CN105656603B - 一种基于树修剪的scma译码方法及系统 - Google Patents

一种基于树修剪的scma译码方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于树修剪的SCMA译码方法，包括以下步骤：S1、基于树修剪方法计算信道残差；S2、根据所述信道残差和变量节点的对数域信息，更新物理资源节点的对数域信息；S3、根据所述物理资源节点的对数域信息，更新变量节点的对数域信息，完成一次迭代并记录当前迭代次数；S4、判断当前迭代次数是否小于预设值，若是，则将S3中得到的变量节点的对数域信息代入S2中再次进行迭代计算，若否，则停止迭代；S5、将S3中当前变量节点的对数域信息进行输出。本发明采用树修剪的方法计算信道残差能够在几乎不损失性能的条件下将算法整体复杂度进一步降低20%，大大提高了SCMA算法的计算效率。

Description

一种基于树修剪的SCMA译码方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通讯领域，特别涉及一种基于树修剪的SCMA译码方法及系统。
背景技术
数据流量的爆炸式增长、各类新型业务和场景的不断涌现以及连接设备的海量接入，促进了第五代移动通信(5G)的出现与发展。在实现“信息随心至，万物触手及”总体愿景的同时，未来5G技术面临着新的挑战。现有的通信系统采用正交多址接入技术，实现简单，但由于其所能接入的用户与正交资源块成正比，并不能满足5G大容量、海量连接、超低时延等需求。因此，稀疏码多址接入技术(SCMA)成为实现5G愿景的最核心技术之一。
SCMA是一种非正交多址技术。“非正交、稀疏性、多维调制”是它的三大特点。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，并结合信道译码完成多用户的比特串恢复。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。SCMA采用的MPA(Message Decoding Algorithm)检测算法涉及到大量的非线性指数、乘法及除法运算，复杂度较大；对数域MAX LOG-MPA算法可以避免非线性指数运算，并将大量的乘法转换成加法，降低了硬件开销，但是，MAX LOG-MPA算法在计算接收信号与各种可能的码字符号的组合的信道归一化残差时，涉及到大量的复数乘法，据统计该残差计算的复杂度占整个SCMA算法复杂度的60％，导致其计算效率较低。
发明内容
本发明在于克服现有技术的上述不足，提供一种能够降低算法复杂度、提高计算效率的基于树修剪的SCMA译码方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用是技术方案是：
一种基于树修剪的SCMA译码方法，包括以下步骤：
S1、基于树修剪方法计算信道残差；
S2、根据所述信道残差和变量节点的对数域信息，更新物理资源节点的对数域信息；
S3、根据所述物理资源节点的对数域信息，更新变量节点的对数域信息，完成一次迭代并记录当前迭代次数；
S4、判断当前迭代次数是否小于预设值，若是，则将S3中得到的变量节点的对数域信息代入S2中再次进行迭代计算，若否，则停止迭代；
S5、将S3中当前变量节点的对数域信息进行输出。
所述信道残差由下式计算：
其中，分别表示与第n个资源块相连 的变量节点i可能取到的星座符号，与第n个资源块相连的变量节点j可能取到的星座符号， 与第n个资源块相连的变量节点k可能取到的星座符号；分别表示第n个资源块 与变量节点i的之间的信道参数，第n个资源块与变量节点j的之间的信道参数，第n个资源 块与变量节点k的之间的信道参数；yn表示第n个资源块的接收信号。
进一步地，所述S1步骤包括：
S101、计算
S102、计算
S103、计算
S104、用l1-norm对作近似，并用近似结果作大小比较，其中l1-norm的定 义为
