基于多功率与时间分集的时隙竞争接入发送与接收方法与流程

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及基于一种基于多功率与时间分集的时隙竞争接入发送与接收方法。

背景技术：

在现代通信系统中，随机接入(randomaccess,ra)是一种不可缺少的接入方式。在随机接入体制中，多个用户采用竞争的方式在同一信道上随时按需发送。而对于每个用户而言，用户只要有数据需要发送即在共享的竞争接入信道中发送。如果多个用户同时向同一接收设备发送数据，则会导致信号的碰撞，导致消息的丢包。在传统通信中，随机接入方式主要应用于用户向基站发送入网请求、资源分配请求、维持入网状态信息等信令的交互上；在现代以数据业务为主的通信场景中，随机接入不再仅仅存在于信令的传输，在某些特殊场景随机接入可以直接用于发送数据；在物联网(internetofthings，iot)和机器到机器通信(machinetomachine，m2m)领域，多个物体的状态信息以无线传输的方式通过随机接入发送至信息采集设备，并由信息采集设备与网络相连，从而完成物-物之间的通信。现有的随机接入体制主要包括基于竞争接入(aloha)或时隙竞争接入的接入体制，aloha为纯随机接入，用户在任意时刻只要有数据传输需求即发送数据包；时隙aloha在aloha的基础上增加了时隙同步，用户不能在任何时间发送数据，只能选择在一个时隙的开始发送数据，通过这种时隙同步可以将竞争信道的最大吞吐率提高一倍。

因此本发明提出一种基于多功率与时间分集的时隙竞争接入发送与接收方法，以解决现有技术中的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于多功率与时间分集的时隙竞争接入发送与接收方法，在时间和频率资源有限的情况下通过功率分级与时域重复等方法显著提高接入信道的容量。

时隙竞争接入系统包括一个含有nslots个时隙的竞争接入超帧，对于每个突发信号，均存在mpower个功率等级，每个功率等级的发射功率为其中mpower＝1,2,…为一个大于0的整数。

对于来自用户i的数据包，首先在一个超帧中随机选择nreplica个时隙，时隙号分别为在每个时隙中发送的数据包称为来自用户i数据包的复制品。每个复制品在给定时隙下随机在中选择功率进行发送。用户i需要发送的信息包括复制品指示标志比特有效信息比特和校验比特

其中时隙指示标志比特指明该数据包所有复制品所在时隙位置当数据包正确接收时，可以根据判断其复制品所在时隙；有效信息比特包括需要发送的有效数据；校验比特针对全部信息进行校验，用作接收端判断是否正确接收，通常情况下使用冗余循环校验(crc)实现信息比特的校验。

将上述数据包进行纠错编码，其中纠错信道编码包括ldpc、turbo、极化码等。

将m⁽ⁱ⁾经过信道编码后的符号为最终发送的信息符号为

其中为该数据包的训练序列，用作接收端的信号捕获。

本发明公开了一种基于多功率与时间分集的时隙竞争接入发送方法，所述时隙竞争接入发送方法包括以下步骤：

步骤1：将需要发送的数据包打包，为该数据包在一个aloha超帧内随机选择多个时隙，在每个时隙发送的数据包称为该数据包的复制品；

步骤2：在步骤1所述的数据包的复制品中添加发送时隙的指针信息，使接收端能够在解调数据包后找到其复制品的时隙号；

步骤3：对步骤2所述复制品增加循环校验以供在接收端判断信号是否正确接收；

步骤4：对步骤3所述复制品进行调制与编码，并为所述复制品在给定的各功率等级中随机分配功率；

步骤5：将步骤4调制与编码后的所述复制品基于竞争接入信道的下一个超帧中，直至下一超帧开始时刻结束。

优选地，所述步骤2中时隙的指针信息为时隙指示标志比特

乒乓存储处理是在接收端至少包含两个超帧长度容量的存储器，接收信号经过下变频、a/d转换与降采样后存储在ram中。在接收并存储当前超帧信号的同时，对上一超帧所存储的信号进行信号处理。对于上述存储处理的方式称为乒乓存储处理。

功率占优是对于在一个给定时隙中发送的数据包，不存在其他数据包的功率等级大于或等于该数据包的发送功率，则称该数据包的功率占优。

纯净包是对于一个时隙中只存在一个数据包，不与其他数据包发生信号碰撞的情况，或在一个时隙中一个数据包与多个数据包发生碰撞，但由于该数据包功率占优使该数据包能够正确解调译码的情况，将该数据包称为纯净包。

碰撞包是对于在一个给定时隙中发送的数据包，当由于多个其他数据包在同一时隙发送造成信号碰撞导致该数据包不能正确解调的情况，将这种数据包称为碰撞包。

本发明公开了一种基于多功率与时间分集的时隙竞争接入接收方法，所述时隙竞争接入接收方法包括以下步骤：

步骤1：对接收信号进行乒乓储存处理，在接收当前超帧信号的同时处理上一超帧的接收信号；

步骤2：通过本地训练序列与接收信号的相关运算检测当前超帧中的数据包，若捕获到时隙中存在纯净包，则进行解调译码与循环校验；若在当前超帧中不存在纯净包则跳至步骤6；

步骤3：若步骤2所述纯净信号循环校验成功，则根据纯净包解调信息中的复制品指示标志比特找到该纯净包复制品所在时隙，并通过对该复制品信号重编码与重调制实现对复制品的重构；

