CN107819558B - 一种多址接入数据包传输方法 - Google Patents

Abstract

一种多址接入数据包传输方法，将前导序列和数据同时发送，并将用于用户检测的导频集中分配在一个相干时频资源块内，将用于用户信道估计的导频分散在不同相干时频资源块内，实现了基于合并连续发送前导序列与数据、分离用户检测与信道估计的优化方法。该方法减少了随机接入过程中用户和基站之间的信令交互，从而降低了数据传输延时，基于分离活跃用户检测与信道估计方法不仅可以得到高精度的信道响应值，而且具有较低的导频开销。因此本发明提供的方法可以降低数据传输延时，并在较低导频开销的情况下获得高精度的信道响应值，进而为数据解调提供良好的基础。

Description

一种多址接入数据包传输方法

技术领域

本发明属于多址接入移动通信技术领域，特别涉及一种多址接入数据包传输方法。

背景技术

多址接入(Multiple Access，MA)方案可以使多个用户同时使用共享通信信道。在移动通信领域，通常用户发送有用数据之前，要先发送一段前导序列(Preamble)用于上行同步和申请上行资源，再接收基站发出的随机接入响应信令。当前LTE网络中，在随机接入过程中用户和基站之间需要进行4次信令交互才能建立连接，在随机接入过程之后，用户和基站之间才开始正常进行数据传输。如果用户单次通信的数据量很小，现有多址接入过程的信令交互就显得冗长了。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种多址接入数据包传输方法，将前导序列和数据同时发送，前导序列采用非正交导频序列以产生更多的序列从而支持更多的用户，并将用于用户检测的导频集中分配在一个相干时频资源块内，将用于用户信道估计的导频分散在不同相干时频资源块内，实现了无需信令交互就直接进行数据传输、降低信令开销、降低延时、低导频开销的多用户数据包传输。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多址接入数据包传输方法，其特征在于，将前导序列和数据同时发送，并将用于用户检测的导频集中分配在一个相干时频资源块内，将用于用户信道估计的导频分散在不同相干时频资源块内，其步骤如下：

1)基站给进入其覆盖区域的新用户分配一个与其他用户不同的导频序列，但预先规定各用户占用的资源完全同步，插入导频和插入数据的时频资源是公用的，不同用户之间导频序列非正交，插入导频序列的时频资源分成两类，一类是用户检测单元，即在一个相干时频资源块中插入较多导频，用于用户检测，另一类是信道估计单元，即在多个相干时频资源块中均匀分散地插入较少导频，用于信道估计；

2)当任一用户出现数据业务传输需求时，用户在预先规定的无线通信时频资源中发送预先分配的导频序列，导频序列和数据一起进行传输，数据符号编码调制采用可分辨的多址方式，用户使用的多址编码或交织图案与用户导频序列一一绑定；

3)基站根据用户检测单元所插入的导频，利用压缩感知进行用户检测和信道估计，得到活跃用户集合以及活跃用户在用户检测单元的信道响应；

4)基站根据在步骤3)得出的活跃用户集合以及信道估计单元所插入的导频进行信道估计，得到活跃用户在其余时频资源的信道响应；

5)基站完成多用户数据解调，如果某个用户的数据解调正确则完成一次数据包传输，如果不正确则启动错误处理机制。

所述用户检测单元中，在一块相干时频资源块中插入的导频数量是最大活跃用户数的4倍以上；所述信道估计单元中，在每个相干时频资源块中插入的导频数量大于等于最大活跃用户数，并在最大活跃用户数的4倍以下。

所述步骤2)中，导频符号采用幅度调制或相位调制；数据符号采用稀疏码多址、非正交多址、交织多址或码分多址方式编码调制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过合并连续发送前导序列和数据，减少了随机接入过程中用户和基站之间的信令交互，降低了传输延时，通过引入可分辨的多址方式提高了用户冲突的检测能力，通过采用非正交导频序列、分离活跃用户检测与信道估计的导频结构，不仅可以得到高精度的信道响应值，而且具有较低的导频开销。因此本发明提供的方法可以在较低导频开销的情况下，获得高精度的信道响应值，进而为数据解调提供良好的基础。

