CN114338330A - 基于可见光通信下的scma码本设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于可见光通信下的SCMA码本设计方法及装置，该方法包括：根据实际应用场景的需求获取过载率目标值，以获取码本参数；根据所述码本参数确定母星座维度，以选择与QAM调制信号相同结构的母星座；根据所述码本参数获取每个码字分配的功率，以根据每个码字分配的功率设定所述因子矩阵的非零元素；根据所述母星座和设定非零元素后的因子矩阵计算得到用户初始码本，并采用改进的SIC算法对所述用户初始码本进行检测，以根据检测结果对所述用户初始码本进行优化，得到用户最终码本。根据本发明提出的基于可见光通信下的SCMA码本设计方法，能够得到一种复杂度低且保证误码率性能好的码本，满足大规模接入的通信场景需求。

Description

基于可见光通信下的SCMA码本设计方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于可见光通信下的SCMA码本设计方法及装置。

背景技术

车联网、智能家居和移动医疗等数千亿台设备连接到互联网。面向2021及未来，随着各种智能设备和移动数据流量的持续爆炸式增长，以及各种应用场景和新业务的不断涌现，对数据传输速率，端到端的延时以及可连接数量上有了更高的要求，这放大了传统射频通信频谱资源受限的问题，因此如何提高射频通信的频谱利用率成为了国内外研究学者和专家们面临的困难。同时从另外一个角度想，寻找新的频谱资源也可以解决问题，因此，可见光通信技术在这个背景下应运而生。

可见光通信，简称 VLC（Visible Light Communication），其原理是将 LED（LightEmitting Diode）作为发射端的信源，发射出闪烁频率高以至于肉眼感觉不出来的信号，以此来实现通信。使用 VLC 通信时，将所要发送的信息经过编码和调制后，驱动 LED发光，发出的光信号经过信道传输后到达接收端。接收端的光电探测器利用光电效应将收到的光信号转换为电信号，再经过与发射端对应的解调和解码后，就可以恢复出原始信号。

非正交多址（NOMA）技术是被认为能够满足第五代（5G）需求的大规模机器通信类型（mMTC）的定义和大规模连接要求的关键技术。其中具有较好鲁棒性的码域非正交多址（CD-NOMA）更适合大规模连接性。稀疏码多址（SCMA）是2013年提出的一种新的码域NOMA，其目标是通过有限的频谱资源连接更多的用户来满足5G大规模连接的需求。它是由低密度签名（LDS）多址技术发展而来。与LDS相比，SCMA可以获得额外的信噪比增益。在系统的发射端，传统通信方式下的调制和扩频是通过SCMA中的码字映射完成的。正是因为如此，一个好的SCMA码本不仅可以提高SCMA系统的性能，而且由于码本的稀疏特性，还可以降低译码复杂度。SCMA码本设计作为SCMA的关键技术之一，受到了业界的广泛关注。

现有技术中，SCMA码本设计被分解为设计映射矩阵、设计母码本和操作星座，包括相位旋转、置换、复共轭等步骤，其对SCMA码书的优化主要集中在母码本（母星座）的设计上，一般是通过最大化最小欧几里得距离（MED）或者信道容量，但是这些方法对于设计更高过载率的码本复杂度较高，当用户数量或者调制阶数较大时难以实现。由于通过MED准则优化码本，是通过计算叠加码字之间的相互距离来获得的，当用户数和资源块数较大时，MED的计算可能具有挑战性，同时对于检测端MPA算法，检测更大过载率的系统，其复杂度程指数增长，导致传统的码本设计方式难以应用在大规模接入的通信场景。

发明内容

基于此，本发明的目的是提出一种基于可见光通信下的SCMA码本设计方法及装置，通过提供一种复杂度低且保证误码率性能好的方法设计码本，以适用于大规模接入的通信场景。

根据本发明提出的一种基于可见光通信下的SCMA码本设计方法，应用于SCMA系统，所述方法包括：

根据实际应用场景的需求获取过载率目标值，并根据所述过载率目标值设定对应的码本参数，所述码本参数包括资源块个数、码字中非零元素的个数、码本大小、SCMA系统所能承载的最大用户数量以及用户与资源块映射关系的因子矩阵；

