CN106027203A - 一种动态消息调度的scma通信系统多用户检测方法 - Google Patents

Abstract

一种动态消息调度的SCMA通信系统多用户检测方法，属于无线通信系统的信号检测领域。本发明采用动态调度策略，利用残差(一个消息更新前后的差异程度)作为衡量标准，在第2～t_max的每一次迭代过程中，首先根据上一次迭代中计算的所有用户节点到资源节点的残差值选出最大残差值所对应的用户节点u_jmax和资源节点c_kmax，更新该资源节点c_kmax到对应的所有用户节点中除了u_jmax的用户节点u_a的消息，然后更新用户节点u_a到对应的所有资源节点中除了c_kmax的资源节点c_b的消息。本发明动态调度方法优先更新迭代中未收敛的节点消息，可加快整个码字的迭代译码收敛速率；在每次迭代中实时利用了已更新的节点消息，可有效提高已更新节点的利用率；且计算复杂度低，BER性能优良。

Description

一种动态消息调度的SCMA通信系统多用户检测方法

技术领域

本发明属于无线通信系统的信号检测领域，涉及一种收敛速度快的稀疏码多址接入(SCMA)上行通信系统多用户检测方法，具体涉及一种动态消息调度的多用户检测方法，用于解决未来5G(第五代移动通信)移动通信备选多址接入技术的多用户检测问题。

背景技术

多址接入是无线通信物理层的核心技术之一，它使基站能区分并同时服务多个终端用户。为了满足5G(第五代移动通信)大容量、海量连接、低延时接入等需求，在申请号为201380059380.X的发明专利“用于稀疏码多址接入的系统和方法”中提出了一种SCMA(Sparse code multiple access，稀疏码多址接入)技术，图1是SCMA上行通信系统模型，SCMA扩频码字中有一部分零元素，每个用户的基带数据仅在少量的码片上进行非零位扩频调制，而每位扩频码片也仅仅被少量用户进行非零位扩频调制，SCMA编码器在预定义的码本集合中为每个数据层或用户选择一个码本，然后基于所选择的码本将数据比特直接映射到相应的码字中，最后将多个数据层或用户的码字进行非正交叠加，接收端对接收信号进行基于置信度传播算法的多用户检测技术，即并行MPA检测方法，附图2为该方法的SCMA因子图，并行MPA检测方法在每次迭代过程中，首先更新所有的资源节点，接着更新所有的用户节点。

在发明专利“用于稀疏码多址接入的系统和方法”中提出了一种基于并行策略的MPA检测方法，具体包括以下步骤：

步骤P-1、初始化：迭代开始时，用户没有先验信息，因此用户节点u_j到资源节点c_k的消息为:u_j为第j个用户节点，c_k为第k个资源节点，M为码本的码字数目，为迭代开始时用户节点u_j到资源节点c_k的消息；

步骤P-2、设定最大迭代次数为t_max；

步骤P-3、在第t次迭代过程中，资源节点和用户节点的消息并行更新，即首先更新所有的资源节点c_k到用户节点u_j的消息 为第t(t＝1,2,...,t_max)次迭代过程中计算得到的资源节点c_k到用户节点u_j的消息，x_j＝(x_1,j,...,x_K,j)^Τ为第j个用户的SCMA码字，x_l＝(x_1,l,...,x_K,l)Τ为第l个用户的SCMA码字，y_k为接收信号y中第k个资源处接收到的信号，(F为发射机SCMA编码器的稀疏扩频矩阵)为连接到资源节点c_k的用户节点集；x_k,i表示第i个用户的码字的第k个资源，h_k,i为h_i＝(h_1,i,h_2,i,...,h_K,i)Τ中的第k个元素，h_i为第i个用户的信道向量；然后更新所有的用户节点u_j到资源节点c_k的消息：一次迭代完成；为连接到用户节点u_j的资源节点集；

