基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本設(shè)計方法，步驟1：確定SCMA碼本參數(shù)S(J,K,F,M,N)，J表示SCMA能夠承載的最大用戶數(shù)，F(xiàn)代表指示基于資源塊和用戶生成的SCMA映射矩陣，K表示資源塊個數(shù)，M表示調(diào)制階數(shù)，N表示每個碼字中非零元素的個數(shù)；步驟2：構(gòu)建一維基星座集S0，并基于該一維星座集S0計算得到一維復(fù)星座點集Sd；步驟3：通過一維復(fù)星座點集構(gòu)造N維復(fù)星座集，并選擇出最優(yōu)的組合序列作為基準碼字；步驟4：根據(jù)基準碼字將每個用戶的碼字進行重排，并將重排后的碼字分配到指示矩陣中，生成SCMA復(fù)碼本。本發(fā)明在設(shè)計多用戶碼本的過程中引入疊加編碼調(diào)制的思想來提高系統(tǒng)的性能，并能夠保持N維碼字的功率差異特性。
【專利說明】
基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體地，設(shè)及一種基于容量最大化的稀疏編碼多 址接入碼本設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，Ι0Τ)的快速發(fā)展，下一代無線通 信系統(tǒng)(5G)將會面臨急劇膨脹的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，移動通信系統(tǒng)的容量將面臨巨大的挑戰(zhàn)。為了 應(yīng)對5G中高頻譜效率、海量連接和低等待時延等系統(tǒng)性能上面臨的挑戰(zhàn)，非正交多址接入 技術(shù)(Non-〇;rthogonal Multiple Access,ΝΟΜΑ)已受到人們的認可并被選為5G中空口候選 技術(shù)之一。
[0003] 稀疏編碼多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA)作為一種典型的非正 交多址接入方式，已經(jīng)被證明是一種較為有效的多址接入方式。在SCMA編碼過程中，多維調(diào) 制和低密度擴頻被結(jié)合在一起來支持海量連接和免授權(quán)接入。
[0004] 如圖1和圖2所示分別為SCMA上行結(jié)構(gòu)和SCMA系統(tǒng)因子圖表示。在SCMA上行場景 中，每個用戶都被分配了從碼本集中挑選的專用碼字，比特流被直接映射到多維碼字來獲 得成形增益。所有用戶的碼字在共享的正交資源塊(如OFDM子載波)上實現(xiàn)多路復(fù)用。SCMA 碼字的稀疏性使得消息傳遞算法(Message化ssing Algorithm，MPA)可W被用在接收端來 消除用戶間干擾，而且碼字的稀疏性使得系統(tǒng)可過載。因此，碼本設(shè)計對于SCMA系統(tǒng)性能提 升起到了至關(guān)重要的作用。
[0005] SCMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可W表示為圖2所示的因子圖。每一個圓圈代表一個用戶節(jié)點，每個 方塊代表一個資源節(jié)點。圖2所示為六個用戶四個資源塊的SCM場景，系統(tǒng)過載率為150%。
[0006] 現(xiàn)行的SCM系統(tǒng)碼本設(shè)計方法是基于最小歐氏距離最大化的準則來設(shè)計碼本。但 是當用戶數(shù)增長時，該方法的復(fù)雜度將隨之急劇上升。并且現(xiàn)有方法無法通過精確的理論 計算得出碼本，而是采用暴力捜索得出的碼本，因此其最優(yōu)性也不能得到保證。
