CN105634712A - 高斯信道下scma简易码本设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高斯信道下SCMA简易码本设计方法，属于通信系统技术领域。该方法主要应用在高斯信道下，先设计每个资源块上所有用户的总星座图，然后利用网格编码调制(trellis？coded？modulation，TCM)中的子集分割法生成各用户对应的星座，然后构造映射矩阵，最后将用户星座与映射矩阵联合构造星座矩阵，最后根据星座矩阵生成码本。本发明不仅保证了用户之间的星座点间最小欧式距离最大化，同时保证了用户自身星座点间最小欧式距离最大化。因此，应用本发明，系统的误比特率(bit？error？rate,BER)低，且在高过载率条件下，系统性能也表现良好。

Description

高斯信道下SCMA简易码本设计方法

技术领域

本发明属于通信系统技术领域，涉及一种高斯信道下SCMA简易码本设计方法。

背景技术

移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，因此，未来移动终端的数量将呈现爆发式增长，5G必须要满足海量连接的特点。每一代移动通信的更新换代都会伴随着多址技术的演变，现有通信系统都是采用正交的多址接入方式，即多个用户通过在不同维度上(频分，时分，码分等)正交划分的资源来接入。例如4G系统中采用的OFDMA将传输带宽划分成正交的一系列子载波集，再将不同的子载波集分配给不同的用户实现多址。正交多址接入由于其接入用户数和正交资源成正比，不能满足5G海量连接的需求。近年来支持过载连接的非正交多址接入被提出作为5G的候选多址接入技术。

稀疏码分多址(sparsecodemultipleaccess，SCMA)，也是一种非正交多址接入方式。在SCMA编码中，每个用户都有其专用的码本(codebook，CB)，编码比特直接映射到SCMA码本中的一个多维码字上，替代了原始码分多址中的调制和扩频，且多个用户的码字在资源块上叠加传输，可以成倍增加用户数量，从而更好的提升系统整体容量。SCMA码本设计直接关系到最后接收机的复杂度，系统的误码率，以及系统的过载率。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高斯信道下SCMA简易码本设计方法，具体技术方案如下：

一种高斯信道下SCMA简易码本设计方法，该方法中将网格编码调制子集分割法应用于码本设计，具体包括以下步骤：

S1：设计资源块上总的星座图，采用PSK，QAM等星座图产生，星座点总数为2^W·d_f；设计资源块上总的星座图的目的是保证叠加在资源块上的用户任意星座点间的欧式距离尽可能大；资源块上总的星座采用现有成熟的PSK，QAM等星座产生，各资源块上有效用户的星座通过对资源块上的总星座进行子集分割产生，设计方法简单且性能较好；

S2：对总星座进行子集分割生成各用户星座图；

S3：构造映射矩阵；

S4：结合映射矩阵和用户对应的子集星座，生成用户与资源块对应的星座矩阵；

S5：由星座矩阵生成码本，并将这种方案设计的码本称为TCM码本。

进一步，在步骤S2中，采用TCM子集分割法从资源块上总的星座图生成资源块上有效用户的星座图，每个用户在各资源块上占据的星座点数均为2^W；TCM子集分割法能够保证同一资源块上用户间星座点间最小欧式距离最大化的同时，保证用户自身星座点间最小欧式距离最大化。

本发明的有益效果在于：本发明不仅保证了用户之间的星座点间最小欧式距离最大化，同时保证了用户自身星座点间最小欧式距离最大化。因此，应用本发明，系统的误比特率(biterrorrate,BER)低，且在高过载率条件下，系统性能也表现良好。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为SCMA编码原理图；

图2为本发明实施流程图；

图3为16QAM子集分割图；

图4为12PSK子集分割图；

图5为用户与资源块对应的星座矩阵；

图6所提方案设计的码本与5G竞赛公布码本的性能对比图；

图7所提方案设计的码本在不同过载率条件下的性能仿真曲线。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

用N表示码字的长度，也就是传输数据的资源块总数。用R表示码字中的非零元素个数，也就是每个用户实际传输过程中占用的有效资源块数。用户每次传输的比特数为W，由此可以确定，采用SCMA编码的最大用户数为：