根据所述码本参数确定母星座维度，并根据所述母星座维度选择与QAM调制信号相同结构的母星座；

根据所述码本参数获取每个码字分配的功率，以根据每个码字分配的功率设定所述因子矩阵的非零元素；

根据所述母星座和设定非零元素后的因子矩阵计算得到用户初始码本，并采用改进的SIC算法对所述用户初始码本进行检测，以根据检测结果对所述用户初始码本进行优化，得到用户最终码本。

进一步地，所述根据所述码本参数获取每个码字分配的功率，以根据每个码字分配的功率设定所述因子矩阵的非零元素的步骤包括：

根据以下公式获取每个码字分配的功率：

其中，E_i表示叠加资源块上第i个用户的码字分配功率，df为因子矩阵的行重，M表示码本大小，J表示SCMA系统所能承载的最大用户数量，K表示资源块个数，i表示叠加资源块上第i个用户；

根据以下公式设定所述因子矩阵的非零元素：

其中，Z _i表示叠加资源块上第i个用户的分配功率与旋转角度的乘积，1≤i≤df，φ_i表示叠加资源块上第i个用户的旋转角度，df为因子矩阵的行重，E表示一维母星座矩阵的功率，j表示因子矩阵的第j列；

一维母星座矩阵的功率的计算公式为：

其中，E为一维母星座矩阵的功率，a 和b均表示码字符号的大小。

进一步地，所述根据所述母星座和设定非零元素后的因子矩阵计算得到用户初始码本的步骤包括：

根据以下公式获取用户初始码本：

其中，X_i表示第i个用户的初始码本，diag表示生成一个以矩阵Z第i列中元素为对角线元素的对角矩阵的函数，Z_K×J表示设定非零元素后的因子矩阵，J表示SCMA系统所能承载的最大用户数量，K表示资源块个数，C_N×M表示母星座结构，M表示码本大小，N表示所有码字中非零元素的个数。

进一步地，所述采用改进的SIC算法对所述用户初始码本进行检测，以根据检测结果对所述用户初始码本进行优化，得到用户最终码本的步骤还包括：

获取输入的接收端接收信号，并对所述接收端接收信号进行解码，以获取每个用户初始码本对应的资源块数量、用户数、用户的码元个数以及编码符号个数；

根据每个用户初始码本对应的资源块数量、用户数、用户的码元个数以及编码符号个数计算每个用户初始码本的功率，并按照功率大小对每个用户初始码本进行降序排列，得到用户码本功率排列矩阵。

进一步地，所述按照功率大小对每个用户初始码本进行降序排列的步骤之后还包括：

按照码本排序顺序依次对用户码本功率排列矩阵进行信号检测，以获取用户在因子矩阵中对应的所占资源块的位置；

根据用户在因子矩阵中所占资源块的位置对用户信息进行检测，以得到与用户相关的所有码元解码信号，并对所有码元解码信号进行恢复，以得到与所有用户数相关的码元信号一一对应的检测恢复信号。

进一步地，根据以下公式获取用户在因子矩阵中对应的所占资源块的位置：

其中，k表示用户占用资源块的位置，find表示用于寻找矩阵F第j列等于1对应位置的函数，F表示用户与资源块映射关系的因子矩阵，j表示因子矩阵的第j列；

根据以下公式对用户信息进行检测：

其中，m表示第n个码元对应的解码信号，norm表示用于求范数的函数，min表示寻找矩阵中最小值的索引位置的函数，y表示接收端接收信号，CB表示用户初始码本；

根据以下公式对所述解码信号进行恢复：

其中，dess表示检测恢复信号，u表示第u个用户，n表示第n个码元，m表示第 n个码元对应的解码信号。

进一步地，所述根据用户在因子矩阵中所占资源块的位置对用户信息进行检测，以得到与用户相关的所有码元解码信号，并对所有码元解码信号进行恢复，以得到与所有用户数相关的码元信号一一对应的检测恢复信号的步骤之后还包括：

将所述接收端接收信号与所述检测恢复信号进行比对，以得到误码率，并以所述误码率为目标建立目标函数，所述目标函数为：

BER=argmin(a，b，E，φ)

其中，BER表示目标函数，argmin表示求目标函数取最小值时对应的变量值的函数，E={E₁，E₂，……，E_df}，φ={φ₁，φ₂，……，φd_f}，df为因子矩阵的行重， a和b均表示码字符号的大小，E为一维母星座矩阵的功率，φ表示用户旋转角度。