[0007] 在下一代無線通信系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)流量將會呈千倍增長，連接數(shù)將會達到百億級，等 待時延將會被限制在毫秒級。因此，SCMA被視為一種有效的非正交多址接入方式，在保持現(xiàn) 有資源數(shù)不變的情況下提高接入系統(tǒng)中的用戶數(shù)，提升系統(tǒng)容量。碼本設(shè)計作為SCMA系統(tǒng) 核屯、技術(shù)之一備受業(yè)界關(guān)注，現(xiàn)有方法因其計算復(fù)雜度太高，無法推廣到適用于大量用戶 的高維碼本設(shè)計中。其次，由于現(xiàn)有碼本未將系統(tǒng)容量作為設(shè)計準則，無法很好滿足5G系統(tǒng) 中高速增長的業(yè)務(wù)需求，因此高容量SCMA碼本設(shè)計是SCMA系統(tǒng)中亟需解決的問題。本發(fā)明 提出一種基于容量最大化的稀疏編碼多址接入系統(tǒng)碼本設(shè)計方法，并可擴展到高維碼本設(shè) 計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于容量最大化的稀疏編碼多 址接入碼本設(shè)計方法。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明提供的基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本設(shè)計方法，包括如下 步驟：
[0010] 步驟1:確定SCMA碼本參數(shù)S(J，K，F(xiàn)，M，N)，其中：J表示SCMA能夠承載的最大用戶 數(shù)，F(xiàn)代表指示基于資源塊和用戶生成的SCMA映射矩陣，K表示資源塊個數(shù)，Μ表示調(diào)制階數(shù)， Ν表示每個碼字中非零元素的個數(shù)；
[0011] 步驟2:構(gòu)建一維基星座集《，并基于該一維星座集為計算得到一維復(fù)星座點集
[0012] 步驟3:通過一維復(fù)星座點集構(gòu)造 Ν維復(fù)星座集，并選擇出最優(yōu)的組合序列作為基 準碼字；
[0013] 步驟4:根據(jù)基準碼字將每個用戶的碼字進行重排，并將重排后的碼字分配到指示 矩陣中，生成SCMA復(fù)碼本。
[0014] 優(yōu)選地，所述步驟1中，
[001引式中：df表示一個資源塊上復(fù)用的用戶數(shù)，λ表示系統(tǒng)過載因子； 表示組合運算。
[0019] 優(yōu)選地，所述步驟2包括：
[0020] 步驟2.1:假設(shè)在一個SCMA系統(tǒng)中，每個資源塊上疊加有df個用戶L'.v巧，、化(·η、 化化.....化巧,.，，每個用戶都被分配一個一維復(fù)星座點集&，其中：
[0025] 其中：Y〇 = s〇+No;
[0026] 式中：0d表示第d個一維復(fù)星座點集的旋轉(zhuǎn)角度/f表示基星座集中第^個符號， ? λ ri表示基星座集中第1個符號，ri表示基星座集中第i個符號，Υο表示只發(fā)So時資源塊上疊加 噪聲后的接收信號，I (Υο; So)表示發(fā)送端發(fā)送So接收端收到Υο時的互信息，No表示加性高斯 白噪聲，
[0027] 則在資源塊上接收到的信號Y的計算公式如下：
[002引
[0029] 則可達速率的計算公式如下：
[0030]
[003。 式中：P表示發(fā)射信號的功率，Z~0Λ/·(0，Λ/")服從正態(tài)分布…，'、,-1)表 示發(fā)送端發(fā)送S0，Si，. . .，&/_1接收端收到Y(jié)時的互信息
表示接收 端在So，Si，. . .，Sd-i已知的情況下發(fā)送端發(fā)送Sd接收端收到Y(jié)時的互信息，并求所有df種情 況的總互信息運算；
[0032] 步驟2.2:計算出各用戶星座集之間的最優(yōu)角度；
[0033] df個用戶組合后的星座集的計算公式如下：
[0034]
[0035] 則映射準則f如下：
[0036]
[0037] 式中：so表示一維基星座集，叫-1表示一個資源塊上復(fù)用的第df個用戶的碼字，X 表示笛卡爾積表示映射運算符；
[0038] 當f是雙射時，接收機就能夠?qū)M合后的星座集<5胃進行唯一解碼，則可達速率的 計算公式如下：
[0039]
[0040] 式中：/(7成,,,,)表示為""和￥之間的互信息，H(Ssum)表示Ssum的信息量，P(y，Ss?,i)表 示ssum,i和y的聯(lián)合概率，Md嗦示求和運算的所有可能結(jié)果，壯個用戶的Μ階調(diào)制因此有Mdf種 情況，P (y)表示接收信號y的概率；
[0041] 由于叫^;&，&，...，而,_1)的大小與&間的角度是獨立的，則設(shè)計如下的優(yōu)化問題：