S105、根据S104的比较结果，对S104中得到的L个中较大者用 作修剪，对剩余的个中较小者进一步求其中l2- norm的定义为遍历n就可以计算得到信道 残差；
S106、将步骤S105得到的结果进行输出，
其中， 分别表示与第n个资源块相连的变量节点i可能取到的星座符号，与第n个资源块相连的变量节点j可能取到的星座符号，与第n个资源块相连的变量节点k可能取到的星座符号； 分别表示第n个资源块与变量节点i的之间的信道参数，第n个资源块与变量节点j的之间的信道参数，第n个资源块与变量节点k的之间的信道参数；yn表示第n个资源块的接收信号。
进一步地，所述物理资源节点对数域信息由下式计算：
其中表示第l次迭代时，物理资源节点n传递给变量节点k的对数域信息，分别表示变量节点i传递给物理资源节点n的对数域信息、变量节点j传递给物理资源节点n的对数域信息。
进一步地，所述步骤S2包括：
S201、初始化r＝1；
S202、初始化s＝1；
S203、初始化t＝1；
S204、计算
S205、判断是否成立，若是则跳转到步骤S206，若否则跳转到步骤S207；
S206、令t＝t+1，并执行步骤S204；
S207、判断是否成立，若是则跳转到步骤S208，若否则跳转到步骤S209；
S208、令s＝s+1，并执行步骤S203；
S209、计算
S210、判断是否成立，若是则跳转到步骤S211，若否则跳转到步骤S212；
S211、令r＝r+1，并执行步骤202；
S212、将资源节点n第l次更新得到的对数域信息传递给S3中变量节点进行迭代计算，
其中，r，s，t均为正整数。
进一步地，所述变量节点对数域信息由下式计算：
其中表示第l次迭代时，变量节点k传递给物理资源节点m的消息，表示与变量节点k相连的其他物理资源节点(例如资源节点n)传递回来的信息。
进一步地，所述S3步骤包括：
S301、计算
S302、初始化t＝1；
S303、计算
S304、判断是否成立，若是则跳转到步骤S305，若否则跳转到步骤S306；
S305、令t＝t+1，并执行步骤S303；
S306、将变量节点k第l次更新得到的对数域信息传递给步骤S2的物理资源节点进行迭代计算。
本发明同时提供一种基于树修剪的SCMA译码系统，用于实现本发明所述的方法，包括：
信道残差计算单元，用于计算基于树修剪的信道残差并进行输出；
物理资源节点计算单元，连接所述信道残差计算单元，用于接收所述信道残差计算单元输出的信道残差，根据所述信道残差和变量节点的对数域信息，计算物理资源节点的对数域信息并输出；
变量节点更新单元，连接所述物理资源节点计算单元，用于根据所述物理资源节点的对数域信息更新所述变量节点的对数域信息，并将更新的变量节点的对数域信息进行输出，完成一次迭代并记录当前迭代次数；
判断单元，所述判断单元连接所述变量节点更新单元、所述资源节点更新单元、似然比计算单元，用于判断当前迭代次数是否小于预设值，若是，则将所述更新的变量节点的对数域信息输出到所述物理资源节点计算单元，再次进行迭代计算，若否，则将所述更新的变量节点的对数域信息输出到所述似然比计算单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果
本发明的一种基于树修剪的SCMA译码方法，对现有技术MAXLOG-MPA算法的信道残差计算进行了改进，现有技术在计算接收信号与各种可能的码字符号的组合的信道归一化残差时，涉及到大量的复数乘法，该残差计算的复杂度占整个SCMA算法复杂度的60％，本发明采用树修剪的方法计算信道残差能够在几乎不损失性能的条件下将算法整体复杂度进一步降低20％，大大提高了SCMA算法的计算效率。
附图说明
图1所示是本发明的一个具体实施例中的一种基于树修剪的SCMA译码方法计算流程图。
图2所示是本发明的一个具体实施例中的一种基于树修剪的SCMA译码方法信道残差计算流程图。
图3所示是本发明的一个具体实施例中的一种基于树修剪的SCMA译码方法物理资源节点计算流程图。
图4所示是本发明的一个具体实施例中的一种基于树修剪的SCMA译码方法变量节点更新计算流程图。
