一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法。本发明专利技术属于无线移动通信领域。本发明专利技术为短波共享频段中多用户同时通信的场景提供一种基于稀疏码本扩频的多载波调制方案，通过生成符合一定条件的稀疏码本来生成每个用户I/Q支路各符号的稀疏扩频序列，最终完成对该符号的稀疏扩频。本发明专利技术可以有效解决短波共享信道中多用户干扰和模拟窄带干扰同时存在的问题。

A Multiuser Multicarrier HF Modulation Method Based on Sparse Codebook Spread Spectrum

The invention discloses a multi-user multi-carrier short wave modulation method based on sparse codebook spread spectrum. The invention belongs to the field of wireless mobile communication. The invention provides a multi-carrier modulation scheme based on sparse codebook spread spectrum for multi-user simultaneous communication in short-wave shared frequency band. Sparse spread spectrum sequence of each user's I/Q branch symbols is generated by generating sparse codebook which meets certain conditions, and finally sparse spread spectrum of the symbol is completed. The invention can effectively solve the problems of simultaneous multi-user interference and analog narrowband interference in short-wave shared channel.

【技术实现步骤摘要】
一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法
本专利技术属于无线移动通信
，特别涉及一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法。
技术介绍
我国是世界上渔船数量最多的国家，如何能够快捷有效的进行通信是保护渔民生命和财产安全的根本。根据农业部在2007年颁发的《渔业船用调频无线电话机通用技术规范》，规定渔业船用调频无线电话机的专用频段为27.5—39.5MHz。属于短波通信范畴。短波主要以天波方式传播，电离层是其天然的“中继系统”。短波通信因为其技术成熟，通信距离远，体积小，适合在移动状态的车、船、飞机等平台上工作，成为渔业通信中主要的通信手段之一。但同时短波通信具有频带窄、用户多、传输距离远和发射功率大等特点，导致信道拥挤，干扰严重。并且部分渔船上原有的模拟系统(如对讲机)会对新的数字系统带来不可忽略的窄带干扰。而传统的纯扩频通信系统虽然可以对抗窄带干扰，但是抗多用户干扰的能力十分有限。因此，在大量用户同时通信的短波环境下，如何有效地应对窄带干扰和多用户干扰同时存在的情形成为多用户渔业短波通信中亟需解决的问题。原有的纯扩频技术虽然可以通过多个子载波传输相同的信号来抵抗窄带干扰，但同时也造成抗多用户干扰能力的不足。假设有J个用户同时通信，那么在扩频后的每一个频点处都有J个用户符号的叠加，干扰十分严重。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述缺陷，本专利技术提供一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法，采用稀疏码本设计的思想对纯扩频系统进行改进，即基于稀疏码本设计新的扩频序列，使得在扩频后的每个频点处只有少量用户符号的叠加，从而在保证一定的抗窄带干扰能力的同时显著提高了系统抗多用户干扰的能力。