[0044] 式中：譚表示優(yōu)化問題求解出來的第一個星座集的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度，巧^,表示優(yōu)化問 題求解出來的第壯個最優(yōu)角度，
[0045] 采用互信息的下界II來近似計算互信息，計算公式如下：
[004引式中：Ssum,康示Ssum中的第i項，Ss皿，康示Ssum中的第j項，I I · II表示求范數(shù)運算。 [0049]優(yōu)選地，所述步驟3包括:於隹師介復(fù)星座集^^；由一維復(fù)星座點集構(gòu)成，^*^是第占'個 用戶的碼字，其結(jié)構(gòu)與上文中所述相同，y:/是從用戶維度定義的碼字，&,維度定義的碼 字，兩者結(jié)構(gòu)和實質(zhì)相同；
[0化0] ^^，/ = 1，，..，</,是於隹復(fù)星座在每一個復(fù)平面上的投影，通過對6.進行重新組合，得 到的Μ階星座集去，其中組合的方式T=(M!)W-i>種。
[0051] 優(yōu)選地，所述步驟4包括：采用拉下準則來分配J個用戶的碼本，按照拉下矩形準 貝1J，矩陣F中的每一行和每一列的元素都不重復(fù)出現(xiàn)。
[0052] 根據(jù)本發(fā)明提供的基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本的通信方法，具體 地，使用了上述的基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本設(shè)計方法所設(shè)計的碼本。
[0053] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0054] 1、將疊加編碼的思想引入到SCMA碼本設(shè)計中：SCMA系統(tǒng)中，單個資源塊上多用戶 碼字的疊加可看成是一種疊加調(diào)制編碼。在多用戶通信系統(tǒng)中，疊加編碼調(diào)制可W獲得成 型增益，因此本發(fā)明在設(shè)計多用戶碼本的過程中引入疊加編碼調(diào)制的思想來提高系統(tǒng)的性 能。
[0055] 2、本發(fā)明W單個資源塊容量最大為目標，通過求解最優(yōu)化問題計算出基星座點 瑪;在求解N維星座時，仍W容量最大為目標，通過求解容量互信息的下界，得出星座投影間 最優(yōu)角度砰，€，…·，％，最后通過計算A =6^%5。得出腺隹星座集合A。
[0056] 3、本發(fā)明應(yīng)用拉下準則將星座分配給J個用戶：按照拉下矩形準則，矩陣F中的每 一行和每一列的元素都不能重復(fù)出現(xiàn)，W保持腺隹碼字的功率差異特性。
【附圖說明】
[0057] 通過閱讀參照W下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0化引圖1為SCMA上行結(jié)構(gòu)示意圖；
[0化9] 圖2為SCMA系統(tǒng)因子圖；
[0060]圖3為df個用戶在一個資源塊上的星座疊加示意圖；
[0061 ]圖4為N個一維投影平面組合成一個腺隹星座集示意圖。
【具體實施方式】
[0062] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。W下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進一步理解本發(fā)明，但不W任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可W做出若干變化和改進。運些都屬于本發(fā)明 的保護范圍。
[0063] 根據(jù)本發(fā)明提供的基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本設(shè)計方法，具體地，如 圖3所示，在一個規(guī)則的SCMA系統(tǒng)中，每個資源塊上疊加有df個用戶1?所、、 熱巧、…、化巧，每個用戶都被分配一個一維復(fù)星座<5/巧中d=0，...，df-i，如圖3所示。在 資源塊上接收到的信號Y可W表示為
，其中Z~W。:)服從正態(tài)分布。按 照鏈式法則，疊加符號的可達速率可表示為：
[0064] df個用戶組合后的星座集可表示為：
