行扩频，每个已调符号形成长度为Nc的扩频序列；每个子***中所有用户的数据经过调制、扩频后得到的序列相加，得到该子***的信号；令子***b，b∈B＝{1,...,Nb}的信号矩阵为
Figure BDA0003637870830000134
即
Xb＝DbSb (9)
其中，
Figure BDA0003637870830000135
为子***b的码本矩阵；
Figure BDA0003637870830000136
表示大小为Nc×L的复数域空间；
每个子***的和信号通过OFDM技术映射到Ns个子载波中形成一个时频资源块，单个子***CSMUD的时频资源块如图5所示；令子***b，b∈B＝{1,...,Nb}的和信号经OFDM技术变换后的频域符号为
Figure BDA0003637870830000137
其中
Figure BDA0003637870830000138
表示大小为Ns×L的复数域空间；
步骤3-2、多个子***的和信号通过载波部分重叠方式复用传输；
***中共有Nb个子***，因此共有Nb个时频资源块，每个时频资源块包含Ns个连续子载波；令相邻子***复用No个子载波，0≤No≤Ns，Nb个子***的和信号按照载波复用图样映射叠加为***的上行传输信号
Figure BDA0003637870830000139
表示为：
Figure BDA0003637870830000141
其中，
Figure BDA0003637870830000142
表示大小为Nmax×L的复数集合；通过重叠复用子载波，***占据的子载波总数Nmax计算为：
Figure BDA0003637870830000143
定义***承载的用户总数与子载波总数的比值为***载波负载，通过子***之间的子载波复用，***载波负载计算为：
Figure BDA0003637870830000144
其中，K＝NbKb；
该信号经天线馈送至上行信道中传输给基站。
步骤4中，基站接收多个子***的上行传输信号并恢复出各个子***的和信号，所述上行信号接收处理步骤如下：
步骤4-1、基站接收多个子***的上行传输信号；
考虑平坦衰落信道，基站接收的频域信号
Figure BDA0003637870830000145
表示为：
Y＝HX+N (12)
其中，
Figure BDA0003637870830000146
表示大小为Nmax×L的复数域空间；矩阵
Figure BDA0003637870830000147
表示信道系数矩阵，它是对角矩阵，即
Figure BDA0003637870830000151
其中，
Figure BDA0003637870830000152
表示大小为Nmax×Nmax的复数域空间；hs表示子载波s的平坦衰落系数；N表示信道加性白噪声矩阵，它服从均值为0方差为
Figure BDA0003637870830000153
的复高斯分布，即
Figure BDA0003637870830000154
通过OFDM技术解调并消除信道干扰后，为了简化***模型，使Ns＝Nc，将Nb个子***在频域上的和信号
Figure BDA0003637870830000155
转换为时域和信号
Figure BDA0003637870830000156
步骤4-2、基站从上行传输信号中恢复每个子***的和发送信号；
基站接收到多个子***中活跃用户的上行信号后，通过OFDM技术反变换恢复出单个子***对应的接收信；令基站接收恢复出的子***b的信号为
Figure BDA0003637870830000157
Yb表示为：
Yb＝HbXb+Nb (14)
其中，
Figure BDA0003637870830000158
表示大小为Nc×L的复数域空间；矩阵
Figure BDA0003637870830000159
表示子***b，b∈B＝{1,...,Nb}和信号矩阵；
Figure BDA00036378708300001510
表示信道系数矩阵，它是一个对角矩阵，表示为：
Hb＝diag{hb} (15)
其中，向量
Figure BDA00036378708300001511
表示子***b中每个终端用户的平坦衰落系数的集合，
Figure BDA00036378708300001512
表示子***b中终端用户k的平坦衰落系数；Nb表示均值为0方差为
Figure BDA00036378708300001513
的加性高斯白噪声矩阵，即
Figure BDA00036378708300001514
步骤4-3、基站采用CB-GOMP算法从每个子***和信号中联合检测活跃用户及用户数据。
如图6所示，利用CB-GOMP算法迭代检测每个子***中的活跃用户并恢复其发送信号，以子***b的序列码本
Figure BDA0003637870830000161
接收信号Y为输入，子***中用户的估计矩阵
Figure BDA0003637870830000162
作为输出；所述CB-GOMP算法的具体步骤如下：
步骤4-3-1、初始化算法参数；
令子***b的支持集的估计，即子***b中活跃用户序号集合为Γb，其初始值
Figure BDA0003637870830000163
为空集，即
Figure BDA0003637870830000164
令检测子***码本索引的迭代次数为g，检测子***b中活跃用户数据的迭代次数q的初值为0；基站接收到全部子***的信号Y为：
Figure BDA0003637870830000165
Figure BDA0003637870830000166
