CN105356971B - 一种基于概率计算的scma译码器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于概率计算的SCMA译码器,其特征在于,包括初始化模块、观测节点更新模块、变量节点更新模块、似然比计算模块,所述初始化模块连接所述观测节点更新模块,用于初始化信道参数,并计算每个资源块所承载用户的所有可能发送的码字的联合条件概率;所述观测节点更新模块连接所述变量节点更新模块,用于根据所述联合条件概率计算边缘条件概率;所述变量节点更新模块连接所述似然比计算模块,用于根据所述边缘条件概率计算后验概率,并将所述后验概率归一化后返回给所述观测节点更新模块;所述似然比计算模块用于通过所述后验概率计算似然信息并输出。本发明的的SCMA译码器面积开销小、系统吞吐率高、计算效率高的。
Description
技术领域
本发明涉及无线通讯领域,特别涉及一种基于概率计算的SCMA译码器。
背景技术
SCMA(Sparse Code Multiple Access)技术是一种面向5G大容量,海量连接,超低时延等需求而设计的一种备选多址技术。在发送端,它将编码比特直接映射为复数域多维码字,不同用户的码字在相同的资源块上以稀疏的扩频方式非正交叠加;接收端则利用稀疏性进行低复杂度的多用户联合检测。相比OFDMA技术,SCMA以非正交叠加的方式,实现在同等资源数量条件下,同时服务更多用户,从而有效提升系统整体容量。
MPA(Message Passing Algorithm)迭代译码算法被证明是在MAP准则下最优的译码器,能够用可实现的硬件开销达到令人满意的译码性能。但是MPA算法包含大量的指数和乘法运算,基于传统方法的硬件实现复杂度很高。为此,本领域的研究人员提出了基于雅克比对数的Max-log MPA译码算法,能够完全避免MPA算法中的指数运算和一部分乘法运算。但是,Max-log MPA算法对应的硬件复杂度仍然很高,并且,应用于海量连接的5G通信场景下时,面积开销大、系统吞吐率低、计算效率低。
发明内容
为了解决这些潜在问题,本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足,提供一种面积开销小、系统吞吐率高、计算效率高的基于概率计算的SCMA译码器。
为了实现上述发明目的,本发明采用的技术方案是:
一种基于概率计算的SCMA译码器,包括初始化模块、观测节点更新模块、变量节点更新模块、似然比计算模块,
所述初始化模块连接所述观测节点更新模块,用于初始化信道参数,并计算每个资源块所承载用户的所有可能发送的码字的联合条件概率;
所述观测节点更新模块连接所述变量节点更新模块,用于根据所述联合条件概率计算边缘条件概率;
所述变量节点更新模块连接所述似然比计算模块,用于根据所述边缘条件概率计算后验概率,并将所述后验概率归一化后返回给所述观测节点更新模块;
所述似然比计算模块用于通过所述后验概率计算似然信息并输出。
进一步地,所述信道参数包括:物理资源块数、承载用户数、调制阶数、修剪饱和处理门限、接收机迭代次数中的一种或几种。
进一步地,所述初始化计算模块包括概率计算单元、查表单元、前向转换单元,
所述概率计算单元、查表单元、前向转换单元依次连接,
所述概率计算单元用于根据所述信道参数计算节点信息;
所述查表单元用于根据所述节点信息查表得到联合条件概率;
所述前向转换单元用于将所述联合条件概率转换为比特序列。
进一步地,所述观测节点更新模块包括多个4选1数据选择器,用于根据输入到数据选择器中的比特序列,得到边缘条件概率。
进一步地,所述变量节点更新模块包括信号使能单元、随机数产生单元、概率转换单元、前向预测单元,
所述信号使能单元连接所述前向预测单元,用于根据所述边缘条件概率信息生成使能信号并发送所述使能信息到所述前向预测单元;
所述前向预测单元连接所述概率转换单元,用于根据所述使能信号与所述边缘条件概率信息进行概率跟踪,并将跟踪得到的概率值发送给所述概率转换单元;
所述概率转换单元用于根据所述跟踪得到的概率值与所述随机数产生单元产生的随机数计算得到归一化的后验概率。
进一步地,所述前向预测单元包括移位寄存器、2选1数据选择器、存储器、加法器,
