多用户时频编码分集MT-CDMA的等效子载波分配系统及方法

摘要

本发明公布了一种多用户时频编码分集MT‑CDMA的等效子载波分配系统及方法。该系统和方法包括：根据各个用户在各个子载波上的信道增益值来得到时频编码分集MT‑CDMA系统中各个用户在各个等效子载波上的增益值；根据用户数据速率门限值来评定每个用户需要选择几个等效子载波来进行传输；采用等间隔子载波块分集方式，以确保各个分块中的子载波整体上具有相近的传输特性；将每个子载波分块看作一个等效子载波，按照灌水原理进行等效子载波分配。优点：该方法考虑了各个用户速率差异较大的特点，能够满足多用户时频编码分集MT‑CDMA系统不同速率的需求；保持了与现有的多用户MT‑CDMA自适应资源分配系统的兼容性，能够方便地完成系统的改造。

说明书

技术领域

本发明涉及一种等效子载波分配系统及方法，特别是一种多用户时频编码分集MT-CDMA的等效子载波分配系统及方法。

背景技术

在未来移动通信系统中，用户对于高速、高质量的数据传输的业务需求越来越多，如何在有限无线频率资源上为更多用户提供高质量的服务就显得越来越重要。专利ZL201310187393.7提供了一种时频编码分集MT-CDMA系统，该系统不但能够利用时频编码分集，而且在不降低系统单个用户数据速率的同时，可以容纳更多的用户数，是一种具有前途的解决方案。但在无线信道中，对于多用户时频编码分集MT-CDMA系统来说，可以按照每个用户的传输速率给用户分配一个或者多个子块(等效子载波)，如果只是随机分配，虽然复杂度较低，但会导致一些处于深衰落没有足够的功率来承载任何信息比特的等效子载波，以非常高的概率被分配给那些不能使用它们的用户，而系统中不同用户的衰落参数是完全独立的，事实是，对于同一个发射机而言，不同用户所经历的衰落状况不同，如果对用户使用的等效子载波进行合理分配，其传输性能会有很大改善。但是，考虑不同用户对信源速率要求差异较大，不同的监测监控信号数据速率需几百bit/s到几十Kbit/s不等，数字话音信号数据速率需要几十Kbit/s，视频信号数据速率需几百Kbit/s或几Mbit/s或几十Mbit/s不等，因此对专利ZL201310187393.7提供的这种时频编码分集MT-CDMA系统来说使用传统的等效子载波随机分配算法，很明显已不能满足不同用户对信源速率的需求。

发明内容

为克服以上系统的不足，本发明提供一种多用户时频编码分集MT-CDMA的等效子载波分配系统及方法。能够按照每个用户的传输速率给用户分配一个或者多个等效子载波，满足不同用户对信源速率的需求，改善传输性能。

本发明所要解决的技术问题包括：多用户时频编码分集MT-CDMA的等效子载波分配系统及方法；

等效子载波分配系统：包括有发射机和接收机系统；所述的发射机端：多用户数据先要进入等效子载波自适应分配模块，通过等效子载波增益算法转换之后，用户将可以接受的等效子载波的序号反馈给发送端，发送端根据反馈的信息和用户速率进行等效子载波分配，决定给每个用户分配合适的一个或几个等效子载波；之后各个子块(帧)的用户数据比特被尺寸为N_c×K的Walsh+PN扩频码组矩阵时频二维扩展，式中N_c为每个分块中的子载波数，K为扩频码长度，然后经过IFFT、并串转换、加循环前缀，最后从天线上发射出去；当对某个用户来说，所有等效子载波的性能都不能接受，那么该用户的请求被拒>

所述的接收机端：接收信号以后，首先需要去除循环前缀，进行串并转换和FFT变换之后，进入解相关模块调整扩频码组顺序进行二维解扩检测，区分出处于不同低相关子块上的不同用户，实际通信中发送端要在所有子载波上发送导频信号以便用户进行信道估计，对占用多个等效子载波的用户进行自适应解调，最后提取每一个用户的数据信息输出。