其中，yl表示当前帧的第l个符号；Nc为扩展序列的长度，L为一帧内发送的符号数目；将yl分割为Nb个子信号，如式(17)所示；
Figure BDA0003637870830000167
表示yl分组得到的第g个子信号；残差r表示接收信号与算法恢复信号的差，残差rl表示接收信号yl与算法恢复信号
Figure BDA0003637870830000168
的差，1≤l≤L；
Figure BDA0003637870830000169
表示迭代次数为q-1时的残差；
Figure BDA00036378708300001610
表示残差rl的初值，其中
Figure BDA00036378708300001611
初始化为
Figure BDA00036378708300001612
g初始化为1；执行步骤4-3-2；
步骤4-3-2、检测活动用户的子***码本索引；
对接收到的一帧L个符号(即
Figure BDA00036378708300001613
利用式(18)分别求出序列码本集Sb各列(即
Figure BDA00036378708300001614
)与L组初始残差
Figure BDA00036378708300001615
的内积值之和，比较Nb组求和结果，得到求和结果最大的一组所对应的子***的码本索引Ig后，执行步骤4-3-3；
Figure BDA00036378708300001616
步骤4-3-3、检测活动用户索引；利用Ig对应的序列码本集
Figure BDA0003637870830000171
与残差
Figure BDA0003637870830000172
进行组正交匹配追踪GOMP算法求解；
活动用户的检测基于从接收信号中获取与码本扩展序列的最大相关值对应的用户索引，通过公式(19)迭代求出序列码本集
Figure BDA0003637870830000173
各列与L组残差值
Figure BDA0003637870830000174
的内积值之和，比较Kb组求和结果，得到求和结果数值最大的一组所对应的活动用户的索引，利用公式(20)更新子***Ig中活动用户的支持集；执行步骤4-3-4；
Figure BDA0003637870830000175
Figure BDA0003637870830000176
步骤4-3-4、检测子***活动用户数据；
利用公式(21)，使用最小二乘估计来估计当前迭代时子***Ig中用户数据的集合
Figure BDA0003637870830000177
其中
Figure BDA0003637870830000178
表示伪逆计算；遍历循环L组残差
Figure BDA0003637870830000179
后，执行步骤4-3-5；
Figure BDA00036378708300001710
步骤4-3-5、更新残差；利用当前检测用户的扩展序列，根据公式(22)，从
Figure BDA00036378708300001711
中减去估计数据的贡献来更新残差
Figure BDA00036378708300001712
根据公式(23)，残差能量小于阈值时停止更新，得到当前检测子***Ig中用户数据的估计矩阵
Figure BDA00036378708300001713
并保存到***用户数据的估计矩阵
Figure BDA00036378708300001714
中；遍历更新L组残差
Figure BDA00036378708300001715
后，当前子***的活动用户数据检测完毕后，执行步骤4-3-6；
Figure BDA00036378708300001716
||r||＜γ (23)
步骤4-3-6、对下一个子***的活动用户和数据进行迭代检测；将g更新为g+1,则分组信号
Figure BDA00036378708300001717
更新为
Figure BDA00036378708300001718
利用已检测的子***的支持集和序列码本集，根据公式(24)，从而消除已检测的子***的活动用户数据对待测子***的活动用户数据的干扰；消除干扰后的信号为
Figure BDA0003637870830000181
其中
Figure BDA0003637870830000182
可以表示为：
Figure BDA0003637870830000183
迭代更新初始残差
Figure BDA0003637870830000184
返回步骤4-3-2，对待测子***的活动用户以及数据进行检测，更新子***Ig+1用户数据的估计矩阵
Figure BDA0003637870830000185
已检测的子***不再被重复检测；直到迭代次数达到g＞Nb时，活动用户和数据的联合检测结束，得到***用户数据的估计矩阵
Figure BDA0003637870830000186
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (8)

1.基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对于拥有大规模终端的mMTC***，将全部用户进行分组形成多个用户子***，定义每个子***的用户集合；
步骤2、为每个子***设计唯一的基本扩展序列，根据该序列生成每个子***的序列码本集，为所述子***中的每个用户分配其序列码本集中的一个唯一的扩展序列；
步骤3、将每个子***的用户数据经过调制、扩展序列扩频后相加，形成该子***的和信号；每个子***的和信号通过OFDM技术映射到多个子载波上形成时频数据块；不同子***的时频数据块重叠复用部分子载波，通过上行信道传输至基站；
