CN115941400B - 一种scma-ofdm***上行链路的信道跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种SCMA‑OFDM***上行链路的信道跟踪方法，在收发同步的情形下工作，以帧为单位，按以下步骤进行信号处理：步骤S1：定义符号；步骤S2：发送端，每个用户的二进制导频和二进制数据序列，按照SCMA‑OFDM的信号处理流程处理；步骤S3：接收端，对接收的每一帧的所有时域符号，依次去循环前缀和FFT，获得频域符号，提取其中的导频符号，进行导频位置上信道的估计；步骤S4：利用步骤S3的信道估计值，进行同一帧数据位置上信道的估计，进行信道跟踪。通过这样的处理，相对于无信道跟踪的***，可以在相同的导频开销下，获得更好的用户数据检测性能，检测后的数据误比特率更低。
Description
技术领域
本发明涉及通信***接收端的信道估计和跟踪技术领域，特别是一种SCMA-OFDM***上行链路的信道跟踪方法。
背景技术
对于SCMA-OFDM***，信道因子是接收端进行用户数据检测的必要信息，所以，信道估计是该***的关键技术之一。利用导频或者训练序列进行信道估计，是通信***常用的方法。由于无线移动通信信道是时变的，利用导频或者训练序列进行信道估计之后，还需要信道跟踪，及时更新信道估计值，以便获得更好的用户数据检测性能。对于上行链路，每个用户信号经历的信道各不相同，进行所有用户信道估计所需要的导频或训练序列开销相对于下行链路大，如果通过比较密集地***导频进行信道跟踪，***开销将更大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种SCMA-OFDM***上行链路的信道跟踪方法，在不增加额外导频或训练序列的开销的情况下，降低用户数据检测的误比特率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种SCMA-OFDM***上行链路的信道跟踪方法，在收发同步的情形下工作，以帧为单位，按以下步骤进行信号处理：
步骤S1：定义如下符号，Q表示调制阶数，V表示用户数，K表示用户使用的稀疏码字的维数，N表示用户码字中非零元素的数目，M表示子载波数，CP_Len表示循环前缀长度，N_block表示一帧中包含导频符号在内的所有OFDM符号的数目，N_p表示其中导频符号的数目；
步骤S2：发送端，每个用户的二进制导频和二进制数据序列，按照SCMA-OFDM的信号处理流程处理，即依次进行二进制到Q进制的转换，转换后的Q进制符号，映射成该用户码本中的某个K维码字，相邻的个码字构成的数据，作为一个OFDM频域符号，进行M点IFFT、加循环前缀，形成时域符号，然后按照特定帧格式发送；
步骤S3：接收端，对接收的每一帧的所有时域符号，依次去循环前缀和FFT，获得频域符号，提取其中的导频符号，进行导频位置上信道的估计；
步骤S4：利用步骤S3的信道估计值，进行同一帧数据位置上信道的估计，实现信道跟踪。
在一较佳的实施例中，所述步骤S2中特定帧格式，具体为：一帧中，OFDM符号数为N_block，其中前面是N_p个导频符号，后面是用户数据符号，且N_p≥V×N/K。
在一较佳的实施例中，所述步骤S3中的导频位置上信道的估计方法如下：
步骤S31：先利用估计所有用户非零子载波位置上的信道频率响应，其中/>[]T表示转置，/>表示由第v个用户非零子载波位置上的信道频率响应估计值构成的行矢量，[]-1表示矩阵求逆，表示以发送端第v个用户的第i个导频符号在所有子载波位置上的值作为主对角线构成的方阵，X(i)＝[[X1(i),X2(i),…,XV(i)]]是由各个Xv(i)按从左到右的次序连接构成的矩阵，Xeff(i)是把X(i)中所有全零列去除后的结果，表示Xeff(i)的共轭转置；Y(i)是接收到的第i个导频符号在所有子载波位置上的值构成的列矢量；
步骤S32：对于v＝1,2,…,V,先生成K行列的全零矩阵/>接着把步骤S31中获得的行矢量/>以按列优先的原则转化为N行/>列的矩阵/>然后根据用户v的码字的稀疏模式，确定码字中非零元素的位置，从大到小，依次记为index1，index2，…，indexN，把/>的第1，2，…，N行分别填入/>的第index1，index2，…，indexN行；
