CN105634672A - 基于稀疏码多址接入系统的自适应编码调制方案与资源调度方法 - Google Patents

Abstract

基于稀疏码多址接入系统的自适应编码调制方案与资源调度方法，本发明涉及自适应编码调制方案与资源调度方法。本发明是要解决固定调制编码方式的SCMA系统不能够根据信道条件的变化动态地选择适当的编码调制方案，导致难以在系统吞吐量和传输链路质量中得以权衡，从而无法实现多用户情况系统资源的最优分配的问题，而提出的基于稀疏码多址接入系统的自适应编码调制方案与资源调度方法。该方法是通过一、建立系统模型；二、构造出一对4点，8点和16点的SCMA码本；三、多用户情况下进行系统资源的最优分配；四、对自适应调制编码后的用户进行资源调度等步骤实现的。本发明应用于自适应编码调制方案与资源调度领域。

Description

基于稀疏码多址接入系统的自适应编码调制方案与资源调度方法

技术领域

本发明涉及自适应编码调制方案与资源调度方法，特别涉及基于稀疏码多址接入系统的自适应编码调制方案与资源调度方法；

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。

但目前关于SCMA的相关研究仍然十分有限，许多理论方面的研究仍为空白，以自适应调制编码(AdaptiveModulationandCoding，AMC)技术为例，在LTE系统中相关研究已较为成熟，但针对于SCMA系统AMC相关技术方面的研究则少之又少。由此带来的问题是，固定调制编码方式的SCMA系统不能够根据信道条件的变化动态地选择适当的编码调制方案，导致难以在系统吞吐量和传输链路质量中得以权衡，从而无法实现多用户情况系统资源的最优分配。此外，针对于SCMA系统的资源分配算法同样也少有人研究，而合理的资源分配算法能够对系统的吞吐量和公平性进行兼顾，对系统整体的性能带来较大的提升。

发明内容

本发明的目的是为了解决固定调制编码方式的SCMA系统不能够根据信道条件的变化动态地选择适当的编码调制方案，导致难以在系统吞吐量和传输链路质量中得以权衡，从而无法实现多用户情况系统资源的最优分配的问题，而提出的基于稀疏码多址接入系统的自适应编码调制方案与资源调度方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一、建立系统模型；建立蜂窝网多小区系统，在蜂窝网多小区系统中任选一小区，并采用稀疏码多址SCMA方式将该小区的参与调度的用户接入到蜂窝网多小区系统中；

其中，多小区的系统中的每个小区为正六边形，半径为500m；且每个小区均与六个小区相邻，并且参与调度的用户只随机分布在每个小区中；参与调度的用户仿真的业务均为实时视频流业务；实时视频流业务要求的保证数据传输速率为256kbps；

该蜂窝网多小区SCMA系统中规定频域上每四个子载波和时域上每个子帧组成一个子载波组，记每个子帧的长度为1个调度周期，从而每个调度周期内组成75个子载波组SCC；所有的子载波组都参与小区内的用户调度；75个子载波组共占据5MHz带宽；

步骤二、基于最大化最小乘机距离准则构造出一对4点的SCMA码本、一对8点的SCMA码本和一对16点的SCMA码本；

步骤三、在步骤一中选择的小区中，根据瞬时下行SINR值，用户在每个调度周期TTI都将相应的CQI值报告给基站，基站根据上报的CQI信息及时调整和更新用户的信道条件信息，从而实现在多用户情况下进行系统资源的最优分配；

步骤四、根据多用户情况下进行系统资源的最优分配的结果，对自适应调制编码后的用户进行资源调度；

其中，对自适应调制编码后的用户进行资源调度具体过程如下：

(1)、赋值num_TTI＝1,num_TTI为当前调度时隙；

(2)、赋值num_SCC＝1,num_SCC为子载波组的编号，依次为每个子载波组分配用户；

(3)、根据优先级公式计算每个用户在当前调度时隙的优先级数值：M₁(num_TTI),M₂(num_TTI)…M_n(num_TTI)；其中，优先级公式算法为最大吞吐量算法MT或比例公平算法PF；

