CN105553913B - 一种基于最大化最小乘积距离准则的scma码本搜寻方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于最大化最小乘积距离准则的SCMA码本搜寻方法，本发明涉及SCMA码本搜寻方法。本发明是要解决SCMA对码本的设计难度更大，要求更高的问题，而提出的一种基于最大化最小乘积距离准则的SCMA码本搜寻方法。该方法是通过步骤一、画出星座图QPSK1和QPSK2；步骤二、得到旋转之后的QPSK1和QPSK2星座图；步骤三、得到两个对应的16点的SCMA星座图中各星座点的位置坐标；步骤四、计算的乘积距离Rij中选取乘积距离Rij的最小值；步骤五、得到所有的最小乘积距离Rij的最小值；步骤六、确定使Rij最大的旋转角度值θmax等步骤实现的。本发明应用于SCMA码本搜寻领域。

Description

一种基于最大化最小乘积距离准则的SCMA码本搜寻方法
技术领域
本发明涉及SCMA码本搜寻方法，特别涉及一种基于最大化最小乘积距离准则的SCMA码本搜寻方法。
背景技术
稀疏码多址接入(SCMA)是一种新型的非正交多址接入方式，是华为针对高频谱利用效率而提出的一种高速传输技术，该空口技术已被列为5G移动通信候选标准，相比于传统的多址接入技术，它具有容量高时延小传输速率快等优点，抗多径能力强，同时也克服了CDMA远近效应的不足。与低密度信号(LDS)相比，SCMA加入了码本设计，从而获得了一定的码本增益，但与此同时，与传统星座点设计所不同的是，SCMA对码本的设计难度更大，要求更高，目前尚未提出最优化的码本设计方法，因此如何设计出性能更好的码本已成为SCMA面临的巨大挑战。
发明内容
本发明的目的是为了解决SCMA对码本的设计难度更大，要求更高的问题，而提出的一种基于最大化最小乘积距离准则的SCMA码本搜寻方法。
上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
步骤一、画出两个完全相同的标准QPSK星座图，分别为QPSK1和QPSK2其中，QPSK星座图中有4个星座点，4个星座点均在一个圆上，4个星座点中相邻两个星座点分别与原点连线的夹角为90°，星座点距离原点的距离表示调制后信号的幅值，星座点与原点间连线与横轴正半轴夹角表示调制后信号的相位；
步骤二、分别两个星座图QPSK1和QPSK2旋转相同角度θ，得到两个完全相同的旋转之后的QPSK1星座图和QPSK2星座图；
步骤三、根据两个旋转之后QPSK1星座图和QPSK2星座图,计算得到两个对应的16点的SCMA星座图中各星座点的位置坐标；其中，每个16点的SCMA星座图中有16个点，每个点的4个比特为B1、B2、B3和B4；两个对应的16点的SCMA星座图包括第一个16点的SCMA星座图和第二个16点的SCMA星座图；
步骤四、根据步骤三得到的位置坐标计算第一个16点的SCMA星座图中任意两个相对应的点的欧氏距离Rij1和第二个16点的SCMA星座图中任意两个相对应的点的欧氏距离Rij2的乘积距离Rij；在计算的乘积距离Rij中选取乘积距离Rij的最小值；
其中，Rij＝Rij1×Rij2
1≤i≤16,1≤j≤16,且i≠j,i和j分别为16点星座图中不同的星座点；
步骤五、将旋转角度θ从0°增加Δθ，将θ+Δθ重复步骤二～四，直至θ+Δθ增加至90°为止，得到所有的最小乘积距离Rij的最小值；其中，θ为0°～90°；Δθ为0.0001°～1°；
步骤六、对旋转角度θ值进行遍历，确定步骤五中所有的最小乘积距离Rij所对应的旋转角度θ中使Rij最大的旋转角度值θmax；
所有的最小乘积距离Rij所对应的旋转角度θ中使Rij最大的旋转角度值θmax；根据最大旋转角度值θmax得到满足最大化最小乘积距离准则的一对16点SCMA码本。
其中，一对16点SCMA码本包括码本1的16点的SCMA星座图和码本2的16点的SCMA星座图；码本1的16点的SCMA星座图是由QPSK1星座图和QPSK2星座图旋转后的横轴坐标得到的；码本2的16点的SCMA星座图是由QPSK1和QPSK2星座图旋转后的纵轴坐标得到的。
发明效果
本发明以低阶星座点旋转映射的16点SCMA码本模型为基础，提出能够得到满足最大化最小乘积距离准则的SCMA码本搜寻方法。
本发明采用了低阶星座点旋转映射模型，同时对多个资源上的码本进行了联合设计，提出能够得到满足最大化最小乘积距离准则的16点SCMA码本设计方案