进一步地，所述将所述接收端接收信号与所述检测恢复信号进行比对，以得到误码率，并以所述误码率为目标建立目标函数的步骤之后还包括：

获取所有的用户初始码本，并根据所述目标函数锁定待优化目标以获取待优化变量，以根据待优化变量对所述待优化目标进行优化，以得到优化后的变量；

根据优化后的变量对用户初始码本进行优化，以得到用户最终码本。

根据每个用户初始码本对应的资源块数量、用户数、用户的码元个数以及编码符号个数计算每个用户初始码本的功率，并按照功率大小对每个用户初始码本进行降序排列，得到用户码本功率排列矩阵。

根据本发明实施例的一种基于可见光通信下的SCMA码本设计装置，应用于SCMA系统，所述基于可见光通信下的SCMA码本设计装置包括：

码本参数设定模块，用于根据实际应用场景的需求获取过载率目标值，并根据所述过载率目标值设定对应的码本参数，所述码本参数包括资源块个数、码字中非零元素的个数、码本大小、SCMA系统所能承载的最大用户数量以及用户与资源块映射关系的因子矩阵；

母星座选取模块，用于根据所述码本参数确定母星座维度，并根据所述母星座维度选择与QAM调制信号相同结构的母星座；

因子矩阵设定模块，用于根据所述码本参数获取每个码字分配的功率，以根据每个码字分配的功率设定所述因子矩阵的非零元素；

码本优化模块，用于根据所述母星座和设定非零元素后的因子矩阵计算得到用户初始码本，并采用改进的SIC算法对所述用户初始码本进行检测，以根据检测结果对所述用户初始码本进行优化，得到用户最终码本。

与现有技术相比：通过根据实际的通信场景需求，进而获取到实际的过载率，而后根据该过载率设置对应的码本参数，该码本参数包括资源块个数、用户数以及码本大小等，再根据码本参数确定母星座维度，以选择合适的母星座结构，而后再根据该码本参数获取到每个码字分配的功率，并基于每个码字分配的功率指定因子矩阵中的非零元素，从而根据母星座结构和得到的因子矩阵计算出用户初始码本，再采用指定的SIC算法对该初始码本进行检测，以根据检测结果对码本进行针对性优化，从而获取到能够适用于该通信场景需求的用户最终码本。本发明在设计优化码本时，采用特定的SIC算法以取代传统使用的MPA算法，无需经过复杂的计算，从而得到复杂度较低且误码率性能良好的用户码本，解决了传统码本设计方式难以应用在复杂度高、过载率大的通信场景中的问题。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施例了解到。

附图说明

图1为本发明第一实施例提出的基于可见光通信下的SCMA码本设计方法的流程图；

图2为本发明第二实施例提出的基于可见光通信下的SCMA码本设计方法的流程图；

图3为本发明第二实施例中过载率150%下码本的误码率性能对比图；

图4为本发明第三实施例提出的基于可见光通信下的SCMA码本设计装置的结构示意图。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干个实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，所示为本发明第一实施例中的基于可见光通信下的SCMA码本设计方法的流程图，该方法应用于SCMA系统，该方法包括步骤S01至步骤S04，其中：

步骤S01：根据实际应用场景的需求获取过载率目标值，并根据所述过载率目标值设定对应的码本参数；

需要说明的是，在SCMA系统当中，资源块的数量和所能承载的用户数是密切相关的，在一个能够承载大量用户同时满足通信的SCMA系统当中，它所需要的资源块也是大量的，为了能够满足未来通信大量用户的同时又尽可能的使用较少的频谱资源，在大规模接入场景中时，由于接入用户多资源块少则必须实现高过载，基于此，根据实际应用场景中涉及的用户数和资源块数，从而具体设定过载率。

进一步地，码本参数记为δ（N，K，M，J，F），其中：K表示资源块个数，N表示码字中非零元素的个数，M表示码本大小，J表示SCMA系统所能承载的最大用户数量，F为用户与资源块映射关系的因子矩阵。