等效子载波分配方法：

根据总载波数和总用户数，及扩频码长，确定时频二维扩展的帧结构，这样也就确定了每个等效子载波块中的子载波数，然后采用等间隔子载波块分集方式，生成用户的等效子载波增益，用户将可以接受的等效子载波的序号反馈给发送端，发送端根据反馈的信息进行等效子载波分配；根据数据速率门限值来评定每个用户需要选择几个等效子载波来进行传输；最后按照灌水原理进行等效子载波分配，当对某个用户来说，所有等效子载波的性能都不能接受，那么该用户的请求被拒绝。

所述的等间隔子载波块分集方式：考虑相邻的、处于相关带宽之内的几个子载波具有很高的相关性和传输特性，将他们划分到不同的分块中，可以保证各个分块中的子载波整体上具有相近的传输特性，根据最优分配结果，不同的分块将具有近似相等的比特总数，这样的结果将接近最优的分配结果，进行等间隔子载波块分集之后，将每个子载波分块看作一个等效子载波来进行自适应等效子载波分配，从而提高系统的性能。

各个用户数据速率要求可能不同，因此每个用户自适应地占用1个或多个等效子载波，由用户传输速率、采用的调制方式及每个等效子载波的子载波数可以推得每个IFFT/FFT周期(T_s)内需要传输的数据量。

所述的生成用户的等效子载波增益：发送端在进行等效子载波分配时，首先将通过导频信号估计得到的U个用户在各个子载波上的增益信息组成U×N矩阵H

其中，N表示子载波总数，h_u,n表示第u个用户在第n个子载波上的增益，由于时频编码分集MT-CDMA系统被分成B个分块，每个分块上的子载波数为N_c＝N/B，因此这里各用户在各个等效子载波上的增益信息可以由每个分块中的各个子载波上的增益信息而得到。多载波分组的调制方式可由每个分组中所有子载波增益的平均值来确定，因为时频编码分集MT-CDMA系统与多载波分组系统有相似之处，所以在这引用算术平均值法计算等效子载波增益。算术平均值方案(AM，Arithmetic>

其中，b＝1,2…B，n＝1,2…N_c，B为分块总数，N_c为每个分块中的子载波数，这里B＝N_c。确定用户选择等效子载波的个数：由矩阵H，根据式(2)算出各用户在各个等效子载波上的增益信息，组成U×B矩阵G

其中：U表示总用户数，h_th是能被用户接受的信道增益幅度门限值。

考虑各个用户数据速率要求可能不同，因此每个用户应该可以自适应地占用1个或N_u(N_u≤B)个等效子载波，由用户传输速率、采用的调制方式及每个等效子载波的子载波数可以推得每个IFFT/FFT周期(T_s)内需要传输的数据量，假设调制级数为M，每个等效子载波有子载波N_c个，某个用户要求传输速率为R_u(bit/s)，当

此时，这个传输速率为R_u的用户应占用N_u个等效子载波。

所述的灌水原理的等效子载波分配：由G生成U×B阶矩阵F

其中，矩阵F各个元素为

其中f_u,b描述了第u个用户占用第b个等效子载波的权重，若f_u,b＝1/m，表示第u个用户有m个等效子载波可分配，而第b个等效子载波仅为其中之一。

矩阵F各列元素之和为S＝{s₁,s₂,…s_B}，即

s_b描述了所有用户占用第b个等效子载波的权重之和，为了减少同一等效子载波上分配的用户之间的干扰，这里根据灌水原理，通过不断调整用户占用各个等效子载波的权重使得s_b(b＝1,2,…B)不断趋近于其均值，即满足

min{max(s_b)-min(s_b)}>

引入向量C＝{c₁,c₂…c_B}，c_b用来作为分配过程中第b个等效子载波是否可以调整的标致，定义为

所述的等效子载波分配算法的具体流程为：

(1)按照用户在各个子载波上的衰落信息H，初始化矩阵F，向量S和C；

(2)在向量S中找出元素s_b，满足s_b＝min{s_b|s_b∈S∩c_b≠0},b＝1,2,…B；

(3)首先在矩阵F的第b列中找出f_u,b＝max{f_u,b|f_u,b≠0,f_u,b≠1},u＝1,2,…U；然后使f_u,b＝1；如果转到(4)；如果转到(5)。