本发明提出的设计方案操作简单，计算量小，直接通过低阶星座点旋转映射模型即可以得到高阶的星座图，并且得出的结果既考虑了汉明距离，又通过旋转角度的确定考虑了乘积距离。因此，本发明提出的设计方案在实现足够简单的情况下又保证了误码率性能。
采用本发明提出的最优角度搜寻方法，由于旋转90度后会和0度时重合，所以角度旋转范围为0°到90°，仿真中设定横轴为角度，纵轴为最小乘积距离，首先角度搜寻间隔为1度，可以看出满足最大化最小乘积距离的乘积距离的旋转角度设定在30°到40°以及50°到60°之间，且两者关于45°对称如图4。
接下来进一步增加角度搜寻范围，在50°到60°之间进行间隔为0.1°的搜寻，得到如下仿真图如图5。经过不断减少角度搜寻间隔，计算精度为小数点后4位时，确定符合最大化最小乘积距离的角度为58.2825°。
附图说明
图1(a)为具体实施方式一提出的QPSK1星座图；
图1(b)为具体实施方式一提出的QPSK2星座图；
图2(a)为具体实施方式一提出的QPSK1经旋转后得到的星座图；
图2(b)为具体实施方式一提出的QPSK2经旋转后得到的星座图；
图3(a)为具体实施方式一提出的码本1的SCMA16点星座图；
图3(b)为具体实施方式一提出的码本2的SCMA16点星座图；
图4为具体实施方式一提出的不同旋转角度θ下最小乘积距离数值示意图；其中，横轴为旋转角度θ(增加角度间隔为1°)，纵轴为该角度下最小乘积距离的数值。
图5为具体实施方式一提出的不同旋转角度θ下最小乘积距离数值示意图；其中，横轴为旋转角度θ，(增加角度间隔为0.1°)纵轴为该角度下最小乘积距离的数值。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种基于最大化最小乘积距离准则的SCMA码本搜寻方法，具体是按照以下步骤制备的：
步骤一、画出两个完全相同的标准QPSK(四相相移键控)星座图，分别为QPSK1(如图1(a))和QPSK2(如图1(b))，功率均为a,即每个星座点到原点的距离为a；(标准的QPSK(参考书中可见)默认功率a为1，这里我也直接规定为1，这里QPSK坐标会直接关系到之后得到的16点坐标，因为16点坐标就是根据QPSK坐标而来的)其中，QPSK星座图中有4个星座点，4个星座点均在一个圆上，4个星座点中相邻两个星座点分别与原点连线的夹角为90°，星座点距离原点的距离表示调制后信号的幅值，星座点与原点间连线与横轴正半轴夹角表示调制后信号的相位；
步骤二、分别两个星座图QPSK1和QPSK2旋转相同角度θ，得到两个完全相同的旋转之后的QPSK1星座图(如图2(a))和QPSK2星座图(如图2(b))；
步骤三、根据两个旋转之后QPSK1星座图和QPSK2星座图,计算得到两个对应的16点的SCMA星座图中各星座点的位置坐标；其中，每个16点的SCMA星座图中有16个点，每个点的4个比特为B1、B2、B3和B4；两个对应的16点的SCMA星座图包括第一个16点的SCMA星座图和第二个16点的SCMA星座图；
举例说明如下：第一个16点星座图中的1011，其中前两个数字10根据步骤二中第一个QPSK1星座图中的10对应的x1轴坐标确定横坐标，后两个数字11根据步骤二中第二个星座图QPSK2星座图中的11对应y1轴坐标确定纵坐标。同理，第二个16点QPSK2星座图中的0100，其中前两个数字01根据步骤二中第一个QPSK1星座图中的01对应的x2轴坐标确定横坐标，后两个数字00根据步骤二中第二个QPSK2星座图中的00对应y2轴坐标确定纵坐标。
步骤四、根据步骤三得到的位置坐标计算第一个16点的SCMA星座图中任意两个相对应的点的欧氏距离Rij1和第二个16点的SCMA星座图中任意两个相对应的点的欧氏距离Rij2的乘积距离Rij；在计算的乘积距离Rij中选取乘积距离Rij的最小值；
其中，Rij＝Rij1×Rij2
1≤i≤16,1≤j≤16,且i≠j,i和j分别为16点星座图中不同的星座点；
步骤五、将旋转角度θ从0°增加Δθ，将θ+Δθ重复步骤二～四，直至θ+Δθ增加至90°为止，得到所有的最小乘积距离Rij的最小值；其中，θ为0°～90°；Δθ为0.0001°～1°；
步骤六、通过计算机仿真的方式，对旋转角度θ值进行遍历，确定步骤五中所有的最小乘积距离Rij所对应的旋转角度θ中使Rij最大的旋转角度值θmax；
若想进一步提高所确定角度的精度，则使Δθ减小,重复步骤五和步骤六，直到达到所需要的精度停止迭代。
