一种基于频域干扰消除（FD-SIC）的chirp扩频调制非正交传输方法及传输系统与流程

一种基于频域干扰消除(fd-sic)的chirp扩频调制非正交传输方法及传输系统
技术领域
1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于频域干扰消除(fd-sic)的chirp扩频调制非正交传输方法及传输系统。


背景技术：

2.物联网终端的部分通信过程需要满足低功耗、长距离等要求，因此适合采用lpwan(low power wide area network)技术。其大致可分为两类：授权的lpwan技术(如nb-iot、lte-m-iot、ec-ism-iot和5giot)和免授权或未授权的lpwan技术(如lora、sigfox、telensa和rpma)。其中，lora采用非授权频段，可以直接部署在公开的网络上，而sigfox只能构建在私有网络上并且需要授权才能访问数据。除此之外，lora采用简单的lorawan协议，更容易开发，从而受到更多厂商的青睐与支持。
3.综合来看，采用lora来解决物联网终端的通信问题是理所当然的。由于lora具有简单易部署的特性，更容易进行开发和维护。同时，lora也可以满足物联网终端的特点，适合于海量、短突发、上行链路为主的业务需求。因此，lora是实现物联网终端实时通信的一种可行方案。
4.lora是一种基于chirp扩频调制的无线通信技术，可以实现低功耗、长距离、低速率的数据传输。传统的chirp扩频调制系统采用不同扩频因子sf实现多用户的并发传输，其原理是一个扩频因子为sf的线性调频信号只有用相同扩频因子的本地调频信号去啁啾，才能得到一个单频信号，经过fft变换后信号能量累积到一点，表现出明显的频域峰值；如果用不同扩频因子的本地信号去啁啾，得到的依然是一个线性调频信号，而且扫频范围整个带宽b，信号能量依然分散整个带宽内，在经过fft后，不会出现峰值。因此，不同sf信号间的干扰可以忽略，达到并发传输的目的。传统线性调频信号的频率随时间变化速率为b/2^sf,sf每减少1，意味着变频速率差两倍。但是，采用不同sf作为多用户接入标准呈现了并行能力不足的特性，因此，为了支持更多的用户，需要考虑扩展新的并行维度来提升用户数量。
5.文献[m.a.b.temim,g.ferr
é
,r.tajan and b.laporte-fauret,"a novel approach to process the multiple reception of non-orthogonal lora-like signals,"icc 2020-2020ieee international conference on communications(icc),dublin,ireland,2020,pp.1-6,doi:10.1109/icc40277.2020.9148783.]中提到了基于功率域非正交多址接入方案的研究，这篇文章主要采用了传统的时域串行干扰消除(td-sic)方案，在逐个解调各个用户对应符号值的同时，还原对应用户信号，然后将其原始信号在时域中删除，以便进行后续用户符号值解调，并且降低已解调用户对原始信号的干扰。考虑到此方法并没有充分利用chirp扩频调制在频域上的应用，以及时域上恢复原始信号存在较多估计误差。没有充分利用频谱资源会相应增加系统开销，而较多估计误差会引入更多的干扰，进而导致系统性能降低。


技术实现要素：

[0006]
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于频域干扰消除(fd-sic)的chirp扩频调制非正交传输方法及传输系统，通过只估计各个用户对应模值信息，实现所有用户的符号值解调，在保证估计准确性前提下，通过减少估计参数，利用chirp扩频调制信号的特性分析解调后fft序列，实现各个用户信息的直接捕获，提高资源利用率，克服接收用户间的模糊性。
[0007]
