一种基于mimo的tdcs发射机、接收机、系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于基于多输入多输出（Multiple Input Multiple 0utput，MIM0)的变换 域通信系统（Transform Domain Communication System，TDCS)的改进方案，引入 ΜΙΜΟ 结 构和多用户检测算法，特别适用在需要提高数据率的系统中。。
【背景技术】
[0002] 无线频谱是无线电通信中宝贵的自然资源，一般采用固定分配的方式，由政府机 关授权使用。由于通信行业的迅速发展，无线频谱资源贫乏的问题日益严重，然而，大多数 频段的频谱并没有被充分使用。这就造成了一些频带大部分时间内并没有被任何用户使 用，而其他频带使用竞争则相对很激烈。为了解决上述问题，提出了认知无线电技术，变换 域通信系统TDCS以其灵活的频谱利用、独特的抗干扰及低截获（LPI)特性，被视为认知无 线电中一项潜在的候选技术。
[0003] 基于认知无线电架构的TDCS系统的核心思想是，首先利用频谱感知模块扫描外 部的电磁环境，并通过频谱判决模块筛选出空闲的频谱资源，然后在空闲频谱资源上分配 伪随机多相序列进行频域软扩频。一方面，系统的频谱感知模块能够实时扫频，从而得到能 够动态适应外界电磁环境变化的频谱效用序列，在提高频谱利用率的同时，主动避开了信 号干扰；另一方面，由于CCSK调制仅仅改变伪随机频谱效用序列中每个元素的相位特性， 因此调制后的数据仍然具有平坦的功率谱特征，具有低捕获概率。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术的不足，本发明结合SCMA系统的特点，提供一种基于ΜΜ0的 TDCS发射机、接收机、系统和方法，利用SCMA的多址传输特性，在用户和频点两个维度上对 时域资源块进行相位旋转，并利用码本的稀疏特性，通过少量低维IFFT运算即可获得较多 的备选序列。
[0005] 为实现上述发明目的，本发明基于Μ頂0的TDCS发射机，其特征在于：包括：
[0006] -频谱感知模块，用于将整个信号带宽分为N个子载波，将所述N个子载波发送至 频谱判决t吴块。
[0007] -频谱判决模块，用于根据预设门限确定接收到频谱感知模块发送的子载波的可 用性，并生成频谱效用序列。
[0008] -随机相位映射模块，用于产生伪随机多相序列P(1)，所述伪随机多相序列P (1)与 频谱判决模块生成的频谱效用序列A进行逐元素相乘，得到基础调制波形的频域序列B(1)， 对所述B(1)进行缩放、逆傅里叶变换（IFFT)和CCSK调制，将CCSK调制后的信号发送到天线 模块，其中，i表示天线编号，i = {l，2,3，...，Nt}，队为发射天线个数，所述随机相位映射 模块包括：一 IFFT模块，用于对所述B(1)进行逆傅里叶变换（IFFT)，并与归一化因子λ相 乘后得到基础调制波形的时域序列b(1)，将所述基础调制波形的时域序列b(1)发送到CCSK 调制模块；一 CCSK调制模块，用于对接收到的b(1)进行CCSK调制。
[0009] -天线模块，用于发射经过CCSK调制后的信号。
[0010] 本发明基于Μ頂0的TDCS接收机，其特征在于：包括：
[0011] 一天线模块，用于接收发射机发射出的信号，并完成信道估计，将完成信道估计的 信号发送至FFT模块，所述天线模块包括：一信道均衡模块，用于弥补信道对信号造成的失 真；一多用户检测模块，用于分离叠加的信号。
[0012] - FFT模块，用于将接收到的信号转变为频域接收信号，将所述频域接收 信号斯$(4)与本地生成的基础调制波形的频域序列B(1)的共辄逐项相乘，将得到的频域矢 量发送至IFFT模块，其中，i表示经过多用户检测算法后的得到的估计信号，1为接收天线 的编可，1 = l，2，3，...，Nr。
[0013] - IFFT模块，用于将得到的频域信号转换为时域矢量y，并将所述时域矢量y发送 至解调检测模块。
[0014] 一解调检测模块，用于判决解调，将解调得到的队个数据排序，构成序列，其中，N t =Nr〇
[0015] 本发明基于MM0的TDCS的系统，其特征在于，包括本发明提出的基于ΜΜ0的 TDCS发射机和接收机。
[0016] 基于Μ頂0的TDCS发射方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0017] S1、将信号带宽分为Ν个子载波；
[0018] S2、根据预设门限确定子载波的可用性，，所述确定子载波的可用性的方法具体 为：如果该子载波功率谱幅度>预设门限，则认为该子载波已经被占用，并将其标记为0 ; 如果该子载波功率谱幅度 < 预设门限，则认为该子载波未被占用，并将其标记为1，得到频 谱效用序列· A = [Α。，Au…，AN J ·;
[0019] S3、第i根发射天线通过随机相位映射模块产生伪随机多相序列
