[發(fā)明專利]格碼多址系統(tǒng)及收發(fā)機處理方法

在審

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• 申請日: 2022-08-31
• 公開（公告）號: CN115514453A
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊濤;陳秋卓;余方濤;劉榮科
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H04L1/00
• 分類號: H04L1/00;H04B7/0452
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種格碼多址系統(tǒng)收發(fā)機的處理方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：LCMA發(fā)送端的編碼與調(diào)制

令用戶i的q元消息序列用列向量表示為b_i∈{0,1,…,q-1}^k,i＝1,2,…M，其中k為消息序列的長度；考慮各用戶傳輸相同的速率，所有用戶采用同一q元線性碼進行編碼；編碼后的n長碼字序列表示為

這里表示模q乘法，G表示一個n×k維的q元編碼生成矩陣；對q＝2，LCMA的編碼生成矩陣G采用turbo碼、LDPC碼或極化碼；對q2,q＝2^m,m＝2,3,…，采用環(huán)碼；對各用戶傳輸速率不同的情況，低速率用戶將其消息序列通過添加“0”位，使其長度為k，后用上述的格碼或環(huán)碼進行編碼；

對實數(shù)模型，LCMA的調(diào)制方式采用等間距q-PAM星座，調(diào)制映射操作為

其中γ用于歸一化序列x_i的平均能量；將上面星座點映射的關(guān)系表示為x_i＝δ(c_i)，一維上的星座點集合為單用戶信息速率為比特/符號；

M個可用碼字的整數(shù)倍疊加后，對q求模后仍為可用碼字，即

此性質(zhì)被用于格碼多址接收機求解用戶消息的線性組合，此性質(zhì)不適用于傳統(tǒng)非格碼的多址系統(tǒng)；

步驟二：LCMA發(fā)送端的擴頻操作

令N_S長的列向量s_i表示用戶i的擴頻序列，也稱為碼片級簽名序列；上述經(jīng)編碼與q-PAM調(diào)制的符號序列x_i經(jīng)擴頻后的信號表示為s_ix_i^T，其第j行為擴頻序列s_i中第j個元素所對應的信號序列，j＝1,2,…,N_S；格碼多址中的擴頻序列s_i的元素從{+1,-1,0}中獲得，且令||s_i||²＝1，即各擴頻序列的范數(shù)歸一；若s_i不包含零元素，則擴頻序列為其與IDMA系統(tǒng)的擴頻序列結(jié)構(gòu)相同；若s_i包含的零元素大大多于非零元素，擴頻序列構(gòu)成稀疏矩陣，其與SCMA系統(tǒng)的簽名序列結(jié)構(gòu)相同或相近；與IDMA和SCMA不同，LCMA不使用碼片級交織器；

步驟三：接收信號模型

a)對單天線接收機，即N_R＝1,接收到的基帶等效信號表示為：

其中為用戶i與接收機天線的衰落信道增益系數(shù)，Y為所有用戶信號的疊加再加上噪聲Z；這里Y的維度為N_S×n，其第j行對應擴頻序列中第j個元素的接收信號序列，Z的各元素為獨立同分布的高斯噪聲，方差為σ²；

為了表述方便，令及X＝[x₁,x₂,…,x_M]^T，接收信號表示為

Y＝HX+Z (4)

這里信道系數(shù)與擴頻序列合并為等效信道矩陣H，其維度為N_S×M；由于擴頻序列的范數(shù)和平均信號均已做歸一化處理，信噪比SNR定義為

對加性白噪聲AWGN多址信道，對瑞利塊衰落多址信道，各用戶的衰落信道系數(shù)獨立同分布，并在n個符號時間內(nèi)保持不變；考慮開環(huán)系統(tǒng)，信道狀態(tài)信息CSI在接收機完美獲得，在發(fā)送端未知，這種情況下采用誤碼率、誤幀率為性能指標進行考量，并采用互信息量的中斷概率作為該性能指標的上界；

b)對多天線接收機，即N_R1,接收到的基帶等效信號經(jīng)擴展后表示為：

這里列向量其中表示用戶i到接收機第j根天線的信道系數(shù)；這樣，對用戶i，h_i為一個長度為N＝N_S×N_R的“等效簽名序列”，集成了擴頻序列s_i和多接收天線的空域簽名序列系統(tǒng)的等效信道矩陣則表示為H＝[h₁,…,h_M]；對比公式(4)中的單接收天線模型，多天線模型中H的維度變?yōu)?N_S×N_R)×M；由于多天線的存在，其行數(shù)變?yōu)閱翁炀€模型的N_R倍；將基于等效信道H進行處理；上述多址模型理解為接收機收到N＝N_S×N_R個關(guān)于用戶i的信號的副本，來自N_S個擴頻序列和N_R個接收天線的合效果；接收機將在N維信號空間中區(qū)分并求解M個用戶的消息；