步骤P-4、判断t＞t_max是否成立，若成立，执行步骤P-5；若不成立，则令t＝t+1，返回步骤P-3，进行下一次迭代；

步骤P-5、经过t_max次迭代后退出循环，计算码字消息：

步骤P-6、计算得到数据比特的软信息

${\mathrm{LLR}}_j=\log \frac{P(b_j=1)}{P(b_j=0)}=\log \frac{\underset{b_j=1}{\mathrm{\Σ}}Q\left(x_j\right)}{\underset{b_j=0}{\mathrm{\Σ}}Q\left(x_j\right)};$

b_j为第j个用户的数据比特；

步骤P-7、数据比特的判决(硬判决)

上述基于并行策略的MPA检测方法中，检测正确率与最大迭代次数t_max以及消息传播方式有关。然而，在实际工程应用中，随着迭代次数的增加，通信系统的硬件计算复杂度越来越高，因此对硬件的要求也越来越高；且该方法中所有资源节点到用户节点消息的更新是基于第t-1次迭代获取的用户节点到资源节点的消息所有用户节点到资源节点消息的更新是基于当前次迭代已更新的虽然很好的利用了当前迭代更新的但是基于上一次迭代生成的没有充分利用当前迭代中用户节点到资源节点更新的消息，导致其收敛速率较低。综上，上述并行MPA检测方法虽然能有效提高正确译码的概率，但由于其计算复杂度较高及收敛速率较低，不能满足5G对高速、高效的需求。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种动态消息调度的SCMA通信系统多用户检测方法，采用动态调度策略，利用残差(一个消息更新前后的差异程度)作为衡量标准，优先更新残差最大的消息。本发明动态调度方法优先更新迭代中未收敛的节点消息，可加快整个码字的迭代译码收敛速率；在每次迭代中实时利用了已更新的节点消息，可有效提高已更新节点的利用率；且计算复杂度低，BER性能优良。

本发明的技术方案如下：

一种动态消息调度的SCMA通信系统多用户检测方法，包括初始化、资源节点和用户节点消息的更新、数据比特软信息的计算、数据比特的判决步骤；其特征在于，所述资源节点和用户节点消息的更新是多次迭代完成的，在第2～t_max的每一次迭代过程中，首先根据上一次迭代中计算的所有用户节点到资源节点的残差值选出最大残差值所对应的用户节点u_jmax和资源节点c_kmax，更新该资源节点c_kmax到对应的所有用户节点中除了u_jmax的用户节点u_a的消息，然后更新用户节点u_a到对应的所有资源节点中除了c_kmax的资源节点c_b的消息，其中，t_max代表最大迭代次数。

一种动态消息调度的SCMA通信系统多用户检测方法，具体包括以下步骤：

步骤R-1、初始化：SCMA在迭代开始时，用户没有先验信息，因此用户节点u_j到资源节点c_k的消息为:u_j为第j个用户节点，c_k为第k个资源节点，M为码本的码字数目，为迭代开始时用户节点u_j到资源节点c_k的消息；

步骤R-2、设定最大迭代次数t_max；

步骤R-3、在第一次迭代过程中，资源节点和用户节点的消息并行更新，即首先更新所有的资源节点c_k到用户节点u_j的消息 然后更新所有的用户节点u_j到资源节点c_k的消息：一次迭代完成；计算一次迭代后所有用户节点u_j到资源节点c_k的残差对得到残差集合R，χ为SCMA码的码本，χ_j为第j个用户SCMA码的码本，且|χ_j|＝M；

步骤R-4、从第二次迭代开始，在第t次迭代过程中，其中t＝2,3,...,t_max，选取残差集合R中的最大残差值得到最大残差值所对应的因子图中的资源节点c_kmax和用户节点u_jmax；选取与资源节点c_kmax对应的所有用户节点中除了u_jmax的用户节点{N(c_kmax)\u_jmax}，N(c_kmax)表示与c_kmax对应的所有用户节点，计算其中，u_a遍历集合{N(c_kmax)\u_jmax}，计算其中c_b遍历集合(N(u_a)\c_kmax)，N(u_a)表示与u_a对应的所有资源节点，为连接到用户节点u_a的资源节点集；最后令上述选取的最大残差并根据更新后的消息重新计算残差得到新的残差集合；

