技术特征：
1.基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、对于拥有大规模终端的mmtc系统，将全部用户进行分组形成多个用户子系统，定义每个子系统的用户集合；步骤2、为每个子系统设计唯一的基本扩展序列，根据该序列生成每个子系统的序列码本集，为所述子系统中的每个用户分配其序列码本集中的一个唯一的扩展序列；步骤3、将每个子系统的用户数据经过调制、扩展序列扩频后相加，形成该子系统的和信号；每个子系统的和信号通过ofdm技术映射到多个子载波上形成时频数据块；不同子系统的时频数据块重叠复用部分子载波，通过上行信道传输至基站；步骤4、基站接收多个子系统的上行传输信号并恢复出各个子系统的和信号；对于每个子系统的和信号，采用基于序列码本块的组正交匹配追踪算法对其中的活动用户和用户数据进行联合检测，完成大规模用户的随机接入与数据传输。2.根据权利要求1所述的基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，步骤1中，所述mmtc系统中共有k个用户，k个用户位于同一个基站的覆盖范围内，每个用户向无线网络发起接入请求和数据传输；将全部k个用户划分为n
b
组，形成n
b
个子系统；子系统标号表示为b，它满足：b∈b＝{1,...,n
b
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，b表示子系统标号集合；每个子系统包含k
b
个用户，令子系统b中的用户标号为k
b
，它满足：k
b
∈{1,...,k
b
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，其中，表示取上整；用户的数据传输处于偶发状态，整个系统用户总数为k＝n
b
k
b
。3.根据权利要求2所述基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，步骤1中，假设每个用户的活动概率为p
a
，p
a
＝1，即用户以概率p
a
进行传输，以1-p
a
的方式保持静默；因此，在任一给定的时刻，k个用户中只有小部分用户处于活动状态；当一个用户处于活动状态时，它在传输时隙中连续发送短包数据。4.根据权利要求1所述基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，步骤2中，所述每个子系统的基本扩展序列设计方法如下：用s
b
表示子系统b的基本扩展序列，从单位圆上随机抽取n
b
个样本，其中第i个样本表示为其中，u服从区间[0,1]上的均匀分布，表示样本对应的相位；的实部和虚部数值分别转换为长度为的二进制码字，最后将它们拼接得到长度为n
c
的二进制序列，即为子系统b的基本扩展序列s
b
；n
b
个子系统的基本扩展序列的组合矩阵表示为：
5.根据权利要求4所述基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，步骤2中，所述子系统的序列码本集由一组扩展序列组成，每个扩展序列均由该子系统的基本扩展序列根据特定移位模式进行循环移位后生成，每个子系统所属序列码本集的生成方如下；步骤2-1、生成子系统的特定移位模式；令子系统b，b∈b＝{1,...,n
b
}的特定移位模式p
b
为：其中，p
b,1
＝0，k
b
表示子系统b中的用户数目；d
b,k
表示子系统b中用户k在p
b
中的索引，即向量p
b
的第d
b,k
个元素；表示p
b
的第d
b,k
个元素的数值；子系统b的移位模式p
b
的第m个索引值p
b,m
,m≠1由下式计算得到：其中，n
c
表示基本扩展序列s
b
的长度；表示基本扩展序列s
b
循环右移j位得到的新扩展序列；表示基本扩展序列s
b
循环右移p
bi
位得到的新扩展序列；表示和的相关运算值。步骤2-2、生成子系统的序列码本集；根据子系统b的特定移位模式p
b
中的k
b
个元素对基本扩展序列s
b
分别进行k
b
次循环右移，得到子系统b中全部k
b
个用户的对应扩展序列：其中，s
b
表示子系统b对应的基本扩展序列，p
b
表示子系统b对应的移位模式，它是长度为k
b
的向量；d
b,k
表示子系统b中用户k在p
b
中的索引，即向量p