步骤S02：根据所述码本参数确定母星座维度，并根据所述母星座维度选择与QAM调制信号相同结构的母星座；

可以理解的，在本步骤中，通过获取到与QAM调制信号相同结构的母星座，能够保证以最大化最小欧氏距离为准则，采用反模式成对码字设计母星座，能够较大程度地拉大星座点的欧式距离。

具体地，在本实施例中，母星座的维度为N×M，以M=4，N=2的对称且正交的码本结构为例，母星座结构如下所示：

其中，C表示母星座结构，a 和b均表示码字符号的大小。

步骤S03：根据所述码本参数获取每个码字分配的功率，以根据每个码字分配的功率设定所述因子矩阵的非零元素；

具体地，在本步骤中，由于SCMA码本的总能量是MJ，共有K个正交资源块，故根据以下公式获取每个码字分配的功率：

其中，E_i表示叠加资源块上第i个用户的码字分配功率，df为因子矩阵的行重，M表示码本大小，J表示SCMA系统所能承载的最大用户数量，K表示资源块个数，i表示叠加资源块上第i个用户；

由于码本功率都是相同的，但SIC算法却是根据功率差异进行信号检测，因此为了增加码本的功率差异性，根据以下公式设定所述因子矩阵的非零元素：

其中，Z _i表示叠加资源块上第i个用户的分配功率与旋转角度的乘积，1≤i≤df，φ_i表示叠加资源块上第i个用户的旋转角度，df为因子矩阵的行重，E表示一维母星座矩阵的功率，j表示因子矩阵的第j列；

一维母星座矩阵的功率的计算公式为：

其中，E为一维母星座矩阵的功率，a 和b均表示码字符号的大小。

进一步地，通过将因子矩阵的非零元素设置为分配的功率和旋转相角，以使每个用户的码本功率均存在差异，从而适用于后续的SIC算法检测。具体地，以6个用户4个资源块为例，根据上述的步骤，得到的因子矩阵可以表示为：

步骤S04：根据所述母星座和设定非零元素后的因子矩阵计算得到用户初始码本，并采用改进的SIC算法对所述用户初始码本进行检测，以根据检测结果对所述用户初始码本进行优化，得到用户最终码本。

需要说明的是，在得到新的因子矩阵后，根据以下公式获取用户初始码本：

其中，X_i表示第i个用户的初始码本，diag表示生成一个以矩阵Z第i列中元素为对角线元素的对角矩阵的函数，Z_K×J表示设定非零元素后的因子矩阵，J表示SCMA系统所能承载的最大用户数量，K表示资源块个数，C_N×M表示母星座结构，M表示码本大小，N表示所有码字中非零元素的个数。

具体地，通过制定因子矩阵中的非零元素，以获得新的因子矩阵之后，而后根据母星座结构和新的因子矩阵可以获取在设定过载率下任一用户的初始码本，其中一位用户的初始码本可以表示为：

进一步地，在获取到各个用户对用的初始码本后，则采用改进的SIC算法对各个用户初始码本进行检测，以根据检测结果获取信号误码率，从而以误码率为优化目标对该初始码本进行针对性的优化，得到用户最终码本。

综上，根据上述的基于可见光通信下的SCMA码本设计方法，通过根据实际的通信场景需求，进而获取到实际的过载率，而后根据该过载率设置对应的码本参数，该码本参数包括资源块数、用户数以及码本大小等，再根据码本参数确定母星座维度，以选择合适的母星座结构，而后再根据该码本参数获取到每个码字分配的功率，并基于每个码字分配的功率指定因子矩阵中的非零元素，从而根据母星座结构和得到的因子矩阵计算出用户初始码本，再采用指定的SIC算法对该初始码本进行检测，以根据检测结果对码本进行针对性优化，从而获取到用户最终码本，具有复杂度低以及误码率性能好的优点，从而能够适用于大规模接入的通信环境。

请参阅图2，所示为本发明第二实施例中的基于可见光通信下的SCMA码本设计方法，该方法应用于SCMA系统，该方法包括步骤S11至步骤S17，其中：

步骤S11：获取输入的接收端接收信号，并对所述接收端接收信号进行解码，以获取每个用户初始码本对应的资源块数量、用户数、用户的码元个数以及编码符号个数；

需要说明的是，在本实施例中，采用的SIC检测算法区别于传统的SIC检测算法，其具体过程为：首先输入接收端接收信号y，该接收信号y为加过噪声的叠加信号，该叠加信号还包括所有用户初始码本以及对应的新的因子矩阵，而后对该接收信号进行解码，从而获取资源块数量K，用户数V，用户的码元个数N，以及编码符号个数M。