(4)找出表示f_u,i≠0,f_u,i≠1的等效子载波i集合，使f_u,i＝1；

①如果此处迭代B-1次后，仍然有说明用户被拒绝，转到(5)；

②如果返回到(4)；

③如果令第u个用户上的f_u,i＝0，转到(5)。

通过步骤(3)～(4)，矩阵F被更新。

(5)再按照公式(7)和(9)重新计算向量S和C。若C≠0，返回到第(2)步，若C＝0，结束。

算法运行完成之后，矩阵F的第u行有N_u(N_u≤B)个元素值为1，其它为0，表明第u个用户被分配到N_u个等效子载波上，元素1所在矩阵列的位置，即为用户被分配的等效子载波，s_b表示占用第b个等效子载波的用户数。

有益效果：由于采用了上述分配系统及方法，首先确定了每个等效子载波(子块)中的子载波数N_c；采用等间隔子载波块分集方式进行子载波分块，有利于分配结果接近最优；生成用户的等效子载波增益之后，根据数据速率门限值来评定每个用户需要选择几个等效子载波来进行传输；最后按照灌水原理对等效子载波进行了合理的分配，实现了本发明的目的。

优点：该等效子载波分配系统及方法考虑了各个用户速率差异较大的特点，能够满足多用户时频编码分集MT-CDMA系统不同速率的需求；保持了与现有的多用户MT-CDMA自适应资源分配系统的兼容性，能够方便地完成系统的改造。不但能够按照每个用户的传输速率给用户分配一个或者多个等效子载波，而且能够满足不同用户对信源速率的需求， 同时改善传输性能。

附图说明

图1所示为多用户时频编码分集MT-CDMA系统自适应资源分配系统框图。

图2为多用户时频编码分集MT-CDMA的等效子载波分配发射机和接收机结构图。

图3a为本发明所有子信道等间隔子载波块分集方式图。

图3b为本发明间隔子信道分块等间隔子载波块分集方式图。

图4为多用户等效子载波随机分配和等效子载波自适应分配的误码率性能比较图。

具体实施方式

多用户时频编码分集MT-CDMA的等效子载波分配系统及方法；

所述的等效子载波分配系统：包括有发射机和接收机系统；所述的发射机端：多用户数据先要进入等效子载波自适应分配模块，通过等效子载波增益算法转换之后，用户将可以接受的等效子载波的序号反馈给发送端，发送端根据反馈的信息和用户速率进行等效子载波分配，决定给每个用户分配合适的一个或几个等效子载波；之后各个子块(帧)的用户数据比特被尺寸为N_c×K的Walsh+PN扩频码组矩阵时频二维扩展，然后经过IFFT、并串转换、加循环前缀，最后从天线上发射出去；当对某个用户来说，所有等效子载波的性能都不能接受，那么该用户的请求被拒绝；

所述的接收机端：接收信号以后，首先需要去除循环前缀，进行串并转换和FFT变换之后，进入解相关模块调整扩频码组顺序进行二维解扩检测，区分出处于不同低相关子块上的不同用户，实际通信中发送端要在所有子载波上发送导频信号以便用户进行信道估计，对占用多个等效子载波的用户进行自适应解调，最后提取每一个用户的数据信息输出。

等效子载波分配方法：

根据总载波数和总用户数，及扩频码长，确定时频二维扩展的帧结构，这样也就确定了每个等效子载波块中的子载波数，然后采用等间隔子载波块分集方式，生成用户的等效子载波增益，用户将可以接受的等效子载波的序号反馈给发送端，发送端根据反馈的信息进行等效子载波分配；

