CN108900459A - Gfdm/cdma混合多址无线接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GFDM/CDMA混合多址无线接入方法，利用本发明可以消解GFDM的子载波间干扰。本发明通过下述技术方案予以实现：本发明针对使用相邻子载波的用户，彼此间会有干扰，难以实现的问题，在多载波发射机广义频分复用GFDM/码分多址CDMA混合多址的无线接入系统中，引入扩频时隙ALOHA，在用户完成对基站时频同步后，各个用户随机发送到达基站时刻为各时隙起始时刻的上行数据；采用子载波数为K，每个子载波可以携带符号数为M的广义频分复用GFDM系统对子载波进行编号；用户发送数据时，在相邻子载波间加入PN序列进行扩频，即对奇数号子载波使用同一个PN1，对偶数号子载波使用同一个PN2，以此来抵消非正交子载波间的干扰。

Description

GFDM/CDMA混合多址无线接入方法

技术领域

本发明涉及一种基于广义频分复用GFDM(Generalized Frequency DivisionMultiplexing)的无线通信多址技术领域，尤其是结合广义频分复用多址和扩频时隙Aloha的混合多址技术。

背景技术

近年来，超宽带无线通信系统通常采用持续时间极短的脉冲波形对被传输的数据进行调制，调制带宽被扩展到几个GHz量级之上，从而使系统具有功耗低，数据传输速率极高，抗多径和窄带干扰能力强，用户容量大等一系列独特的优点。在多用户系统中，接收机除了受到背景噪声干扰外，还受其它发射用户的干扰。由于其它发射用户对接收机的干扰脉冲的相位，时延等都是随机的，所以要计算出脉冲对接收机的输出产生的干扰。随着卫星通信技术的不断更新和业务类型的不断增多，现有技术提出了固定时隙分配协议(FAMA)、按需请求分配协议(DAMA)、随机接入协议(RA)、自由接入协议(FA)和时隙ALOHA协议等多种多址接入协议的基本类型。目前主要有按需分配和自由分配相结合的CFDAMA协议、固定分配和按需分配相结合的CFDAMA协议、随机接入和按需分配相结合的CRDAMA协议，以及其他类型的混合协议。时隙ALOHA也被应用到卫星通信及无线数字通信网中。ALOHA协议分为纯ALOHA和时隙ALOHA两种。ALOHA协议的思想很简单，只要用户有数据要发送，就尽管让它们发送。当然，这样会产生冲突从而造成帧的破坏。在时隙ALOHA系统中，计算机并不是在用户按下回车键后就立即发送数据，而是要等到下一个时间片开始时才发送。这样，连续的纯ALOHA就变成离散的时隙ALOHA。由于冲突的碰撞区平均减少为纯ALOHA的一半，因此时隙ALOHA的信道利用率可以达到36.8％(1/e)，是纯ALOHA协议的两倍。但对于时隙 ALOHA，用户数据的平均传输时间要高于纯ALOHA系统。多种复用协议就是在一个系统的许多用户之间共享一个共同的信道，这个协议必须通过要求用户遵循一个确定的原则来控制用户接入信道的方式，这个协议要控制信道的分配能力。用户传输交流方法叫做协议，以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用户进行通话，许多同时通话的用户，互相以信道来区分，这就是多址。当多个用户用一个共同的媒质传输叫做多址接入。因此多址接入协议就是一个用于共同使用同一个传输媒质的用户之间成功传递信息的原则，当资源被超过一个独立的用户使用时就需要多址接入协议。如果没有这个协议，当多个用户接入传输资源在同一时间就会出现碰撞，因此多址接入协议至少要解决这些碰撞问题。多址接入协议技术的作用是使同一个网络中的终端共享同一个传输资源。多址接入协议是用在共享信道资源的传输系统中，这种情况下，共享资源的主要原因是系统环境的连通性，在无线传输系统中要有高效的资源利用率，当多个用户共同使用一个传输媒质，这个传输网络有许多点对点的链路组成。当其中一个链路同时被多个用户使用的时候，就需要多路技术，多路技术就是不同的传输信息使用同一个物理链路。当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立多址接入时，称为频分多址方式(FDMA)；当以传输信号存在的时间不同来区分信道建立多址接入时，称为时分多址方式(TDMA)；当以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时，称为码分多址方式(CDMA)。目前在移动通信中应用的多址方式有：频分多址FDMA、时分多址TDMA、码分多址CDMA以及它们的混合应用方式等。建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题。解决多址接入问题的方法叫多址接入技术。多址接入技术是卫星通信的关键技术之一，其对系统的用户容量、复杂度、经济性等有重要的影响。多址接入协议的选取直接影响到系统的频谱利用率、系统容量、网络结构、通信的服务质量、设备的复杂性。传统的多址技术基于信号的正交分割原理实现多用户的业务信号分离，如时分、频分、码分、空分等，其中，频分多址技术成熟、稳定、容易实现且成本较低，但其频谱利用率较低，每个用户 (远端站)都要占用一定的保护频带。时分多址是把时间分割成周期性的帧，每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混扰。TDMA较之FDMA具有通信信号质量好，保密较好，系统容量大，频谱利用率高等优点，在宽带无线接入领域中被广泛采用。码分多址技术给不同的用户分配一个不同的编码序列以共享同一信道，使用不同的编码区分不同的用户。在实际环境中，由于各种多址技术功能局限性，常将多种多址技术进行混合使用。