步骤S12：根据每个用户初始码本对应的资源块数量、用户数、用户的码元个数以及编码符号个数计算每个用户初始码本的功率，并按照功率大小对每个用户初始码本进行降序排列，得到用户码本功率排列矩阵；

步骤S13：按照码本排序顺序依次对用户码本功率排列矩阵进行信号检测，以获取用户在因子矩阵中对应的所占资源块的位置；

需要说明的是，在本步骤中，根据以下公式获取用户在因子矩阵中对应的所占资源块的位置：

其中，k表示用户占用资源块的位置，find表示用于寻找矩阵F第j列等于1对应位置的函数，F表示用户与资源块映射关系的因子矩阵，j表示因子矩阵的第j列。

步骤S14：根据用户在因子矩阵中所占资源块的位置对用户信息进行检测，以得到与用户相关的所有码元解码信号，并对所有码元解码信号进行恢复，以得到与所有用户数相关的码元信号一一对应的检测恢复信号；

具体地，根据以下公式对用户信息进行检测：

其中，m表示第n个码元对应的解码信号，norm表示用于求范数的函数，min表示寻找矩阵中最小值的索引位置的函数，y表示接收端接收信号，CB表示用户初始码本。

根据以下公式对所述解码信号进行恢复：

其中，dess表示检测恢复信号，u表示第u个用户，n表示第n个码元，m表示第 n个码元对应的解码信号。

步骤S15：将所述接收端接收信号与所述检测恢复信号进行比对，以得到误码率，并以所述误码率为目标建立目标函数；

通过接收端接收的信号，将该信号经过信道，例如高斯信道后即为一个有噪声的信号，而后经过SIC算法检测以及恢复，从而得到检测恢复信号，再将检测恢复信号与输入的接收信号进行比对，以得到错误码元数，再将错误的码元数/总码元数即可得到误码率。

示例而非限定，传入信号是0010110001，检测恢复的信号是0110010011，从而得到误码率为3/10，由于好的码本意味着误码率性能良好，即意味着最大化最小欧式距离，本实施例以误码率为优化目标，能够有效降低码本优化复杂度，从而能够满足大规模接入的通信场景。

具体地，所述目标函数可以表示为：

BER=argmin(a，b，E，φ)

其中，BER表示目标函数，argmin表示求目标函数取最小值时对应的变量值的函数，E={E₁，E₂，……，E_df}，φ={φ₁，φ₂，……，φ_df}，df为因子矩阵的行重， a和b均表示码字符号的大小，E为一维母星座矩阵的功率，φ表示用户旋转角度。

步骤S16：获取所有的用户初始码本，并根据所述目标函数锁定待优化目标以获取待优化变量，以根据待优化变量对所述待优化目标进行优化，得到优化后的变量；

需要说明的是，在具体的优化过程中，需要基于最小误码率准则对目标函数进行适应度计算，以获取误码率最低时对应的变量，即为优化后的变量，有利于降低计算复杂度，同时便于大码本的优化。

具体地，基于最小误码率准则实际为设定误码率的取值范围，例如设定最小误码率为十分之一，即在该最小误码率范围内对目标函数进行适应度计算，从而得到优化参数，即优化后的变量。

步骤S17：根据优化后的变量对用户初始码本进行优化，以得到用户最终码本。

在本步骤中，将得到的最优参数对应的（a，b，E，φ）依次带入到对应的用户初始码本中进行优化，从而得到所有用户的SCMA码本，即用户最终码本。

请参阅图3，所示为过载率150%情况下现有码本和本实施生成的码本的误码率性能对比图，其中P=150%-MPA和Star-QAM对应的是现有码本的误码率性能曲线，P=150%-SIC对应的是本实施例提供的码本的误码率性能曲线，Eb/N0表示的为比特信噪比，因此从图3可以明显看出，现有码本和本实施例提供的码本的误码率性能相近，但本实施例对初始码本的优化过程的复杂度却远远小于传统算法，从而使得本实施例提供的码本优化过程有利于大码本的生成。