b
的第d
b,k
个元素；表示p
b
的第d
b,k
个元素的数值；是序列s
b
循环右移位后生成的新序列；这些扩展序列的集合即为子系统b的序列码本集；子系统b中所有用户的扩展序列构成集合即为系统b的序列码本集，定义序列码本矩阵6.根据权利要求1所述基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，步骤3中，所述用户数据的调制、扩频、复用过程如下：步骤3-1、单个子系统的用户数据经调制与扩频后形成和信号；每个子系统中每个用户对其待发送数据进行数字调制后形成l个调制符号，若某一用户无数据发送，则认为其传输l个0；不失一般性，令子系统b，b∈b＝{1,...,n
b
}中所有用户的发送符号矩阵为
其中，表示大小为k
b
×
l的复数集合；为d
b
的第k
b
行向量，它表示子系统b中第k
b
个用户发送的l个连续的时间符号；如果某一用户k
u
处于静默状态，则d
b
中的第k
u
行填充l个0；d
b
的每个列向量包含来自k
b
个用户的符号；用户利用自己的特定扩展序列对已调符号进行扩频，每个已调符号形成长度为n
c
的扩频序列；每个子系统中所有用户的数据经过调制、扩频后得到的序列相加，得到该子系统的和信号；令子系统b，b∈b＝{1,...,n
b
}的和信号矩阵为即x
b
＝d
b
s
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)其中，为子系统b的码本矩阵；表示大小为n
c
×
l的复数域空间；每个子系统的和信号通过ofdm技术映射到n
s
个子载波中形成一个时频资源块；令子系统b，b∈b＝{1,...,n
b
}的和信号经ofdm技术变换后的频域符号为其中表示大小为n
s
×
l的复数域空间；步骤3-2、多个子系统的和信号通过载波部分重叠方式复用传输；系统中共有n
b
个子系统，因此共有n
b
个时频资源块，每个时频资源块包含n
s
个连续子载波；令相邻子系统复用n
o
个子载波，0≤n
o
≤n
s
，n
b
个子系统的和信号按照载波复用图样映射叠加为系统的上行传输信号表示为：其中，表示大小为n
max
×
l的复数集合；通过重叠复用子载波，系统占据的子载波总数n
max
计算为：
定义系统承载的用户总数与子载波总数的比值为系统载波负载，通过子系统之间的子载波复用，系统载波负载计算为：其中，k＝n
b
k
b
；该信号经天线馈送至上行信道中传输给基站。7.根据权利要求1所述基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，步骤4中，基站接收多个子系统的上行传输信号并恢复出各个子系统的和信号，所述上行信号接收处理步骤如下：步骤4-1、基站接收多个子系统的上行传输信号；考虑平坦衰落信道，基站接收的频域信号表示为：y＝hx+n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)其中，表示大小为n
max
×
l的复数域空间；矩阵表示信道系数矩阵，它是对角矩阵，即其中，表示大小为n
max
×
n
max
的复数域空间；h
s
表示子载波s的平坦衰落系数；n表示信道加性白噪声矩阵，它服从均值为0方差为的复高斯分布，即通过ofdm技术解调并消除信道干扰后，为了简化系统模型，使n
s
＝n
c
，将n
b
个子系统在频域上的和信号转换为时域和信号步骤4-2、基站从上行传输信号中恢复每个子系统的和发送信号；基站接收到多个子系统中活跃用户的上行信号后，通过ofdm技术反变换恢复出单个子系统对应的接收信；令基站接收恢复出的子系统b的和信号为y
b
表示为：y
b
＝h
b
x
b
+n
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)其中，表示大小为n
c
×
l的复数域空间；矩阵表示子系统b，b∈b＝{1,...,n
b
}和信号矩阵；表示信道系数矩阵，它是一个对角矩阵，表示为：h
b
＝diag{h
b
}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)其中，向量表示子系统b中每个终端用户的平坦衰落系数的集合，表示子系统b中终端用户k的平坦衰落系数；n
b