$J_{max}=\left(\begin{array}{c}N\\ R\end{array}\right)$

每个资源块上实际传输的用户数为：

$d_f=\frac{JR}{N}$

用户的过载率为：

$\mathrm{\λ}=\frac{J}{N}$

SCMA编码中，每个用户对应一个独一无二的码本，每个用户码本是一个N×2^W的复数矩阵。每个用户每次传输Wbit信息，包含2^W种可能的值，分别对应2^W个码字。

图1为SCMA编码原理图，假设6个用户在4个资源块上同时发送信息，每个用户实际占用的资源数为2，每个用户每次传输2bit信息。即J＝6,N＝4，R＝2,W＝2,假设用户发送的二进制比特为00～11时分别对应用户码本的第1～4列。用户1～用户6分别传输11，10，10，00，01，11，各用户对应码本的第4，3，3，1，2，4列码字被挑选出来，叠加在4个资源块上传输。对于每一个码字而言，包含零项和非零项，零项表示用户在该资源块上不传输信号，非零项表示用户在该资源块上传输信号，且信号的强度为非零项的值。为了表示的方便，本实施例采用映射矩阵F来表示这样一种结构，图1对应的F矩阵如下所示：

$F_{4-6}=\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 1& 0& 1& 0\\ 1& 0& 0& 1& 0& 1\\ 0& 1& 1& 0& 0& 1\\ 0& 1& 0& 1& 1& 0\end{array}\right],F_{n,k}=\left\{\begin{array}{cc}0,& s_{n,k}=0\\ 1,& s_{n,k}\≠0\end{array}\right.$

F_4-6表示F矩阵对应6个用户在4个资源块上传输时的映射矩阵，F_n,k表示F矩阵中的第n行第k列，s_n,k表示用户k在资源块n上传输的信号值。例如，F矩阵第1列表示用户1实际上只在资源块1和资源块2上传输信号，第1行表示实际上在资源块1上传输信号的是用户1，用户3和用户5。

从F矩阵中可知，每个资源块上实际叠加的有效用户数为3，因此，对于资源块n上的信号，经过高斯信道传输后的接收信号可以表示为：

y_n＝h_n,1C_1,n(m₁)+h_n,2C_2,n(m₂)+h_n,3C_3,n(m₃)+z_n

其中，h_n,k表示资源块n上用户k的信道系数。本文只考虑理想信道的情况，即h_n,k＝1。m_k表示用户k选择的码字，C_k,n(m_k)表示用户k采用m_k对应的码字时，该码字第n个值。z_n表示资源块n上的白噪声功率。

图2所示为本发明实施流程图，具体包括如下步骤：

步骤201，设计资源块上总的星座图。可以采用PSK,QAM等星座图产生，星座点总数为2^W·d_f。为了保证每个资源块上实际传输的用户之间能够相互区分，则要求在同一个资源块上的用户对应的星座点不能重合。设用户每次传输的比特数为W,则用户需要占用的星座点数为：

M＝2^W

由此可计算出，每个资源块上对应的星座点数为：

L＝M·d_f

步骤202，采用TCM子集分割法从资源块上总的星座图生成资源块上有效用户的星座图。TCM子集分割方案如图3所示，这里以对16QAM星座图进行子集分割来说明。假设16QAM星座图中相邻星座点的欧式距离为1，第一步，将16QAM信号集分割为两个一阶子集B₀和B₁，每个子集含有8个信号点，保证各子集星座点间的最小欧式距离最大，这里，一阶子集星座点间的最小欧式距离为1.414。第二步，将一阶子集再分成经过二个二阶子集C₀，C₁和C₂，C₃，每个二阶子集含有4个星座点，分割后二阶子集星座点间的最小欧式距离为2。TCM子集分割过程中，每次分割后的子集内星座点间的最小欧式距离将不断增加。