伪码同步是扩频通信系统正常工作的前提条件，而伪码捕获又是伪码同步的前提条件。为了实现通信系统的隐蔽性，通常会采用混合多址的方式，例如频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)的混合多址方式。在这种多址方式下，通信时间极短、初始频差较大、信号动态范围大、载噪比低，并且可能伴随有强干扰信号。目前，混合多址技术有： MF-TDMA，TD-CDMA等，这些属于单载波正交多址技术的范畴，单载波正交多址技术，每个用户在同一时刻只使用一个载波，频谱利用效率较低。针对频谱利用率这一问题，现有技术提出了一些解决途径，如采用多载波正交多址技术，多载波体制的正交多址方案。可以看做多载波调制符号与时、频、码域的正交/准正交多址方案的结合，多载波体制的正交多址相对单载波体制，频谱效率有较大提高，能够大幅提高用户的业务速率。然而OFDM多载波技术由于其带外辐射大、峰值平均功率比较高以及对频偏非常敏感等特点，使其在一些应用场景下适用性不强。当不同的用户随机接入同一个时隙时，只要它们不利用相同的子载波，系统仍能区别不同的用户，但这里存在的问题是如果用户选到了相邻的子载波，使用相邻子载波的用户，彼此间会有干扰，难以实现。针对以上用户选到了相邻的子载波，则彼此间会有干扰d的缺点，业界提出了广义频分复用(GFDM)技术作为正交频分复用OFDM的改进技术。广义频分复用GFDM是一种频谱利用率高，发送和接收比较简单，带外功率泄露很小，各子带之间无需同步，可以灵活调制的多载波传输波形方案。目前大部分研究集中于GFDM波形实现自干扰抑制等方向。GFDM虽然能够将数据扩展成时频二维块结构，每个块包含多个子载波和子符号，根据不同的传输场景，子载波和子符号的数量灵活可配置，但将此多载波技术与时、频、码域混合多址技术结合还存在一定的难度。从图3可以明显地看出，在接收端每个子载波会受到相邻两个子载波的干扰，正是由于非正交子载波间自干扰的存在，在接收端需要使用复杂度很高的接收算法才能获得较好的误码率性能。