表示均值为0方差为的加性高斯白
噪声矩阵，即步骤4-3、基站采用cb-gomp算法从每个子系统和信号中联合检测活跃用户及用户数据。8.根据权利要求7所述基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，其特征在于，利用cb-gomp算法迭代检测每个子系统中的活跃用户并恢复其发送信号，以子系统b的序列码本接收信号y为输入，子系统中用户的估计矩阵作为输出；所述cb-gomp算法的具体步骤如下：步骤4-3-1、初始化算法参数；令子系统b的支持集的估计，即子系统b中活跃用户序号集合为γ
b
，其初始值为空集，即令检测子系统码本索引的迭代次数为g，检测子系统b中活跃用户数据的迭代次数q的初值为0；基站接收到全部子系统的信号y为：代次数q的初值为0；基站接收到全部子系统的信号y为：其中，y
l
表示当前帧的第l个符号；n
c
为扩展序列的长度，l为一帧内发送的符号数目；将y
l
分割为n
b
个子信号，如式(17)所示；表示y
l
分组得到的第g个子信号；残差r表示接收信号与算法恢复信号的差，残差r
l
表示接收信号y
l
与算法恢复信号的差，1≤l≤l；表示迭代次数为q-1时的残差；表示残差r
l
的初值，其中初始化为g初始化为1；执行步骤4-3-2；步骤4-3-2、检测活动用户的子系统码本索引；对接收到的一帧l个符号，即利用式(18)分别求出序列码本集s
b
各列即与l组初始残差的内积值之和，比较n
b
组求和结果，得到求和结果最大的一组所对应的子系统的码本索引i
g
后，执行步骤4-3-3；步骤4-3-3、检测活动用户索引；利用i
g
对应的序列码本集与残差进行组正交匹配追踪gomp算法求解；活动用户的检测基于从接收信号中获取与码本扩展序列的最大相关值对应的用户索引，通过公式(19)迭代求出序列码本集各列与l组残差值的内积值之和，比较k
b
组求和结果，得到求和结果数值最大的一组所对应的活动用户的索引，利用公式(20)更新子系统i
g
中活动用户的支持集；执行步骤4-3-4；
步骤4-3-4、检测子系统活动用户数据；利用公式(21)，使用最小二乘估计来估计当前迭代时子系统i
g
中用户数据的集合其中表示伪逆计算；遍历循环l组残差后，执行步骤4-3-5；步骤4-3-5、更新残差；利用当前检测用户的扩展序列，根据公式(22)，从中减去估计数据的贡献来更新残差根据公式(23)，残差能量小于阈值时停止更新，得到当前检测子系统i
g
中用户数据的估计矩阵并保存到系统用户数据的估计矩阵中；遍历更新l组残差后，当前子系统的活动用户数据检测完毕后，执行步骤4-3-6；||r||＜γ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)步骤4-3-6、对下一个子系统的活动用户和数据进行迭代检测；将g更新为g+1,则分组信号更新为利用已检测的子系统的支持集和序列码本集，根据公式(24)，从而消除已检测的子系统的活动用户数据对待测子系统的活动用户数据的干扰；消除干扰后的信号为其中可以表示为：迭代更新初始残差返回步骤4-3-2，对待测子系统的活动用户以及数据进行检测，更新子系统i
g+1
用户数据的估计矩阵已检测的子系统不再被重复检测；直到迭代次数达到g＞n
b
时，活动用户和数据的联合检测结束，得到系统用户数据的估计矩阵
技术总结
本发明公开了基于分组序列码本集的大规模终端多址接入方法，步骤为：1)对大量mMTC终端进行分组从而构造多个子系统；2)为每个子系统设计唯一的扩展序列码本集，子系统中的每个用户分配其序列码本集中的一个唯一的扩展序列；3)将每个子系统的信号映射到相应的时频资源块中，不同子系统的时频数据块重叠复用部分子载波，通过上行信道传输至基站；4)基站通过CB-GOMP算法对活动用户和数据进行联合检测。本发明适用于大规模机器类型终端通信场景中的多用户检测，在提高系统容量的基础上进一步降低扩展序列之间的相关性，提高了活动用户与数据联合检测的准确性；同时将多用户信号的稀疏结构与多载波系统结合，进一步提高了频谱效率。率。率。
技术研发人员：张晶 马林 王靖文 梁乐
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2022.05.11
技术公布日：2022/8/1