一種基于mimo的tdcs發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于基于多輸入多輸出（Multiple Input Multiple 0utput，MIM0)的變換 域通信系統(tǒng)（Transform Domain Communication System，TDCS)的改進(jìn)方案，引入 ΜΙΜΟ 結(jié) 構(gòu)和多用戶檢測(cè)算法，特別適用在需要提高數(shù)據(jù)率的系統(tǒng)中。。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線頻譜是無線電通信中寶貴的自然資源，一般采用固定分配的方式，由政府機(jī) 關(guān)授權(quán)使用。由于通信行業(yè)的迅速發(fā)展，無線頻譜資源貧乏的問題日益嚴(yán)重，然而，大多數(shù) 頻段的頻譜并沒有被充分使用。這就造成了一些頻帶大部分時(shí)間內(nèi)并沒有被任何用戶使 用，而其他頻帶使用競(jìng)爭(zhēng)則相對(duì)很激烈。為了解決上述問題，提出了認(rèn)知無線電技術(shù)，變換 域通信系統(tǒng)TDCS以其靈活的頻譜利用、獨(dú)特的抗干擾及低截獲（LPI)特性，被視為認(rèn)知無 線電中一項(xiàng)潛在的候選技術(shù)。
[0003] 基于認(rèn)知無線電架構(gòu)的TDCS系統(tǒng)的核心思想是，首先利用頻譜感知模塊掃描外 部的電磁環(huán)境，并通過頻譜判決模塊篩選出空閑的頻譜資源，然后在空閑頻譜資源上分配 偽隨機(jī)多相序列進(jìn)行頻域軟擴(kuò)頻。一方面，系統(tǒng)的頻譜感知模塊能夠?qū)崟r(shí)掃頻，從而得到能 夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)外界電磁環(huán)境變化的頻譜效用序列，在提高頻譜利用率的同時(shí)，主動(dòng)避開了信 號(hào)干擾；另一方面，由于CCSK調(diào)制僅僅改變偽隨機(jī)頻譜效用序列中每個(gè)元素的相位特性， 因此調(diào)制后的數(shù)據(jù)仍然具有平坦的功率譜特征，具有低捕獲概率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明結(jié)合SCMA系統(tǒng)的特點(diǎn)，提供一種基于ΜΜ0的 TDCS發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、系統(tǒng)和方法，利用SCMA的多址傳輸特性，在用戶和頻點(diǎn)兩個(gè)維度上對(duì) 時(shí)域資源塊進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)，并利用碼本的稀疏特性，通過少量低維IFFT運(yùn)算即可獲得較多 的備選序列。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于Μ頂0的TDCS發(fā)射機(jī)，其特征在于：包括：
[0006] -頻譜感知模塊，用于將整個(gè)信號(hào)帶寬分為N個(gè)子載波，將所述N個(gè)子載波發(fā)送至 頻譜判決t吳塊。
[0007] -頻譜判決模塊，用于根據(jù)預(yù)設(shè)門限確定接收到頻譜感知模塊發(fā)送的子載波的可 用性，并生成頻譜效用序列。
[0008] -隨機(jī)相位映射模塊，用于產(chǎn)生偽隨機(jī)多相序列P(1)，所述偽隨機(jī)多相序列P (1)與 頻譜判決模塊生成的頻譜效用序列A進(jìn)行逐元素相乘，得到基礎(chǔ)調(diào)制波形的頻域序列B(1)， 對(duì)所述B(1)進(jìn)行縮放、逆傅里葉變換（IFFT)和CCSK調(diào)制，將CCSK調(diào)制后的信號(hào)發(fā)送到天線 模塊，其中，i表示天線編號(hào)，i = {l，2,3，...，Nt}，隊(duì)為發(fā)射天線個(gè)數(shù)，所述隨機(jī)相位映射 模塊包括：一 IFFT模塊，用于對(duì)所述B(1)進(jìn)行逆傅里葉變換（IFFT)，并與歸一化因子λ相 乘后得到基礎(chǔ)調(diào)制波形的時(shí)域序列b(1)，將所述基礎(chǔ)調(diào)制波形的時(shí)域序列b(1)發(fā)送到CCSK 調(diào)制模塊；一 CCSK調(diào)制模塊，用于對(duì)接收到的b(1)進(jìn)行CCSK調(diào)制。
[0009] -天線模塊，用于發(fā)射經(jīng)過CCSK調(diào)制后的信號(hào)。
[0010] 本發(fā)明基于Μ頂0的TDCS接收機(jī)，其特征在于：包括：
[0011] 一天線模塊，用于接收發(fā)射機(jī)發(fā)射出的信號(hào)，并完成信道估計(jì)，將完成信道估計(jì)的 信號(hào)發(fā)送至FFT模塊，所述天線模塊包括：一信道均衡模塊，用于彌補(bǔ)信道對(duì)信號(hào)造成的失 真；一多用戶檢測(cè)模塊，用于分離疊加的信號(hào)。