图5所示是本发明的一个具体实施例中的一种基于树修剪的SCMA译码系统模块框图。
图6所示是本发明的一个具体实施例中的一种基于树修剪的SCMA译码系统的信道残差单元计算原理图。
图7所示是本发明的一个具体实施例中的一种基于树修剪的SCMA译码系统的资源节点计算单元计算原理图。
图8所示是本发明的一个具体实施例中的一种基于树修剪的SCMA译码系统的变量节点更新单元计算原理图。
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所示是本发明的一个具体实施例中的一种基于树修剪的SCMA译码方法计算流程图。
包括以下步骤：
S1、基于树修剪方法计算信道残差；
S2、根据所述信道残差和变量节点的对数域信息，更新物理资源节点的对数域信息；
S3、根据所述物理资源节点的对数域信息，更新变量节点的对数域信息，完成一次迭代并记录当前迭代次数；
S4、判断当前迭代次数是否小于预设值，若是，则将S3中得到的变量节点的对数域信息代入S2中再次进行迭代计算，若否，则停止迭代；
S5、将S3中当前变量节点的对数域信息进行输出。
本发明的一种基于树修剪的SCMA译码方法，对现有技术MAXLOG-MPA算法的信道残差计算进行了改进，现有技术在计算接收信号与各种可能的码字符号的组合的信道归一化残差时，涉及到大量的复数乘法，该残差计算的复杂度占整个SCMA算法复杂度的60％，本发明采用树修剪的方法计算信道残差能够在不损失性能的条件下将算法的复杂度从原来的60％降低到30％，大大提高了SCMA算法的计算效率。
进一步地，参看图2，所述S1步骤包括：
S101、计算此时会产生Q个树分支；；
S102、计算此时会产生Q2个树分支；
S103、计算此时会产生Q3 个树节点；
S104、用l1-norm对作近似，并用近似结果作大小比较，其中l1-norm的定 义为
S105、根据S104的比较结果，对S104中得到的L个中较大者用作修剪，对剩余的个中较小者进一步求 其中l2-norm的定义为遍历n就可以计算得 到信道残差；
S106、将步骤S105得到的结果进行输出，
其中， 分别表示与第n个资源块相连的变量节点i可能取到的星座符号，与第n个资源块相连的变量节点j可能取到的星座符号，与第n个资源块相连的变量节点k可能取到的星座符号； 分别表示第n个资源块与变量节点i的之间的信道参数，第n个资源块与变量节点j的之间的信道参数，第n个资源块与变量节点k的之间的信道参数；yn表示第n个资源块的接收信号。
在一个具体实施例中，当6个用户复用在4个资源块上，码本大小Q＝4时，τ取经验值0.875，并在以倒数第二层的节点为起点衍生出去叶子节点中保留2路分支，其余进行修剪(l1-norm近似)时，可以做到几乎不损失性能的条件下，将复杂度由原来N(2Q3+12Q)次实数乘法和N(7Q3+6Q)实数加法降低为N(4Q2+12Q)次实数乘法和N(3Q2+3Q2+8Q)实数加法，算法总体复杂度降低了30％。
进一步地，所述物理资源节点对数域信息由下式计算：
其中表示第l次迭代时，物理资源节点n传递给变量节点k的对数域信息，分别表示变量节点i传递给物理资源节点n的对数域信息、变量节点j传递给物理资源节点n的对数域信息。
进一步地，参看图3，所述步骤S2包括：
S201、初始化r＝1；
S202、初始化s＝1；
S203、初始化t＝1；
S204、计算
S205、判断是否成立，若是则跳转到步骤S206，若否则跳转到步骤S207；
S206、令t＝t+1，并执行步骤S204；
S207、判断是否成立，若是则跳转到步骤S208，若否则跳转到步骤S209；
S208、令s＝s+1，并执行步骤S203；
S209、计算
S210、判断是否成立，若是则跳转到步骤S211，若否则跳转到步骤S212；
S211、令r＝r+1，并执行步骤202；
S212、将资源节点n第l次更新得到的对数域信息传递给S3中变量节点进行迭代计算，
其中，r，s，t均为正整数。