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0008]
一种基于频域干扰消除(fd-sic)的chirp扩频调制非正交传输方法，包括以下步骤：
[0009]
步骤1，接收信号预处理，得到前导部分信号和信息部分信号；
[0010]
步骤2，对步骤1中得到的前导部分信号和信息部分信号进行信号处理，分别得到各个用户的模值估计值以及无相位信息的fft序列；
[0011]
步骤3，根据步骤2得到的无相位信息的fft序列以及各个用户的模值估计值进行算法迭代，最终得到所有用户的符号估计值，依次输出每个用户的符号估计值。
[0012]
所述步骤1的具体方法为：
[0013]
接收信号同步后，一系列接收信号可根据码片按时域划分为前导部分信号和信息部分信号，前导部分信号包含n
pilot
组携带n个用户模值信息的chirp扩频调制信号，信息部分信号包含n
payload
组携带n个用户符号值信息的chirp扩频调制信号，将两者提取。
[0014]
所述步骤2的具体方法为：
[0015]
先对提取到的n
pilot
组前导部分信号进行chirp扩频解调，再取解调后fft序列在索引为ki处的模值并记录，标识为其中ki，i∈{1，2,...，n)为系统初始指定用户对应的索引值，然后对得到的n
pilot
组模值分别取平均值，以此作为各个用户的模值估计值；对提取到的n
payload
组信息部分信号进行chirp扩频解调，得到n
payload
组包含n个用户信息的fft序列，取模值得到n
payload
组无相位信息的fft序列。
[0016]
所述步骤3的具体方法为：
[0017]
设在i＜j且i，j∈{1，2,...，n}的情况下，第i个用户的功率分配大于第j个用户；先从步骤2中得到的无相位信息的fft序列中找到模值最大的位置，根据最大功率分配至用户一的规则，对应索引值即为对应用户一的符号值，标识为再根据步骤2得到的模值估计值将该峰值对应的能量进行删除，具体数学表达式如下：
[0018][0019]
；其次，第二个用户同样在迭代后的fft序列中找到模值最大的位置，对应索引值即为对应用户二的符号值，标识为再从对应索引的模值上删除用户能量，具体数学表达式如下：
[0020][0021]
以此类推，直至n个用户的符号值全部解调，算法迭代结束。
[0022]
本发明还提供了一种基于频域干扰消除(fd-sic)的chirp扩频调制非正交传输系统，包括以下模块：
[0023]
信号处理模块：用于在前导部分信号完成各个用户的模值估计以及在信息部分信号完成chirp扩频解调；对接收信号进行预处理后，得到前导部分信号和信息部分信号，其中前导部分信号包含n
pilot
组携带各个用户模值信息的chirp扩频调制信号，信息部分信号包含n
payload
组携带各个用户符号值信息的chirp扩频调制信号；对n
pilot
组前导部分信号进行模值分析，得到对应n
pilot
组对应用户信号的模值估计，取其平均值作为各个用户的模值估计值，对n
payload
组信息部分信号进行chirp扩频解调，并取模值，得到无相位信息的fft序列；
[0024]
算法迭代模块：利用信号处理模块得到的各个用户的模值信息以及无相位信息的fft序列，通过逐次判决各个用户的符号值并删除对应用户能量，得到所有用户符号估计值。
[0025]
本发明与现有技术相比，具有如下优势：
[0026]
1.传统td-sic算法在解调过程中，确定用户对应chirp调制信号的符号值后，需恢复对应调制信号，利用模值、相位等估计信息恢复时域信号，再从原始信号中删除；而本发明不必从时域上恢复数据，而是从频域上直接剔除对应用户信息，已知用户的模值与相位，且解调的fft序列亦包含模值和相位信息，直接从中删除即可，此简化方案利用了chirp扩频调制解调中fft运算的线性特征，究其本质仍为td-sic，无需生成时域信号。
[0027]