，其中，j为虚部，为为第i根发射天线对应的m序列，k =
[0, 1，...，N-1];
[0020] S4、将S3所述P(1)与S2所述频谱效用序列A进行逐元素相乘，得到基础调制波形 (Fundamental Modulation Waveform，FMW)频域序列
，其 中，
[0021] S5、将S4所述B(1)进行IFFT得到时域序列b (1)，即
[0022] S6、将S5所述b(1)乘以归一化因子Α = 后进行CCSK调制，其中，es为发射 一个码元所需要的能量，凡为S2所述记作" 1的子载波"个数，所述CCSK调制具体为：
[0023] S61、将S6所述b(1) X λ经过FFT转换为频域信号，其中，第i根发射天线对应的 频域信号记作S];
[0024] S62、根据A 在频域进行映射，其中，M_ary为CCSK调制的阶数；
[0025] S63、通过IFFT得到映射后的第i根发射天线对应的时域信号
w = 0,1 U，·是S3所述的m序列；
[0026] S64、得到经过CCSK调制后的信号；
[0027] S7、将经过CCSK调制的信号发送至信道。
[0028] 基于Μ頂0的TDCS的接收方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0029] 步骤1、接收信号，其中，第1根接收天线接收到的信号表示为
[0030] 步骤2、通过信道均衡技术弥补信道对信号#造成失真，并输出信号r(1)，即
其中，e[n]为高斯白噪声，x(1)[n]为 期望信号，i为发射天线的编号；
[0031] 步骤3、采用多用户检测算法对步骤2所述r(1)信号进行分离，得到第1个接收天 线的估计信号
[0032] 步骤4、对步骤3所述进行FFT，得到频域接收信号FiTf)
[0033] 步骤5、对S4所述的基础调制波形B(1)取共辄后与步骤4所述逐项相乘， 消除随机相位，得到相应的频域矢量；
[0034] 步骤6、对步骤5所述频域矢量进行IFFT，得至丨财域矢量
.其 中，第P项元素为
[0035] 步骤7、取步骤6所述y[n]的实部，找到最大值的下标即为估计的数据I;
[0036] 步骤8、将步骤7所述S反映射，得到l〇g2M_ary位比特数据，完成判决解调；
[0037] 步骤9、将队根天线按上述步骤解调得到的数据进行排序，构成序列。
[0038] 本发明基于ΜΜ0的TDCS通信方法，其特征在于，包括本发明提出的基于ΜΜ0的 TDCS发射方法和接收方法。
[0039] 本发明的有益效果是：
[0040] 本发明是在传统的TDCS系统上提出的一种基于Μ頂0的可提高有效数据传输速率 和频谱利用率的改进方案。该方法是在传统的变换域通信系统基础上，发送端首先将待发 送的数据进行串并转换，转换成若干组独立的数据流，每一组数据按照传统TDCS发送机结 构生成发送信号，然后通过多个发射天线同时发送，从而提高数据传输速率。在接收端，多 个接收天线同时接收信号，并对其进行均衡以弥补信道失真，再对均衡后的信号根据多用 户检测算法进行分离，然后按照传统TDCS接收机结构进行解调，最后对各接收天线的输出 进行组合排序，完成数据重构。ΜΜ0结构能够充分利用空间资源，实现多发多收，具有明显 的优点。该发明引入ΜΠΚ)架构和多用户检测算法，能够在保持系统自身优势的前提下，有 效地提高数据传输速率，提高频谱利用率。
【附图说明】
[0041] 图1为传统TDCS系统发送端结构示意图。
[0042] 图2为传统TDCS系统接收端结构示意图。
[0043] 图3为本发明的基于MM)的TDCS系统发送端结构示意图。
[0044] 图4为本发明的基于Μ頂0的TDCS系统接收端结构示意图。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图介绍本发明的【具体实施方式】：
[0046] 传统TDCS的发送机、接收机框图分别如图1、图2所示。
[0047] 在改进方案中，设发送天线数为Nt，接收天线数为队，通常取Nt= N y子载波 数目为N，调制阶数为M_ary，则将log2M_ary比特映射成数据Si，设用户发送数据为S =[Si，S2，…SJ，通过串并转换得到Nt组数据，分别为
[0048] 发送端结构示意图如图3所示，数据处理如下：
[0049] 在发送端，首先将二进制比特流映射成十进制数据Si，并进行串并转换，得到队组 彼此独立的待传数据，同时感知周围的电磁环境得到一组频率能效序列，这组序列将被占 用频段设为〇,故能够主动避开干扰频段。按照上述内容介绍的方法产生所需的随机相位， 与频谱能效序列相乘，再经过缩放和IFFT即可得到所需的基础调制波形FMW ;然后再利用 CCSK方式将数据调制到FMW上。最后通过多个发射天线将各组生成的信号发射出去。
[0050] 1)频谱感知模块将整个信号带宽分成N个子载波，然后根据预设定门限确定所有 子载波的可用性，即如果该子载波