[0012] - FFT模塊，用于將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域接收信號(hào)，將所述頻域接收 信號(hào)斯$(4)與本地生成的基礎(chǔ)調(diào)制波形的頻域序列B(1)的共輒逐項(xiàng)相乘，將得到的頻域矢 量發(fā)送至IFFT模塊，其中，i表示經(jīng)過多用戶檢測(cè)算法后的得到的估計(jì)信號(hào)，1為接收天線 的編可，1 = l，2，3，...，Nr。
[0013] - IFFT模塊，用于將得到的頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)域矢量y，并將所述時(shí)域矢量y發(fā)送 至解調(diào)檢測(cè)模塊。
[0014] 一解調(diào)檢測(cè)模塊，用于判決解調(diào)，將解調(diào)得到的隊(duì)個(gè)數(shù)據(jù)排序，構(gòu)成序列，其中，N t =Nr〇
[0015] 本發(fā)明基于MM0的TDCS的系統(tǒng)，其特征在于，包括本發(fā)明提出的基于ΜΜ0的 TDCS發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。
[0016] 基于Μ頂0的TDCS發(fā)射方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0017] S1、將信號(hào)帶寬分為Ν個(gè)子載波；
[0018] S2、根據(jù)預(yù)設(shè)門限確定子載波的可用性，，所述確定子載波的可用性的方法具體 為：如果該子載波功率譜幅度>預(yù)設(shè)門限，則認(rèn)為該子載波已經(jīng)被占用，并將其標(biāo)記為0 ; 如果該子載波功率譜幅度 < 預(yù)設(shè)門限，則認(rèn)為該子載波未被占用，并將其標(biāo)記為1，得到頻 譜效用序列· A = [Α。，Au…，AN J ·;
[0019] S3、第i根發(fā)射天線通過隨機(jī)相位映射模塊產(chǎn)生偽隨機(jī)多相序列
，其中，j為虛部，為為第i根發(fā)射天線對(duì)應(yīng)的m序列，k =
[0, 1，...，N-1];
[0020] S4、將S3所述P(1)與S2所述頻譜效用序列A進(jìn)行逐元素相乘，得到基礎(chǔ)調(diào)制波形 (Fundamental Modulation Waveform，F(xiàn)MW)頻域序列
，其 中，
[0021] S5、將S4所述B(1)進(jìn)行IFFT得到時(shí)域序列b (1)，即
[0022] S6、將S5所述b(1)乘以歸一化因子Α = 后進(jìn)行CCSK調(diào)制，其中，es為發(fā)射 一個(gè)碼元所需要的能量，凡為S2所述記作" 1的子載波"個(gè)數(shù)，所述CCSK調(diào)制具體為：
[0023] S61、將S6所述b(1) X λ經(jīng)過FFT轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，其中，第i根發(fā)射天線對(duì)應(yīng)的 頻域信號(hào)記作S];
[0024] S62、根據(jù)A 在頻域進(jìn)行映射，其中，M_ary為CCSK調(diào)制的階數(shù)；
[0025] S63、通過IFFT得到映射后的第i根發(fā)射天線對(duì)應(yīng)的時(shí)域信號(hào)
w = 0,1 U，·是S3所述的m序列；
[0026] S64、得到經(jīng)過CCSK調(diào)制后的信號(hào)；
[0027] S7、將經(jīng)過CCSK調(diào)制的信號(hào)發(fā)送至信道。
[0028] 基于Μ頂0的TDCS的接收方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0029] 步驟1、接收信號(hào)，其中，第1根接收天線接收到的信號(hào)表示為
[0030] 步驟2、通過信道均衡技術(shù)彌補(bǔ)信道對(duì)信號(hào)#造成失真，并輸出信號(hào)r(1)，即
其中，e[n]為高斯白噪聲，x(1)[n]為 期望信號(hào)，i為發(fā)射天線的編號(hào)；
[0031] 步驟3、采用多用戶檢測(cè)算法對(duì)步驟2所述r(1)信號(hào)進(jìn)行分離，得到第1個(gè)接收天 線的估計(jì)信號(hào)
[0032] 步驟4、對(duì)步驟3所述進(jìn)行FFT，得到頻域接收信號(hào)FiTf)
[0033] 步驟5、對(duì)S4所述的基礎(chǔ)調(diào)制波形B(1)取共輒后與步驟4所述逐項(xiàng)相乘， 消除隨機(jī)相位，得到相應(yīng)的頻域矢量；
[0034] 步驟6、對(duì)步驟5所述頻域矢量進(jìn)行IFFT，得至丨財(cái)域矢量
.其 中，第P項(xiàng)元素為
[0035] 步驟7、取步驟6所述y[n]的實(shí)部，找到最大值的下標(biāo)即為估計(jì)的數(shù)據(jù)I;
[0036] 步驟8、將步驟7所述S反映射，得到l〇g2M_ary位比特?cái)?shù)據(jù)，完成判決解調(diào)；