2.本发明中，省去相位估计，降低估计参数维度，减小估计误差引入。由于采用sic算法过程中，强用户时域信号的恢复过程需要依赖信道状态信息和正确的解调结果，因此必然存在误差传递，对弱用户造成干扰。由于传统的td-sic估计维度相比于fd-sic多一维相位，而更多的估计维度也就相对引入了更多的干扰误差，进而降低估计准确性。因此，相比于td-sic，本发明中采用fd-sic可以保证更高的算法准确性。
[0028]
3.本发明中，fd-sic算法的执行是通过对解调后fft序列取模值后进行直接处理的，抹除了相位信息，只需考虑功率估计值。在保证解调性能的情况下通过降低估计维度，提升运算效率，降低估计误差引入，可以提升系统性能和效率。因此，相比于传统td-sic算法，fd-sic不仅降低了信息提取流程的运算复杂度，还可以保证在多组接入场景下提升工作效率。
[0029]
4、本发明利用下行链路中各用户共信道及噪声相位均匀的特性，放弃估计相位，在保证准确性情况下实现运算量更低的性能。
[0030]
5、td-sic在此情况下存在简化方案，传统td-sic通过估计模值和相位来实现用户信号估计，而本发明采用fft运算具有线性性质，可直接从频谱上对应峰值点剔除对应模值和相位信息，不必从时域上完成信号恢复产生更大开销。
附图说明
[0031]
图1为本发明算法整体实现流程框图。
具体实施方式
[0032]
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
[0033]
本发明描述以扩频因子sf，用户数n为例，在固定模块的前提下，通过使能各个子模块的条件，本发明具有向下兼容性。
[0034]
本实施例提供的支持扩频因子为13的信号处理模块，亦可通过改变模块配置，实现在扩频因子7～12情况下进行信号处理，支持用户数为3的信号处理与算法迭代模块，亦可通过改变用户数，实现多个用户的符号估计，依次输出用户对应符号估计值。
[0035]
在后续阐述过程中为了便于理解，将技术方案中的标识符进行实例化，具体为n＝3，n
pilot＝
8，n
payload
＝1。
[0036]
如图1所示，一种基于频域干扰消除(fd-sic)的chirp扩频调制非正交传输方法，包括以下步骤：
[0037]
系统模型：本实例以一个基于下行功率域noma链路系统为例说明其解调原理。该系统设有一个发送端，在其工作范围内服务3个用户，下行链路采用chirp扩频调制信号进行传输，与此同时，发送端发出的信号在前导部分携带了各个用户对应的模值信息。利用前导部分信号可得到各个用户的模值估计值，发送信号中各个用户对应模值，具体为：
[0038]
p＝[p1，p2，p3]
[0039]
各个用户的发送端chirp扩频调制信号可分别表示为：
[0040]
s＝[s1，s2，s3]
[0041]
由此，发送信号t
x
具体可表示为：
[0042][0043]
在本通信系统中信道状态信息为h，则接收信号r
x
的数学表达式为：
[0044]rx
＝t
x
*h+n
[0045]
步骤1，接收信号预处理，得到前导部分信号和信息部分信号。
[0046]
具体方法为：接收信号r
x
在接收端完成同步后，可通过码片分割完成前导部分信号和信息部分信号的提取，其中前导部分信号包含8组携带各个用户模值信息的chirp扩频调制信号，信息部分信号包含3组携带各个用户符号值信息的chirp扩频调制信号，将这两部分信号进行提取。
[0047]
步骤2，对步骤1中得到的前导部分信号和信息部分信号进行信号处理，分别得到各个用户的模值估计值及无相位信息的fft序列。
[0048]
具体方法为：8组前导中的chirp扩频调制信号包含各个用户的模值信息，对接收到的8组前导部分信号进行chirp扩频解调，他们解调后的fft序列分别表示为由于前导初始设定的各个用户对应的索引值为ki，8组前导部分信号中各个用户的模值与序列的数学关系为：
[0049][0050]
在8组前导模值估计完成的情况下，接收信号中各个用户模值估计值与8组前导信号模值估计值的数学关系为：
[0051][0052]
由此可得各个用户的模值估计值。
