Способ неортогонального множественного доступа на основе парциального кодирования

Изобретение относится к области многоканальной связи. Техническим результатом является эффективное использование спектра частот и снижение вычислительных затрат при реализации алгоритма последовательного подавления взаимного влияния по сравнению со способом Power Division - Non-Orthogonal Multiple Access. Предложен способ неортогонального множественного доступа на основе парциального кодирования, при котором сигнал для каждого из N параллельных каналов подвергается обратному быстрому преобразованию Фурье, цифроаналоговому преобразованию с объединением сигналов, модуляции несущей, а на приеме: сигнал подвергается демодуляции несущей, аналого-цифровому преобразованию с разделением сигналов на N параллельных каналов, быстрому преобразованию Фурье, где на передаче: сигнал для каждого из N параллельных каналов подвергается процедуре предкодирования по модулю два: mod 2, зависящей от номера канала и определенной как: b(k)=a(k) ⊕ b(k-i_n), где: a(k) - двоичный сигнал на входе предкодера, b(k) - двоичный сигнал на выходе предкодера, i_n=1, 2, 4, …, а n=1, 2…Ν; сигнал для каждого из N параллельных каналов подвергается процедуре парциального кодирования, то есть цифровой фильтрации, фильтром с конечной импульсной характеристикой, зависящей от номера канала и определенной как: c(k)=b(k)-b(k-i_n), где: с(k) - символ на выходе кодера, i_n=1, 2, 4, …, а на приеме: сигналы из N параллельных каналов, кроме 1-го канала, подвергаются процедуре последовательного подавления взаимного влияния с учетом весовых коэффициентов, определенных как b_n(m_n)=sin²(i_n*π/m_n), где m_n=2*i_n; сигнал каждого из N параллельных каналов подвергается процедуре декодирования, причем «1» и «-1» декодируются как «1», а «0» декодируется как «0». 5 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к следующим областям техники электрической связи в международной классификации: сети беспроводной связи (управление мощностью - H04W 52/00), многоканальные системы связи (кодовые многоканальные системы - H04J 11/00).

Предпосылки к созданию изобретения

В настоящее время имеется много разнообразных способов множественного доступа. Все эти способы можно подразделить на способы мультиплексирования с ортогональным (Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)) [1, 2] и неортогональным (Non-Orthogonal Frequency Division Multiplexing (N-OFDM)) [3] разделением сигналов по частоте и способы мультиплексирования с неортогональным множественным доступом, основанные на кодовом разделении сигналов (Code Division -Non-Orthogonal Multiple Access (CD-NOMA)) [3] и разделению сигналов по мощности (Power Division - Non-Orthogonal Multiple Access (PD-NOMA)) [3, 4].

Предлагаемый способ направлен на реализацию более эффективного использования спектра частот по сравнению со способами [1] и [2], а также уменьшению вычислительных затрат при реализации алгоритма последовательного подавления взаимного влияния по сравнению со способом [4].

В описании и/или рисунках могут использоваться следующие сокращения: и англоязычные термины

Аналогичные решения

Из предшествующего уровня развития техники электросвязи известен ряд методов для множественного доступа в системах беспроводной и проводной связи с разделением сигналов [1÷4], а также «Назначение ресурсов обратной линии связи и управление мощностью обратной линии связи для системы беспроводной связи», патент РФ №2421946, Н04W 52/04, опубликован 20.06.2011 [5]; «Адаптация передаваемой мощности на основании максимальной интенсивности принятого сигнала», патент РФ №2440698, Н04W 52/24, опубликован 20.01.2012 [6]; «Устройство радиосвязи и способ разделения сигналов», патент РФ №2516457, Н04J 11/00, опубликован 20.05.2014 [7].

Прототип изобретения

Наиболее близкими к предлагаемому способу неортогонального множественного доступа на основе парциального кодирования, если рассматривать этот способ с точки зрения алгоритма последовательного подавления взаимного влияния сигналов, является метод неортогонального множественного доступа и его особенности, рассмотренные в работе: Md Shipon Аli, Hina Tabassum and Ekram Hossain «Dynamic User Clustering and Power Allocation for Uplink and Downlink Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) Systems» [4].