步骤S33：对于v＝1,2,…,V,把步骤S32中获得的矩阵以按列优先的原则转化成长度为M的列向量/>该矢量就是第v个用户在导频位置上所有子载波的信道频率响应估计值构成的矢量。
在一较佳的实施例中，所述步骤S4中的数据位置上的信道估计方法如下，对于所有v＝1,2,…,V，
步骤S41：设定系数alfa，且0<alfa<1，令Id＝N_p，其中/>来自步骤S33的结果；
步骤S42：用表示第v个用户在第Id个符号上所有子载波上发送的导频构成的列向量；
步骤S43：求其中conj表示复数共轭，Y(Id)表示接收到的第Id个频域符号在所有子载波位置上的值构成的列矢量；
步骤S44：Id＝Id+1，判断Id是否等于N_block，如果不是，执行S45，如果是,结束所有运算，得到的Id＝Np，Np+1，…，N_block-1就是数据位置上的信道估计结果，即完成该帧的信道跟踪；
步骤S45：用对Y(Id)进行基于经典的消息传递算法MPA的用户数据检测，得到第v个用户的第Id个符号的二进制数据估计值；
步骤S46：上述每个用户二进制数据估计值，分别按照SCMA-OFDM的发送信号处理流程，进行各用户的数据重建，即依次进行二进制到Q进制的转换，转换后的Q进制符号，映射成该用户码本中的某个K维码字，相邻的个码字构成的数据，记为
步骤S47：返回步骤S43。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：利用跟踪后的信道估计值进行用户数据检测得到的误比特率，与不用信道跟踪，只用导频进行信道估计，并把该信道估计值用于该帧后续所有数据的检测，误比特率有明显下降，而且在跟踪期间，没有增加额外导频等辅助信息，显示了本发明方法的优越性。
附图说明
图1是本发明优选实施例的用户发送帧格式(频域)示意图；
图2是本发明优选实施例的接收端的信号处理流程图；
图3是本发明优选实施例的误比特率曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式；如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种SCMA-OFDM***上行链路的信道跟踪方法，参考图1至3，在收发同步的情形下工作，以帧为单位，按以下步骤进行信号处理：
步骤S1：定义如下符号，Q表示调制阶数，V表示用户数，K表示用户使用的稀疏码字的维数，N表示用户码字中非零元素的数目，M表示子载波数，CP_Len表示循环前缀长度，N_block表示一帧中包含导频符号在内的所有OFDM符号的数目，N_p表示其中导频符号的数目；
步骤S2：发送端，每个用户的二进制导频和二进制数据序列，按照SCMA-OFDM的信号处理流程处理，即依次进行二进制到Q进制的转换，转换后的Q进制符号，映射成该用户码本中的某个K维码字，相邻的个码字构成的数据，作为一个OFDM频域符号，进行M点IFFT、加循环前缀，形成时域符号，然后按照特定帧格式发送；
步骤S3：接收端，对接收的每一帧的所有时域符号，依次去循环前缀和FFT，获得频域符号，提取其中的导频符号，进行导频位置上信道的估计；
步骤S4：利用步骤S3的信道估计值，进行同一帧数据位置上信道的估计，实现信道跟踪；
所述步骤S2中特定帧格式，具体为：一帧中，OFDM符号数为N_block，其中前面是N_p个导频符号，后面是用户数据符号，且N_p≥V×N/K；
所述步骤S3中的导频位置上信道的估计方法如下：
步骤S31：先利用估计所有用户非零子载波位置上的信道频率响应，其中/>[]T表示转置，/>表示由第v个用户非零子载波位置上的信道频率响应估计值构成的行矢量，[]-1表示矩阵求逆，表示以发送端第v个用户的第i个导频符号在所有子载波位置上的值作为主对角线构成的方阵，X(i)＝[[X1(i),X2(i),…,XV(i)]]是由各个Xv(i)按从左到右的次序连接构成的矩阵，Xeff(i)是把X(i)中所有全零列去除后的结果，表示Xeff(i)的共轭转置。Y(i)是接收到的第i个导频符号在所有子载波位置上的值构成的列矢量；
步骤S32：对于v＝1,2,…,V,先生成K行列的全零矩阵/>接着把步骤S31获得的行矢量/>以按列优先的原则转化为N行/>列的矩阵/>然后根据用户v的码字的稀疏模式，确定码字中非零元素的位置，从大到小，依次记为index1，index2，…，indexN，把/>的第1，2，…，N行分别填入/>的第index1，index2，…，indexN行；