[0053]
1组信息部分信号经过chirp扩频解调得到的fft序列表达式为可以在解
调出的fft序列中明显发现部分索引处的模值偏大，这些索引值即为发送给用户的符号值信息，直接取的模值，抹除其相位信息，得到无相位信息的fft序列其与原序列的关系为：
[0054][0055]
将无相位信息的fft序列进行算法迭代，实现用户符号值信息提取，完成用户数据解调；
[0056]
步骤3，根据步骤2得到的各个用户的模值估计值及无相位信息的fft序列进行算法迭代，最终可以解调各个用户的符号估计值，并依次输出每个用户的符号估计值。
[0057]
具体方法为：算法迭代主要是通过利用下行链路中接收信号解调后序列具有的定相性，实现在减少一个估计维度情况下对数据的解调。下行链路中各个用户携带的信息均包含在发送信号中，经过信道后各个用户信号的功率放大倍数和相位偏移量相等，而接收端引入的噪声在相位上服从均匀分布，因此信道引起的相位偏移量并不影响用户信息的解调。另一方面，引入的噪声能量较小，进而对信息峰值对应的相位和模值影响较小。据此，可以在保证准确性的前提下，直接对fft序列取模值抹除相位信息并执行干扰消除操作。
[0058]
步骤2中得到的无相位信息的fft序列此序列中包含所有用户信息，并且迭代流程中亦传入步骤2中得到的模值估计值通过算法迭代实现用户信息解调。
[0059]
根据设定p1》p2》p3以及高功率用户先解调的特性，第一个用户的数据必定先被解调完成。由此，按照chirp扩频解调规则，得到第一个用户对应的符号值，第一个用户的符号估计值与序列的数学关系为：
[0060][0061]
将用户1信号进行删除，干扰消除后序列与原序列的迭代关系式为：
[0062][0063]
在第一个用户的信号得到删除后，第二个用户的信号能量明显最大，所以第二个用户的信息先得到判决，第二个用户的符号值与序列的数学关系为：
[0064][0065]
并将用户2信号进行删除，序列迭代的数学关系式为：
[0066][0067]
依此类推，按上述规则，继续将用户3的信息解调，最终得到用户3的信息的符号值完成解调。最终各个用户符号值分别表示为并将接收端所需的符号值输出给对应用户。
[0068]
在执行算法迭代的时候需要注意，如果接收端并不是功率分配最小用户，如本实例中的用户1或用户2，不必将所有用户符号值解调出来，只需解调出发送到自身的符号值，即可结束算法。
[0069]
本发明还提供了一种基于频域干扰消除(fd-sic)的chirp扩频调制非正交传输系
统，包括以下模块：
[0070]
信号处理模块：用于在前导部分信号完成各个用户的模值估计以及在信息部分信号完成chirp扩频解调；对接收信号进行预处理后，得到前导部分信号和信息部分信号，其中前导部分信号包含8组携带各个用户模值信息的chirp扩频调制信号，信息部分信号包含1组携带各个用户符号值信息的chirp扩频调制信号，对8组前导部分信号进行模值分析，得到对应8组对应用户信号的模值估计值，取其平均值作为各个用户的模值估计值，将得到的模值估计值送入算法迭代流程，对1组信息部分信号进行chirp扩频解调，得到fft序列并取其模值，得到无相位信息的fft序列，并将其送入算法迭代模块；
[0071]
该模块主要用于从信号分离出的前导部分信号与信息部分信号中分别获取各个用户的模值信息和无相位信息的fft序列。前导部分信号包含8组携带模值信息的chirp扩频信号。在每一组信号中，各个用户分配都分配了不同的索引值，由此将前导部分信号进行chirp扩频解调，再根据不同用户对应的索引值，进行模值读取，得到各个用户对应信号模值，然后将关于各个用户的8组读取的模值分别取平均值，得到各个用户的模值估计值。信息部分信号包含1组携带各个用户符号值的chirp扩频调制信号，对其进行chirp扩频解调，并取模值，即可得到无相位信息的fft序列，将其送入算法迭代流程。
[0072]
算法迭代模块：利用信号处理模块得到的各个用户的模值信息以及无相位信息的fft序列，通过逐次判决各个用户的符号值并删除对应用户能量，得到所有用户符号估计值。