第一次初始化r，s，t无先后顺序，即在第一次执行S201、S202、S203时不分执行顺序。
进一步地，参看图4，所述S3步骤包括：
S301、计算
S302、初始化t＝1；
S303、计算
S304、判断是否成立，若是则跳转到步骤S305，若否则跳转到步骤S306；
S305、令t＝t+1，并执行步骤S303；
S306、将变量节点k第l次更新得到的对数域信息传递给步骤S2的物理资源节点进行迭代计算。
实施例2：
本发明同时提供一种基于树修剪的SCMA译码系统，用于实现本发明所述的方法，图5所示是本发明的一个具体实施例中的一种基于树修剪的SCMA译码系统模块框图，包括：
信道残差计算单元1，用于计算基于树修剪的信道残差并进行输出；
物理资源节点计算单元2，连接所述信道残差计算单元，用于接收所述信道残差计算单元输出的信道残差，根据所述信道残差和变量节点的对数域信息，计算物理资源节点的对数域信息并输出；
变量节点更新单元3，连接所述物理资源节点计算单元，用于根据所述物理资源节点的对数域信息更新所述变量节点的对数域信息，并将更新的变量节点的对数域信息进行输出，完成一次迭代并记录当前迭代次数；
判断单元4，所述判断单元连接所述变量节点更新单元、所述资源节点更新单元、似然比计算单元，用于判断当前迭代次数是否小于预设值，若是，则将所述更新的变量节点的对数域信息输出到所述物理资源节点计算单元，再次进行迭代计算，若否，则将所述更新的变量节点的对数域信息输出到所述似然比计算单元。
本实施例示出了6个用户复用在4个资源块上，物理资源节点度为2，变量节点度为 3，码本大小的SCMA的译码硬件实现方案，具体参见图6-8。其中图6 给出基于树修剪的信道残差计算的硬件实现方案，以根节点为起点，形成一个度为4、深度 为4的满二叉树，从第一层到第四层的节点分别表示 所有可能取值。基于树修剪的信道残差计算是先计算以倒数第二层的节点为起点衍生出去 叶子节点(如白色圆圈所示)的l1-norm，然后将2路l1-norm较小者作进一步的l2-norm精确 计算，最后将剩余的其他路均用作修剪，τ取经验值0.875。图7给出物理资源节 点n更新传递给变量节点k信息的硬件实现方案，首先信道残差与变量节点i 传递过来的信息对应相加，并求得最大值 该最大值与变量节点j传递过来的信息对应相加，然后求最大，即可得到图8给出了变量节点k更新传递给资源节点m信息的硬件实现方 案，假设与变量节点k相连的另一个资源节点为n，从资源节点n传回来信息减去 他们中的最大值，即可更新得到变量节点k传递给资源节点m信息。
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 (6)

1.一种基于树修剪的SCMA译码方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于树修剪方法计算信道残差；
S2、根据所述信道残差和变量节点的对数域信息，更新物理资源节点的对数域信息；
S3、根据所述物理资源节点的对数域信息，更新变量节点的对数域信息，完成一次迭代并记录当前迭代次数；
S4、判断当前迭代次数是否小于预设值，若是，则将S3中得到的变量节点的对数域信息代入S2中再次进行迭代计算，若否，则停止迭代；
S5、将S3中当前变量节点的对数域信息进行输出；
所述S1步骤包括：
S101、计算
S102、计算
S103、计算
S104、用l1-norm对作近似，并用近似结果作大小比较，其中l1-norm的定义为
S105、根据S104的比较结果，对S104中得到的L个较大者用作修剪，对剩余的个中较小者进一步求l2-norm其中l2-norm的定义为遍历n就可以计算得到信道残差；
S106、将步骤S105得到的结果进行输出，
其中， 分别表示与第n个资源块相连的变量节点k可能取到的星座符号，与第n个资源块相连的变量节点i可能取到的星座符号，与第n个资源块相连的变量节点j可能取到的星座符号； 分别表示第n个资源块与变量节点k的之间的信道参数，第n个资源块与变量节点i的之间的信道参数，第n个资源块与变量节点j的之间的信道参数；yn表示第n个资源块的接收信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于树修剪的SCMA译码方法，其特征在于，所述物理资源节点对数域信息由下式计算：