(4)、根据步骤(3)得出的n个用户优先级数值中挑选出优先级最高的6个用户K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆接受调度；

(5)、在选出的子载波组上传输用户K₁至K₆的数据，并将此子载波组标记为已分配；

(6)、分别判断步骤(5)中用户K₁至K₆获得数据速率是否小于GBR，若K₁至K₆中某个用户获得数据小于GBR，则将此用户保留在服务列表M₁(num_TTI),M₂(num_TTI)，…M_n(num_TTI)中，若K₁至K₆中某个用户获得数据大于GBR，则将此用户从服务列表M₁(num_TTI),M₂(num_TTI)…M_n(num_TTI)中清除；

(7)、判断子载波组是否分配完毕，若没有，则重复步骤(2)～(6)，直至75个子载波组分配完毕；

(8)、num_TTI＝num_TTI+1；

(9)、判断num_TTI是否等于N_TTI，若不相等，则重复步骤(2)～(8)直至num_TTI等于系统调度时隙总数目N_TTI为止。

发明效果

针对于多用户稀疏码多址接入系统，设计出与之相匹配的自适应调制编码方案，能够根据信道条件的变化来动态地进行选择，并且提出了针对于SCMA系统的资源分配算法。

本发明将从SCMA系统的吞吐量和公平性两个方面对MT和PF算法进行性能仿真，并与采用相同调度算法的正交频分多址接入(OFDMA)进行了对比。公平性的衡量采用经典Jain公平性指数作为评价指标：它是一个归一化的指标，取值范围为0～1。当所有分量相等时为1(最佳公平性)，当1个分量攫取了全部资源时为1/n(n是参与竞争的分量数)。SCMA系统完全采用的是部分3中的调制编码方案，其它主要的仿真参数设置如表3所示。

表1系统仿真参数设置

图4对系统的吞吐量进行了仿真。从图4可以看出，无论是MT算法还是PF算法，SCMA系统的吞吐量都要优于OFDMA系统，这是由于在相同的资源下SCMA系统可以容纳更多的用户进行信息传输，虽然在调制编码方式上SCMA相比于LTE中OFDMA在调制阶数和编码速率上有所降低，这是为了保证接收端有足够低的误码率，但整体看来，在系统吞吐量上SCMA有着巨大的优势。

图5对用户间的公平性进行了仿真。从图5可知，在公平性方面SCMA系统与OFDMA系统相差不大，但SCMA系统略优于OFDMA系统，这主要是因为在一定的资源下SCMA系统能够容纳更多的用户，即更多的用户能够接入到系统当中，从而对系统的公平性有所提升。而决定系统公平性最大的因素则是所采用的调度算法。

从调度算法的角度来看，MT算法是将信道条件作为决定用户在资源分配中优先级的唯一因素，因此信道条件好的用户优先接受调度，在载波资源有限的情况下，系统可以充分利用高质量的信道，尽可能发出更多的包，因此可以获得更高的系统吞吐量。但不足的是，一些处于小区边缘的用户由于信道条件不好，一直被分配较少的资源，甚至不被分配资源，造成无法接入到系统当中，从公平性的角度来说，这是所不希望看到的，因此PF算法在MT算法基础上除以了该用户单位时间窗内的平均吞吐量，也就是说考虑了用户已传输的数据速率，兼顾了用户间的公平性。

附图说明

图1(a)为具体实施方式二提出的QPSK1星座图；

图1(b)为具体实施方式二提出的QPSK2星座图；

图2(a)为具体实施方式二提出的经旋转后得到的QPSK1星座图；

图2(b)为具体实施方式二提出的经旋转后得到的QPSK2星座图；

图3(a)为具体实施方式二提出的码本1的SCMA16点星座图；

图3(b)为具体实施方式二提出的码本2的SCMA16点星座图；

图4为具体实施方式一提出的MT与PF算法下SCMA与OFDM系统吞吐量对比示意图；

图5为具体实施方式一提出的MT与PF算法下SCMA与OFDM系统公平性指数对比示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的基于稀疏码多址接入系统的自适应编码调制方案与资源调度方法，具体是按照以下步骤制备的：