综上，根据上述的基于可见光通信下的SCMA码本设计方法，通过根据实际的通信场景需求，进而获取到实际的过载率，而后根据该过载率设置对应的码本参数，该码本参数包括资源块数、用户数以及码本大小等，再根据码本参数确定母星座维度，以选择合适的母星座结构，而后再根据该码本参数获取到每个码字分配的功率，并基于每个码字分配的功率指定因子矩阵中的非零元素，从而根据母星座结构和得到的因子矩阵计算出用户初始码本，再采用指定的SIC算法对该初始码本进行检测，以根据检测结果对码本进行针对性优化，从而获取到用户最终码本，具有复杂度低以及误码率性能好的优点，从而能够适用于大规模接入的通信环境。

请参阅图4，所示为本发明第三实施例中基于可见光通信下的SCMA码本设计装置，应用于SCMA系统，基于可见光通信下的SCMA码本设计装置包括：

码本参数设定模块10，用于根据实际应用场景的需求获取过载率目标值，并根据所述过载率目标值设定对应的码本参数，记为δ（N，K，M，J，F），其中：K表示资源块个数，N表示码字中非零元素的个数，M表示码本大小，J表示SCMA系统所能承载的最大用户数量，F为用户与资源块映射关系的因子矩阵；

母星座选取模块20，用于根据所述码本参数确定母星座维度，并根据所述母星座维度选择与QAM调制信号相同结构的母星座；

因子矩阵设定模块30，用于根据所述码本参数获取每个码字分配的功率，以根据每个码字分配的功率设定所述因子矩阵的非零元素；

码本优化模块40，用于根据所述母星座和设定非零元素后的因子矩阵计算得到用户初始码本，并采用改进的SIC算法对所述用户初始码本进行检测，以根据检测结果对所述用户初始码本进行优化，得到用户最终码本。

进一步地，所述码本优化模块40还包括：

解码单元，用于获取输入的接收端接收信号，并对所述接收端接收信号进行解码，以获取每个用户初始码本对应的资源块数量、用户数、用户的码元个数以及编码符号个数；

降序排列单元，用于根据每个用户初始码本对应的资源块数量、用户数、用户的码元个数以及编码符号个数计算每个用户初始码本的功率，并按照功率大小对每个用户初始码本进行降序排列，得到用户码本功率排列矩阵；

信号检测单元，用于按照码本排序顺序依次对用户码本功率排列矩阵进行信号检测，以获取用户在因子矩阵中对应的所占资源块的位置；

恢复信号获取单元，用于根据用户在因子矩阵中所占资源块的位置对用户信息进行检测，以得到与用户相关的所有码元解码信号，并对所有码元解码信号进行恢复，以得到与所有用户数相关的码元信号一一对应的检测恢复信号；

对比单元，用于将所述接收端接收信号与所述检测恢复信号进行比对，以得到误码率，并以所述误码率为目标建立目标函数；

优化参数获取单元，用于获取所有的用户初始码本，并根据所述目标函数锁定待优化目标以获取待优化变量，以根据待优化变量对所述待优化目标进行优化，以得到优化后的变量；

优化执行单元，用于根据优化后的变量对用户初始码本进行优化，以得到用户最终码本。

进一步地，在本发明一些可选的实施例中，根据以下公式获取每个码字分配的功率：

其中，E_i表示叠加资源块上第i个用户的码字分配功率，df为因子矩阵的行重，M表示码本大小，J表示SCMA系统所能承载的最大用户数量，K表示资源块个数，i表示叠加资源块上第i个用户；

根据以下公式设定所述因子矩阵的非零元素：

其中，Z _i表示叠加资源块上第i个用户的分配功率与旋转角度的乘积，1≤i≤df，φ_i表示叠加资源块上第i个用户的旋转角度，df为因子矩阵的行重，E表示一维母星座矩阵的功率，j表示因子矩阵的第j列；

一维母星座矩阵的功率的计算公式为：

其中，E为一维母星座矩阵的功率，a 和b均表示码字符号的大小。

进一步地，在本发明一些可选的实施例中，根据以下公式获取用户初始码本：

其中，X_i表示第i个用户的初始码本，diag表示生成一个以矩阵Z第i列中元素为对角线元素的对角矩阵的函数，Z_K×J表示设定非零元素后的因子矩阵，J表示SCMA系统所能承载的最大用户数量，K表示资源块个数，C_N×M表示母星座结构，M表示码本大小，N表示所有码字中非零元素的个数。