步骤S33：对于v＝1,2,…,V,把步骤S32获得的矩阵以按列优先的原则转化成长度为M的列向量/>该矢量就是第v个用户在导频位置上所有子载波的信道频率响应估计值构成的矢量；
所述步骤S4中的数据位置上的信道估计方法如下，对于所有v＝1,2,…,V，
步骤S41：设定系数alfa，且0<alfa<1，令Id＝N_p，其中/>来自步骤S33的结果；
步骤S42：用表示第v个用户在第Id个符号上所有子载波上发送的导频构成的列向量；
步骤S43：求其中conj表示复数共轭，Y(Id)表示接收到的第Id个频域符号在所有子载波位置上的值构成的列矢量；
步骤S44：Id＝Id+1，判断Id是否等于N_block，如果不是，执行S45，如果是,结束所有运算，得到的Id＝Np，Np+1，…，N_block-1就是数据位置上的信道估计结果，即完成该帧的信道跟踪。
步骤S45：用对Y(Id)进行基于经典的消息传递算法(MPA)的用户数据检测，得到第v个用户的第Id个符号的二进制数据估计值；
步骤S46：上述每个用户二进制数据估计值，分别按照SCMA-OFDM的发送信号处理流程，进行各用户的数据重建，即依次进行二进制到Q进制的转换，转换后的Q进制符号，映射成该用户码本中的某个K维码字，相邻的个码字构成的数据，记为
步骤S47：返回步骤S43。
实施例1
步骤S1：调制阶数Q＝4，用户数V＝6，用户码字维数K＝4，码字中非零元素数目N＝2，子载波数M＝32，循环前缀长度CP_Len＝8，一帧的符号数N_block＝10000，导频符号数目N_p＝5，六个用户使用的码本分别是如下，每一列是一个码字，二进制序列00,01,10,11分别映射成第一列，第二列，第三列和第四列。
用户1码本：
用户2码本：
| 0.7851 | -0.2243 | 0.2243 | -0.7851 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| -0.1815-j*0.1318 | -0.6351-j*0.4615 | 0.6351+j*0.4615 | 0.1815+j*0.1318 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
用户3码本：
| -0.6351+j*0.4615 | 0.1815-j*0.1318 | -0.1815+j*0.1318 | 0.6351-j*0.4615 |
| 0.1392-j*0.1759 | 0.4873-j*0.6156 | -0.4873+j*0.6156 | -0.1392+j*0.1759 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
用户4码本：
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0.7851 | -0.2243 | 0.2243 | -0.7851. |
| -0.0055-j*0.2242 | -0.0193-j*0.7848 | 0.0193+j*0.7848 | 0.0055+j*0.2242 |
用户5码本：
| -0.0055-j*0.2242 | -0.0193-j*0.7848 | 0.0193+j*0.7848 | 0.0055+j*0.2242 |
| 0 | 0 | 0 | |
| 0 | 0 | 0 | |
| -0.6351+j*0.4615 | 0.1815-j*0.1318 | -0.1815+j*0.1318 | 0.6351-j*0.4615 |
用户6码本：
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0.7851 | -0.2243 | 0.2243 | -0.7851 |
| 0.1392-j*0.1759 | 0.4873-j*0.6156 | -0.4873+j*0.6156 | -0.1392+j*0.1759 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