步骤一、建立系统模型；建立蜂窝网多小区系统，在蜂窝网多小区系统中任选一小区，并采用稀疏码多址SCMA方式将该小区的参与调度的用户接入到蜂窝网多小区系统中；

其中，多小区的系统中的每个小区为正六边形，半径为500m；且每个小区均与六个小区相邻，并且参与调度的用户只随机分布在每个小区中；参与调度的用户仿真的业务均为实时视频流业务；实时视频流业务要求的保证数据传输速率(GBR)为256kbps；

该蜂窝网多小区SCMA系统中规定频域上每四个子载波和时域上每个子帧(每个子帧包括14个符号)组成一个子载波组，记每个子帧的长度为1个调度周期(TransmissionTimeInterval,调度周期)，从而每个调度周期内组成75个子载波组(Sub-carrierCluster，SCC)；以子载波组为单位进行资源调度；所有的子载波组都参与小区内的用户调度；75个子载波组共占据5MHz带宽；

步骤二、基于最大化最小乘机距离准则构造出一对4点的SCMA码本、一对8点的SCMA码本和一对16点的SCMA码本；为后续的自适应调制编码做准备；

步骤三、自适应调制编码，在步骤一中选择的小区中，由于多路径传播产生的频率选择性衰落和用户运动导致的时间选择性衰落，所以每个用户的瞬时下行SINR(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio，信干噪比)值随物理资源块和TTI(TransmissionTimeInterval,调度周期)的不同而不同；根据瞬时下行SINR值，用户在每个TTI(TransmissionTimeInterval,调度周期)都将相应的CQI(ChannelQualityIndicator，信道质量指示)值报告给基站，基站根据上报的CQI信息及时调整和更新用户的信道条件信息，然后系统采用自适应调制编码(AdaptiveModulationandCoding，AMC)技术，根据信道条件的变化来动态地选择适当的编码调制方案；从而实现在多用户情况下进行系统资源的最优分配；

步骤四、根据多用户情况下进行系统资源的最优分配的结果，对自适应调制编码后的用户进行资源调度；

其中，对自适应调制编码后的用户进行资源调度具体过程如下：

(1)、赋值num_TTI＝1,num_TTI为当前调度时隙；

(2)、赋值num_SCC＝1,num_SCC为子载波组的编号，依次为每个子载波组分配用户；

(3)、根据优先级公式计算每个用户在当前调度时隙的优先级数值：M₁(num_TTI),M₂(num_TTI)…M_n(num_TTI)；其中，优先级公式算法为最大吞吐量算法MT或比例公平算法PF；

(4)、根据步骤(3)得出的n个用户优先级数值中挑选出优先级最高的6个用户K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆接受调度；

(5)、在选出的子载波组上传输用户K₁至K₆的数据，并将此子载波组标记为已分配；

(6)、分别判断步骤(5)中用户K₁至K₆获得数据速率是否小于GBR，若K₁至K₆中某个用户获得数据小于GBR，则将此用户保留在服务列表M₁(num_TTI),M₂(num_TTI)，…M_n(num_TTI)中，若K₁至K₆中某个用户获得数据大于GBR，则将此用户从服务列表M₁(num_TTI),M₂(num_TTI)…M_n(num_TTI)中清除；