技术方案：本专利技术提出一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法，包括如下步骤：(1)确定可供短波通信的频段范围，将其两边预留一定的保护间隔后，中间划分为N段频点/子载波，N∈{16,32,64,128}；(2)设置最大用户数Jmax，并确定稀疏码本S的维度为R行U列；(3)确定稀疏码本S的行重wr和列重wc；(4)生成相应的稀疏码本S；(5)对于最多Jmax个用户，以U个用户一组进行分组，当实际用户数J＜Jmax时保留第组的所有用户以及第组的前个用户；对于最多Jmax个用户，依次生成每个用户I/Q两路各个符号的稀疏扩频序列。进一步的，所述步骤(2)中确定稀疏码本维度的具体步骤如下：根据该应用场景实际用户数J设置最大用户数Jmax：由计算公式λ＝(Jmax-N)/N计算最大用户过载率λ，λ有三种取值：0，0.5，1；根据N、Jmax和λ的值决定稀疏码本为R行U列，其中R＝N/k，U＝Jmax/m；当λ＝0时，k∈{1，2，4}；m∈{1，2，4}；且k，m不能同时为1；当λ＝0.5/1时，k＝1，m＝1。进一步的，所述步骤(3)中确定稀疏码本的行重wr和列重wc的具体步骤如下：当λ＝0时，wr和wc是满足wr*R＝wc*U的最小整数解；当λ＝0.5时，wr＝3，wc＝2；当λ＝1时，wr＝4，wc＝2。进一步的，所述步骤(4)中生成稀疏码本S为R行U列的二进制矩阵的具体步骤如下：首先生成子矩阵S1，S1是(U/wr)行U列的二进制矩阵，其非零元素为S1(r，u)＝1，其中1≤r≤U/wr，((r-1)wr+1)≤u≤rwr；然后以子矩阵S1＝[s1，s2，...，sU]为基准，其中s1，s2，...，sU为S1的U个列向量，其余(wc-1)个子矩阵Si由如下方式得到：Si＝πi{s1，s2，...，sU}其中2≤i≤wc，πi表示将S1的列向量s1，s2，...，sU按列随机交织构成Si；即得到整个稀疏码本矩阵在同一个通信系统中，在确定频点N和过载率λ后，不同用户都使用该稀疏码本矩阵S。进一步的，所述步骤(5)中对于最多Jmax个用户，依次生成每个用户I/Q两路各个符号的稀疏扩频序列的具体步骤如下：(5.1)确定移位寄存器的阶数t，t∈{11，13，15，17}，并在该阶数下选取两个不同的m序列，记作η1和η2；在η1和η2序列中最大(t-1)长度的连零游程后插入一个“0”，将序列长度修正为2t；(5.2)对于用户j，1≤j≤Jmax，设其编码后I路信号sI和Q路信号sQ是维度为L×1的列向量，将修正后的η1和η2序列分别重复发生次，同时将序列中0映射为-1，1映射为1，得到I路短PN码PNl和Q路短PN码PNQ；(5.3)设用户j的PN初始偏移值为pj＝p*(j-1)，其中p是64的整数倍；定义其I路初始扩频矩阵为矩阵MI维度为L×N，其中是矩阵MI的行向量，维度为1×N。其中，行向量的第n个元素为I路短PN码PNI中的第((l-1)*N+pj+n)个元素，即其中1≤l≤L，1≤n≤N；同理，用PNQ代替PNI即可得到Q路初始扩频矩阵为矩阵MQ维度为L×N；其中，维度为1×N的行向量的第n个元素为其中1≤l≤L，1≤n≤N；(5.4)对于稀疏码本其中α1，α2，α3，...，αR是它的行向量，维度为1×U；构造矩阵其中α1，α2，α3，...，αR各重复k次，新矩阵Snew的维度为N(N＝kR)行U列，其列向量记为β1，β2，β3，...，βU，维度为N×1；用户j是用户组内的第u个，则用户j的I路信号sI的第i个符号sI(i)对应的稀疏扩频序列的第n个元素为：其中1≤u≤U，1≤n≤N，是维度为1×N的行向量；因此维度为1×N的行向量就是该用户I支路符号sI(i)稀疏扩频后的输出，其中1≤i≤L；同理，用户j的Q路信号sQ的第i个符号sQ(i)对应的稀疏扩频序列的第n个元素为：其中1≤u≤U，1≤n≤N，是维度为1×N的行向量；因此维度为1×N的行向量就是该用户Q支路符号sQ(i)稀疏扩频后的输出，其中1≤i≤L。本专利技术提供的基于稀疏码本扩频的多载波多用户短波传输方案，实现在短波通信中通过采用设计的基于稀疏码本扩频的多载波调制方式，能使得多用户短波通信的质量得以改善。