步骤4：将复制品时隙中重构的复制品信号作为干扰，利用线性最小二乘算法重构信号并进行串行干扰消除，将干扰消除后的信号重新存入存储器；

步骤5：当前所有校验通过的纯净包均完成干扰消除后返回步骤2，开始下一次迭代；

步骤6：结束迭代并返回步骤1，等待下一超帧接收完毕对下一超帧进行处理。

优选地,所述步骤4利用线性最小二乘算法，其中使用最小均方误差(lms)滤波器为m阶有限冲击相应(fir)滤波器，并定义如下变量：

①w(n)为最小均方误差(lms)滤波器系数，且为m维向量，初始值为默认接收滤波器系数，随着迭代算法自适应更新；

②x(n)为最小均方误差(lms)滤波器输入采样信号，所述步骤3中对复制品信号重调制的编码信号波形为s(n)，根据信号的频偏与相偏，矫正信号s(n)，得到滤波器的输入波形：

其中，wc为当前跳信号的数字频偏，φ为当前跳信号的初相，输入信号矢量定义为：

x(n)＝[x(n-m+1),x(n-m+2)，…x(n)]^t；

③d(n)为最小均方误差(lms)滤波器期望采样信号，将所述复制品时隙中的接收信号采样作为lms滤波器的期望信号d(n)；

④y(n)为最小均方误差(lms)滤波器的输出信号，y(n)为经过lms滤波器矫正后的重构信号；

⑤e(n)为最小均方误差(lms)滤波器的输出误差信号，其作为干扰消除后的信号供下一个用户解调。

优选地,所述步骤4还包括以下步骤：

步骤4-1：初始化参数：n＝0，w(0)＝0；

步骤4-2：利用当前所述滤波器系数w(n)和当前输入数据x(n)计算所述最小均方误差(lms)滤波器的输出信号：y(n)＝w^h(n)x(n)；

步骤4-3：计算当前时刻的所述滤波器的输出误差信号：e(n)＝d(n)-y(n)；

步骤4-4：进行自适应更新滤波器系数：

w(n+1)＝w(n)+2μx(n)e(n)；

步骤4-5：对下一个采样点进行处理，n＝n+1，返回步骤4-2，直至一个时隙内的所有信号采样点处理结束。

本发明公开的一种基于多功率与时间分集的时隙竞争接入发送与接收方法能够解决竞争接入信道中由于信号碰撞产生的系统内部干扰，提高接入信道的吞吐率。该方法适用于竞争接入信道通信系统，本发明可以在时间和频率资源有限的情况下通过功率分级与时域重复等方法显著提高接入信道的容量。

附图说明

图1是基于多重功率与时间分集的时隙aloha的发送方法流程示意图。

图2是基于迭代串行干扰消除的时隙aloha接收方法流程示意图。

图3是多重功率分集时隙aloha接收信号在时隙中的分布示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施案例中的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施案例是本发明一部分实施案例，而不是全部的实施案例。下面通过参考附图描述的实施案例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施案例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护的范围。

如图1所述的信号发送方法，首先对每个数据包随机选择多个时隙，在有效信息的基础上加入时隙指示标志，并添加校验位。将包含有效信息、时隙指示标识与校验位的全部信息作为一个编码块进行信道编码，得到的编码后信息增加训练序列后进行调制与上变频，在下一个超帧中按随机选择的时隙以随机选择的功率进行发送。

假设各个用户信号发送的时隙与功率如图3所示，对于每个用户的数据包存在3个复制品，用户在超帧中随机选择3个时隙发送复制品信号。对每个突发信号均存在mpower＝2个功率等级，信号被分为大功率信号和小功率信号，每个数据包随机选择大功率和小功率进行发送，在两个功率间隔足够大的情况下，大信号与一个或多个小信号发生碰撞时，大信号的信干噪比(sinr)将会大于该信号的译码门限。根据这种特性，当大信号与小信号发生碰撞时，大信号可以看作纯净包。针对图3所示的接收信号，在接收端的处理过程如下

步骤1：乒乓存储两个超帧的接收信号采样；

步骤2：搜索纯净包，在第一次迭代，纯净包为用户4在时隙2的数据包与用户5在时隙7的数据包；

步骤3：根据上述两个纯净包的解调译码得到原始信息，重构用户4在时隙4、5的信号和用户5在时隙3、4的信号；

步骤4：步骤3中重构的信号作为干扰对时隙2、3、4、5和7的混合信号进行干扰消除。并将干扰消除后的剩余信号存入随机存储器(ram)；

步骤5：在第二次迭代中，由于已经消除用户4和用户5的所有信号，用户1在时隙2的复制品和用户2在时隙5的复制品和用户3在时隙7的复制品均由碰撞包变成纯净包，可以针对它们进行解调译码；

步骤6：针对用户1、2、3的复制品进行干扰消除，并将剩余信号存入ram；

步骤7：超帧中不存在纯净包，迭代结束。

在工程实现中，实现方法如图2所示，步骤1中信号存储在本地ram中，先搜索接收信号中存在的纯净包进行信号解调与信道译码，通过校验码判断校验正确时，对解调信息重新进行信道编码与调制，通过串行干扰消除模块将已知信号的干扰消除并写回到本地ram中。由此迭代直至在接收信号中找不到能够正确解调的纯净包为止。

根据图3所示时隙aloha发送实例，经过本文所述的基于迭代串行干扰消除的时隙aloha接收方法后，超帧内所有用户的数据包均能够正确解调。

最后需要指出的是：以上实施案例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施案例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施案例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施案例技术方案的精神和范围。