步骤R-5、重复步骤R-4的过程次，即进行次最大残差值的选取和残差集合的更新，其中，J为用户数量，d为每一个用户节点的度；

步骤R-6、判断t＞t_max是否成立，若成立，进入步骤R-7；若不成立，则令t＝t+1，返回步骤R-4；

步骤R-7、经过t_max次迭代后退出循环，计算码字消息：

$Q\left(x_j\right)=\underset{q\∈{\mathrm{\ζ}}_j}{\mathrm{\Σ}}{M}_{c_q\→u_j}\left(x_j\right);$

b_j为第j个用户的数据比特；

步骤R-8、计算数据比特的软信息：

${\mathrm{LLR}}_j=\log \frac{P(b_j=1)}{P(b_j=0)}=\log \frac{\underset{b_j=1}{\mathrm{\Σ}}Q\left(x_j\right)}{\underset{b_j=0}{\mathrm{\Σ}}Q\left(x_j\right)};$

步骤R-9、数据比特的判决(硬判决)

本发明的有益效果为：

本发明SCMA通信系统多用户检测方法采用动态调度策略，利用残差(一个消息更新前后的差异程度)作为衡量标准，优先更新残差最大的消息。本发明动态调度方法优先更新迭代中未收敛的节点消息，可加快整个码字的迭代译码收敛速率；在每次迭代中实时利用了已更新的节点消息，可有效提高已更新节点的利用率，提高迭代检测的收敛速率；且计算复杂度低，BER性能优良。

附图说明

图1为背景技术提出的SCMA上行通信系统模型；

图2为背景技术与本发明实施例中SCMA上行系统的因子图；

图3为本发明实施例多用户检测方法中消息的更新方式示意图；

图4为本发明方法与背景技术方法的BER性能对比图；

图5为本发明方法与背景技术方法的计算复杂度对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

实施例

根据传输条件及检测过程的程序，初始化设置以下参数：

用户节点的个数J＝6，码本的码字个数M＝4，码字长度K＝4，系统过载率信道模型为AWGN(高斯白噪声)信道，稀疏扩频矩阵为用户信息比特经过SCMA编码器映射为相应的码字x，所有用户码字叠加后经过信道进行传输，接收端的接收信号x_j＝(x_1,j,x_2,j,...,x_K,j)^Τ是用户j的SCMA码字，h_j＝(h_1,j,h_2,j,...,h_K,j)^Τ为用户j的信道有效向量，n～CN(0,σ²I)为高斯噪声；接收信号y的第k个资源处接收到的信号y_k表示为其中k＝1,2,...,K，j＝1,2,...,J。

发送端各用户的码本为：

用户1的码本为用户2的码本为

用户3的码本为

用户4的码本为

用户5的码本为

用户6的码本为

本发明采用动态调度策略，利用残差(一个消息更新前后的差异程度)作为衡量标准，优先更新残差最大的消息。根据残差的定义可知，若某位资源节点或用户节点置信消息的残差很大，则表明该消息在迭代过程中还未收敛，本发明动态调度方法优先更新残差最大即还未收敛的节点消息，可有效地加快整个码字的迭代译码收敛速率。随着迭代译码过程的不断进行，每个节点在置信传播中的消息更新前后的差异(残差)不断减小，并最终趋近于0，本发明动态消息调度的MPA检测方法中，从第二次迭代开始的每次迭代过程中，首先根据上一次迭代中计算的所有用户节点到资源节点的残差值选出最大残差值所对应的用户节点u_jmax和资源节点c_kmax，更新该资源节点c_kmax到对应的所有用户节点中除了u_jmax的用户节点u_a的消息，然后更新用户节点u_a到对应的所有资源节点中除了c_kmax的资源节点c_b的消息，更新完后将该残差值置零，并采用相同的方法进行下一次更新。本发明在每次迭代过程中实时利用了已更新的节点消息，可有效提高已更新节点消息的利用率，且计算复杂度低，BER性能优良。

