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申请/专利权人：北京航空航天大学

摘要：本发明提出一种格码多址系统及收发机处理方法，包括：步骤一：格码编码与调制映射；步骤二：格码多址扩频操作；步骤三：接收信号模型；步骤四：格码多址接收端系数矩阵的选定；步骤五：消息序列线性组合；步骤六：格码多址的两种逐符号检测；步骤七：接收机译码；步骤八：多阶段接收机增强处理；步骤九：仿真验证与性能评估。本发明将网络信息论中的新理念引入到实际无线通信系统，以更低成本、无需外循环迭代，获得超越现有方案的承载率可达350％、能谱效率、处理延时，并解决了码域非正交多址与主流信道编码兼容性和不收敛问题。经仿真验证可达到逼近信息理论极限的性能，为达成6G系统多址的性能指标提供了一切实可行的方案和方法。

主权项：1.一种格码多址系统收发机的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：LCMA发送端的编码与调制令用户i的q元消息序列用列向量表示为bi∈{0,1,…,q-1}k,i＝1,2,…M，其中k为消息序列的长度；考虑各用户传输相同的速率，所有用户采用同一q元线性码进行编码；编码后的n长码字序列表示为 这里表示模q乘法，G表示一个n×k维的q元编码生成矩阵；对q＝2，LCMA的编码生成矩阵G采用turbo码、LDPC码或极化码；对q2,q＝2m,m＝2,3,…，采用环码；对各用户传输速率不同的情况，低速率用户将其消息序列通过添加“0”位，使其长度为k，后用上述的格码或环码进行编码；对实数模型，LCMA的调制方式采用等间距q-PAM星座，调制映射操作为 其中γ用于归一化序列xi的平均能量；将上面星座点映射的关系表示为xi＝δci，一维上的星座点集合为单用户信息速率为比特符号；M个可用码字的整数倍叠加后，对q求模后仍为可用码字，即 此性质被用于格码多址接收机求解用户消息的线性组合，此性质不适用于传统非格码的多址系统；步骤二：LCMA发送端的扩频操作令NS长的列向量si表示用户i的扩频序列，也称为码片级签名序列；经编码与q-PAM调制的符号序列xi经扩频后的信号表示为sixiT，其第j行为扩频序列si中第j个元素所对应的信号序列，j＝1,2,…,NS；格码多址中的扩频序列si的元素从{+1,-1,0}中获得，且令||si||2＝1，即各扩频序列的范数归一；若si不包含零元素，则扩频序列为其与IDMA系统的扩频序列结构相同；若si包含的零元素大大多于非零元素，扩频序列构成稀疏矩阵，其与SCMA系统的签名序列结构相同或相近；与IDMA和SCMA不同，LCMA不使用码片级交织器；步骤三：接收信号模型a对单天线接收机，即NR＝1,接收到的基带等效信号表示为： 其中为用户i与接收机天线的衰落信道增益系数，Y为所有用户信号的叠加再加上噪声Z；这里Y的维度为NS×n，其第j行对应扩频序列中第j个元素的接收信号序列，Z的各元素为独立同分布的高斯噪声，方差为σ2；为了表述方便，令及X＝[x1,x2,…,xM]T，接收信号表示为Y＝HX+Z4这里信道系数与扩频序列合并为等效信道矩阵H，其维度为NS×M；由于扩频序列的范数和平均信号均已做归一化处理，信噪比SNR定义为对加性白噪声AWGN多址信道，对瑞利快衰落多址信道，各用户的衰落信道系数独立同分布，并在n个符号时间内保持不变；考虑开环系统，信道状态信息CSI在接收机完美获得，在发送端未知，这种情况下采用误码率、误帧率为性能指标进行考量，并采用互信息量的中断概率作为该性能指标的上界；b对多天线接收机，即NR1,接收到的基带等效信号经扩展后表示为： 这里列向量其中表示用户i到接收机第j根天线的信道系数；这样，对用户i，hi为一个长度为N＝NS×NR的“等效签名序列”，集成了扩频序列si和多接收天线的空域签名序列系统的等效信道矩阵则表示为H＝[h1,…,hM]；对比公式4中的单接收天线模型，多天线模型中H的维度变为NS×NR×M；由于多天线的存在，其行数变为单天线模型的NR倍；将基于等效信道H进行处理；上述多址模型理解为接收机收到N＝NS×NR个关于用户i的信号的副本，来自NS个扩频序列和NR个接收天线的合效果；接收机将在N维信号空间中区分并求解M个用户的消息；步骤四：LCMA接收端系数矩阵A的选定考虑基站端通过信道估计获得了精准的CSI；基于CSI,基站首先确立一个无限整数域的系数矩阵，表示为 