步骤4、基站接收多个子***的上行传输信号并恢复出各个子***的和信号；对于每个子***的和信号，采用基于序列码本块的组正交匹配追踪算法对其中的活动用户和用户数据进行联合检测，完成大规模用户的随机接入与数据传输。
2.根据权利要求1所述的基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，步骤1中，所述mMTC***中共有K个用户，K个用户位于同一个基站的覆盖范围内，每个用户向无线网络发起接入请求和数据传输；将全部K个用户划分为Nb组，形成Nb个子***；子***标号表示为b，它满足：
b∈B＝{1,...,Nb} (1)
其中，B表示子***标号集合；
每个子***包含Kb个用户，令子***b中的用户标号为kb，它满足：
kb∈{1,...,Kb} (2)
其中，
Figure FDA0003637870820000011
Figure FDA0003637870820000012
表示取上整；
用户的数据传输处于偶发状态，整个***用户总数为K＝NbKb。
3.根据权利要求2所述基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，步骤1中，假设每个用户的活动概率为pa，pa＝1，即用户以概率pa进行传输，以1-pa的方式保持静默；因此，在任一给定的时刻，K个用户中只有小部分用户处于活动状态；当一个用户处于活动状态时，它在传输时隙中连续发送短包数据。
4.根据权利要求1所述基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，步骤2中，所述每个子***的基本扩展序列设计方法如下：
用sb表示子***b的基本扩展序列，从单位圆上随机抽取Nb个样本，其中第i个样本表示为
Figure FDA0003637870820000021
其中，U服从区间[0,1]上的均匀分布，表示样本对应的相位；
Figure FDA0003637870820000022
的实部和虚部数值分别转换为长度为
Figure FDA0003637870820000023
的二进制码字，最后将它们拼接得到长度为Nc的二进制序列，即为子***b的基本扩展序列sb；
Nb个子***的基本扩展序列的组合矩阵表示为：
Figure FDA0003637870820000024
5.根据权利要求4所述基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，步骤2中，所述子***的序列码本集由一组扩展序列组成，每个扩展序列均由该子***的基本扩展序列根据特定移位模式进行循环移位后生成，每个子***所属序列码本集的生成方如下；
步骤2-1、生成子***的特定移位模式；
令子***b，b∈B＝{1,...,Nb}的特定移位模式pb为：
Figure FDA0003637870820000025
其中，pb,1＝0，Kb表示子***b中的用户数目；db,k表示子***b中用户k在pb中的索引，即向量pb的第db,k个元素；
Figure FDA0003637870820000026
表示pb的第db,k个元素的数值；
子***b的移位模式pb的第m个索引值pb,m,m≠1由下式计算得到：
Figure FDA0003637870820000027
其中，Nc表示基本扩展序列sb的长度；
Figure FDA0003637870820000028
表示基本扩展序列sb循环右移j位得到的新扩展序列；
Figure FDA0003637870820000029
表示基本扩展序列sb循环右移pbi位得到的新扩展序列；
Figure FDA00036378708200000210
表示
Figure FDA00036378708200000211
和
Figure FDA00036378708200000212
的相关运算值。
步骤2-2、生成子***的序列码本集；
根据子***b的特定移位模式pb中的Kb个元素对基本扩展序列sb分别进行Kb次循环右移，得到子***b中全部Kb个用户的对应扩展序列：
Figure FDA0003637870820000031
其中，sb表示子***b对应的基本扩展序列，pb表示子***b对应的移位模式，它是长度为Kb的向量；db,k表示子***b中用户k在pb中的索引，即向量pb的第db,k个元素；
Figure FDA0003637870820000032
表示pb的第db,k个元素的数值；
Figure FDA0003637870820000033
是序列sb循环右移
Figure FDA0003637870820000034
位后生成的新序列；
这些扩展序列的集合即为子***b的序列码本集；
子***b中所有用户的扩展序列构成集合
Figure FDA0003637870820000035
即为***b的序列码本集，定义序列码本矩阵
Figure FDA0003637870820000036
6.根据权利要求1所述基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，步骤3中，所述用户数据的调制、扩频、复用过程如下：
步骤3-1、单个子***的用户数据经调制与扩频后形成和信号；
每个子***中每个用户对其待发送数据进行数字调制后形成L个调制符号，若某一用户无数据发送，则认为其传输L个0；不失一般性，令子***b，b∈B＝{1,...,Nb}中所有用户的发送符号矩阵为
Figure FDA0003637870820000037
其中，