Следует отметить, что в работе [4] рассматривается неортогональный множественный доступ при разделении сигналов по мощности PD-NOMA.

Доступ на основе метода PD-NOMA основан на применении суперпозиционного кодирования (Superposition coding - SC) в передатчике базовой станции (БС), и применении алгоритма последовательного подавления помех (Successive Interference Cancellation - SIC) в приемнике.

Необходимо подчеркнуть, что основным недостатком метода PD-NOMA является то, что при его использовании требуется решать довольно сложные вопросы оптимальной кластеризации пользователей мобильной связи в пределах многолучевой диаграммы направленности систем мобильной связи пространственного кодирования сигнала, которая получила наименование (Multiple Input Multiple Output - (ΜΙΜΟ)), a также найти решение по оптимальному распределению мощности для восходящей и нисходящей линии связи, что приводит даже для небольшого числа пользователей к сложным вычислениям, связанным с комбинаторным характером возможных сценариев, хотя и обеспечивает более эффективное использование спектра частот.

Существо изобретения

Способ неортогонального множественного доступа на основе парциального кодирования, обеспечивающий более эффективного использования спектра частот, а также снижения вычислительных затрат при реализации алгоритма последовательного подавления взаимного влияния сигналов, представлен на структурной схеме Рис. 1.

Суть способа неортогонального множественного доступа на основе парциального кодирования, заключается в следующем:

1. На передаче сигнал Х_n для каждого из N параллельных каналов подвергается процедуре предкодирования по модулю два: mod 2 в кодере (К) - 1, зависящей от номера канала и определенной как: b(k)=a(k) ⊕ b(k-i_n), где: a(k) - двоичный сигнал на входе предкодера, b(k) - двоичный сигнал на выходе предкодера, i_n=1, 2, 4, ……, a n=1, 2…Ν.

2. Сигнал Х_n для каждого из N параллельных каналов подвергается процедуре парциального кодирования в кодере (К) - 1, то есть цифровой фильтрации, фильтром с конечной импульсной характеристикой (ФКИХ), зависящей от номера канала и определенной как: c(k)=b(k) - b(k- i_n), где: с(k) сигнал на выходе кодера, i_n=1, 2, 4, ……. В результате спектральная плотность мощности сигнала (СПМ) в каждом из каналов, в зависимости от характеристики ФКИХ, будет иметь вид, как это показано для каналов с 1-го по 3-ий на Рис. 2÷4, при этом СПМ сигнала будет характеризоваться максимальными и нулевыми значениями внутри диапазона спектра частот.

Необходимо отметить, что СПМ сигнала, подвергнутого парциальному кодированию, для парциальных кодов, используемых в способе неортогонального множественного доступа на основе парциального кодирования, после скремблирования, применяемого для обеспечения равной вероятности нулей и единиц в исходном сигнале, можно представить, как:

G(ω)=|S(jω)|²/T*sin² (i_nωΤ/2),

где: G(ω) - спектральная плотность мощности сигнала, подвергнутого парциальному кодированию;

|S(jω)| - модуль комплексного спектра одиночного импульса;

ω - круговая частота;

Τ - период сигнала;

i_n=1, 2, 4,…….

Следует отметить, что суммарная СПМ сигнала, например, для трех каналов, как это показано на Рис. 5 будет характеризоваться отсутствием наложения СПМ сигнала от других каналов на СПМ сигнала для 1-го канала.

Поэтому, используя это свойство, а также подвергнув на приеме соответствующей обработке частотный спектр сигнала в других N каналах согласно алгоритму пункта 5, используя процедуру последовательного подавления взаимного влияния, можно затем восстановить исходный частотный спектр сигнала и в других N каналах.

3. Сигнал для каждого из N параллельных каналов подвергается обратному быстрому преобразованию Фурье (ОБПФ) - 2, цифро-аналоговому преобразованию (ЦАП) - 3 с объединением сигналов от N параллельных каналов, модуляции несущей частотой (М) - 4 и передается в линию связи.

4. На приеме сигнал подвергается демодуляции несущей (ДМ) - 5, аналого-цифровому преобразованию (АЦП) - 6 с разделением сигналов на N параллельных каналов.