进一步地，在本发明一些可选的实施例中，根据以下公式获取用户在因子矩阵中对应的所占资源块的位置：

其中，k表示用户占用资源块的位置，find表示用于寻找矩阵F第j列等于1对应位置的函数，F表示用户与资源块映射关系的因子矩阵，j表示因子矩阵的第j列；

根据以下公式对用户信息进行检测：

其中，m表示第n个码元对应的解码信号，norm表示用于求范数的函数，min表示寻找矩阵中最小值的索引位置的函数，y表示接收端接收信号，CB表示用户初始码本；

根据以下公式对所述解码信号进行恢复：

其中，dess表示检测恢复信号，u表示第u个用户，n表示第n个码元，m表示第 n个码元对应的解码信号。

综上，根据上述的基于可见光通信下的SCMA码本设计装置，通过根据实际的通信场景需求，进而获取到实际的过载率，而后根据该过载率设置对应的码本参数，该码本参数包括资源块数、用户数以及码本大小等，再根据码本参数确定母星座维度，以选择合适的母星座结构，而后再根据该码本参数获取到每个码字分配的功率，并基于每个码字分配的功率指定因子矩阵中的非零元素，从而根据母星座结构和得到的因子矩阵计算出用户初始码本，再采用指定的SIC算法对该初始码本进行检测，以根据检测结果对码本进行针对性优化，从而获取到用户最终码本，具有复杂度低以及误码率性能好的优点，从而能够适用于大规模接入的通信环境。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于可见光通信下的SCMA码本设计方法，其特征在于，应用于SCMA系统，所述方法包括：

根据实际应用场景的需求获取过载率目标值，并根据所述过载率目标值设定对应的码本参数，所述码本参数包括资源块个数、码字中非零元素的个数、码本大小、SCMA系统所能承载的最大用户数量以及用户与资源块映射关系的因子矩阵；

根据所述码本参数确定母星座维度，并根据所述母星座维度选择与QAM调制信号相同结构的母星座；

根据所述码本参数获取每个码字分配的功率，以根据每个码字分配的功率设定所述因子矩阵的非零元素；

根据所述母星座和设定非零元素后的因子矩阵计算得到用户初始码本，并采用改进的SIC算法对所述用户初始码本进行检测，以根据检测结果对所述用户初始码本进行优化，得到用户最终码本。

2.根据权利要求1所述的基于可见光通信下的SCMA码本设计方法，其特征在于，所述根据所述码本参数获取每个码字分配的功率，以根据每个码字分配的功率设定所述因子矩阵的非零元素的步骤包括：

根据以下公式获取每个码字分配的功率：

其中，E_i表示叠加资源块上第i个用户的码字分配功率，df为因子矩阵的行重，M表示码本大小，J表示SCMA系统所能承载的最大用户数量，K表示资源块个数，i表示叠加资源块上第i个用户；

根据以下公式设定所述因子矩阵的非零元素：

其中，Z _i表示叠加资源块上第i个用户的分配功率与旋转角度的乘积，1≤i≤df，φ_i表示叠加资源块上第i个用户的旋转角度，df为因子矩阵的行重，E表示一维母星座矩阵的功率，j表示因子矩阵的第j列；

一维母星座矩阵的功率的计算公式为：

其中，E为一维母星座矩阵的功率，a 和b均表示码字符号的大小。

3.根据权利要求2所述的基于可见光通信下的SCMA码本设计方法，其特征在于，所述根据所述母星座和设定非零元素后的因子矩阵计算得到用户初始码本的步骤包括：

根据以下公式获取用户初始码本：

其中，X_i表示第i个用户的初始码本，diag表示生成一个以矩阵Z第i列中元素为对角线元素的对角矩阵的函数，Z_K×J表示设定非零元素后的因子矩阵，J表示SCMA系统所能承载的最大用户数量，K表示资源块个数，C_N×M表示母星座结构，M表示码本大小，N表示所有码字中非零元素的个数。

4.根据权利要求要求3所述的基于可见光通信下的SCMA码本设计方法，其特征在于，所述采用改进的SIC算法对所述用户初始码本进行检测，以根据检测结果对所述用户初始码本进行优化，得到用户最终码本的步骤还包括：