所述移位寄存器连接与所述加法器,用于对信号进行移位处理,并将所述进行移位处理的信号输出至所述加法器;
所述2选1数据选择器连接所述移位寄存器,用于根据不同条件选择不同的信号输出到所述移位寄存器中;
所述加法器连接所述存储器,用于根据所述边缘条件概率信息进行概率跟踪,并将跟踪得到的概率值发送到所述存储器中;
所述存储器接收所述使能信号,当所述使能信号有效时,存数所述跟踪得到的概率值,并进行输出。
进一步地,当所述接收机迭代次数小于预设值时,所述变量节点更新模块将所述后验概率归一化后返回给所述观测节点更新模块,用于下一次迭代;当所述接收机迭代次数大于或等于所述预设值时,所述变量节点更新模块将所述后验概率归一化后发送给所述似然比计算模块并进行输出。
与现有技术相比,本发明的有益效果
本发明的一种基于概率计算的SCMA译码器在应用于海量连接的5G通信场景下,相比现有技术面积开销小、系统吞吐率高、计算效率高。
附图说明
图1是本发明的一个具体实施例示出的一种基于概率计算的SCMA译码器模块图。
图2是本发明的一个具体实施例示出的一种基于概率计算的SCMA译码器的初始化模块结构图。
图3是本发明的一个具体实施例示出的一种基于概率计算的SCMA译码器的观测节点更新模块结构图。
图4是本发明的一个具体实施例示出的一种基于概率计算的SCMA译码器的变量节点更新模块结构图。
图5是本发明的一个具体实施例示出的一种基于概率计算的SCMA译码器的变量节点更新模块的前向预测单元结构图。
图6是本发明的一个具体实施例示出的一种基于概率计算的SCMA译码器的变量节点更新模块的概率转换单元结构图。
图7是本发明的一个具体实施例示出的一种基于概率计算的SCMA译码器的随机数产生单元结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1:
图1是本发明的一个具体实施例示出的一种基于概率计算的SCMA译码器模块图,包括初始化模块1、观测节点更新模块2、变量节点更新模块3、似然比计算模块4,
所述初始化模块1连接所述观测节点更新模块2,用于初始化信道参数,并计算每个资源块所承载用户的所有可能发送的码字的联合条件概率;
所述观测节点更新模块2连接所述变量节点更新模块3,用于根据所述联合条件概率计算边缘条件概率;
所述变量节点更新模块3连接所述似然比计算模块4,用于根据所述边缘条件概率计算后验概率,并将所述后验概率归一化后返回给所述观测节点更新模块;
所述似然比计算模块4用于通过所述后验概率计算似然信息并输出。
进一步地,所述信道参数包括:物理资源块数、承载用户数、调制阶数、修剪饱和处理门限、接收机迭代次数中的一种或几种。
本发明的一种基于概率计算的SCMA译码器利用K个物理资源块(例如OFDMA的时频资源块),承载J个接入用户,过载因子为λ=J/K。每个用户的数据被映射到N个资源块上,达到N倍扩频的效果,且有N<K稀疏特性,从而显著降低多用户联合检测的复杂度。SCMA编码可以表示为其中即为SCMA编码后的码字。在接收端第k个物理资源块上接收到的信号为其中为噪声项,hj=(h1j,…,hKj)为第j个用户对应的信道向量,这里假设本发明接收端采用最大后验概率(MAP)准则进行译码,利用接收向量y和信道噪声估计值N0得到似然信息LLRj,b,j=1,…J,b=1,…,log2(M),并将似然信息作为信道码(Turbo)译码器的输入。
本发明的一种基于概率计算的SCMA译码器在应用于海量连接的5G通信场景下,相比现有技术面积开销小、系统吞吐率高、计算效率高,与现有max log MPA译码算法相比,性能损失为0.2dB,在相同时钟频率下硬件效率提高了60%。
图2是本发明的一个具体实施例示出的一种基于概率计算的SCMA译码器的初始化计算模块结构图,包括概率计算单元201、查表单元202、前向转换单元203,
所述概率计算单元201、查表单元202、前向转换单元203依次连接,
所述概率计算单元用于根据所述信道参数计算节点信息;
所述查表单元用于根据所述节点信息查表得到联合条件概率;
所述前向转换单元用于将所述联合条件概率转换为比特序列。