根据数据速率门限值来评定每个用户需要选择几个等效子载波来进行传输；最后按照灌水原理进行等效子载波分配，当对某个用户来说，所有等效子载波的性能都不能接受，那么该用户的请求被拒绝。

为了分析系统模型，定义可用子载波数为N，系统的总用户数为U，将所有子载波和用户分成B个子块，且N/B＝N_c，N_c为整数，表示每个子块中子载波的个数，系统能容纳的最大用户数为U＝B·K，K为扩频码长度，每个子块能容纳的最大用户数为U/B＝K，并定义一组尺寸为N_c×K的Walsh+PN扩频码矩阵w_k作为每个子块扩频码，每一个子块构成一个等效子载波。

根据总载波数N和总用户数U，及扩频码长K，确定时频二维扩展的帧结构，确定每个等效子载波(子块)中的子载波数N_c；然后考虑子载波分块的方式，原则是希望各个等效子载波的增益值越接近越好，有利于分配结果接近最优，这里按等间隔子载波块分集>

所述的等间隔子载波块分集方式，考虑相邻的、处于相关带宽之内的几个子载波具有很高的相关性和传输特性，将他们划分到不同的分块中，可以保证各个分块中的子载波整体上具有相近的传输特性，根据最优分配结果，不同的分块将具有近似相等的比特总数，这样的结果将接近最优的分配结果，进行等间隔子载波块分集之后，将每个子载波分块看作一个等效子载波来进行自适应等效子载波分配，从而提高系统的性能。

各个用户数据速率要求可能不同，因此每个用户自适应地占用1个或多个等效子载波，由用户传输速率、采用的调制方式及每个等效子载波的子载波数可以推得每个IFFT/FFT周期(T_s)内需要传输的数据量。

所述的生成用户的等效子载波增益：发送端在进行等效子载波分配时，首先将通过导频信号估计得到的U个用户在各个子载波上的增益信息组成U×N矩阵H

其中h_u,n表示第u个用户在第n个子载波上的增益，由于时频编码分集MT-CDMA系统被分成B个分块，每个分块上的子载波数为N_c＝N/B，因此这里各用户在各个等效子载波上的增益信息可以由每个分块中的各个子载波上的增益信息而得到。多载波分组的调制方式可由每个分组中所有子载波增益的平均值来确定，因为时频编码分集MT-CDMA系统与多载波分组系统有相似之处，所以在这引用算术平均值法计算等效子载波增益。算术平均值方案(AM，Arithmetic>

其中，b＝1,2…B，n＝1,2…N_c，B为分块总数，N_c为每个分块中的子载波数，这里B＝N_c。确定用户选择等效子载波的个数：由矩阵H，根据式(2)算出各用户在各个等效子载波上的增益信息，组成U×B矩阵G

其中：h_th是能被用户接受的信道增益幅度门限值。

考虑各个用户数据速率要求可能不同，因此每个用户应该可以自适应地占用1个或N_u(N_u≤B)个等效子载波，由用户传输速率、采用的调制方式及每个等效子载波的子载波数可以推得每个IFFT/FFT周期(T_s)内需要传输的数据量，假设调制级数为M，每个等效子载波有子载波N_c个，某个用户要求传输速率为R_u(bit/s)，当

此时，这个传输速率为R_u的用户应占用N_u个等效子载波。

所述的灌水原理的等效子载波分配：由G生成U×B阶矩阵F

其中，矩阵F各个元素为

其中f_u,b描述了第u个用户占用第b个等效子载波的权重，若f_u,b＝1/m，表示第u个用户有m个等效子载波可分配，而第b个等效子载波仅为其中之一。

矩阵F各列元素之和为S＝{s₁,s₂,…s_B}，即

s_b描述了所有用户占用第b个等效子载波的权重之和，为了减少同一等效子载波上分配的用户之间的干扰，这里根据灌水原理，通过不断调整用户占用各个等效子载波的权重使得s_b(b＝1,2,…B)不断趋近于其均值，即满足