(7)、判断子载波组是否分配完毕，若没有，则重复步骤(2)～(6)，直至75个子载波组分配完毕；

(8)、num_TTI＝num_TTI+1；

(9)、判断num_TTI是否等于N_TTI，若不相等，则重复步骤(2)～(8)直至num_TTI等于系统调度时隙总数目N_TTI为止。

本实施方式效果：

针对于多用户稀疏码多址接入系统，设计出与之相匹配的自适应调制编码方案，能够根据信道条件的变化来动态地进行选择，并且提出了针对于SCMA系统的资源分配算法。

本实施方式将从SCMA系统的吞吐量和公平性两个方面对MT和PF算法进行性能仿真，并与采用相同调度算法的正交频分多址接入(OFDMA)进行了对比。公平性的衡量采用经典Jain公平性指数作为评价指标：它是一个归一化的指标，取值范围为0～1。当所有分量相等时为1(最佳公平性)，当1个分量攫取了全部资源时为1/n(n是参与竞争的分量数)。SCMA系统完全采用的是部分3中的调制编码方案，其它主要的仿真参数设置如表3所示。

表2系统仿真参数设置

图4对系统的吞吐量进行了仿真。从图4可以看出，无论是MT算法还是PF算法，SCMA系统的吞吐量都要优于OFDMA系统，这是由于在相同的资源下SCMA系统可以容纳更多的用户进行信息传输，虽然在调制编码方式上SCMA相比于LTE中OFDMA在调制阶数和编码速率上有所降低，这是为了保证接收端有足够低的误码率，但整体看来，在系统吞吐量上SCMA有着巨大的优势。

图5对用户间的公平性进行了仿真。从图5可知，在公平性方面SCMA系统与OFDMA系统相差不大，但SCMA系统略优于OFDMA系统，这主要是因为在一定的资源下SCMA系统能够容纳更多的用户，即更多的用户能够接入到系统当中，从而对系统的公平性有所提升。而决定系统公平性最大的因素则是所采用的调度算法。

从调度算法的角度来看，MT算法是将信道条件作为决定用户在资源分配中优先级的唯一因素，因此信道条件好的用户优先接受调度，在载波资源有限的情况下，系统可以充分利用高质量的信道，尽可能发出更多的包，因此可以获得更高的系统吞吐量。但不足的是，一些处于小区边缘的用户由于信道条件不好，一直被分配较少的资源，甚至不被分配资源，造成无法接入到系统当中，从公平性的角度来说，这是所不希望看到的，因此PF算法在MT算法基础上除以了该用户单位时间窗内的平均吞吐量，也就是说考虑了用户已传输的数据速率，兼顾了用户间的公平性。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中根据星座图计算得到一对16点SCMA码本的具体过程为：

这里以最复杂的16点SCMA码本的构码方式为例进行介绍；

步骤二一、画出两个完全相同的标准QPSK星座图，分别为QPSK1如图1(a)和QPSK2如图1(b)；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；功率均为1,即每个星座点到原点的距离为1；

步骤二二、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)；

步骤二三、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。

步骤二四、根据步骤二三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R_ij1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R_ij2的乘积距离R_ij；在计算的乘积距离R_ij中选取乘积距离R_ij的最小值；

其中，R_ij＝R_ij1×R_ij2

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；

步骤二五、将旋转角度θ从0°增加Δθ，将θ+Δθ重复步骤二二～二四，直至θ+Δθ增加至90°为止，得到所有的最小乘积距离R_ij的最小值；其中，θ为0°～90°；Δθ为0.0001°～1°；

步骤二六、通过计算机仿真的方式，对旋转角度θ值进行遍历，确定步骤二五中所有的最小乘积距离R_ij所对应的旋转角度θ中使R_ij最大的旋转角度值θ_max；

若想进一步提高所确定角度的精度，则使Δθ减小,重复步骤二五和步骤二六，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θ_max得到θ_max≈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R_ij所对应的旋转角度θ中使R_ij最大的旋转角度值θ_max；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θ_max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；