其中表示第l次迭代时，物理资源节点n传递给变量节点k的对数域信息，分别表示变量节点i传递给物理资源节点n的对数域信息、变量节点j传递给物理资源节点n的对数域信息，为信道残差。
3.根据权利要求2所述的一种基于树修剪的SCMA译码方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S201、初始化r＝1；
S202、初始化s＝1；
S203、初始化t＝1；
S204、计算
S205、判断是否成立，若是则跳转到步骤S206，若否则跳转到步骤S207；
S206、令t＝t+1，并执行步骤S204；
S207、判断是否成立，若是则跳转到步骤S208，若否则跳转到步骤S209；
S208、令s＝s+1，并执行步骤S203；
S209、计算
S210、判断是否成立，若是则跳转到步骤S211，若否则跳转到步骤S212；
S211、令r＝r+1，并执行步骤202；
S212、将资源节点n第l次更新得到的对数域信息传递给S3中变量节点进行迭代计算，
其中，r，s，t均为正整数。
4.根据权利要求1所述的一种基于树修剪的SCMA译码方法，其特征在于，所述变量节点对数域信息由下式计算：
其中表示第l次迭代时，变量节点k传递给物理资源节点m的消息，表示与变量节点k相连的其他物理资源节点传递回来的信息。
5.根据权利要求4所述的一种基于树修剪的SCMA译码方法，其特征在于，所述S3步骤包括：
S301、计算
S302、初始化t＝1；
S303、计算
S304、判断是否成立，若是则跳转到步骤S305，若否则跳转到步骤S306；
S305、令t＝t+1，并执行步骤S303；
S306、将变量节点k第l次更新得到的对数域信息传递给步骤S2的物理资源节点进行迭代计算。
6.一种基于树修剪的SCMA译码系统，用于实现如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，包括：
信道残差计算单元，用于计算基于树修剪的信道残差并进行输出；
物理资源节点计算单元，连接所述信道残差计算单元，用于接收所述信道残差计算单元输出的信道残差，根据所述信道残差和变量节点的对数域信息，计算物理资源节点的对数域信息并输出；
变量节点更新单元，连接所述物理资源节点计算单元，用于根据所述物理资源节点的对数域信息更新所述变量节点的对数域信息，并将更新的变量节点的对数域信息进行输出，完成一次迭代并记录当前迭代次数；
判断单元，所述判断单元连接所述变量节点更新单元、所述资源节点更新单元、似然比计算单元，用于判断当前迭代次数是否小于预设值，若是，则将所述更新的变量节点的对数域信息输出到所述物理资源节点计算单元，再次进行迭代计算，若否，则将所述更新的变量节点的对数域信息输出到所述似然比计算单元；
其中，所述计算基于树修剪的信道残差包括：
S101、计算
S102、计算
S103、计算
S104、用l1-norm对作近似，并用近似结果作大小比较，其中l1-norm的定义为
S105、根据S104的比较结果，对S104中得到的L个较大者用作修剪，对剩余的个中较小者进一步求l2-norm其中l2-norm的定义为遍历n就可以计算得到信道残差；
S106、将步骤S105得到的结果进行输出，
其中， 分别表示与第n个资源块相连的变量节点k可能取到的星座符号，与第n个资源块相连的变量节点i可能取到的星座符号，与第n个资源块相连的变量节点j可能取到的星座符号； 分别表示第n个资源块与变量节点k的之间的信道参数，第n个资源块与变量节点i的之间的信道参数，第n个资源块与变量节点j的之间的信道参数；yn表示第n个资源块的接收信号。
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