min{max(s_b)-min(s_b)}>

引入向量C＝{c₁,c₂…c_B}，c_b用来作为分配过程中第b个等效子载波是否可以调整的标致，定义为

所述的等效子载波分配算法的具体流程为：

(1)按照用户在各个子载波上的衰落信息H，初始化矩阵F，向量S和C；

(2)在向量S中找出元素s_b，满足s_b＝min{s_b|s_b∈S∩c_b≠0},b＝1,2,…B；

(3)首先在矩阵F的第b列中找出f_u,b＝max{f_u,b|f_u,b≠0,f_u,b≠1},u＝1,2,…U；然后使f_u,b＝1；如果转到(4)；如果转到(5)。

(4)找出表示f_u,i≠0,f_u,i≠1的等效子载波i集合，使f_u,i＝1；

①如果此处迭代B-1次后，仍然有说明用户被拒绝，转到(5)；

②如果返回到(4)；

③如果令第u个用户上的f_u,i＝0，转到(5)。

通过步骤(3)～(4)，矩阵F被更新。

(5)再按照公式(7)和(9)重新计算向量S和C。若C≠0，返回到第(2)步，若C＝0，结束；

算法运行完成之后，矩阵F的第u行有N_u(N_u≤B)个元素值为1，其它为0，表明第u个用户被分配到N_u个等效子载波上，元素1所在矩阵列的位置，即为用户被分配的等效子载波，s_b表示占用第b个等效子载波的用户数。

图1所示为多用户时频编码分集MT-CDMA自适应资源分配系统框图。发射机端，多用户数据先要进入等效子载波自适应分配模块，根据每个用户信道估计的结果和用户速率给每个用户分配合适的一个或几个等效子载波，然后，对于需要多个等效子载波的用户，根据它占用的各个等效子载波的信道增益情况，进行单用户自适应比特功率分配，即自适应调制，调制后的数据以帧为单位进行时频二维扩展、低相关模块、IFFT变换、并串转换、加CP后进入矿井密集多径信道；接收端接收信号后，首先经过去CP、串并转换、FFT变换和解相关模块，然后调整扩频码组顺序进行二维解扩检测，对占用多个等效子载波的用户进行自适应解调，最后提取每一个用户的数据信息输出。

图2为多用户时频编码分集MT-CDMA的等效子载波分配发射机和接收机结构。在发射机端：用户估计所有子载波的信道增益，通过等效子载波增益算法转换之后，用户将可以接受的等效子载波的序号反馈给发送端，发送端根据反馈的信息进行等效子载波分配，之后各个子块(帧)的用户数据比特被尺寸为N_c×K的Walsh+PN扩频码组矩阵时频二维扩展，然后经过IFFT、并串转换、加CP，最后从天线上发射出去。如果对某个用户来说，所有等效子载波的性能都不能接受，那么该用户的请求被拒绝。在接收机端，去除CP、串并转换、FFT之后，进行二维解扩检测，区分出处于不同低相关子块上的不同用户，实际通信中发送端要在所有子载波上发送导频信号以便用户进行信道估计。

图3为等间隔子载波块分集方式。由时频编码分集MT-CDMA系统模型可知，采用等间隔子载波块分集方式，是因为相邻的、处于相关带宽之内的几个子载波具有很高的相关性和传输特性，将他们划分到不同的分块中，可以保证各个分块中的子载波整体上具有相 近的传输特性，根据最优分配结果，不同的分块将具有近似相等的比特总数，这样的结果将接近最优的分配结果，进行等间隔子载波块分集之后，就可以将每个子载波分块看作一个等效子载波来进行自适应等效子载波分配，从而提高系统的性能。

图4为多用户等效子载波随机分配和等效子载波自适应分配的误码率性能比较。由图可见，本发明提出的等效子载波自适应分配系统的误码率性能优于随机分配系统，当平均误码率为2×10^-5时，本发明可提供大约6.5dB的信噪比增益。