本发明是目的是针对现有技术存在的问题，在GFDM的基础上，利用时隙ALOHA进行随机接入的系统，扩展相邻载波频谱的办法来改善GFDM子载波间干扰，提出一种能够提高频谱效率并且增加系统容量的混合多址技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题目的在于，提供一种能够提高接入效率并增加无线接入系统容量，改善GFDM子载波间干扰的GFDM/CDMA混合多址无线接入方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种GFDM/CDMA混合多址无线接入方法，其特征在于包括如下步骤：在多载波发射机广义频分复用GFDM/码分多址CDMA混合多址的无线接入系统中，引入扩频时隙ALOHA，在用户完成对基站时频同步后，各个用户随机发送到达基站时刻为各时隙起始时刻的上行数据；采用子载波数为K，每个子载波可以携带符号数为M的广义频分复用GFDM系统对子载波进行编号；用户发送数据时，在相邻子载波间加入PN序列进行扩频，即对奇数号子载波使用同一个PN1，对偶数号子载波使用同一个PN2，以此来抵消非正交子载波间的干扰。各用户发送数据时，随机占用广义频分复用GFDM符号的子载波ci，并对其余子载波的符号位置进行置0，将广义频分复用GFDM的调制特点与扩频时隙ALOHA固有的扩频特性相结合，在相邻子载波间加入不同伪随机序列扩频；各用户对扩频后子载波数据进行GFDM调制后传输；接收端按不同时隙接收，对GFDM调制后传输时隙ALOHA中混合信号进行匹配滤波检测去除滤波器影响，然后利用对应PN序列集分别对奇偶子载波频域数据进行解扩，利用扩频来扩展相邻子载波频谱，通过快速傅里叶反变换IFFT解调出多用户时域数据；检测是否存在有用户选择了同一子载波及同一码分多址通信系统CDMA的PN码，并且选择同一时隙发送情况，默认碰撞，丢弃碰撞数据，碰撞用户在等待确认字符ACK超时后经过随机时延，选择随机子载波、PN码进行重发；若不存在碰撞情况，接收端在同一时频码资源块上发送确认字符ACK及资源分配信息给用户，用户收到确认字符ACK后，可根据资源分配信息占用相关业务信道资源传输数据。

本发明相比于现有技术具有如下积极效果：

本发明针对使用相邻子载波的用户，彼此间会有干扰，难以实现的问题，采用在相邻子载波间加入不同伪随机序列扩频，抵消了这种干扰。充分利用了相邻子载波扩频序列良好的自相关性和互相关性，使得用户被正确区分的概率大大提高，极大地提高了无线接入系统接入效率以及系统容量。在利用时隙ALOHA进行随机接入的系统中，利用扩展相邻载波频谱的办法来改善GFDM子载波间干扰，增加用户可选信号自由度。在增加多个扩频序列的条件下，将 GFDM的调制特点与扩频时隙ALOHA固有的扩频特性相结合，在相邻子载波间加入不同伪随机序列扩频，消解了GFDM的子载波间干扰。利用了扩频的思想来扩展相邻子载波频谱，使得利用相邻子载波的用户被成功区分。并且使当不同的用户随机接入同一个时隙时，用户选到了相邻的子载波彼此间干扰得到抵消。

本发明在多载波技术GFDM基础上引入传统的扩频时隙ALOHA，并将GFDM的调制特点与扩频时隙ALOHA固有的扩频特性相结合，这种混合多址技术基本完整地保留了扩频时隙 ALOHA的所有优点(如系统实现简单等)，并且在此基础上，引入了多载波传输技术GFDM的优点，同时将GFDM传输技术与扩频时隙ALOHA中的扩频技术进行了完美的融合，极大地提高了用户的接入效率。采用的广义频分复用GFDM与正交频分复用OFDM相比，GFDM具有更低的峰均功率比(PAPR)和带外频谱泄露。与其它多载波波形方案相比，广义频分复用 GFDM具有较强的灵活性和适应性。

本发明创造性地在相邻子载波间加入PN序列进行扩频，即对奇数号子载波使用同一个PN1，对偶数号子载波使用同一个PN2，以此来抵消非正交子载波间的干扰，而不会增加太多的复杂度，这也正是本发明的最大创新点。