Figure FDA0003637870820000038
表示大小为Kb×L的复数集合；
Figure FDA0003637870820000039
为Db的第kb行向量，它表示子***b中第kb个用户发送的L个连续的时间符号；如果某一用户ku处于静默状态，则Db中的第ku行填充L个0；Db的每个列向量包含来自Kb个用户的符号；
用户利用自己的特定扩展序列对已调符号进行扩频，每个已调符号形成长度为Nc的扩频序列；每个子***中所有用户的数据经过调制、扩频后得到的序列相加，得到该子***的和信号；令子***b，b∈B＝{1,...,Nb}的和信号矩阵为
Figure FDA00036378708200000310
即
Xb＝DbSb (9)
其中，
Figure FDA0003637870820000041
为子***b的码本矩阵；
Figure FDA0003637870820000042
表示大小为Nc×L的复数域空间；
每个子***的和信号通过OFDM技术映射到Ns个子载波中形成一个时频资源块；令子***b，b∈B＝{1,...,Nb}的和信号经OFDM技术变换后的频域符号为
Figure FDA0003637870820000043
其中
Figure FDA0003637870820000044
表示大小为Ns×L的复数域空间；
步骤3-2、多个子***的和信号通过载波部分重叠方式复用传输；
***中共有Nb个子***，因此共有Nb个时频资源块，每个时频资源块包含Ns个连续子载波；令相邻子***复用No个子载波，0≤No≤Ns，Nb个子***的和信号按照载波复用图样映射叠加为***的上行传输信号
Figure FDA0003637870820000045
表示为：
Figure FDA0003637870820000046
其中，
Figure FDA0003637870820000047
表示大小为Nmax×L的复数集合；通过重叠复用子载波，***占据的子载波总数Nmax计算为：
Figure FDA0003637870820000048
定义***承载的用户总数与子载波总数的比值为***载波负载，通过子***之间的子载波复用，***载波负载计算为：
Figure FDA0003637870820000049
其中，K＝NbKb；
该信号经天线馈送至上行信道中传输给基站。
7.根据权利要求1所述基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，步骤4中，基站接收多个子***的上行传输信号并恢复出各个子***的和信号，所述上行信号接收处理步骤如下：
步骤4-1、基站接收多个子***的上行传输信号；
考虑平坦衰落信道，基站接收的频域信号
Figure FDA0003637870820000051
表示为：
Y＝HX+N (12)
其中，
Figure FDA0003637870820000052
表示大小为Nmax×L的复数域空间；矩阵
Figure FDA0003637870820000053
表示信道系数矩阵，它是对角矩阵，即
Figure FDA0003637870820000054
其中，
Figure FDA0003637870820000055
表示大小为Nmax×Nmax的复数域空间；hs表示子载波s的平坦衰落系数；N表示信道加性白噪声矩阵，它服从均值为0方差为
Figure FDA0003637870820000056
的复高斯分布，即
Figure FDA0003637870820000057
通过OFDM技术解调并消除信道干扰后，为了简化***模型，使Ns＝Nc，将Nb个子***在频域上的和信号
Figure FDA0003637870820000058
转换为时域和信号
Figure FDA0003637870820000059
步骤4-2、基站从上行传输信号中恢复每个子***的和发送信号；
基站接收到多个子***中活跃用户的上行信号后，通过OFDM技术反变换恢复出单个子***对应的接收信；令基站接收恢复出的子***b的和信号为
Figure FDA00036378708200000510
Yb表示为：
Yb＝HbXb+Nb (14)
其中，
Figure FDA00036378708200000511
表示大小为Nc×L的复数域空间；矩阵
Figure FDA00036378708200000512
表示子***b，b∈B＝{1,...,Nb}和信号矩阵；
Figure FDA00036378708200000513
表示信道系数矩阵，它是一个对角矩阵，表示为：
Hb＝diag{hb} (15)
其中，向量
Figure FDA0003637870820000061
表示子***b中每个终端用户的平坦衰落系数的集合，
Figure FDA0003637870820000062
表示子***b中终端用户k的平坦衰落系数；Nb表示均值为0方差为
Figure FDA0003637870820000063
的加性高斯白噪声矩阵，即
Figure FDA0003637870820000064
步骤4-3、基站采用CB-GOMP算法从每个子***和信号中联合检测活跃用户及用户数据。
8.根据权利要求7所述基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，利用CB-GOMP算法迭代检测每个子***中的活跃用户并恢复其发送信号，以子***b的序列码本
Figure FDA0003637870820000065
接收信号Y为输入，子***中用户的估计矩阵
Figure FDA0003637870820000066