同理，将两个BPSK星座图代替步骤二一中的QPSK星座图重复上述步骤二一至二六得到一对4点SCMA码本；

将一个BPSK星座图和一个QPSK星座图代替步骤二一中的QPSK星座图重复上述步骤二一至二六得到一对8点SCMA码本。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：步骤三中根据瞬时下行SINR值，用户在每个TTI都将相应的CQI值报告给基站，基站根据上报的CQI信息及时调整和更新用户的信道条件信息具体为：

当信道条件较好即SINR＞10.3时，则采用高阶调制和高信道速率即根据一对16点的SCMA码本调制来实现高的传输速率，获得较高的吞吐量；当信道条件质量较差SINR＜4.606时，采用低阶调制即根据一对4点的SCMA码本调制以保证传输链路的质量，当4.606＜SINR＜10.3采用低阶调制即根据一对8点的SCMA码本调制以平衡传输链路的质量和传输速率，从而实现在多用户情况下进行系统资源的最优分配。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：步骤四中最大吞吐量算法MT具体为：

最大吞吐量算法MT： $M_k^i\left(t\right)=r_k^i\left(t\right)=(N-3)\×M\×Q_k\×R$

其中，i为num_SCC；调度时选取在当前子载波组内具有最大优先级的用户k，M为子载波组上的子载波数，N为一个子帧上的符号数，为调度时选取在当前子载波组内具有最大优先级的用户k在第i个子载波组上获得的理论数据传输速率，Q_k是用户k一个符号所能携带的比特数，R为根据用户的SINR值映射得到的用户k在子载波组i上的编码速率；t为num_TTI；k＝1,2,3，…，n。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：步骤四中比例公平算法PF具体为：

比例公平算法PF: $M_k^i\left(t\right)=\frac{r_k^i\left(t\right)}{R_k\left(t\right)}=\frac{(N-3)\×M\×Q_k\×R}{R_k\left(t\right)}$

R_k(t)为用户k在时间窗内的平均吞吐量。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例基于稀疏码多址接入系统的自适应编码调制方案与资源调度方法，具体是按照以下步骤制备的：

步骤一、建立系统模型；建立蜂窝网多小区系统，在蜂窝网多小区系统中任选一小区，(基站位于小区的中心位置)并采用稀疏码多址(SCMA)方式(参考LTE系统进行了SCMA系统参数设置如表1所示)将该小区的参与调度的用户接入到蜂窝网多小区系统中；

其中，多小区的系统中的每个小区为正六边形，半径为500m；且每个小区均与六个小区相邻，并且参与调度的用户只随机分布在每个小区中；参与调度的用户仿真的业务均为实时视频流业务；实时视频流业务要求的保证数据传输速率(GBR)为256kbps；

表3SCMA下行系统参数设置

该蜂窝网多小区SCMA系统中规定频域上每四个子载波和时域上每个子帧(每个子帧包括14个符号)组成一个子载波组，记每个子帧的长度为1个调度周期(TransmissionTimeInterval,调度周期)，从而每个调度周期内组成75个子载波组(Sub-carrierCluster，SCC)；以子载波组为单位进行资源调度；所有的子载波组都参与小区内的用户调度；75个子载波组共占据5MHz带宽；

步骤二、基于最大化最小乘机距离准则构造出一对4点的SCMA码本、一对8点的SCMA码本和一对16点的SCMA码本；为后续的自适应调制编码做准备；

步骤三、自适应调制编码，在步骤一中选择的小区中，由于多路径传播产生的频率选择性衰落和用户运动导致的时间选择性衰落，所以每个用户的瞬时下行SINR(SignaltoInterferenceplusNoiseRatio，信干噪比)值随物理资源块和TTI(TransmissionTimeInterval,调度周期)的不同而不同；根据瞬时下行SINR值，用户在每个TTI(TransmissionTimeInterval,调度周期)都将相应的CQI(ChannelQualityIndicator，信道质量指示)值报告给基站，基站根据上报的CQI信息及时调整和更新用户的信道条件信息，然后系统采用自适应调制编码(AdaptiveModulationandCoding，AMC)技术，根据信道条件的变化来动态地选择适当的编码调制方案如下表2；从而实现在多用户情况下进行系统资源的最优分配；