[0065] &""=柄 + A +…+ J 1 e《/'一}.映射準貝ijf可表示為；
[0066] A X X…X -1 ^ 其中X表示笛卡爾積。如果f是雙射，接收機就可W對組合 后的星座集&進行唯一解碼。如果星座集合(為為，是可唯一解碼的，可達速率的 表達式可轉(zhuǎn)化為：
[0067]
由于每個用戶的星座都是一維的，接收端接收的疊加信號的唯一解碼性可由用戶星座旋轉(zhuǎn) 得到。另一方面，互信息乃^;5。備...4,,--1)的大小與4間的角度是獨立的。因此，為了使互 信息的值最大化，本發(fā)明通過求解W下優(yōu)化問題計算出各用戶星座集之間的最優(yōu)角度，
[0070] 由于上述優(yōu)化問題中包含積分，無法得出閉式解。因此，本發(fā)明采用互信息的下界 II來近似計算互信息，
[0071] 上述優(yōu)化問題可轉(zhuǎn)換為：
[0074] 從中可W看出采用近似表達式的優(yōu)化問題相較于原問題求解復(fù)雜度更低，特別是 對于較大df的情況。
[0075] 一維星座集是由一系列Μ階脈沖振幅調(diào)制(PAM)點構(gòu)成的一維基星座集茍組成 的，一維基星座集<5?？蒞表示為
在本發(fā)明中，給出一種基 于給定星座容量的一維基星座集為的設(shè)計準則，數(shù)學(xué)上可表示為W下優(yōu)化問題：
[007引 其中，Y0 = s0+No.
[0079] 當M = 4時，瑪={-&，-巧:,乃,?}.，Ssum = S〇+Si+S2，其中Γ2 = μ：Γ?，μ表示ri和Γ2之間的半 徑比。
[0080] 更進一步地，如圖4所示，N維Μ階復(fù)星座集馬是由一維復(fù)星座點集構(gòu)成的。 馬，/ = 1，...，式·是腺隹復(fù)星座在每一個復(fù)平面上的投影。通過對5,進行重新組合，可W得到性能 優(yōu)良的Μ階星座集，如圖4所示。當只有少數(shù)或者單用戶通信時，N個不同的一維星座集的重 新組合對于系統(tǒng)性能有極其重要的影響?？偟慕M合方式有Τ=(Μ!)(μ-ι>種，因此，捜索復(fù)雜度 隨著Ν呈指數(shù)增長。
[0081 ]得到Ν維復(fù)星座集后，下一步要將已有的Ν維復(fù)星座分配給不同的用戶。本發(fā)明中 將采用拉下準則來分配J個用戶的碼本，按照拉下矩形準則，矩陣F中的每一行和每一列的 元素都不能重復(fù)出現(xiàn)，W保持腺隹碼字的功率差異特性。
[0082] 當1 = 4時，不同SNR和μ下最優(yōu)角度如表1所示：
[0083] 表1不同SNR和μ下最優(yōu)角度
[0092] W6個資源塊、15個用戶為例，生成如下的碼本：

[0108] W上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述 特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可W在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，運并不影 響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特征可W任意相 互組合。
【主權(quán)項】
1. 一種基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步 驟： 步驟1:確定SCMA碼本參數(shù)5(幾1(^，少），其中：1表示50獻能夠承載的最大用戶數(shù)^代 表指示基于資源塊和用戶生成的SCMA映射矩陣，K表示資源塊個數(shù)，Μ表示調(diào)制階數(shù)，N表示 每個碼字中非零元素的個數(shù)； 步驟2:構(gòu)建一維基星座集盡，并基于該一維星座集4計算得到一維復(fù)星座點集& ; 步驟3:通過一維復(fù)星座點集構(gòu)造 N維復(fù)星座集，并選擇出最優(yōu)的組合序列作為基準碼 字； 步驟4:根據(jù)基準碼字將每個用戶的碼字進行重排，并將重排后的碼字分配到指示矩陣 中，生成SCMA復(fù)碼本。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本設(shè)計方法，其特征 在于，所述步驟1中，式中：df表示一個資源塊上復(fù)用的用戶數(shù)，λ表示系統(tǒng)過載因子 組合運算。