附图说明

图1是数据包传输方案流程图。

图2是导频设计方案。

图3是本发明的实施流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明一种多址接入数据包传输方法，参照图1，用户在预先分配的时频资源以竞争的方式发送前导和数据，无需用户和基站之间的信令交互即可完成一次数据包传输。

本发明将前导序列和数据同时发送，前导序列采用非正交导频序列以产生更多的序列从而支持更多的用户，导频符号采用传统的幅度调制或相位调制，数据符号编码调制采用任意一种可分辨的多址方式，包括但不限于稀疏码多址(Sparse Code MultipleAccess,SCMA)、非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)、交织多址(Interleave Division Multiple Access，IDMA)、码分多址(Code Division MultipleAccess,CDMA)，并将用于用户检测的导频集中分配在一个相干时频资源块内，将用于用户信道估计的导频分散在不同相干时频资源块内。

采用这种传输方法的上行系统中，用户不需要进行请求/准许过程就可以在预先规定的资源块上以竞争的方式传输数据。这就需要接收端在不知道接收信号中包含哪些用户码本与导频的情况下检测活跃用户、进行多用户信道估计和数据解调。

为了应对海量用户接入的场景，如果给用户都分配正交导频序列，导频开销太大，因此给多用户分配非正交的导频序列。由于在大规模用户多址接入中，在同一时刻只有一小部分活跃用户接入，活跃用户与系统全部用户相比可以认为是稀疏的，所以用户检测可以转化为压缩感知问题。导频序列支持用户检测和信道估计两种功能。从用户量角度，用户检测需要从大量潜在用户中识别一小部分活跃用户，而信道估计只是估计这些活跃用户的信道，用户检测面对的用户数更多。

从时间频率角度，在色散信道中，时间/频率选择性衰落会给用户检测与信道估计带来更大的考验。在色散信道中，在相干时间、相干带宽内可以认为每个用户的信道响应是几乎不变的，根据相干时间和相干带宽，可以将整个资源划分为多个相干时频资源块，在相干时频资源块中可以认为每个用户的信道响应是保持不变的，这样有利于在块内进行统一的信号处理。假设多址接入中各用户占用的时频资源完全同步，则在这些时频资源中只需统一做一次用户检测，而在色散信道中，每个相干时频资源块需要分别进行信道估计。利用这一特点优化设计导频的分布图案，将用于用户检测的导频集中分配在一个相干时频资源块内，将用于用户信道估计的导频分散在不同相干时频资源块内。用户检测部分的导频资源要多一些，是因为有太多的潜在用户需要识别，按压缩感知理论导频资源数量应该是可识别的同时用户数的4倍以上，因此，将用于用户检测的导频集中分配在一个相干时频资源块内，并且导频资源数量是可识别的同时用户数即最大活跃用户数的4倍以上。而当已知活跃用户集合时，即使导频数量等于活跃用户数，由于导频不同，构成的导频矩阵缺秩的可能性极低，只要导频数量略大于用户数，即可估计出信道响应，因此将用于用户信道估计的导频分散在不同相干时频资源块内，并且在一个相干时频资源块内信道估计导频数量应该是活跃用户数4倍以下。这样设计的导频分布图案减小了导频开销并确保大量用户可同时接入。

附图2是导频和数据的时频资源映射方式，图中横坐标表示时间，纵坐标表示频率，方格代表用户发送的数据包所占用的时频资源，根据典型传输环境中信道相干时间和相干带宽划分时频资源块，每个相干时频资源块的跨度小于或等于最小相干时延/带宽，于是在每个时频资源块中，用户的信道响应可以认为是一个定值。选择一个相干时频资源块集中的插入较多导频用于用户检测，作为用户检测单元；其他的相干时频资源块均匀分散的插入较少导频用于信道估计，作为信道估计单元，导频以外的时频资源用于传输数据。

数据符号编码调制支持任意一种可分辨的多址方式，但用户使用的多址编码或交织图案必须与用户导频序列一一绑定，这样根据用户检测导频序列进行用户检测，不仅可以确定活跃用户集，还可以确定这些用户采用的多址编码或交织图案。在可分辨的多址方式中，利用用户各自的编码或交织图案信息可以分辨出不同用户的数据，从而解调出用户数据。