表2编码调制方式、CQI值与SINR映射表

当信道条件较好即SINR＞10.3时，则采用高阶调制和高信道速率即根据一对16点的SCMA码本调制来实现高的传输速率，获得较高的吞吐量；当信道条件质量较差SINR＜4.606时，采用低阶调制即根据一对4点的SCMA码本调制以保证传输链路的质量，当4.606＜SINR＜10.3采用低阶调制即根据一对8点的SCMA码本调制以平衡传输链路的质量和传输速率，从而实现在多用户情况下进行系统资源的最优分配。

步骤四、根据多用户情况下进行系统资源的最优分配的结果，对自适应调制编码后的用户进行资源调度；

其中，对自适应调制编码后的用户进行资源调度具体过程如下：

(1)、赋值num_TTI＝1,num_TTI为当前调度时隙；

(2)、赋值num_SCC＝1,num_SCC为子载波组的编号，依次为每个子载波组分配用户；

(3)、根据优先级公式计算每个用户在当前调度时隙的优先级数值：M₁(num_TTI),M₂(num_TTI)…M_n(num_TTI)；其中，优先级公式算法为最大吞吐量算法MT或比例公平算法PF；

最大吞吐量算法MT具体为：

最大吞吐量算法MT： $M_k^i\left(t\right)=r_k^i\left(t\right)=(N-3)\×M\×Q_k\×R$

其中，i为num_SCC；调度时选取在当前子载波组内具有最大优先级的用户k，M为子载波组上的子载波数，N为一个子帧上的符号数，为调度时选取在当前子载波组内具有最大优先级的用户k在第i个子载波组上获得的理论数据传输速率，Q_k是用户k一个符号所能携带的比特数，R为根据用户的SINR值由表2映射得到的用户k在子载波组i上的编码速率；t为num_TTI；k＝1，2，3，...，n。

比例公平算法PF具体为：

比例公平算法PF: $M_k^i\left(t\right)=\frac{r_k^i\left(t\right)}{R_k\left(t\right)}=\frac{(N-3)\×M\×Q_k\×R}{R_k\left(t\right)}$

R_k(t)为用户k在时间窗内的平均吞吐量。

(4)、根据步骤(3)得出的n个用户优先级数值中挑选出优先级最高的6个用户K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆接受调度；

(5)、在选出的子载波组上传输用户K₁至K₆的数据，并将此子载波组标记为已分配；

(6)、分别判断步骤(5)中用户K₁至K₆获得数据速率是否小于GBR，若K₁至K₆中某个用户获得数据小于GBR，则将此用户保留在服务列表M₁(num_TTI),M₂(num_TTI)，…M_n(num_TTI)中，若K₁至K₆中某个用户获得数据大于GBR，则将此用户从服务列表M₁(num_TTI),M₂(num_TTI)…M_n(num_TTI)中清除；

(7)、判断子载波组是否分配完毕，若没有，则重复步骤(2)～(6)，直至75个子载波组分配完毕；

(8)、num_TTI＝num_TTI+1；

(9)、判断num_TTI是否等于N_TTI，若不相等，则重复步骤(2)～(8)直至num_TTI等于系统调度时隙总数目N_TTI为止；

针对于多用户稀疏码多址接入系统，设计出与之相匹配的自适应调制编码方案，能够根据信道条件的变化来动态地进行选择，并且提出了针对于SCMA系统的资源分配算法。

本发明将从SCMA系统的吞吐量和公平性两个方面对MT和PF算法进行性能仿真，并与采用相同调度算法的正交频分多址接入(OFDMA)进行了对比。公平性的衡量采用经典Jain公平性指数作为评价指标：它是一个归一化的指标，取值范围为0～1。当所有分量相等时为1(最佳公平性)，当1个分量攫取了全部资源时为1/n(n是参与竞争的分量数)。SCMA系统完全采用的是部分3中的调制编码方案，其它主要的仿真参数设置如表3所示。