***带宽为10MHz，多普勒频移100Hz，用户1～用户6的信道参数分别如下：
步骤S2：发送端，对于用户1的某一帧，包括前置导频和用户数据的所有二进制序列0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 11 1 1 0 1 0 1 0……，转化为四进制符号0 3 1 2 1 3 1 2 2 1 3 2 3 32 2 2……，使用用户1码本进行映射，若符号为0，使用码本的第1列码字，若符号为1，使用码本的第2列码字，若符号为2，使用码本的第3列码字，若符号为3，使用码本的第4列码字，所有四进制符号映射完毕后，从第一个码字开始，每相邻的32/4＝8个码字构成的32个数据，进行32点的IFFT，加入长度为8的循环前缀，形成时域符号，前面的5个符号是导频符号，后面其它符号是数据符号，按照如图1的帧格式进行组合，用户2～用户6也做相同的处理；
步骤S3：接收端，对接收序列每一帧的所有时域符号，依次去循环前缀和FFT，获得频域符号，然后提取其中的导频符号，进行导频位置上信道的估计，具体如下：
S31：先利用估计所有用户非零子载波位置上的信道频率响应，其中/>[]T表示转置，/>表示由第v个用户非零子载波位置上的信道频率响应估计值构成的行矢量，[]-1表示矩阵求逆，表示以发送端第v个用户的第i个导频符号在所有子载波位置上的值作为主对角线构成的方阵，X(i)＝[[X1(i),X2(i),…,XV(i)]]是由各个Xv(i)按从左到右的次序连接构成的矩阵，Xeff(i)是把X(i)中所有全零列去除后的结果，表示Xeff(i)的共轭转置。Y(i)是接收到的第i个导频符号在所有子载波位置上的值构成的列矢量；
步骤S32：对于v＝1,2,…,V,先生成4行8列的全零矩阵接着把步骤S31获得的行矢量/>以按列优先的原则转化为2行8列的矩阵/>然后根据用户v的码字的稀疏模式，确定码字中非零元素的位置，从大到小，依次记为index1，index2，…，indexN，把的第1，2，…，N行分别填入/>的第index1，index2，…，indexN行，比如用户1，其码字非零的位置index1＝2，index2＝4，所以把/>的第一行和第二行分别放入/>的第2行和第4行，又如用户2，其码字非零的位置index1＝1，index2＝3，所以把/>的第一行和第二行分别放入/>的第1行和第3行，其它用户依此类推；
步骤S33：对于v＝1,2,…,V,把步骤S32获得的矩阵以按列优先的原则转化成长度为32的列向量/>该矢量就是第v个用户在导频位置上所有子载波的信道频率响应估计值构成的矢量；
步骤S4：利用步骤S33的信道估计值对于所有的v＝1,2,…,V，进行同一帧数据位置上信道的估计，实现信道跟踪，具体如下：
步骤S41：设定系数alfa＝0.8，且0<alfa<1，令Id＝5，其中/>来自步骤S33的结果；
步骤S42：用表示第v个用户在第Id个符号上所有子载波上发送的导频构成的列向量；
步骤S43：求其中conj表示复数共轭，Y(Id)表示接收到的第Id个频域符号在所有子载波位置上的值构成的列矢量；
步骤S44：Id＝Id+1，判断Id是否等于10000，如果不是，执行S45，如果是,结束所有运算，得到的Id＝5，6，…，10000-1就是数据位置上的信道估计结果，即完成该帧的信道跟踪；
步骤S45：用对Y(Id)进行基于经典的消息传递算法(MPA)的用户数据检测，得到第v个用户的第Id个符号的二进制数据估计值；
步骤S46：上述每个用户二进制数据估计值，分别按照SCMA-OFDM的发送信号处理流程，进行各用户的数据重建，即依次进行二进制到四进制的转换，转换后的四进制符号，映射成该用户码本中的某个4维码字，相邻的8个码字构成的32个数据，记为
步骤S47：返回步骤S43。
图3是实施例1各用户利用本发明方法进行信道跟踪，利用跟踪后的信道估计值进行用户数据检测得到的误比特率情况，可以发现，与不用信道跟踪，只用导频进行信道估计，并把该信道估计值用于该帧后续所有数据的检测，误比特率在信噪比15dB以后，有明显下降，显示了本发明方法的优越性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (1)
1.一种SCMA-OFDM***上行链路的信道跟踪方法，其特征在于，在收发同步的情形下工作，以帧为单位，按以下步骤进行信号处理：
步骤S1：定义如下符号，Q表示调制阶数，V表示用户数，K表示用户使用的稀疏码字的维数，N表示用户码字中非零元素的数目，M表示子载波数，CP_Len表示循环前缀长度，N_block表示一帧中包含导频符号在内的所有OFDM符号的数目，N_p表示其中导频符号的数目；