以0.0001°为间隔时可以得到最优的旋转角度近似的θmax得到θmax≈58.2825°(如图5)(若继续减少遍历的角度间隔，可以得到更为精确的角度值)，所有的最小乘积距离Rij所对应的旋转角度θ中使Rij最大的旋转角度值θmax；使得两个16点的SCMA星座图对应点的最小乘积距离最大化，根据最大旋转角度值θmax得到满足最大化最小乘积距离准则的一对16点SCMA码本。
其中，一对16点SCMA码本包括码本1的16点的SCMA星座图(如图3(a))和码本2的16点的SCMA星座图(如图3(b))；码本1的16点的SCMA星座图是由QPSK1星座图和QPSK2星座图旋转后的横轴坐标得到的；码本2的16点的SCMA星座图是由QPSK1和QPSK2星座图旋转后的纵轴坐标得到的。
此时得到一对16点SCMA码本(但SCMA系统要同时使用两个星座图进行映射，这两个星座图一起称之为SCMA的码本)可表示为：
cons＝[1.3764+1.3764j,0.3249+0.3249j；1.3764-0.3249j,0.3249+1.3764j；1.3764+0.3249j,0.3249-1.3764j；1.3764-1.3764j,0.3249-0.3249j；-0.3249+1.3764j,1.3764+0.3249j；-0.3249-0.3249j,1.3764+1.3764j；-0.3249+0.3249j,1.3764-1.3764j；-0.3249-1.3764j,1.3764-0.3249j；0.3249+1.3764j,-1.3764+0.3249j；0.3249-0.3249j,-1.3764+1.3764j；0.3249+0.3249j,-1.3764-1.3764j；0.3249-1.3764j,-1.3764-0.3249j；-1.3764+1.3764j,-0.3249+0.3249j；-1.3764-0.3249j,-0.3249+1.3764j；-1.3764+0.3249j,-0.3249-1.3764j；-1.3764-1.3764j,-0.3249-0.3249j]；
cons表示16行2列的矩阵，2列分别代表映射到两个资源上的星座点，16行分别代表二进制数0000到1111所映射的星座点。
具体程序代码如下：
同理，将两个BPSK星座图代替步骤一中的QPSK星座图重复上述步骤一至六得到一对4点SCMA码本；
将一个BPSK星座图和一个QPSK星座图代替步骤一中的QPSK星座图重复上述步骤一至六得到一对8点SCMA码本；
SCMA码本为4点SCMA码本、8点SCMA码本或16点SCMA码本。
本实施方式效果：
本实施方式以低阶星座点旋转映射的16点SCMA码本模型为基础，提出能够得到满足最大化最小乘积距离准则的SCMA码本搜寻方法。
本实施方式采用了低阶星座点旋转映射模型，同时对多个资源上的码本进行了联合设计，提出能够得到满足最大化最小乘积距离准则的16点SCMA码本设计方案
本实施方式提出的设计方案操作简单，计算量小，直接通过低阶星座点旋转映射模型即可以得到高阶的星座图，并且得出的结果既考虑了汉明距离，又通过旋转角度的确定考虑了乘积距离。因此，本实施方式提出的设计方案在实现足够简单的情况下又保证了误码率性能。
采用本实施方式提出的最优角度搜寻方法，由于旋转90度后会和0度时重合，所以角度旋转范围为0°到90°，仿真中设定横轴为角度，纵轴为最小乘积距离，首先角度搜寻间隔为1度，可以看出满足最大化最小乘积距离的乘积距离的旋转角度设定在30°到40°以及50°到60°之间，且两者关于45°对称如图4。
接下来进一步增加角度搜寻范围，在50°到60°之间进行间隔为0.1°的搜寻，得到如下仿真图如图5。经过不断减少角度搜寻间隔，计算精度为小数点后4位时，确定符合最大化最小乘积距离的角度为58.2825°。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中两个对应的16点的SCMA星座图中第一个16点的SCMA星座图中点的横坐标即为第一个16点的SCMA星座图中点的前两个比特B1B2(B1B2代表一个点，比如01)对应的QPSK1中的x1轴坐标如图2(a)；第一个16点的SCMA星座图中点的纵坐标即为第一个16点的SCMA星座图中点的后两个比特B3B4对应QPSK2的y1轴坐标如图2(b)。