表4系统仿真参数设置

图4对系统的吞吐量进行了仿真。从图4可以看出，无论是MT算法还是PF算法，SCMA系统的吞吐量都要优于OFDMA系统，这是由于在相同的资源下SCMA系统可以容纳更多的用户进行信息传输，虽然在调制编码方式上SCMA相比于LTE中OFDMA在调制阶数和编码速率上有所降低，这是为了保证接收端有足够低的误码率，但整体看来，在系统吞吐量上SCMA有着巨大的优势。

图5对用户间的公平性进行了仿真。从图5可知，在公平性方面SCMA系统与OFDMA系统相差不大，但SCMA系统略优于OFDMA系统，这主要是因为在一定的资源下SCMA系统能够容纳更多的用户，即更多的用户能够接入到系统当中，从而对系统的公平性有所提升。而决定系统公平性最大的因素则是所采用的调度算法。

从调度算法的角度来看，MT算法是将信道条件作为决定用户在资源分配中优先级的唯一因素，因此信道条件好的用户优先接受调度，在载波资源有限的情况下，系统可以充分利用高质量的信道，尽可能发出更多的包，因此可以获得更高的系统吞吐量。但不足的是，一些处于小区边缘的用户由于信道条件不好，一直被分配较少的资源，甚至不被分配资源，造成无法接入到系统当中，从公平性的角度来说，这是所不希望看到的，因此PF算法在MT算法基础上除以了该用户单位时间窗内的平均吞吐量，也就是说考虑了用户已传输的数据速率，兼顾了用户间的公平性。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.基于稀疏码多址接入系统的自适应编码调制方案与资源调度方法，其特征在于，该方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、建立系统模型；建立蜂窝网多小区系统，在蜂窝网多小区系统中任选一小区，并采用稀疏码多址SCMA方式将该小区的参与调度的用户接入到蜂窝网多小区系统中；

其中，多小区的系统中的每个小区为正六边形，半径为500m；且每个小区均与六个小区相邻，并且参与调度的用户只随机分布在每个小区中；参与调度的用户仿真的业务均为实时视频流业务；实时视频流业务要求的保证数据传输速率为256kbps；

该蜂窝网多小区SCMA系统中规定频域上每四个子载波和时域上每个子帧组成一个子载波组，记每个子帧的长度为1个调度周期，从而每个调度周期内组成75个子载波组SCC；所有的子载波组都参与小区内的用户调度；75个子载波组共占据5MHz带宽；

步骤二、基于最大化最小乘机距离准则构造出一对4点的SCMA码本、一对8点的SCMA码本和一对16点的SCMA码本；

步骤三、在步骤一中选择的小区中，根据瞬时下行SINR值，用户在每个调度周期TTI都将相应的CQI值报告给基站，基站根据上报的CQI信息及时调整和更新用户的信道条件信息，从而实现在多用户情况下进行系统资源的最优分配；

步骤四、根据多用户情况下进行系统资源的最优分配的结果，对自适应调制编码后的用户进行资源调度；

其中，对自适应调制编码后的用户进行资源调度具体过程如下：

(1)、赋值num_TTI＝1,num_TTI为当前调度时隙；

(2)、赋值num_SCC＝1,num_SCC为子载波组的编号，依次为每个子载波组分配用户；

(3)、根据优先级公式计算每个用户在当前调度时隙的优先级数值：M₁(num_TTI),M₂(num_TTI)…M_n(num_TTI)；其中，优先级公式算法为最大吞吐量算法MT或比例公平算法PF；

