一種基于stbc的mimo-scma系統(tǒng)下行鏈路設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及下行鏈路設(shè)計方法，特別設(shè)及一種基于STBC的MIMO-SCMA系統(tǒng)下行鏈 路設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 稀疏碼多址接入(SCMA)是一種新型的非正交多址接入方式，是華為針對高頻譜利 用效率而提出的一種高速傳輸技術(shù)，該空口技術(shù)已被列為5G移動通信候選標(biāo)準(zhǔn)，相比于傳 統(tǒng)的多址接入技術(shù)，它具有容量高時延小傳輸速率快等優(yōu)點，抗多徑能力強(qiáng)，同時也克服了 CDMA遠(yuǎn)近效應(yīng)的不足。SCMA與OFDM相比，頻譜效率有了很大的提升，但由于星座點更為密 集，從而造成了一定程度上的誤碼率的下降。而且SCMA系統(tǒng)難W利用空域資源，從而限制了 系統(tǒng)性能的提升。
[0003] MIMO技術(shù)能充分利用空間資源，通過多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加頻譜資源 和天線發(fā)射功率的情況下，可W成倍地提高系統(tǒng)信道容量和性能，顯示出了明顯的優(yōu)勢、同 時也是4G移動通信的核屯、技術(shù)之一。但MIMO-OFDM系統(tǒng)雖然相比于前幾代移動通信系統(tǒng)已 經(jīng)能夠較好地提升頻譜利用率，但依舊難W滿足5G對于傳輸速率的要求，而能夠突破OFDM 頻譜利用率瓶頸的非正交多址接入技術(shù)作為5G的候選技術(shù)正逐漸升溫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決SCMA技術(shù)造成誤碼率的下降W及MIMO-OFDM技術(shù)難W滿 足5G對于傳輸速率的要求的問題，而提出的一種基于STBC的MIMO-SCMA系統(tǒng)下行鏈路設(shè)計 方法。
[0005] 上述的發(fā)明目的是通過W下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0006] 步驟一、利用基站接收上行鏈路發(fā)送的信息;，，并根據(jù)編碼矩陣G對上行鏈路 片 發(fā)送的信息進(jìn)行STBC編碼;得到編碼后的上行鏈路接收的信息Tw和T'w;利用基站的兩個天 線發(fā)射Tw和T'w;其中，J為用戶個數(shù)；j為用戶序號；下角標(biāo)W為用戶發(fā)送信息的長度；乂朵為 第j個用戶的上行鏈路發(fā)送的長度為W的信息；
[0007] 步驟二、在信道中將Tw和T'W經(jīng)過衰落和相互疊加后轉(zhuǎn)化為Sw和S'W，利用用戶終端 接收信號Sw和S'W;
[000引步驟S、將每個用戶終端接收信號Sw和S'w進(jìn)行STBC解碼后得到解碼信號為Yw = [XwlXw2…XwK]T;其中，XwK為上行鏈路發(fā)送的長度為W占用的子載波為K的信息；
[0009] 步驟四、根據(jù)J個用戶，占用K個子載波，過載系數(shù)為J/KW及配置矩陣F確定因子 圖；
[0010] 步驟五、確定因子圖之后，發(fā)現(xiàn)因子圖中有環(huán)，根據(jù)有環(huán)的因子圖利用迭代算法一 消息傳遞算法對Yw進(jìn)行多用戶檢測，得到每個用戶發(fā)送信息的概率值；
[0011] 步驟六、根據(jù)步驟五中得到的每個用戶發(fā)送信息的概率值依次進(jìn)行判決、解調(diào)、解 交織和信道解碼后獲得信息比特。
[0012]發(fā)明效果
[OOU]本發(fā)明克服了 SCMA中多用戶的非正交性W及軟解碼方式所帶來的限制，將MIMO技 術(shù)和SCMA技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計了基于STBC編碼技術(shù)的全新MIMO-SCMA物理層下行系統(tǒng)架構(gòu)。
[0014] 本發(fā)明提出的基于STBC編碼（空時分組編碼）的MIMO-SCMA (多天線稀疏碼多址接 入）系統(tǒng)下行鏈路設(shè)計完全具有SCMA系統(tǒng)高頻譜利用率的特性，在過載系數(shù)為1.5的情況 下，相比于OFDM系統(tǒng)頻譜利用率提升了 1.5倍，此外全新的MIMO-SCMA系統(tǒng)相對于原有的 SCM系統(tǒng)的誤碼率性能有了很大的提升。誤碼率性能仿真曲線如圖3;