[0073]
该模块主要用于将信号处理模块得到的各个用户的模值估计值以及无相位信息的fft序列，按照干扰消除的思想逐次完成用户符号值信息的提取，并在所有用户符号值解调完成后，将所有符号值分配给对应用户。
[0074]
本发明从chirp扩频调制信号的调制解调方式出发，结合下行传输链路信道特征，通过分析线性调频信号的频率变化规律、叠加信号的时频特征、功率分布特性，本发明拟挖掘线性调频扩频信号的非正交维度，构建基于相同扩频因子sf的线性调频扩频多维度复用传输技术——基于频域干扰消除策略的非正交传输技术。
[0075]
基于频域干扰消除(fd-sic)的chirp扩频调制非正交传输方法的基本思想如下：线性调频扩频信号的chirp扩频解调过程为对接收信号去啁啾并作fft运算，通过确认fft输出序列峰值点的位置可得到对应的符号值。由于fft峰值的位置与发送的符号值对应，假如两个用户以相同的sf和变频速率同步发送不同的信息，接收到信号将得到两个不同的峰值，即使采用相同sf的线性调频扩频信号，在频域依然存在天然的可分性。
[0076]
虽然不同用户信号在频域天然存在可分性，但是接收端存在用户模糊性，即接收机难以分辨每个峰值代表的信息属于哪个用户，因为每个用户都发送0～(2^sf-1)之间的任意符号。为了克服用户模糊性，可采用不同用户分配差异化功率，按照最终fft峰值高低次序判定峰值对应信息属于指定用户，以消除用户模糊性。
[0077]
此方法与传统功率域noma看似相同，实则在接收端用户信号分离算法有较大差异。传统的功率域noma在进行信号解调过程没有考虑信号的频域属性，通过依次恢复强功率用户的时域信号再进行串行干扰消除(sic)技术实现对各个信号的提取(td-sic)，强功率用户时域信号的恢复过程需要依赖信道状态信息和正确的解调结果，因此必然存在误差传递，对弱用户造成干扰。而线性调频信号由于其频域天然的可分性，可在频域解调出强用
户信息后，将其直接在频域删除，再解调后续用户信息，因此不存在时域信号恢复引入的额外误差传递，无论解调复杂度还是性能都优于基于td-sic的传统noma技术。
[0078]
本发明的应用前景为：
[0079]
随着物联网的高速发展，大规模通信的迫切接入，具有低功耗、长距离、采用非授权频段、简单易开发等优势的lora技术体现了物联网终端通信场景之间具有极高契合度。随着更为广泛的应用，lora技术的应用场景会愈发广阔，终端接入量也会随之增大，但是传统的利用不同sf进行多用户接入方案存在并行能力不足的缺点，需要拓展新的并行维度来实现多用户接入，提高并行传输能力。
[0080]
本发明针对上述问题提出基于频域干扰消除的chirp扩频调制非正交传输技术，通过只估计各个用户对应信号的功率值，实现所有用户的信息解调，在保证准确性的情况下，降低整体算法的运算复杂度，增加并行传输能力，提升用户数量。本发明用于基于下行链路功率域noma的非正交chirp扩频调制场景，各个用户信号按照一定的功率比分配差异化功率，克服接收端用户的模糊性。另一方面，该算法可以通过只估计用户功率实现多用户chirp扩频调制信号的解调，此方案具有一定的新颖性。

技术特征：
1.一种基于频域干扰消除(fd-sic)的chirp扩频调制非正交传输方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，接收信号预处理，得到前导部分信号和信息部分信号；步骤2，对步骤1中得到的前导部分信号和信息部分信号进行信号处理，分别得到各个用户的模值估计值以及无相位信息的fft序列；步骤3，根据步骤2得到的无相位信息的fft序列以及各个用户的模值估计值进行算法迭代，最终得到所有用户的符号估计值，依次输出每个用户的符号估计值。2.根据权利要求1所述的一种基于频域干扰消除(fd-sic)的chirp扩频调制非正交传输方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：接收信号同步后，一系列接收信号可根据码片按时域划分为前导部分信号和信息部分信号，前导部分信号包含n