采用子集分割后，资源块上的总星座将产生d_f个子集，每个子集上由M个星座符号组成，对应资源块上有效用户的星座图。各个子集星座点集合分别表示为S_1,n，S_2,n，…，S_df，n。这里，用户间的最小欧式距离等于总星座上任意两点间的最小欧式距离，用户内的最小欧式距离等于子集星座内任意两点间的最小欧式距离。因此，采用TCM子集分割法保证了用户之间的星座点间最小欧式距离最大化的同时，保证了用户自身星座点间最小欧式距离最大化。

步骤203，构造映射矩阵。映射矩阵F有如下要求：

(1)每行每列中1的个数必须足够少，这里，每列中1的个数为R，每行中1的个数为d_f。

(2)构成的因子图必须全部连通。

上述要求与LDPC矩阵的要求非常相似。因此，任何LDPC矩阵可以用作此处的F矩阵，F矩阵可以通过手动设计或从已设计好的LDPC矩阵中得到。

步骤204，结合映射矩阵和用户对应的子集星座，生成用户与资源块对应的星座矩阵。用户码本可以表示成N×M的矩阵，具体排列结构由F矩阵确定：

${\mathrm{CB}}_{k,n}=\left\{\begin{array}{cc}{S}_{rand\left(p\right),n},& F_{n,k}=1\\ 0,& F_{n,k}=0\end{array}\right.$

且：S_rand(i),n≠S_rand(j),n(i,j∈{1,2,...,d_f})其中CB_k，n表示用户k在资源块n上可能的取值集合。S_rand(p),n表示集合{S_1,n,S_2,n,...,S_df，n}随机重排后的第p个值。

步骤205，由星座矩阵生成码本。CB_k,n构成的星座矩阵中，行代表资源块，列代表用户，星座矩阵中的值由信号的星座和0构成。其中每列k，对应用户k占据的资源块及其对应的星座图，将CB_k,n中每一列展开成N×M矩阵，构成3维矩阵，第一维度n表示资源块，第二维度m表示码字，第三维度k表示用户，第一维度和第二维度对应的矩阵即为每个用户对应的码本，由此得到J个用户的码本设计如下式：

${\mathrm{CB}}_{k,n}\left(m\right)=\{\begin{array}{cc}{S}_{rand\left(p\right),n}\left(m\right),& F_{n,k}=1\\ 0,& F_{n,k}=0\end{array},m\∈\[1,M\]$

CB_k,n(m)表示用户k在资源块n的第m个码字的值。

下面以6个用户在4个资源块上传输,每个用户实际占用两个资源块为例，来说明简易码本的设计过程。然后通过与5G算法创新竞赛中提供的码本进行仿真对比，来说明本发明提供的码本设计方案的可行性及性能。

此时，J＝6，N＝4，R＝2。由此可以计算出，每个资源块上实际传输的用户数为：d_f＝6×2/4＝3，过载率为：λ＝6/4＝150％。F矩阵采用下式：

$F_{6-4}=\left[\begin{array}{cccccc}0& 1& 1& 0& 1& 0\\ 1& 0& 1& 0& 0& 1\\ 0& 1& 0& 1& 0& 1\\ 1& 0& 0& 1& 1& 0\end{array}\right]$

假设用户每次传输2bit，即M＝4，由(6)知，每个资源块上的星座点数为L＝4·3＝12。

对应各资源块上的总星座可采用12PSK星座图表示，总星座点数为12，然后采用TCM子集分割法将这些星座点分配给3个用户，保证分割之后各子星座内的星座点间最小欧式距离最大化，对应的子集划分图如图4所示。

在分割之前，星座点之间的最小欧式距离为：

$d_1=2\·sin\left(\frac{2\mathrm{\π}}{2\·L}\right)\≈0.518$

分割之后，星座点之间的最小欧式距离为：

$d_2=2\·sin(3\·\frac{2\mathrm{\π}}{2\·L})=1.414$

每个用户的符号映射到一个子集星座上，从而保证用户内星座点间最小欧式距离最大化。

本例中每个资源块上实际传输3个用户，且3个用户选择的子集星座是随机的。因此，用户与子集星座之间有多种对应关系，其中一种对应关系图如图5所示。图5中，白色星座点表示子集星座1，灰色星座表示子集星座2，黑色星座表示子集星座3。