[0037] 步驟9、將隊(duì)根天線按上述步驟解調(diào)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，構(gòu)成序列。
[0038] 本發(fā)明基于ΜΜ0的TDCS通信方法，其特征在于，包括本發(fā)明提出的基于ΜΜ0的 TDCS發(fā)射方法和接收方法。
[0039] 本發(fā)明的有益效果是：
[0040] 本發(fā)明是在傳統(tǒng)的TDCS系統(tǒng)上提出的一種基于Μ頂0的可提高有效數(shù)據(jù)傳輸速率 和頻譜利用率的改進(jìn)方案。該方法是在傳統(tǒng)的變換域通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上，發(fā)送端首先將待發(fā) 送的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成若干組獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，每一組數(shù)據(jù)按照傳統(tǒng)TDCS發(fā)送機(jī)結(jié) 構(gòu)生成發(fā)送信號(hào)，然后通過多個(gè)發(fā)射天線同時(shí)發(fā)送，從而提高數(shù)據(jù)傳輸速率。在接收端，多 個(gè)接收天線同時(shí)接收信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行均衡以彌補(bǔ)信道失真，再對(duì)均衡后的信號(hào)根據(jù)多用 戶檢測(cè)算法進(jìn)行分離，然后按照傳統(tǒng)TDCS接收機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解調(diào)，最后對(duì)各接收天線的輸出 進(jìn)行組合排序，完成數(shù)據(jù)重構(gòu)。ΜΜ0結(jié)構(gòu)能夠充分利用空間資源，實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，具有明顯 的優(yōu)點(diǎn)。該發(fā)明引入ΜΠΚ)架構(gòu)和多用戶檢測(cè)算法，能夠在保持系統(tǒng)自身優(yōu)勢(shì)的前提下，有 效地提高數(shù)據(jù)傳輸速率，提高頻譜利用率。
【附圖說明】
[0041] 圖1為傳統(tǒng)TDCS系統(tǒng)發(fā)送端結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042] 圖2為傳統(tǒng)TDCS系統(tǒng)接收端結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043] 圖3為本發(fā)明的基于MM)的TDCS系統(tǒng)發(fā)送端結(jié)構(gòu)示意圖。
[0044] 圖4為本發(fā)明的基于Μ頂0的TDCS系統(tǒng)接收端結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 下面結(jié)合附圖介紹本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】：
[0046] 傳統(tǒng)TDCS的發(fā)送機(jī)、接收機(jī)框圖分別如圖1、圖2所示。
[0047] 在改進(jìn)方案中，設(shè)發(fā)送天線數(shù)為Nt，接收天線數(shù)為隊(duì)，通常取Nt= N y子載波 數(shù)目為N，調(diào)制階數(shù)為M_ary，則將log2M_ary比特映射成數(shù)據(jù)Si，設(shè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)為S =[Si，S2，…SJ，通過串并轉(zhuǎn)換得到Nt組數(shù)據(jù)，分別為

[0048] 發(fā)送端結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，數(shù)據(jù)處理如下：
[0049] 在發(fā)送端，首先將二進(jìn)制比特流映射成十進(jìn)制數(shù)據(jù)Si，并進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，得到隊(duì)組 彼此獨(dú)立的待傳數(shù)據(jù)，同時(shí)感知周圍的電磁環(huán)境得到一組頻率能效序列，這組序列將被占 用頻段設(shè)為〇,故能夠主動(dòng)避開干擾頻段。按照上述內(nèi)容介紹的方法產(chǎn)生所需的隨機(jī)相位， 與頻譜能效序列相乘，再經(jīng)過縮放和IFFT即可得到所需的基礎(chǔ)調(diào)制波形FMW ;然后再利用 CCSK方式將數(shù)據(jù)調(diào)制到FMW上。最后通過多個(gè)發(fā)射天線將各組生成的信號(hào)發(fā)射出去。
[0050] 1)頻譜感知模塊將整個(gè)信號(hào)帶寬分成N個(gè)子載波，然后根據(jù)預(yù)設(shè)定門限確定所有 子載波的可用性，即如果該子載波