步骤S2：发送端，每个用户的二进制导频和二进制数据序列，按照SCMA-OFDM的信号处理流程处理，即依次进行二进制到Q进制的转换，转换后的Q进制符号，映射成该用户码本中的某个K维码字，相邻的个码字构成的数据，作为一个OFDM频域符号，进行M点IFFT、加循环前缀，形成时域符号，然后按照特定帧格式发送；
步骤S3：接收端，对接收的每一帧的所有时域符号，依次去循环前缀和FFT，获得频域符号，提取其中的导频符号，进行导频位置上信道的估计；
步骤S4：利用步骤S3的信道估计值，进行同一帧数据位置上信道的估计，实现信道跟踪；
所述步骤S2中特定帧格式，具体为：一帧中，OFDM符号数为N_block，其中前面是N_p个导频符号，后面是用户数据符号，且N_p≥V×N/K；
所述步骤S3中的导频位置上信道的估计方法如下：
步骤S31：先利用估计所有用户非零子载波位置上的信道频率响应，其中/>[]T表示转置，/>表示由第v个用户非零子载波位置上的信道频率响应估计值构成的行矢量，[]-1表示矩阵求逆，表示以发送端第v个用户的第i个导频符号在所有子载波位置上的值作为主对角线构成的方阵，X(i)＝[X1(i),X2(i),…,XV(i)]是由各个Xv(i)按从左到右的次序连接构成的矩阵，Xeff(i)是把X(i)中所有全零列去除后的结果，/>表示Xeff(i)的共轭转置；Y(i)是接收到的第i个导频符号在所有子载波位置上的值构成的列矢量；
步骤S32：对于v＝1,2,…,V,先生成K行列的全零矩阵/>接着把步骤S31中获得的行矢量/>以按列优先的原则转化为N行/>列的矩阵/>然后根据用户v的码字的稀疏模式，确定码字中非零元素的位置，从大到小，依次记为index1，index2，…，indexN，把的第1，2，…，N行分别填入/>的第index1，index2，…，indexN行；
步骤S33：对于v＝1,2,…,V,把步骤S32中获得的矩阵以按列优先的原则转化成长度为M的列向量/>该矢量就是第v个用户在导频位置上所有子载波的信道频率响应估计值构成的矢量；
所述步骤S4中的数据位置上的信道估计方法如下，对于所有v＝1,2,…,V，
步骤S41：设定系数alfa，且0<alfa<1，令Id＝N_p，其中/>来自步骤S33的结果；
步骤S42：用表示第v个用户在第Id个符号上所有子载波上发送的导频构成的列向量；
步骤S43：求其中conj表示复数共轭，Y(Id)表示接收到的第Id个频域符号在所有子载波位置上的值构成的列矢量；
步骤S44：Id＝Id+1，判断Id是否等于N_block，如果不是，执行S45，如果是,结束所有运算，得到的Id＝Np，Np+1，…，N_block-1就是数据位置上的信道估计结果，即完成该帧的信道跟踪；
步骤S45：用对Y(Id)进行基于经典的消息传递算法MPA的用户数据检测，得到第v个用户的第Id个符号的二进制数据估计值；
步骤S46：上述每个用户二进制数据估计值，分别按照SCMA-OFDM的发送信号处理流程，进行各用户的数据重建，即依次进行二进制到Q进制的转换，转换后的Q进制符号，映射成该用户码本中的某个K维码字，相邻的个码字构成的数据，记为/>
步骤S47：返回步骤S43。
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|---|---|---|---|---|
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-
2022
- 2022-12-10 CN CN202211588568.0A patent/CN115941400B/zh active Active
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112956270A (zh) * | 2018-11-08 | 2021-06-11 | 华为技术有限公司 | 基于分段的参考信号 |
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115941400A (zh) | 2023-04-07 |
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