仿真实验

下面对本发明的方法进行了仿真验证。

(1)单一等效子载波上用户数最大差值统计

本发明通过不断调整用户占用各个等效子载波的权重使得s_b(b＝1,2,…B)不断趋近于其均值(即满足min{max(s_b)-min(s_b)})，来减少同一等效子载波上分配的用户之间的干扰。定义变量D₁：

D₁表示每次等效子载波分配完成后，拥有用户数最多的和拥有用户数最少的等效子载波之间用户数差值(其中这个数值越小，同道干扰越小)。在用户数U＝40、80、100时，每个用户选择一个等效子载波，等效子载波数B＝8，能被用户接受的信道增益幅度门限值仍然为h_th＝1和h_th＝1.2，进行1000次仿真统计，得到表1：

表1每个用户选择一个等效子载波时，D₁的1000次统计均值

表1的数据结果表明，当为多用户时频编码分集MT-CDMA系统的每个用户分配一个等效子载波时，随着能被用户接收的信道增益幅度门限值的增加有增大趋势，无论是单一等效子载波上的用户数目差值、还是差值变化趋势均证明本发明同道干扰较小。

在用户数为U＝40、80、100时，假设其中第30个到第40个需要3个子载波块传输，等效子载波数B＝8，能被用户接受的信道增益幅度门限值仍为h_th＝1和h_th＝1.2，进行1000次仿真统计，得到表2：

表2某些用户选择多个等效子载波时，D₁的1000次统计均值

比较表1和表2的数据结果表明，当多用户时频编码分集MT-CDMA系统的每个用户按照速率需求分配不止一个等效子载波时，单一等效子载波上的用户数目差值比每个用户分配一个等效子载波情况略有增加，但差值小于2，仍然具有分散同道干扰的特点。

(2)用户服务不能被满足的概率统计

本发明中{h_u,b,b＝1,2…B}，对于第u个用户来说第b个等效子载波不被接受的概率为

则第u个用户服务不能被满足的概率近似为

如果有U个用户同时要求服务，平均会有U·P(P＝P₁)个用户不能被满足。本发明中等效子载波数B＝8，用户数U＝40、80和100，其中第30个到第40个需要3个子载波块传输，能被用户接受的信道增益幅度门限值h_th＝1时，进行1000次仿真统计，得到表3：

表3服务请求不能被满足的用户数

由表3数据可以看出，系统的理论值和仿真值基本一致，绝大多数用户的服务请求是可以满足的，用户被拒的概率大约为0.55％。本发明根据不同用户的不同速率需求，每个用户需要占用的等效子载波数N_u(N_u≥1)不同，第u个用户的服务只有在N_u个等效子载波上的信道增益大于门限值才能被满足。

(3)误码率性能

本发明涉及的多用户时频编码分集MT-CDMA系统等效子载波分配方法，不是单纯地将各个用户平均分配到各个等效子载波上，而是按照灌水原理让每个用户只使用对它来说增益好的等效子载波。

用最大时延扩展为100ms，多径数为L_p＝5模拟无线信道，且假设每个用户在每个子载波上的增益h_u,n，n＝1,2…N相互独立服从瑞利分布。系统总子载波数为N＝64，等效子载波数为B＝8，带宽为20MHz，载波频率为2.4GHz，调制方式为QPSK，扩频码长为120(Walsh长8，PN长15)，用户数为U＝40，其中第30个到第40个需要3个子载波块传输，能被用户接收的信道增益幅度门限值h_th＝1，应用Matlab软件进行系统仿真，比较等效子载波随机分配和等效子载波自适应分配的误码率性能。

多用户等效子载波随机分配和等效子载波自适应分配的误码率性能比较如图4所示，由图可见，本发明提出的等效子载波自适应分配系统的误码率性能优于随机分配系统，当平均误码率为2×10^-5时，本发明可提供大约6.5dB的信噪比增益。