pilot
组携带n个用户模值信息的chirp扩频调制信号，信息部分信号包含n
payload
组携带n个用户符号值信息的chirp扩频调制信号，将两者提取。3.根据权利要求1所述的一种基于频域干扰消除(fd-sic)的chirp扩频调制非正交传输方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：先对提取到的n
pilot
组前导部分信号进行chirp扩频解调，再取解调后fft序列在索引为k
i
处的模值并记录，标识为其中k
i
，i∈{1，2,...，n}为系统初始指定用户对应的索引值，然后对得到的n
pilot
组模值分别取平均值，以此作为各个用户的模值估计值；对提取到的n
payload
组信息部分信号进行chirp扩频解调，得到n
payload
组包含n个用户信息的fft序列，取模值得到n
payload
组无相位信息的fft序列。4.根据权利要求1所述的一种基于频域干扰消除(fd-sic)的chirp扩频调制非正交传输方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：设在i＜j且j，j∈{1，2，...，n}的情况下，第i个用户的功率分配大于第j个用户；先从步骤2中得到的无相位信息的fft序列中找到模值最大的位置，根据最大功率分配至用户一的规则，对应索引值即为对应用户一的符号值，标识为再根据步骤2得到的模值估计值将该峰值对应的能量进行删除，具体数学表达式如下：其次，第二个用户同样在迭代后的fft序列中找到模值最大的位置，对应索引值即为对应用户二的符号值，标识为再从对应索引的模值上删除用户能量，具体数学表达式如下：以此类推，直至n个用户的符号值全部解调，算法迭代结束。5.一种基于频域干扰消除(fd-sic)的chirp扩频调制非正交传输系统，其特征在于：包括以下模块：信号处理模块：用于在前导部分信号完成各个用户的模值估计以及在信息部分信号完成chirp扩频解调；对接收信号进行预处理后，得到前导部分信号和信息部分信号，其中前导部分信号包含n
pilot
组携带各个用户模值信息的chirp扩频调制信号，信息部分信号包含n
payload
组携带各个用户符号值信息的chirp扩频调制信号；对n
pilot
组前导部分信号进行模
值分析，得到对应n
pilot
组对应用户信号的模值估计，取其平均值作为各个用户的模值估计值，对n
payload
组信息部分信号进行chirp扩频解调，并取模值，得到无相位信息的fft序列；算法迭代模块：利用信号处理模块得到的各个用户的模值信息以及无相位信息的fft序列，通过逐次判决各个用户的符号值并删除对应用户能量，得到所有用户符号估计值。

技术总结
一种基于频域干扰消除(FD-SIC)的chirp扩频调制非正交传输方法及传输系统，方法包括：接收信号预处理，得到前导部分信号和信息部分信号；对得到的前导部分信号和信息部分信号进行信号处理，分别得到各个用户的模值估计值及无相位信息的FFT序列；根据得到的无相位信息的FFT序列及各个用户的模值估计值进行算法迭代，最终得到所有用户的符号估计值，依次输出每个用户的符号估计值；系统包括：信号处理模块和算法迭代模块；本发明通过只估计各个用户对应信号的模值，实现所有用户的符号值解调，在保证估计准确性前提下，通过减少估计参数，利用chirp扩频调制信号的特性分析解调后FFT序列，实现各个用户信息的直接捕获，提高资源利用率，克服接收用户间的模糊性。克服接收用户间的模糊性。克服接收用户间的模糊性。


技术研发人员：马建鹏 王祥光 叶宇皓 张顺 吴云飞 张景
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司电子科学研究院
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/10/5