附图说明

图1是本发明广义频分复用GFDM系统的多载波发射机的原理框图。

图2是时隙ALOHA随机接入多址方式示意图。

图3是GFDM相邻子载波滤波器的频率响应曲线示意图。

下面就结合附图进一步详细说明该发明的工作过程。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，在多载波发射机广义频分复用GFDM/码分多址CDMA混合多址的无线接入系统中，引入扩频时隙ALOHA，在用户完成对基站时频同步后，各个用户随机发送到达基站时刻为各时隙起始时刻的上行数据；采用子载波数为K，每个子载波可以携带符号数为M的广义频分复用GFDM系统，对子载波进行编号：c1，c2，…，ck；用户发送数据时，在相邻子载波间加入PN序列进行扩频，即对奇数号子载波使用同一个PN1，对偶数号子载波使用同一个PN2，以此来抵消非正交子载波间的干扰。各用户发送数据时，随机占用GFDM符号的子载波ci，并对其余子载波的符号位置进行置0，将GFDM的调制特点与扩频时隙ALOHA固有的扩频特性相结合，在相邻子载波间加入不同伪随机序列进行扩频；各用户对扩频后子载波数据进行GFDM调制后传输；接收端按不同时隙接收，对时隙ALOHA中混合信号进行匹配滤波检测去除滤波器影响，然后利用对应PN序列集分别对奇偶子载波频域数据进行解扩，利用扩频来扩展相邻子载波频谱，通过快速傅里叶反变换IFFT解调出多用户时域数据；检测是否存在有用户选择了同一子载波及同一码分多址通信系统CDMA的PN码，并且选择同一时隙发送情况，默认碰撞，丢弃碰撞数据，碰撞用户在等待确认字符ACK超时后经过随机时延，选择随机子载波、PN码进行重发；若不存在碰撞情况，接收端在同一时频码资源块上发送确认字符ACK及资源分配信息给用户，用户收到确认字符ACK后，可根据资源分配信息占用相关业务信道资源传输数据。

在多载波发射机中，每个子载波传输的符号数为M，第K个子载波符号数据表示为 M×1数据，M×1个子载波符号矢量通过快速傅里叶变换FFT，以上采样倍数为L的上采样经序列集1{PN₁，PN₃，…，PN_2n+1}和PN序列集2{PN₂，PN₄，…，PN_2n}进行扩频，形成两个伪随机序列集PN供用户选用的奇数号子载波或偶数号子载波LM×1并集矢量，经选择奇数PN序列集或偶数PN序列集中任意PN序列对其频域数据进行直接序列扩频，扩频结果通过LM×1滤波器，再进行循环移位得到KM×1矢量、KM×1矢量求和后经快速傅里叶变换 FFT，输出KM×1信号矢量，其中K为子载波数目。完成上述任务的具体步骤包括：

步骤一：用户完成对基站时频同步后，各个用户随机发送上行数据，保证到达基站时刻为各时隙起始时刻。

步骤二：各用户发送数据时，广义频分复用GFDM系统以偶数子载波数为K，每个子载波可以携带的奇数符号数M，并取值K＝2的各次方幂，对子载波进行编号为c₁，c₂，…， c_k，随机占用GFDM符号的子载波c_i，并对其余子载波的符号位置进行置0。

步骤三：有两个伪随机序列集{PN₁，PN₃，…，PN_2n+1}，{PN₂，PN₄，…，PN_2n}，其自相关性、互相关性良好。在上一步中如果用户选用了奇数符号子载波，则在{PN₁，PN₃，…，PN_2n+1}伪随机序列集中，选择奇数PN序列集中任意PN序列对其频域数据进行直接序列扩频；如果选用了偶数符号子载波，则在{PN₂，PN₄，…，PN_2n}伪随机序列集中选择偶数PN序列集中任意PN序列对其频域数据进行直接序列扩频。