这里要求满秩；定义采用的q元域系数矩阵A为 其中 现有的非格码的多址系统不包含此步骤；步骤五：LCMA中的消息序列线性组合令所有M用户的消息序列用矩阵形式表示为B＝[b1,…,bM]T，其第i行表示用户i的k长消息序列；消息序列的第l路线性组合定义为： 共L路；l表示消息序列线性组合的索引；这里表示模q乘法；令所有L路消息序列的线性组合用矩阵形式表示为： 多址系统中，线性组合路数L等于用户数目M；下文书写中均用参数L标记线性组合的总路数；格码多址中先基于接收信号Y计算各路线性组合，计算结果表为若计算结果正确，即由于A在q元域满秩，则通过对乘以A的逆矩阵正确恢复所有M用户的消息B＝[b1,…,bM]T；此过程简述为： 格码的引入使得格码多址系统对任意系数矩阵A计算消息序列的L路线性组合，增加了求解的自由度；相比之下，现有非格码的多址系统则只能对各用户消息进行求解，即系数矩阵为单位阵A＝I；对用户编码调制后的序列c1,…,cM的L路线性组合给出定义如下；令所有M用户编码后的序列用矩阵形式表示为 对c1,…,cM的以A为系数矩阵的L路线性组合表示为 由于采用q元线性码，运用公式10和12,V满足 编码后序列的线性组合V和消息序列的线性组合U通过信道编码生成矩阵G关联；对应G的译码器是基于对V的观测或软概率信息计算U，后通过恢复B；现有的非格码的多址系统不包含此步骤；步骤六：接收机逐符号检测；针对编码调制后的消息序列线性组合V＝[v1…vL]T的软概率信息的计算，提供如下两种逐符号检测方法；方法1:基于列表球面译码LSD的检测；此方法直接基于N维空间中的接收信号，在通过球面译码建立起来的可控数目的列表中，计算v1…vL的软概率信息，不做降维处理；方法2：基于线性滤波的逐符号检测；针对第l路线性组合vl，首先对N维空间中的接收信号进行线性滤波，形成单维信号用于该路线性组合vl的逐符号后验概率计算；对每路滤波后的信号，将系数非零的用户视为有用信号，将系数为零的用户视为干扰，放入等效噪声进行处理；步骤七：接收机译码；将得到的关于vl的后验概率序列输入到q进制译码器，获得第l路消息序列线性组合ul的软信息并做判决，标记为对L路进行完全的并行操作；获得判决后，通过得到对所有用户的信息序列的判决；若线性组合的计算结果正确，即因A在q元域上满秩即存在A-1，所有用户的消息序列B被正确译码；接收机的流程描述为： 步骤八：多阶段接收机增强处理；对计算正确的线性组合进行广义逆操作，正确恢复出部分用户的消息序列；令 表示运用广义逆处理后正确恢复出的部分用户的索引的集合；通过LDPC码的奇偶校验判别该译码的消息序列正确与否；对bi',i'∈Ω，进行步骤一中的编码与调制，获得xi',i'∈Ω；后将xi',i'∈Ω，从接收到的信号中删除；令Ωc为Ω的补集，下一阶段用户数目|Ωc|＜M，即原M用户的多址系统下降为|Ωc|个用户的多址系统；对该|Ωc|用户的多址系统模型重复步骤四、步骤五、步骤六、步骤七的操作，获得进一步增强的性能与承载率；步骤九：仿真验证与性能评估；在单天线AWGN多址信道和衰落多址信道进行误码率仿真；对各承载率，确定译码门限，并与现有IDMA和SCMA方案的性能进行比较，量化格码多址的性能增益；在采用格码多址的多天线MU-MIMO系统，对其进行FER的仿真验证，与信道理论容量的中断概率下界的差距进行评估，并评估其相对采用迭代MMSE软干扰消除的IDMA系统方案的性能增益，以及在复杂度、功能性、兼容性方面的优势；经过仿真验证，格码多址在单天线AWGN多址信道下相较IDMA和SCMA有至少1.4dB的增益；若均采用5GNR标准的LDPC码，格码多址则有高达数dB的增益；在单天线瑞利衰落多址信道下，对比IDMA和SCMA，格码多址显著提升用户数目，实现至多350％的系统承载率；在多天线系统空分多址中，格码多址支持用户数目为接收天线数目1-3.5倍的承载率，以及获得全部空间分集增益，在连接密度及误帧率上，采用迭代MMSE软干扰消除的IDMA系统。

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