图3是对应于本发明各个步骤的实施流程图，步骤如下：

1)基站给进入其覆盖区域的新用户分配一个与其他用户不同的导频序列，但预先规定各用户占用的资源完全同步，该导频序列由Zadoff-Chu序列及其移位序列组成。插入导频和插入数据的时频资源是公用的，不同用户之间导频序列非正交，插入导频序列的时频资源分成两类，一类是用户检测单元，即在一块相干时频资源块中插入较多导频，导频数量是最大活跃用户数的4倍以上，用于用户检测，另一类是信道估计单元，即在多个相干时频资源块中均匀分散的插入较少导频，导频数量大于等于最大活跃用户数，并在最大活跃用户数的4倍以下，用于信道估计；

2)当任一用户出现数据业务传输需求时，用户在预先规定的无线通信时频资源中发送预先分配的导频序列，其对于用户接入的作用相当于现有通信系统中的前导序列，导频序列和数据一起进行传输，导频符号采用传统的幅度调制或相位调制，数据符号编码调制采用任意一种可分辨的多址方式，包括但不限于稀疏码多址、非正交多址、交织多址、码分多址，用户使用的多址编码或交织图案与用户导频序列一一绑定，以交织多址为例，每个导频序列对应一种交织图案，在用户检测时一旦确定有活跃用户发送了某个导频序列，就能确定这个用户所使用的交织图案，利用这个交织图案就可以解调该用户的数据。

3)基站根据用户检测单元所插入的导频，采用基于稀疏贝叶斯学习的方法(Sparse Bayesian Learning)进行用户检测和信道估计，得到活跃用户集合以及活跃用户在用户检测单元的信道响应。首先将用户检测单元接收的导频关系式实数化：不妨记用户检测单元为数据块1，其中接收到的导频资源向量用

表示，将其实数化，这里

表示总的潜在活跃用户在数据块1中的信道值与活跃标志(非活跃用户取值为0，活跃用户取值为其信道响应值)，Φ₁表示在数据块1中的导频码矩阵，

其中

和

分别表示实部与虚部。

假设待恢复的所有潜在活跃用户的信道响应满足均值为0方差为γ的高斯分布(最后得到的γ为0对应用户不活跃，γ为非零对应用户活跃)，方差的初始值γ⁽⁰⁾可设为全0。

根据如下公式由第k次迭代的γ^(k)计算得到第k+1次的γ^(k+1)：

Γ^(k)＝diag(γ^(k))

直到达到最大迭代次数或满足

(∈表示信道估计精度)，则迭代结束。

将迭代过程中的均值向量

作为返回值，得到

通过进行复数化：

得到待求向量，进而得到活跃用户所选导频码的位置及其在用户检测单元中的信道响应。

4)基站根据在步骤3)得出的活跃用户集合以及信道估计单元所插入的导频进行信道估计，在信道估计单元中提取活跃用户对应位置的导频码构成新的导频码矩阵；不妨对信道估计单元编号为数据块j，在第j个数据块中根据活跃用户检测结果Ψ_j＝Φ_j(active)(即提取原导频码矩阵中活跃用户所处位置的导频序列构成的新矩阵)，利用迫零算法或者最小均方误差方法得到活跃用户的信道响应值，其中迫零(ZF)算法：

最小均方误差算法(MMSE)：

(这里

表示在第j个数据块仅包含活跃用户的信道估计向量，Ψ_j表示仅包含活跃用户的导频码矩阵，

仍表示第j个数据块接收到的导频资源向量，但由于是在检测出活跃用户的基础上，接收到的导频资源向量可以认为只受活跃用户影响，用

表示)

5)基站完成多用户数据解调，如果某个用户的数据解调正确则完成一次数据包传输，如果不正确则启动错误处理机制，本方法只涉及单次开环数据传输，如果进入错误处理机制，本方法可以与多种重传方案相结合。