在一个具体实施例中,针对一个利用4个物理资源块承载6个用户,调制阶数为4,编码器采用码率为1/2的Turbo码,接收端译码器采用BCJR译码的SCMA系统模型,设置K=4,J=6,M=4,Dmin=-15,Dmax=0,DCmax=200。利用接收向量y和信道噪声估计值N0,计算每个资源块所承载用户的所有可能发送的码字的联合条件概率Pr(yk|xk,1,xk,2,xk,3):
概率计算单元首先通过加法器计算并将结果传给乘法器,并进行取平方操作,得到和之后计算接收信号yn与码本符号CBn的欧氏距离再计算然后查表单元查找表得到Pr(yk|xk,1,xk,2,xk,3)。最后通过前向转换单元,将得到联合条件概率φn(m1,m2,m3)转换为比特序列,其中m1,m2,m3=0,1,…,M-1。前向转换单元的计算规则为:
进一步地,所述观测节点更新模块包括多个4选1数据选择器,用于根据输入到数据选择器中的比特序列,得到边缘条件概率。
图3是本发明的一个具体实施例示出的一种基于概率计算的SCMA译码器的观测节点更新模块结构图。
所述观测节点更新模块利用叶斯公式由联合条件概率求边缘条件概率Pr(yk|xk,i),i=1,2,3:
其中包括5个4选1数据选择器,4个4选1数据选择器(301、302、303、304)分别用来计算 另一个4选1数据选择器(305)根据前4个4选1数据选择器的输出结果计算同理计算得到和之后将概率信息传递给所述变量节点更新模块。
图4是本发明的一个具体实施例示出的一种基于概率计算的SCMA译码器的变量节点更新模块结构图。
所述变量节点更新模块103包括信号使能单元401、随机数产生单元402、概率转换单元403、前向预测单元404,
所述信号使能单元401连接所述前向预测单元404,用于根据所述边缘条件概率信息生成使能信号并发送所述使能信息到所述前向预测单元;
所述前向预测单元404连接所述概率转换单元403,用于根据所述使能信号与所述边缘条件概率信息进行概率跟踪,并将跟踪得到的概率值发送给所述概率转换单元;
所述概率转换单元403用于根据所述跟踪得到的概率值与所述随机数产生单元产生的随机数计算得到归一化的后验概率。
具体的随机数产生单元结构图参看图7,包括多个串联的加法器701和多个串联的寄存器。
所述变量节点更新模块利用所述观测节点更新模块传递的边缘条件概率Ig→v(m)计算后验概率Iv→g(m),并将归一化后的外信息返回给所述观测节点更新模块。
其中apv(m)为先验概率。
其中,所述信号使能单元由输入的比特串表征的概率信息生成前向预测单元的使能信号en;信号使能单元的内部寄存器中的信号为cnt,输入的四个比特之和为sum,其更新规则为:
当cnt为0且sum为0,则前向预测单元不更新,cnt信号也不更新;
当cnt不为0,前向预测单元根据当前输入比特更新,cnt信号更新为cnt(t+1)=cnt(t)+sum-1。
最后将得到的概率值传递给概率转换单元进行重新随机化,概率转换单元在进行重新随机化的时候,还需要借助随机数产生单元产生随机数。概率转换单元将一个归一化的概率向量P=[P1,P2,P3,P4]转换成一个元素为多元符号的序列,其实现结构如图6所示,3个比较器(602)输出的信号输出到加法器(603)中,最终,得到符号序列表征的后验概率至此,完成一次运算。
图5是本发明的一个具体实施例示出的一种基于概率计算的SCMA译码器的变量节点更新模块的前向预测单元结构图。
所述前向预测单元包括移位寄存器501、2选1数据选择器502、存储器503、加法器504,
所述移位寄存器501连接与所述加法器504,用于对信号进行移位处理,并将所述进行移位处理的信号输出至所述加法器;
所述2选1数据选择器502连接所述移位寄存器503,用于根据不同条件选择不同的信号输出到所述移位寄存器中;
所述加法器504连接所述存储器503,用于根据所述边缘条件概率信息进行概率跟踪,并将跟踪得到的概率值发送到所述存储器中;
所述存储器接收所述使能信号,当所述使能信号有效时,存数所述跟踪得到的概率值,并进行输出。
具体的,在一个实施例中,前向预测单元根据信号使能单元生成的使能信号和从变量节点更新模块输入的信号进行概率跟踪:
可以取β=2x,移位寄存器,用来计算β·P(t);2选1数据选择器,用来根据输入信号r(t)选择P(t)或存储器存储当前所跟踪到的概率值,在使能信号有效时进行更新;加法器,根据选择端add/sub的输入信号来决定进行加法还是减法。
进一步地,当所述接收机迭代次数小于预设值时,所述变量节点更新模块将所述后验概率归一化后返回给所述观测节点更新模块,用于下一次迭代;当所述接收机迭代次数大于或等于所述预设值时,所述变量节点更新模块将所述后验概率归一化后发送给所述似然比计算模块并进行输出。
具体的,当迭代次数达到DCmax时,在假设先验信息等概的条件下,将后验概率传递给似然比计算模块,计算似然信息LLRj,b,j=1,…J,b=1,…,log2(M)后传递给信道码(Turbo)译码器。
上面结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细说明,但本发明并不限制于上述实施方式,在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下,本领域的技术人员可以作出各种修改或改型。
Claims (5)
1.一种基于概率计算的SCMA译码器,其特征在于,包括初始化模块、观测节点更新模块、变量节点更新模块、似然比计算模块,
所述初始化模块连接所述观测节点更新模块,用于初始化信道参数,并计算每个资源块所承载用户的所有可能发送的码字的联合条件概率;
所述观测节点更新模块连接所述变量节点更新模块,用于根据所述联合条件概率计算边缘条件概率;
所述变量节点更新模块连接所述似然比计算模块,用于根据所述边缘条件概率计算后验概率,并将所述后验概率归一化后返回给所述观测节点更新模块;
所述似然比计算模块用于通过所述后验概率计算似然信息并输出;
所述信道参数包括:物理资源块数、承载用户数、调制阶数、修剪饱和处理门限、接收机迭代次数中的一种或几种;
所述变量节点更新模块包括信号使能单元、随机数产生单元、概率转换单元、前向预测单元,
所述信号使能单元连接所述前向预测单元,用于根据所述边缘条件概率信息生成使能信号并发送所述使能信息到所述前向预测单元;
所述前向预测单元连接所述概率转换单元,用于根据所述使能信号与所述边缘条件概率信息进行概率跟踪,并将跟踪得到的概率值发送给所述概率转换单元;
所述概率转换单元用于根据所述跟踪得到的概率值与所述随机数产生单元产生的随机数计算得到归一化的后验概率。
2.根据权利要求1所述的一种基于概率计算的SCMA译码器,其特征在于,所述初始化模块包括概率计算单元、查表单元、前向转换单元,
所述概率计算单元、查表单元、前向转换单元依次连接,
所述概率计算单元用于根据所述信道参数计算节点信息;
所述查表单元用于根据所述节点信息查表得到联合条件概率;
所述前向转换单元用于将所述联合条件概率转换为比特序列。
3.根据权利要求1所述的一种基于概率计算的SCMA译码器,其特征在于,所述观测节点更新模块包括多个4选1数据选择器,用于根据输入到数据选择器中的比特序列,得到边缘条件概率。
4.根据权利要求1所述的一种基于概率计算的SCMA译码器,其特征在于,所述前向预测单元包括移位寄存器、2选1数据选择器、存储器、加法器,
所述移位寄存器连接与所述加法器,用于对信号进行移位处理,并将所述进行移位处理的信号输出至所述加法器;
所述2选1数据选择器连接所述移位寄存器,用于根据不同条件选择不同的信号输出到所述移位寄存器中;
所述加法器连接所述存储器,用于根据所述边缘条件概率信息进行概率跟踪,并将跟踪得到的概率值发送到所述存储器中;
所述存储器接收所述使能信号,当所述使能信号有效时,存储所述跟踪得到的概率值,并进行输出。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于概率计算的SCMA译码器,其特征在于,当所述接收机迭代次数小于预设值时,所述变量节点更新模块将所述后验概率归一化后返回给所述观测节点更新模块,用于下一次迭代;当所述接收机迭代次数大于或等于所述预设值时,所述变量节点更新模块将所述后验概率归一化后发送给所述似然比计算模块并进行输出。
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