[0015] 仿真中MIMO天線數(shù)為2 X 2,編碼方式采用Alamouti STBC，從仿真圖也可W看出， 引入STBC編碼后，在不犧牲頻譜利用率的情況下，很大程度上改善了原SCMA系統(tǒng)的誤碼率 性能，也使得SCMA因提升頻譜利用率而帶來的負(fù)面影響得W緩解，能夠充分利用空域資源 的MIMO-SCMA系統(tǒng)相對于其他5G技術(shù)而言也更加具有競爭力。
【附圖說明】
[0016] 圖1為【具體實施方式】一提出的多天線稀疏碼多址接入系統(tǒng)下行鏈路架構(gòu)圖；
[0017] 圖2為【具體實施方式】一提出的稀疏碼多址接入系統(tǒng)因子圖；
[0018] 圖3為【具體實施方式】一提出的單天線與多天線稀疏碼多址接入系統(tǒng)下行鏈路誤碼 率性能對比圖；其中，縱坐標(biāo)肥R為誤碼率，橫坐標(biāo)化/No為信噪比，Tx是發(fā)射天線數(shù)，fcc為接 收天線數(shù)。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0019] 一:本實施方式的一種基于STBC的MIMO-SCMA系統(tǒng)下行鏈路設(shè)計方 法，具體是按照W下步驟制備的：
[0020] 步驟一、MIMO-SCMA(多天線稀疏碼多址接入)發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，利用基站 接收上行鏈路發(fā)送的信息不，并根據(jù)編碼矩陣G對上行鏈路發(fā)送的信息進(jìn)行STBC編碼 J=I (空時分組編碼）即Alamouti空時分組編碼;得到編碼后的上行鏈路接收的信息Tw和T'w;利 用基站的兩個天線發(fā)射Tw和T'w;其中，J為用戶個數(shù);j為用戶序號;下角標(biāo)W為用戶發(fā)送信息 的長度；#為第j個用戶的上行鏈路發(fā)送的長度為W的信息；
[0021] 步驟二、在信道中將Tw和T'w經(jīng)過衰落和相互疊加后轉(zhuǎn)化為細(xì)和S'w，利用用戶終端 接收信號Sw和S'W;
[0022] 步驟S、將每個用戶終端接收信號Sw和S'w進(jìn)行STBC解碼后得到解碼信號為Yw = [XwlXw2…XwK]T;同時獲得分集增益;其中，XwK為上行鏈路發(fā)送的長度為W占用的子載波為K的 信息；
[0023] 步驟四、將因子圖應(yīng)用到多用戶檢測中，根據(jù)J個用戶，占用K個子載波，過載系數(shù) 為J/KW及配置矩陣F，因子圖中每一個圓圈代表一個用戶(變量節(jié)點），每一個方塊代表一 個子載波(函數(shù)節(jié)點），該系統(tǒng)的因子圖表示如圖2確定因子圖；
[0024] 步驟五、確定因子圖之后，發(fā)現(xiàn)因子圖中有環(huán)，根據(jù)有環(huán)的因子圖利用迭代算法一 消息傳遞算法(MPA)對Yw進(jìn)行多用戶檢測，得到每個用戶發(fā)送信息的概率值；
[0025]步驟六、根據(jù)步驟五中得到的每個用戶發(fā)送信息的概率值依次進(jìn)行判決、解調(diào)、解 交織和信道解碼后獲得信息比特。
[00%] 本實施方式效果：
[0027] 本實施方式克服了SCMA中多用戶的非正交性W及軟解碼方式所帶來的限制，將 MIMO技術(shù)和SCMA技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計了基于STBC編碼技術(shù)的全新MIMO-SCMA物理層下行系 統(tǒng)架構(gòu)。
[0028] 本實施方式提出的基于STBC編碼的MIMO-SCMA系統(tǒng)下行鏈路設(shè)計完全具有SCMA系 統(tǒng)高頻譜利用率的特性，在過載系數(shù)為1.5的情況下，相比于OFDM系統(tǒng)頻譜利用率提升了 1.5倍，此外全新的MIMO-SCMA系統(tǒng)相對于原有的SCMA系統(tǒng)的誤碼率性能有了很大的提升。 誤碼率性能仿真曲線如圖3;
[00巧]仿真中MIMO天線數(shù)為2 X 2,編碼方式采用Alamouti STBC，從仿真圖也可W看出， 引入STBC編碼后，在不犧牲頻譜利用率的情況下，很大程度上改善了原SCMA系統(tǒng)的誤碼率 性能，也使得SCMA因提升頻譜利用率而帶來的負(fù)面影響得W緩解，能夠充分利用空域資源 的MIMO-SCMA系統(tǒng)相對于其他5G技術(shù)而言也更加具有競爭力。