5. Сигнал Y_n, в каждом из N параллельных каналов, кроме 1-го, подвергается процедуре последовательного подавления взаимного влияния (ППВВ) - 7, по алгоритму, определенному как:

Χ₁=Υ₁

где весовые коэффициенты b_n(m_n),

которые определяются как b_n(m_n)=sin²(i_n*π/m_n), где m_n=2*i_n,

6. Сигнал для каждого из N параллельных каналов подвергается быстрому преобразованию Фурье (БПФ) - 8.

7. Сигнал для каждого из N параллельных каналов подвергается процедуре декодирования (ДК) - 9, то есть восстановлению исходного сигнала для каждого из N параллельных каналов, причем «1» и «-1» декодируются, как «1», а «0» декодируется, как «0».

Таким образом, достигается заявленный технический результат с более эффективным использованием спектра частот, а также снижением вычислительных затрат по сравнению со способом PD-NOMA.

Литература

1. Гиш Т.А., Белов С.П., Калмыков И.А., Юрданов Д.В., Ефимович А.В., Калмыков М.И, Интеграция свойств модулярных кодов и дискретных вейвлет-преобразований при выполнении ортогонального частотного мультиплексирования - http//www.top-technologies.ru>pdf/2018/4/36953.pdf.

2. K. Li and I. Darwazeh, System performance comparison of Fast-OFDM system and overlapping Multi-carrier DS-CDMA scheme - http//www.ee.ucl.ac.uk>lcs/previous/LCS2006/54.pdf.

3. E.B. Кокорева, Неортогональный множественный доступ в системах мобильной связи 5G - http//www.nirit.org>wp-content/uploads/2018/09/37-42.pdf.

4. Md Shipon Аli, Hina Tabassum and Ekram Hossain, Dynamic User Clustering and Power Allocation for Uplink and Downlink Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) Systems -http//www.arxiv.org>pdf/1608.01081.pdf.

5. Назначение ресурсов обратной линии связи и управление мощностью обратной линии связи для системы беспроводной связи, патент РФ №2421946, Н04W 52/04, опубликован 20.06.2011 в бюллетене ФИПС.

6. Адаптация передаваемой мощности на основании максимальной интенсивности принятого сигнала, патент РФ №2440698, Н04W 52/24, опубликован 20.01.2012. в бюллетене ФИПС.

7. Устройство радиосвязи и способ разделения сигналов, патент РФ №2516457, Н04J 11/00, опубликован 20.05.2014 в бюллетене ФИПС.

Способ неортогонального множественного доступа на основе парциального кодирования, предусматривающий выполнение следующих операций на передаче: сигнал для каждого из N параллельных каналов подвергается обратному быстрому преобразованию Фурье (ОБПФ), цифроаналоговому преобразованию с объединением сигналов, модуляции несущей, а на приеме: сигнал подвергается демодуляции несущей, аналого-цифровому преобразованию с разделением сигналов на N параллельных каналов, быстрому преобразованию Фурье (БПФ), отличающийся тем, что, кроме того, с целью более эффективного использования спектра частот, а также снижения вычислительных затрат при реализации алгоритма последовательного подавления помех, над сигналом осуществляется следующая последовательность операций на передаче: сигнал для каждого из N параллельных каналов подвергается процедуре предкодирования по модулю: mod 2, зависящей от номера канала и определенной как: b(k)=a(k) ⊕ b(k-i_n), где: a(k) - двоичный сигнал на входе предкодера, b(k) - двоичный сигнал на выходе предкодера, i_n=1, 2, 4,…, а n=1, 2…Ν; сигнал для каждого из N параллельных каналов подвергается процедуре парциального кодирования, то есть цифровой фильтрации, фильтром с конечной импульсной характеристикой (ФКИХ), зависящей от номера канала и определенной как: c(k)=b(k)-b(k-i_n), где: с(k) - сигнал на выходе кодера, i_n=1, 2, 4,…, а на приеме: сигналы из N параллельных каналов, кроме 1-го канала, подвергаются процедуре последовательного подавления взаимного влияния с учетом весовых коэффициентов, определенных как b_n(m_n)=sin²(i_n*π/m_n), где m_n=2*i_n; сигнал каждого из N параллельных каналов подвергается процедуре декодирования, причем «1» и «-1» декодируются как «1», а «0» декодируется как «0».