(4)、根据步骤(3)得出的n个用户优先级数值中挑选出优先级最高的6个用户K₁、K₂、K₃、K₄、K₅、K₆接受调度；

(5)、在选出的子载波组上传输用户K₁至K₆的数据，并将此子载波组标记为已分配；

(6)、分别判断步骤(5)中用户K₁至K₆获得数据速率是否小于GBR，若K₁至K₆中某个用户获得数据小于GBR，则将此用户保留在服务列表M₁(num_TTI),M₂(num_TTI)，…M_n(num_TTI)中，若K₁至K₆中某个用户获得数据大于GBR，则将此用户从服务列表M₁(num_TTI),M₂(num_TTI)…M_n(num_TTI)中清除；

(7)、判断子载波组是否分配完毕，若没有，则重复步骤(2)～(6)，直至75个子载波组分配完毕；

(8)、num_TTI＝num_TTI+1；

(9)、判断num_TTI是否等于N_TTI，若不相等，则重复步骤(2)～(8)直至num_TTI等于系统调度时隙总数目N_TTI为止。

2.根据权利要求1所述基于稀疏码多址接入系统的自适应编码调制方案与资源调度方法，其特征在于：步骤二中根据星座图计算得到一对16点SCMA码本的具体过程为：

步骤二一、画出两个完全相同的标准QPSK星座图，分别为QPSK1和QPSK2；

步骤二二、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；

步骤二三、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；

步骤二四、根据步骤二三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R_ij1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R_ij2的乘积距离R_ij；在计算的乘积距离R_ij中选取乘积距离R_ij的最小值；

其中，R_ij＝R_ij1×R_ij2

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；

步骤二五、将旋转角度θ从0°增加Δθ，将θ+Δθ重复步骤二二～二四，直至θ+Δθ增加至90°为止，得到所有的最小乘积距离R_ij的最小值；其中，θ为0°～90°；Δθ为0.0001°～1°；

步骤二六、对旋转角度θ值进行遍历，确定步骤二五中所有的最小乘积距离R_ij所对应的旋转角度θ中使R_ij最大的旋转角度值θ_max；

所有的最小乘积距离R_ij所对应的旋转角度θ中使R_ij最大的旋转角度值θ_max；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θ_max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。

3.根据权利要求2所述基于稀疏码多址接入系统的自适应编码调制方案与资源调度方法，其特征在于：步骤三中根据瞬时下行SINR值，用户在每个TTI都将相应的CQI值报告给基站，基站根据上报的CQI信息及时调整和更新用户的信道条件信息具体为：

当信道条件较好即SINR＞10.3时，则采用高阶调制和高信道速率即根据一对16点的SCMA码本调制；当信道条件质量较差SINR＜4.606时，采用低阶调制即根据一对4点的SCMA码本调制，当4.606＜SINR＜10.3采用低阶调制即根据一对8点的SCMA码本调制，从而实现在多用户情况下进行系统资源的最优分配。

4.根据权利要求3所述基于稀疏码多址接入系统的自适应编码调制方案与资源调度方法，其特征在于：步骤四中最大吞吐量算法MT具体为：

最大吞吐量算法MT： $M_k^i\left(t\right)=r_k^i\left(t\right)=(N-3)\×M\×Q_k\×R$

其中，i为num_SCC；调度时选取在当前子载波组内具有最大优先级的用户k，M为子载波组上的子载波数，N为一个子帧上的符号数，为调度时选取在当前子载波组内具有最大优先级的用户k在第i个子载波组上获得的理论数据传输速率，Q_k是用户k一个符号所能携带的比特数，R为根据用户的SINR值映射得到的用户k在子载波组i上的编码速率；t为num_TTI； $M_k(num\_\underset{\‾}{TTI})=M_k^i\left(t\right);k=1,2,3,...,n.$

5.根据权利要求4所述基于稀疏码多址接入系统的自适应编码调制方案与资源调度方法，其特征在于：步骤四中比例公平算法PF具体为：

比例公平算法PF: $M_k^i\left(t\right)=\frac{r_k^i\left(t\right)}{R_k\left(t\right)}=\frac{(N-3)\×M\×Q_k\×R}{R_k\left(t\right)}$

R_k(t)为用户k在时间窗内的平均吞吐量。