综上，本发明通过将前导序列和数据同时发送，并将用于用户检测的导频集中分配在一个相干时频资源块内，将用于用户信道估计的导频分散在不同相干时频资源块内，实现了基于合并连续发送前导序列与数据、分离用户检测与信道估计的优化方法。该方法减少了随机接入过程中用户和基站之间的信令交互，从而降低了数据传输延时，基于分离活跃用户检测与信道估计方法不仅可以得到高精度的信道响应值，而且具有较低的导频开销。因此本发明提供的方法可以降低数据传输延时，并在较低导频开销的情况下获得高精度的信道响应值，进而为数据解调提供良好的基础。

Claims (2)

1.一种多址接入数据包传输方法，其特征在于，将前导序列和数据同时发送，并将用于用户检测的导频集中分配在一个相干时频资源块内，将用于用户信道估计的导频分散在不同相干时频资源块内，其步骤如下：

1)基站给进入其覆盖区域的新用户分配一个与其他用户不同的导频序列，但预先规定各用户占用的资源完全同步，插入导频和插入数据的时频资源是公用的，不同用户之间导频序列非正交，插入导频序列的时频资源分成两类，一类是用户检测单元，即在一个相干时频资源块中插入导频，用于用户检测，其中在一块相干时频资源块中插入的导频数量是最大活跃用户数的4倍以上；另一类是信道估计单元，即在多个相干时频资源块中均匀分散地插入导频，用于信道估计，其中在每个相干时频资源块中插入的导频数量大于等于最大活跃用户数，并在最大活跃用户数的4倍以下；

2)当任一用户出现数据业务传输需求时，用户在预先规定的无线通信时频资源中发送预先分配的导频序列，导频序列和数据一起进行传输，数据符号编码调制采用可分辨的多址方式，用户使用的多址编码或交织图案与用户导频序列一一绑定；

3)基站根据用户检测单元所插入的导频，采用基于稀疏贝叶斯学习的方法进行用户检测和信道估计，得到活跃用户集合以及活跃用户在用户检测单元的信道响应；

首先将用户检测单元接收的导频关系式实数化：记用户检测单元为数据块1，其中接收到的导频资源向量用

表示，将其实数化，

表示总的潜在活跃用户在数据块1中的信道值与活跃标志，非活跃用户取值为0，活跃用户取值为其信道响应值，Φ₁表示在数据块1中的导频码矩阵；

其中

和

分别表示实部与虚部；

假设待恢复的所有潜在活跃用户的信道响应满足均值为0方差为γ的高斯分布，最后得到的γ为0对应用户不活跃，γ为非零对应用户活跃，方差的初始值γ⁽⁰⁾设为全0；

根据如下公式由第k次迭代的γ^(k)计算得到第k+1次的γ^(k+1)：

Γ^(k)＝diag(γ^(k))

直到达到最大迭代次数或满足

迭代结束，∈表示信道估计精度则；

将迭代过程中的均值向量

作为返回值，得到

通过进行复数化：

得到待求向量，进而得到活跃用户所选导频码的位置及其在用户检测单元中的信道响应；

4)基站根据在步骤3)得出的活跃用户集合以及信道估计单元所插入的导频进行信道估计，在信道估计单元中提取活跃用户对应位置的导频码构成新的导频码矩阵；对信道估计单元编号为数据块j，在第j个数据块中根据活跃用户检测结果Ψ_j＝Φ_j(active)，即提取原导频码矩阵中活跃用户所处位置的导频序列构成的新矩阵，利用迫零算法或者最小均方误差方法得到活跃用户的信道响应值，其中迫零算法：

最小均方误差算法：

表示在第j个数据块仅包含活跃用户的信道估计向量，Ψ_j表示仅包含活跃用户的导频码矩阵，

仍表示第j个数据块接收到的导频资源向量，由于是在检测出活跃用户的基础上，接收到的导频资源向量认为只受活跃用户影响，用

表示；

5)基站完成多用户数据解调，如果某个用户的数据解调正确则完成一次数据包传输，如果不正确则启动错误处理机制。

2.根据权利要求1所述多址接入数据包传输方法，其特征在于，所述步骤2)中，导频符号采用幅度调制或相位调制；数据符号采用稀疏码多址、非正交多址、交织多址或码分多址方式编码调制。

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