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本設(shè)計方法，其特征 在于，所述步驟2包括： 步驟2 . 1 :假設(shè)在一個S C Μ Α系統(tǒng)中，每個資源塊上疊加有d f個用戶心￡";,、Ok/;、 ?Λ'%、…、，每個用戶都被分配一個一維復(fù)星座點集為，其中：其中:Yq = Sq+No; 式中：9d表示第d個一維復(fù)星座點集的旋轉(zhuǎn)角度，表示基星座集中第_個符號，^表 示基星座集中第1個符號，Γι表示基星座集中第i個符號，Yo表示只發(fā)So時資源塊上疊加噪聲 后的接收信號，I(YQ;So)表示發(fā)送端發(fā)送So接收端收到Y(jié)o時的互信息，No表示加性高斯白噪 聲， 則在資源塊上接收到的信號Y的計算公式如下：則可達速率的計算公式如下：式中：P表示發(fā)射信號的功率，·ζ~ΟΑ/?Ο, 乂服從正態(tài)分布夕…^…心-^表示發(fā)送 端發(fā)送-1接收端收到Υ時的互信息表示接收端在So, Si ... jd-i已知的情況下發(fā)送端發(fā)送Sd接收端收到Y(jié)時的互信息，并求所有df種情況的總互 信息運算； 步驟2.2:計算出各用戶星座集之間的最優(yōu)角度； df個用戶組合后的星座集的計算公式如下： Sm? =忙。+ 4 + …+ ~，-1 I e ?S0，…，e i}; 則映射準則f如下： 50. x...x 5rf)-^· Ssum , 式中：so表示一維基星座集，心,-^表示一個資源塊上復(fù)用的第df個用戶的碼字，X表示笛 卡爾積，-表示映射運算符； 當f是雙射時，接收機就能夠?qū)M合后的星座集進行唯一解碼，則可達速率的計算 公式如下：式中：/(F;在_)表示和γ之間的互信息，H(Ssum)表示Ssum的信息量，p(y，si)表示 s_,_y的聯(lián)合概率，Mdf表示求和運算的所有可能結(jié)果，df個用戶的Μ階調(diào)制因此有Mdf種情 況，P(y)表示接收信號y的概率； 由于的大小與慫間的角度是獨立的，則設(shè)計如下的優(yōu)化問題：式中：矸表示優(yōu)化問題求解出來的第一個星座集的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度，表示優(yōu)化問題求 解出來的第df個最優(yōu)角度， 采用互信息的下界II來近似計算互信息，計算公式如下：式中：SSUm,i表示Ssiim中的第i項，SSUm,j表示Ssum中的第j項，I I · I I表示求范數(shù)運算。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本設(shè)計方法，其特征 在于，所述步驟3包括:N維Μ階復(fù)星座集％,由一維復(fù)星座點集構(gòu)成，％是第j個用戶的碼字， 其結(jié)構(gòu)與上文中所述毛,相同，力是從用戶維度定義的碼字，見,維度定義的碼字，兩者結(jié)構(gòu) 和實質(zhì)相同；4. / = 1,...,4是N維復(fù)星座在每一個復(fù)平面上的投影，通過對6進行重新組合，得到的Μ 階星座集去，其中組合的方式T=(M!)(m種。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本設(shè)計方法，其特征 在于，所述步驟4包括:采用拉丁準則來分配J個用戶的碼本，按照拉丁矩形準則，矩陣F中的 每一行和每一列的元素都不重復(fù)出現(xiàn)。6. -種基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本的通信方法，其特征在于，使用了權(quán) 利要求1至5所述的基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本設(shè)計方法所設(shè)計的碼本。
【文檔編號】H04L27/34GK106059970SQ201610496181
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月29日
【發(fā)明人】肖可鑫, 張書天, 肖柏岑, 陳智勇, 夏斌
【申請人】上海交通大學(xué)