基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本設計方法
【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計算得到一維復星座點集Sd；步驟3：通過一維復星座點集構造N維復星座集，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復碼本。本發(fā)明在設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計方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明設及無線通信技術領域，具體地，設及一種基于容量最大化的稀疏編碼多 址接入碼本設計方法。
【背景技術】
[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，移動通信系統(tǒng)的容量將面臨巨大的挑戰(zhàn)。為了 應對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(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合在一起來支持海量連接和免授權接入。
[0004] 如圖1和圖2所示分別為SCMA上行結構和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，碼本設計對于SCMA系統(tǒng)性能提 升起到了至關重要的作用。
[0005] SCMA系統(tǒng)結構可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)碼本設計方法是基于最小歐氏距離最大化的準則來設計碼本。但 是當用戶數(shù)增長時，該方法的復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。碼本設計作為SCMA系統(tǒng) 核屯、技術之一備受業(yè)界關注，現(xiàn)有方法因其計算復雜度太高，無法推廣到適用于大量用戶 的高維碼本設計中。其次，由于現(xiàn)有碼本未將系統(tǒng)容量作為設計準則，無法很好滿足5G系統(tǒng) 中高速增長的業(yè)務需求，因此高容量SCMA碼本設計是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)碼本設計方法，并可擴展到高維碼本設 計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引針對現(xiàn)有技術中的缺陷，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:構建一維基星座集《，并基于該一維星座集為計算得到一維復星座點集
[0012] 步驟3:通過一維復星座點集構造 Ν維復星座集，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:於隹師介復星座集^^；由一維復星座點集構成，^*^是第占'個 用戶的碼字，其結構與上文中所述相同，y:/是從用戶維度定義的碼字，&,維度定義的碼 字，兩者結構和實質(zhì)相同；
[0化0] ^^，/ = 1，，..，</,是於隹復星座在每一個復平面上的投影，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計方法所設計的碼本。
[0053] 與現(xiàn)有技術相比，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上行結構示意圖；
[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域的技術 人員進一步理解本發(fā)明，但不W任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術 人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，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計準則，數(shù)學上可表示為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階復星座集馬是由一維復星座點集構成的。 馬，/ = 1，...，式·是腺隹復星座在每一個復平面上的投影。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，捜索復雜度 隨著Ν呈指數(shù)增長。
[0081 ]得到Ν維復星座集后，下一步要將已有的Ν維復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，本領域技術人員可W在權利要求的范圍內(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。
【主權項】
1. 一種基于容量最大化的稀疏編碼多址接入碼本設計方法，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計算得到一維復星座點集& ; 步驟3:通過一維復星座點集構造 N維復星座集，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復碼本。2. 根據(jù)權利要求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計方法，其特征 在于，所述步驟2包括： 步驟2 . 1 :假設在一個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星座點集為，其中：其中:Yq = Sq+No; 式中：9d表示第d個一維復星座點集的旋轉(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Yo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計方法，其特征 在于，所述步驟3包括:N維Μ階復星座集％,由一維復星座點集構成，％是第j個用戶的碼字， 其結構與上文中所述毛,相同，力是從用戶維度定義的碼字，見,維度定義的碼字，兩者結構 和實質(zhì)相同；4. / = 1,...,4是N維復星座在每一個復平面上的投影，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 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計方法所設計的碼本。
【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