步骤四：根据图1所示传输框图，各用户对扩频后子载波数据进行GFDM调制后传输。

步骤五：接收端按不同时隙接收，对时隙中混合信号进行匹配滤波检测去除滤波器影响，然后利用对应PN序列集分别对奇偶子载波频域数据进行解扩，并通过快速傅里叶反变换IFFT解调出多用户时域数据。

步骤六：然后检测是否存在有用户选择了同一子载波及同一PN码并且选择同一时隙发送情况，默认碰撞，丢弃碰撞数据，碰撞用户在等待ACK超时后经过随机时延，选择随机子载波、PN码进行重传。若不存在碰撞情况，接收端在同一时频码资源块上发送ACK及资源分配信息给用户，用户收到ACK后，可根据资源分配信息占用相关业务信道资源传输数据。

参阅图2。基于广义频分复用的混合多址技术可以分情况讨论。下面的说明基于伪随机序列集为{PN₁}、{PN₂}这一特殊情况。假设在一个移动通信系统中有U1、U2、U3…，U_i，…，U_L个各自按时隙ALOHA方式在各个时隙的起始位置发送数据的用户，L为自然数，它们接下来将分情况对该发明的具体工作方式进行详细说明。

第一种情况是，在一段时间内只有一个用户U₁产生了待发送数据d⁽ⁱ⁾，则在下一个可以发送数据的时隙起始时刻，该用户按起始时刻沿信道的间隔时隙进行数据发送、重发和 再重发，接收端正常接收重发数据，不会发生冲突。

第二种情况是在一段时间内，有用户U_i选择子载波，同时产生了待发送数据，而且各用户选择的子载波各不相同，并在同一个时隙发起数据发送，并进行重发。

第三种情况是，有多个用户选择了同一子载波及同一PN码，并且选择同一时隙发送情况，K个用户，且1<K<L，按起始时刻沿信道的间隔时隙进行数据发送，碰撞用户在等待ACK超时后，经过随机时延，选择随机子载波、PN码进行重发或重传，默认碰撞，丢弃碰撞数据，K为整数。

参阅图3。GFDM对系统传输子载波引入脉冲成型滤波器，虽然增加了系统的计算复杂度，但同时也可以减少带外泄露，而且可以增加灵活性。GFDM相邻子载波滤波器的频率响应曲线图中，无线接入系统使用滚降系数为0.5的根升余弦脉冲成型滤波器，配置3个 PN₁、PN₂、PN₁幅值交集子载波曲线，形成各个子载波的频谱曲线。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (10)

1.一种GFDM/CDMA混合多址无线接入方法，其特征在于包括如下步骤：在多载波发射机广义频分复用GFDM/码分多址CDMA混合多址的无线接入系统中，引入扩频时隙ALOHA，在用户完成对基站时频同步后，各个用户随机发送到达基站时刻为各时隙起始时刻的上行数据；采用子载波数为K，每个子载波可以携带符号数为M的广义频分复用GFDM系统对子载波进行编号；用户发送数据时，在相邻子载波间加入PN序列进行扩频，即对奇数号子载波使用同一个PN1，对偶数号子载波使用同一个PN2，以此来抵消非正交子载波间的干扰。

2.如权利要求1所述的GFDM/CDMA混合多址无线接入方法，其特征在于：各用户发送数据时，随机占用广义频分复用GFDM符号的子载波ci，并对其余子载波的符号位置进行置0，将广义频分复用GFDM的调制特点与扩频时隙ALOHA固有的扩频特性相结合，在相邻子载波间加入不同伪随机序列扩频，各用户对扩频后子载波数据进行GFDM调制后传输。