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：1、方案设计的基于稀疏码本扩频的多载波传输方式首先采用PN序列扩频生成多载波，除了可以有效抑制窄带干扰，各支路在信道存在多径时延即使接收两端非对齐的情况下也能保持良好的自相关特性；2、方案设计的基于稀疏码本扩频的多载波传输方式可以有效抵抗窄带干扰。一方面，通过稀疏码本扩频已经使一些符号避开了窄带干扰的影响。另一方面，因为在稀疏码本中一个用户符号同时占用多个频点，且每个用户通过循环使用稀疏码本可以遍历所有的频点，所以在某一个频点上受窄带干扰对用户整体检测的影响并不大。3、该方案相比传统方案，最大的优势是通过稀疏码本扩频对不同用户进行频点复用来提高系统容量，从而可以支持传统方案所不能支持的过载系统(通信用户数大于可用频点数)。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的示例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1为本专利技术的流程图；图2为具体实施例中实施例一的用户1前32个符号对频点的使用情况图；图3为具体实施例中实施例一的多用户平均误帧率性能图(和传统扩频相比较)；图4为具体实施例中实施例二的用户1前48个符号对频点的使用情况图；图5为具体实施例中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)确定可供短波通信的频段范围，将其两边预留一定的保护间隔后，中间划分为N段频点/子载波，N∈{16,32,64,128}；(2)设置最大用户数Jmax，并确定稀疏码本S的维度为R行U列；(3)确定稀疏码本S的行重wr和列重wc；(4)生成相应的稀疏码本S；(5)对于最多Jmax个用户，以U个用户一组进行分组，当实际用户数J<Jmax时保留第

【技术特征摘要】
1.一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)确定可供短波通信的频段范围，将其两边预留一定的保护间隔后，中间划分为N段频点/子载波，N∈{16,32,64,128}；(2)设置最大用户数Jmax，并确定稀疏码本S的维度为R行U列；(3)确定稀疏码本S的行重wr和列重wc；(4)生成相应的稀疏码本S；(5)对于最多Jmax个用户，以U个用户一组进行分组，当实际用户数J<Jmax时保留第组的所有用户以及第组的前个用户；对于最多Jmax个用户，依次生成每个用户I/Q两路各个符号的稀疏扩频序列。2.根据权利要求1所述的一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法，其特征在于，所述步骤(2)中确定稀疏码本维度的具体步骤如下：根据该应用场景实际用户数J设置最大用户数Jmax：由计算公式λ＝(Jmax-N)/N计算最大用户过载率λ，λ有三种取值：0，0.5，1；根据N、Jmax和λ的值决定稀疏码本为R行U列，其中R＝N/k，U＝Jmax/m；当λ＝0时，k∈{1,2,4}；m∈{1,2,4}；且k，m不能同时为1；当λ＝0.5/1时，k＝1，m＝1。3.根据权利要求1所述的一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法，其特征在于，所述步骤(3)中确定稀疏码本的行重wr和列重wc的具体步骤如下：当λ＝0时，wr和wc是满足wr*R＝wc*U的最小整数解；当λ＝0.5时，wr＝3，wc＝2；当λ＝1时，wr＝4，wc＝2。4.根据权利要求1所述的一种基于稀疏码本扩频的多用户多载波短波调制方法，其特征在于，所述步骤(4)中生成稀疏码本S为R行U列的二进制矩阵的具体步骤如下：首先生成子矩阵S1，S1是(U/wr)行U列的二进制矩阵，其非零元素为S1(r，u)＝1，其中1≤r≤U/wr，((r-1)wr+1)≤u≤rwr；然后以子矩阵S1＝[s1,s2,…,sU]为基准，其中s1,s2,…,sU为S1的U个列向量，其余(wc-1)个子矩阵Si由如下方式得到：Si＝πi{s1，s2，…，sU}其中2≤i≤wc，πi表示将S1的列向量s1,s2,…,sU按列随机交织构成Si；...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵春明，时伟，姜明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32