[0030]
【具體實施方式】二：本實施方式與【具體實施方式】一不同的是：步驟一中 廣 -jj 掏H誠沾…堿」，
[0031] 其中，為第j個用戶的上行鏈路發(fā)送的長度為W占用的子載波為K的信息；下角 標(biāo)K為用戶發(fā)送的信息占用的子載波。其它步驟及參數(shù)與【具體實施方式】一相同。
【具體實施方式】 [0032] 本實施方式與一或二不同的是：步驟二中在信道 中將Tw和T'W經(jīng)過衰落和相互疊加后轉(zhuǎn)化為Sw和S ' W具體為：
[0033] 在信道中經(jīng)過衰落和相互疊加后被用戶終端接收;接收信號表示為：
(I)
[0035] 其中，H為下行鏈路信道矩陣，n是隨機(jī)噪聲，遵從復(fù)數(shù)域上的高斯分布。其它步驟 及參數(shù)與【具體實施方式】一或二相同。
【具體實施方式】 [0036] 四：本實施方式與一至=之一不同的是：步驟五中根 據(jù)有環(huán)的因子圖利用迭代算法一消息傳遞算法(MPA)對村進(jìn)行多用戶檢測，得到每個用戶 發(fā)送信息的概率值具體過程：
[0037] 對解碼信號的最優(yōu)檢測可W通過基于最大后驗概率(MAP)的檢測算法得到，具體 表不為：
[003引 乂二 argm弓K" ) (2) A占
[0039]事實上，上式的概率值并不容易計算，它需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為邊緣概率分布值，表示 如下：
餅
[OOW 為了檢測勒，總共要計算項概率值，瓜{是基礎(chǔ)調(diào)制的星座點集，|乂1|為星座 點個數(shù)，然后相應(yīng)的概率值進(jìn)行相加，運(yùn)種計算量非常大，尤其在下行鏈路中，當(dāng)用戶數(shù)量 很多時，對于接收機(jī)來講往往是難W實現(xiàn)的。
[0042] 確定因子圖之后，發(fā)現(xiàn)因子圖中有環(huán)，因此我們不能使用傳統(tǒng)的和積算法，因為環(huán) 中的每一條邊都不能先被計算，因此利用近似的迭代算法一消息傳遞算法(MPA)計算有環(huán) 的因子圖；通過信息在變量節(jié)點和函數(shù)節(jié)點之間相互迭代，就可W近似得到邊緣概率分布 斬=arg巧嚴(yán)完叫為，斬…為片,)； '告口'挪均
[0043] 其中，利用近似的迭代算法一消息傳遞算法(MPA)計算有環(huán)的因子圖的具體計算 過程為：
[0044] 假定每個子載波上的用戶數(shù)為df，也就是多址干擾的數(shù)量，MPA算法的復(fù)雜度為 的量級。由于系統(tǒng)的稀疏編碼特性，即df<<J，從而保證了檢測的低復(fù)雜度。
[0045] 下面就應(yīng)用MPA算法來簡化SCMA的多用戶檢測來進(jìn)行說明，運(yùn)里假設(shè)發(fā)射沒有先 驗信息，也就是所有符號出現(xiàn)的概率均等。
[0046] (1)、對有環(huán)的因子圖中的變量節(jié)點Xi傳遞到因子圖中的函數(shù)節(jié)點的信息即變量 節(jié)點的輸出一./；進(jìn)行初始化，即取從,一乃.U.=義",)=1 / ，|人^|為變量節(jié)點Xi取 星座點的總個數(shù)，e 為星座點集合；
[0047] (2)、更新函數(shù)節(jié)點，每一個函數(shù)節(jié)點都收到了df個變量節(jié)點發(fā)來的信息，那么也 相應(yīng)計算df個函數(shù)節(jié)點的輸出(4二Jfw )，如下式所示：
(4)
[0049]其中，L為迭代次數(shù)，t為與函數(shù)節(jié)點。相連的變量節(jié)點的序號；為與函數(shù)節(jié)點 。相連的第df個變量節(jié)點；Xt是與函數(shù)節(jié)點f油連的變量節(jié)點，* = 1，2,3，...，(1。~^1}為 不等于Xi;
[0化0] ( 3 )、利用函數(shù)節(jié)點的輸出(疋二義J更新變量節(jié)點的輸出 (不=義",)，如下式所示：
間
[0052]其中，r為與變量節(jié)點Xi相連的函數(shù)節(jié)點的序號；
[0化3] (4)、將變量節(jié)點的輸出(X,=義",)進(jìn)行歸一化，即：
[0化5] ( 5 )、若歸一化后的和都未趨近于收斂，則將歸一化后的 U.=義《)帶入到步驟(2)中，若歸一化后的/(61/