从图5中也可以看到，各资源块上承载的用户是不同的，同一资源块上的不同用户对应的星座图合并起来，就是前面所说的12PSK星座图。同时也可以看到，同一用户的信息会在不同的资源块上同时传输，从而保证了在高过载率条件下，译码的准确性。

通过图5的对应关系图，生成的每个用户的码本如表1所示。这里以计算用户3对应的码本的第2个码字的值来进行说明，假设第1个码字到第4个码字分别对应星座图上的第一到第四象限。因此第2个码字对应星座图上第二象限的值。映射矩阵F可以看出，用户3的码字结构为F_n,3＝[1100]^T即F矩阵中的第3列,它表示用户3只在资源块1,2上传输信号。所求C_3,n(2)向量中的第1个元素的值为用户3在资源块1上的星座图的第二象限上的值，即为-0.966+0.259i，第2个元素对应位置的值为用户3在资源块2上的星座图的第二象限上的值，即为-0.966+0.259i，第3个元素和第4个元素对应的值为0，由此可得用户3码本的第2个码字的值为：

$C_{3,n}\left(2\right)=\left[\begin{array}{c}-0.966+0.259i\\ -0.966+0.259i\\ 0\\ 0\end{array}\right]$

同理可以计算出其它用户的码字，进而得到6个用户的TCM码本。

表16个用户码本

在高斯白噪声下，通过上述方案设计出来的TCM码本，与5G竞赛中用到的码本，在采用1/2码率turbo编码，并采用MPA算法译码，得到的BER-SNR性能仿真曲线如图6所示。从图6中可以看到，本发明提出的TCM码本在对抗高斯白噪声时有较好的性能，当turbo码码率为1/2时，本文提出的TCM码本相比于5G算法创新竞赛中的码本，能有效提高2dB的性能。

不同过载率条件下的性能比较：

依然采用上文描述的方法来设计码本，设N＝6，R＝2，则可计算出，最大用户数为：J＝15，即此时最多可同时传输15个用户，这里，取J₁＝6，J₂＝9，J₃＝12，J₄＝15,对应每个资源块上实际传输的用户数分别为：d_f1＝2,d_f2＝3,d_f3＝4,d_f4＝5,不同用户数下的过载率分别为：λ₁＝100％，λ₂＝150％，λ₃＝200％，λ₄＝250％。

不同过载率下映射矩阵F矩阵可以分别表示为：

$F_{6-6}=\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 1\\ 0& 1& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$F_{6-9}=\left[\begin{array}{ccccccccc}1& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0\\ 1& 0& 1& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 1& 1\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$F_{6-12}=\left[\begin{array}{cccccccccccc}1& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 1& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 1\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right]$

$F_{6-15}=\left[\begin{array}{ccccccccccccccc}1& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0\\ 0& 1& 0& 1& 1& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 1& 1& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 1\end{array}\right]$

针对以上4种情况，采用1/2码率turbo编码，得到的不同过载率条件下的BER-SNR性能曲线如图7所示。

从图7中可以看出，采用本发明提出的TCM码本设计方案在用户过载条件下依然表现出良好的性能。同时，也可以看出，误码率会随着过载率的增加而增加。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种高斯信道下SCMA简易码本设计方法，其特征在于：该方法中将网格编码调制子集分割法应用于码本设计，具体包括以下步骤：

S1：设计资源块上总的星座图，采用PSK，QAM等星座图产生，星座点总数为2^W·d_f；其中W表示用户每次传输的比特数，d_f每个资源块上实际传输的用户数；

S2：对总星座进行子集分割生成各用户星座图；

S3：构造映射矩阵；

S4：结合映射矩阵和用户对应的子集星座，生成用户与资源块对应的星座矩阵；

S5：由星座矩阵生成码本。

2.根据权利要求1所述的一种高斯信道下SCMA简易码本设计方法，其特征在于：在步骤S2中，采用TCM子集分割法从资源块上总的星座图生成资源块上有效用户的星座图，每个用户在各资源块上占据的星座点数均为2^W；TCM子集分割法能够保证同一资源块上用户间星座点间最小欧式距离最大化的同时，保证用户自身星座点间最小欧式距离最大化。