步驟四：LCMA接收端系數(shù)矩陣A的選定

考慮基站端通過信道估計獲得了精準的CSI；基于CSI,基站首先確立一個無限整數(shù)域的系數(shù)矩陣，表示為

這里要求滿秩；定義采用的q元域系數(shù)矩陣A為

其中

現(xiàn)有的非格碼的多址系統(tǒng)不包含此步驟；

步驟五：LCMA中的消息序列線性組合

令所有M用戶的消息序列用矩陣形式表示為B＝[b₁,…,b_M]^T，其第i行表示用戶i的k長消息序列；消息序列的第l路線性組合定義為：

共L路；l表示消息序列線性組合的索引；這里表示模q乘法；令所有L(L＝M)路消息序列的線性組合用矩陣形式表示為

多址系統(tǒng)中，線性組合路數(shù)L等于用戶數(shù)目M；下文書寫中均用參數(shù)L標記線性組合的總路數(shù)；

格碼多址中先基于接收信號Y計算各路線性組合，計算結(jié)果表為若計算結(jié)果正確，即由于A在q元域滿秩，則通過對乘以A的逆矩陣正確恢復所有M用戶的消息B＝[b₁,…,b_M]^T；此過程簡述為：

格碼的引入使得格碼多址系統(tǒng)對任意系數(shù)矩陣A計算消息序列的L路線性組合，增加了求解的自由度；相比之下，現(xiàn)有非格碼的多址系統(tǒng)則只能對各用戶消息進行求解，即系數(shù)矩陣為單位陣A＝I；

對用戶編碼調(diào)制后的序列c₁,…,c_M的L路線性組合給出定義如下；令所有M用戶編碼后的序列用矩陣形式表示為

對c₁,…,c_M的以A為系數(shù)矩陣的L路線性組合表示為

由于采用q元線性碼，運用公式(10)和(12),V滿足

編碼后序列的線性組合V和消息序列的線性組合U通過信道編碼生成矩陣G關(guān)聯(lián)；對應G的譯碼器是基于對V的觀測或軟概率信息計算U，后通過恢復B；現(xiàn)有的非格碼的多址系統(tǒng)不包含此步驟；

步驟六：接收機逐符號檢測；

針對編碼調(diào)制后的消息序列線性組合V＝[v₁ … v_L]^T的軟概率信息的計算，提供如下兩種逐符號檢測方法；

方法1:基于列表球面譯碼LSD的檢測；

此方法直接基于N維空間中的接收信號，在通過球面譯碼建立起來的可控數(shù)目的列表中，計算v₁ … v_L的軟概率信息，不做降維處理；

方法2：基于線性濾波的逐符號檢測；

針對第l路線性組合v_l，首先對N維空間中的接收信號進行線性濾波，形成單維信號用于該路線性組合v_l的逐符號后驗概率計算；對每路濾波后的信號，將系數(shù)非零的用戶視為有用信號，將系數(shù)為零的用戶視為干擾，放入等效噪聲進行處理；

步驟七：接收機譯碼；

將得到的關(guān)于v_l的后驗概率序列輸入到q進制譯碼器，獲得第l路消息序列線性組合u_l的軟信息并做判決，標記為對L路進行完全的并行操作；

獲得判決后，通過得到對所有用戶的信息序列的判決；若線性組合的計算結(jié)果正確，即因A在q元域上滿秩即存在A^-1，所有用戶的消息序列B被正確譯碼；接收機的流程描述為：

步驟八：多階段接收機增強處理；

對計算正確的線性組合進行廣義逆操作，正確恢復出部分用戶的消息序列；令

表示運用廣義逆處理后正確恢復出的部分用戶的索引的集合；通過LDPC碼的奇偶校驗判別該譯碼的消息序列正確與否；

對b_i',i'∈Ω，進行步驟一中的編碼與調(diào)制，獲得x_i',i'∈Ω；后將x_i',i'∈Ω，從接收到的信號中刪除；令Ω^c為Ω的補集，下一階段用戶數(shù)目|Ω^c|＜M，即原M用戶的多址系統(tǒng)下降為|Ω^c|個用戶的多址系統(tǒng)；對該|Ω^c|用戶的多址系統(tǒng)模型重復步驟四、步驟五、步驟六、步驟七的操作，獲得進一步增強的性能與承載率；

步驟九：仿真驗證與性能評估；

在單天線AWGN多址信道和衰落多址信道進行誤碼率仿真；對各承載率，確定譯碼門限，并與現(xiàn)有IDMA和SCMA方案的性能進行比較，量化格碼多址的性能增益；在采用格碼多址的多天線MU-MIMO系統(tǒng)，對其進行FER的仿真驗證，與信道理論容量的中斷概率下界的差距進行評估，并評估其相對采用迭代MMSE軟干擾消除的IDMA系統(tǒng)方案的性能增益，以及在復雜度、功能性、兼容性方面的優(yōu)勢；

經(jīng)過仿真驗證，格碼多址在單天線AWGN多址信道下相較IDMA和SCMA有至少1.4dB的增益；若均采用5GNR標準的LDPC碼，格碼多址則有高達數(shù)dB的增益；在單天線瑞利衰落多址信道下，對比IDMA和SCMA，格碼多址顯著提升用戶數(shù)目，實現(xiàn)至多350％的系統(tǒng)承載率；在多天線系統(tǒng)空分多址中，格碼多址支持用戶數(shù)目為接收天線數(shù)目1-3.5倍的承載率，以及獲得全部空間分集增益，在連接密度及誤幀率上，采用迭代MMSE軟干擾消除的IDMA系統(tǒng)。