获取输入的接收端接收信号，并对所述接收端接收信号进行解码，以获取每个用户初始码本对应的资源块数量、用户数、用户的码元个数以及编码符号个数；

根据每个用户初始码本对应的资源块数量、用户数、用户的码元个数以及编码符号个数计算每个用户初始码本的功率，并按照功率大小对每个用户初始码本进行降序排列，得到用户码本功率排列矩阵。

5.根据权利要求4所述的基于可见光通信下的SCMA码本设计方法，其特征在于，所述按照功率大小对每个用户初始码本进行降序排列的步骤之后还包括：

按照码本排序顺序依次对用户码本功率排列矩阵进行信号检测，以获取用户在因子矩阵中对应的所占资源块的位置；

根据用户在因子矩阵中所占资源块的位置对用户信息进行检测，以得到与用户相关的所有码元解码信号，并对所有码元解码信号进行恢复，以得到与所有用户数相关的码元信号一一对应的检测恢复信号。

6.根据权利要求5所述的基于可见光通信下的SCMA码本设计方法，其特征在于，根据以下公式获取用户在因子矩阵中对应的所占资源块的位置：

其中，k表示用户占用资源块的位置，find表示用于寻找矩阵F第j列等于1对应位置的函数，F表示用户与资源块映射关系的因子矩阵，j表示因子矩阵的第j列；

根据以下公式对用户信息进行检测：

其中，m表示第n个码元对应的解码信号，norm表示用于求范数的函数，min表示寻找矩阵中最小值的索引位置的函数，y表示接收端接收信号，CB表示用户初始码本；

根据以下公式对所述解码信号进行恢复：

其中，dess表示检测恢复信号，u表示第u个用户，n表示第n个码元，m表示第 n个码元对应的解码信号。

7.根据权利要求5所述的基于可见光通信下的SCMA码本设计方法，其特征在于，所述根据用户在因子矩阵中所占资源块的位置对用户信息进行检测，以得到与用户相关的所有码元解码信号，并对所有码元解码信号进行恢复，以得到与所有用户数相关的码元信号一一对应的检测恢复信号的步骤之后还包括：

将所述接收端接收信号与所述检测恢复信号进行比对，以得到误码率，并以所述误码率为目标建立目标函数，所述目标函数为：

BER=argmin(a，b，E，φ)

其中，BER表示目标函数，argmin表示求目标函数取最小值时对应的变量值的函数，E={E₁，E₂，……，E_df}，φ={φ₁，φ₂，……，φ_df}，df为因子矩阵的行重，a和b均表示码字符号的大小，E为一维母星座矩阵的功率，φ表示用户旋转角度。

8.根据权利要求7所述的基于可见光通信下的SCMA码本设计方法，其特征在于，所述将所述接收端接收信号与所述检测恢复信号进行比对，以得到误码率，并以所述误码率为目标建立目标函数的步骤之后还包括：

获取所有的用户初始码本，并根据所述目标函数锁定待优化目标以获取待优化变量，以根据待优化变量对所述待优化目标进行优化，以得到优化后的变量；

根据优化后的变量对用户初始码本进行优化，以得到用户最终码本。

9.一种基于可见光通信下的SCMA码本设计装置，其特征在于，应用于SCMA系统，所述基于可见光通信下的SCMA码本设计装置包括：

码本参数设定模块，用于根据实际应用场景的需求获取过载率目标值，并根据所述过载率目标值设定对应的码本参数，所述码本参数包括资源块个数、码字中非零元素的个数、码本大小、SCMA系统所能承载的最大用户数量以及用户与资源块映射关系的因子矩阵；

母星座选取模块，用于根据所述码本参数确定母星座维度，并根据所述母星座维度选择与QAM调制信号相同结构的母星座；

因子矩阵设定模块，用于根据所述码本参数获取每个码字分配的功率，以根据每个码字分配的功率设定所述因子矩阵的非零元素；

码本优化模块，用于根据所述母星座和设定非零元素后的因子矩阵计算得到用户初始码本，并采用改进的SIC算法对所述用户初始码本进行检测，以根据检测结果对所述用户初始码本进行优化，得到用户最终码本。

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