作为输出；所述CB-GOMP算法的具体步骤如下：
步骤4-3-1、初始化算法参数；
令子***b的支持集的估计，即子***b中活跃用户序号集合为Γb，其初始值
Figure FDA0003637870820000067
为空集，即
Figure FDA0003637870820000068
令检测子***码本索引的迭代次数为g，检测子***b中活跃用户数据的迭代次数q的初值为0；基站接收到全部子***的信号Y为：
Figure FDA0003637870820000069
Figure FDA00036378708200000610
其中，yl表示当前帧的第l个符号；Nc为扩展序列的长度，L为一帧内发送的符号数目；将yl分割为Nb个子信号，如式(17)所示；
Figure FDA00036378708200000611
表示yl分组得到的第g个子信号；残差r表示接收信号与算法恢复信号的差，残差rl表示接收信号yl与算法恢复信号
Figure FDA00036378708200000612
的差，1≤l≤L；
Figure FDA00036378708200000613
表示迭代次数为q-1时的残差；
Figure FDA00036378708200000614
表示残差rl的初值，其中
Figure FDA00036378708200000615
初始化为
Figure FDA00036378708200000616
g初始化为1；执行步骤4-3-2；
步骤4-3-2、检测活动用户的子***码本索引；
对接收到的一帧L个符号，即
Figure FDA00036378708200000617
利用式(18)分别求出序列码本集Sb各列即
Figure FDA00036378708200000618
与L组初始残差
Figure FDA00036378708200000619
的内积值之和，比较Nb组求和结果，得到求和结果最大的一组所对应的子***的码本索引Ig后，执行步骤4-3-3；
Figure FDA00036378708200000620
步骤4-3-3、检测活动用户索引；利用Ig对应的序列码本集
Figure FDA0003637870820000071
与残差
Figure FDA0003637870820000072
进行组正交匹配追踪GOMP算法求解；
活动用户的检测基于从接收信号中获取与码本扩展序列的最大相关值对应的用户索引，通过公式(19)迭代求出序列码本集
Figure FDA0003637870820000073
各列与L组残差值
Figure FDA0003637870820000074
的内积值之和，比较Kb组求和结果，得到求和结果数值最大的一组所对应的活动用户的索引，利用公式(20)更新子***Ig中活动用户的支持集；执行步骤4-3-4；
Figure FDA0003637870820000075
Figure FDA0003637870820000076
步骤4-3-4、检测子***活动用户数据；
利用公式(21)，使用最小二乘估计来估计当前迭代时子***Ig中用户数据的集合
Figure FDA0003637870820000077
其中
Figure FDA0003637870820000078
表示伪逆计算；遍历循环L组残差
Figure FDA0003637870820000079
后，执行步骤4-3-5；
Figure FDA00036378708200000710
步骤4-3-5、更新残差；利用当前检测用户的扩展序列，根据公式(22)，从
Figure FDA00036378708200000711
中减去估计数据的贡献来更新残差
Figure FDA00036378708200000712
根据公式(23)，残差能量小于阈值时停止更新，得到当前检测子***Ig中用户数据的估计矩阵
Figure FDA00036378708200000713
并保存到***用户数据的估计矩阵
Figure FDA00036378708200000714
中；遍历更新L组残差
Figure FDA00036378708200000715
后，当前子***的活动用户数据检测完毕后，执行步骤4-3-6；
Figure FDA00036378708200000716
||r||＜γ (23)
步骤4-3-6、对下一个子***的活动用户和数据进行迭代检测；将g更新为g+1,则分组信号
Figure FDA00036378708200000717
更新为
Figure FDA00036378708200000718
利用已检测的子***的支持集和序列码本集，根据公式(24)，从而消除已检测的子***的活动用户数据对待测子***的活动用户数据的干扰；消除干扰后的信号为
Figure FDA0003637870820000081
其中
Figure FDA0003637870820000082
可以表示为：
Figure FDA0003637870820000083
迭代更新初始残差
Figure FDA0003637870820000084
返回步骤4-3-2，对待测子***的活动用户以及数据进行检测，更新子***Ig+1用户数据的估计矩阵
Figure FDA0003637870820000085
已检测的子***不再被重复检测；直到迭代次数达到g＞Nb时，活动用户和数据的联合检测结束，得到***用户数据的估计矩阵
Figure FDA0003637870820000086
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