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤三中两个对应的16点的SCMA星座图中第二个16点的SCMA星座图中点的横坐标即为第二个16点的SCMA星座图中点的前两个比特B1B2(B1B2代表一个点，比如01)对应的QPSK1中的x2轴坐标如图2(a)；第二个16点的SCMA星座图中点的纵坐标即为第二个16点的SCMA星座图中点的后两个比特B3B4对应QPSK2的y2轴坐标如图2(b)。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤五中θ为50°～60°。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤五中Δθ为0.0001°～1°。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

Claims (4)

1.一种基于最大化最小乘积距离准则的SCMA码本搜寻方法，其特征在于一种基于最大化最小乘积距离准则的SCMA码本搜寻方法具体是按照以下步骤进行的：
步骤一、画出两个完全相同的标准QPSK星座图，分别为QPSK1和QPSK2；其中，QPSK星座图中有4个星座点，4个星座点均在一个圆上，4个星座点中相邻两个星座点分别与原点连线的夹角为90°，星座点距离原点的距离表示调制后信号的幅值，星座点与原点间连线与横轴正半轴夹角表示调制后信号的相位；
步骤二、分别两个星座图QPSK1和QPSK2旋转相同角度θ，得到两个完全相同的旋转之后的QPSK1星座图和QPSK2星座图；
步骤三、根据两个旋转之后QPSK1星座图和QPSK2星座图,计算得到两个对应的16点的SCMA星座图中各星座点的位置坐标；其中，每个16点的SCMA星座图中有16个点，每个点的4个比特为B1、B2、B3和B4；两个对应的16点的SCMA星座图包括第一个16点的SCMA星座图和第二个16点的SCMA星座图；
步骤四、根据步骤三得到的位置坐标计算第一个16点的SCMA星座图中任意两个相对应的点的欧氏距离Rij1和第二个16点的SCMA星座图中任意两个相对应的点的欧氏距离Rij2的乘积距离Rij；在计算的乘积距离Rij中选取乘积距离Rij的最小值；
其中，Rij＝Rij1×Rij2
1≤i≤16,1≤j≤16,且i≠j,i和j分别为16点星座图中不同的星座点；
步骤五、将旋转角度θ从0°增加Δθ，将θ+Δθ赋值给新的θ，直至θ+Δθ增加至90°为止，以得出的各个所述新的θ分别重复步骤二～四，得到所有的最小乘积距离Rij的最小值；其中，θ的取值范围为0°～90°；Δθ的取值范围为0.0001°～1°；
步骤六、对旋转角度θ值进行遍历，确定步骤五中所有的最小乘积距离Rij所对应的旋转角度θ中使Rij最大的旋转角度值θmax；
所有的最小乘积距离Rij所对应的旋转角度θ中使Rij最大的旋转角度值θmax；根据最大旋转角度值θmax得到满足最大化最小乘积距离准则的一对16点SCMA码本；
其中，一对16点SCMA码本包括码本1的16点的SCMA星座图和码本2的16点的SCMA星座图；码本1的16点的SCMA星座图是由QPSK1星座图和QPSK2星座图旋转后的横轴坐标得到的；码本2的16点的SCMA星座图是由QPSK1和QPSK2星座图旋转后的纵轴坐标得到的。
2.根据权利要求1所述一种基于最大化最小乘积距离准则的SCMA码本搜寻方法，其特征在于：步骤三中两个对应的16点的SCMA星座图中第一个16点的SCMA星座图中点的横坐标即为第一个16点的SCMA星座图中点的前两个比特B1B2对应的旋转之后的QPSK1中的横轴坐标；第一个16点的SCMA星座图中点的纵坐标即为第一个16点的SCMA星座图中点的后两个比特B3B4对应旋转之后的QPSK2的横轴坐标。
3.根据权利要求2所述一种基于最大化最小乘积距离准则的SCMA码本搜寻方法，其特征在于：步骤三中两个对应的16点的SCMA星座图中第二个16点的SCMA星座图中点的横坐标即为第二个16点的SCMA星座图中点的前两个比特B1B2对应的旋转之后的QPSK1中的纵轴坐标；第二个16点的SCMA星座图中点的纵坐标即为第二个16点的SCMA星座图中点的后两个比特B3B4对应旋转之后的QPSK2的纵轴坐标。
4.根据权利要求3所述一种基于最大化最小乘积距离准则的SCMA码本搜寻方法，其特征在于：步骤五中θ的取值范围为50°～60°。
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