3.如权利要求1所述的GFDM/CDMA混合多址无线接入方法，其特征在于：接收端按不同时隙接收，对GFDM调制后传输时隙ALOHA中混合信号进行匹配滤波检测去除滤波器影响，然后利用对应PN序列集分别对奇偶子载波频域数据进行解扩，利用扩频来扩展相邻子载波频谱，通过快速傅里叶反变换IFFT解调出多用户时域数据；检测是否存在有用户选择了同一子载波及同一码分多址通信系统CDMA的PN码，并且选择同一时隙发送情况，默认碰撞，丢弃碰撞数据，碰撞用户在等待确认字符ACK超时后经过随机时延，选择随机子载波、PN码进行重发；若不存在碰撞情况，接收端在同一时频码资源块上发送确认字符ACK及资源分配信息给用户，用户收到确认字符ACK后，根据资源分配信息占用相关业务信道资源传输数据。

4.如权利要求1所述的GFDM/CDMA混合多址无线接入方法，其特征在于：在多载波发射机中，每个子载波传输的符号数为M，第K个子载波符号数据表示为M×1数据，M×1个子载波符号矢量通过快速傅里叶变换FFT，以上采样倍数为L的上采样经序列集1{PN₁，PN₃，…，PN_2n+1}和PN序列集2{PN₂，PN₄，…，PN_2n}进行扩频，形成两个伪随机序列集PN供用户选用的奇数号子载波或偶数号子载波LM×1并集矢量。

5.如权利要求1所述的GFDM/CDMA混合多址无线接入方法，其特征在于：选择奇数PN序列集或偶数PN序列集中任意PN序列对其频域数据进行直接序列扩频，扩频结果通过LM×1滤波器，再进行循环移位得到KM×1矢量、KM×1矢量求和后经快速傅里叶变换FFT，输出KM×1信号矢量，其中K为子载波数目。

6.如权利要求1所述的GFDM/CDMA混合多址无线接入方法，其特征在于：用户完成对基站时频同步后，各个用户随机发送上行数据，保证到达基站时刻为各时隙起始时刻。

7.如权利要求1所述的GFDM/CDMA混合多址无线接入方法，其特征在于：各用户发送数据时，广义频分复用GFDM系统以偶数子载波数为K，每个子载波可以携带的奇数符号数M，并取值K＝2的各次方幂，对子载波进行编号为c₁，c₂，…，c_k，随机占用GFDM符号的子载波c_i，并对其余子载波的符号位置进行置0。

8.如权利要求1所述的GFDM/CDMA混合多址无线接入方法，其特征在于：如果用户选用了奇数符号子载波，则在{PN₁，PN₃，…，PN_2n+1}伪随机序列集中，选择奇数PN序列集中任意PN序列对其频域数据进行直接序列扩频；如果选用了偶数符号子载波，则在{PN₂，PN₄，…，PN_2n}伪随机序列集中选择偶数PN序列集中任意PN序列对其频域数据进行直接序列扩频，n为自然数。

9.如权利要求1所述的GFDM/CDMA混合多址无线接入方法，其特征在于：基于伪随机序列集为{PN₁}、{PN₂}这一特殊情况，设定在一个移动通信系统中有U1、U2、U3…，U_i，…，U_L个各自按时隙ALOHA方式在各个时隙的起始位置发送数据的用户；在一段时间内，若只有一个用户U₁产生了待发送数据d，则在下一个可以发送数据的时隙起始时刻，该用户按起始时刻沿信道的间隔时隙进行数据发送、重发和再重发，接收端正常接收重发数据，不会发生冲突，其中L为自然数。

10.如权利要求9所述的GFDM/CDMA混合多址无线接入方法，其特征在于：在一段时间内，有用户U_i选择子载波，同时产生了待发送数据，而且各用户选择的子载波各不相同，并在同一个时隙发起数据发送，并进行重发；若有多个用户选择了同一子载波及同一PN码，并且选择同一时隙发送情况，K个用户，且1<K<L，按起始时刻沿信道的间隔时隙进行数据发送，碰撞用户在等待ACK超时后，经过随机时延，选择随机子载波、PN码进行重发或重传，默认碰撞，丢弃碰撞数据，K为整数。