如图3所示，为本发明实施例多用户检测方法中消息的更新方式示意图。图3显示，若残差值最大，则更新c₄到对应的所有用户节点u₁,u₄,u₅中除了u₁的用户节点的消息，然后更新用户节点u₄到资源节点c₃的消息，以及用户节点u₅到资源节点c₁的消息。

利用Matlab对背景技术的并行MPA方法和本发明实施例的动态消息调度的SCMA通信系统多用户检测方法在AWGN信道中的BER误码性能和计算复杂度进行仿真对比分析，仿真结果如图4和图5所示。由图4可知，在相同的检测性能的情况下，如BER＝1.0×10^-3，本发明2次迭代的BER性能相较于背景技术2次迭代的BER性能有1.7dB的增益；其次，本发明2次迭代的BER性能近似于传统MPA方法6次迭代的性能，由于本发明与背景技术一次迭代的计算复杂度相同，因此分析本发明2次迭代的计算复杂度和背景技术6次迭代的计算复杂度是有意义的。图5为BER＝1.0×10^-3的情况下，即本发明方法2次迭代和背景技术6次迭代的检测性能相同的情况下，背景技术方法的计算复杂度为本发明方法的2倍多，因此，本发明采用2次迭代过程就可实现背景技术6次迭代的性能，大大降低系统的计算复杂度。

Claims (2)

1.一种动态消息调度的SCMA通信系统多用户检测方法，包括初始化、资源节点和用户节点消息的更新、数据比特软信息的计算、数据比特的判决步骤；其特征在于，所述资源节点和用户节点消息的更新是多次迭代完成的，在第2～t_max的每一次迭代过程中，首先根据上一次迭代中计算的所有用户节点到资源节点的残差值选出最大残差值所对应的用户节点u_jmax和资源节点c_kmax，更新该资源节点c_kmax到对应的所有用户节点中除了u_jmax的用户节点u_a的消息，然后更新用户节点u_a到对应的所有资源节点中除了c_kmax的资源节点c_b的消息，其中，t_max代表最大迭代次数。

2.一种动态消息调度的SCMA通信系统多用户检测方法，具体包括以下步骤：

步骤R-1、初始化：SCMA在迭代开始时，用户没有先验信息，因此用户节点u_j到资源节点c_k的消息为:j＝1,2,...,J，k＝1,2,...,K，u_j为第j个用户节点，c_k为第k个资源节点，M为码本的码字数目；

步骤R-2、设定最大迭代次数t_max；

步骤R-3、在第一次迭代过程中，资源节点和用户节点的消息并行更新，即首先更新所有的资源节点c_k到用户节点u_j的消息 然后更新所有的用户节点u_j到资源节点c_k的消息：一次迭代完成；计算一次迭代后所有用户节点u_j到资源节点c_k的残差对得到残差集合R，χ为SCMA码的码本，χ_j为第j个用户SCMA码的码本，且|χ_j|＝M；

步骤R-4、从第二次迭代开始，在第t次迭代过程中，其中t＝2,3,...,t_max，选取残差集合R中的最大残差值得到最大残差值所对应的资源节点c_kmax和用户节点u_jmax；选取与资源节点c_kmax对应的所有用户节点中除了u_jmax的用户节点{N(c_kmax)\u_jmax}，计算其中，u_a遍历集合{N(c_kmax)\u_jmax}，计算c_b遍历集合(N(u_a)\c_kmax)；最后令上述选取的最大残差并根据更新后的消息重新计算残差得到新的残差集合；

步骤R-5、重复步骤R-4的过程次，其中，J为用户数量，d为每一个用户节点的度；

步骤R-6、判断t＞t_max是否成立，若成立，进入步骤R-7；若不成立，则令t＝t+1，返回步骤R-4；

步骤R-7、经过t_max次迭代后退出循环，计算码字消息：

$Q\left(x_j\right)=\underset{q\∈{\mathrm{\ζ}}_j}{\Π}{M}_{c_q\→u_j}\left(x_j\right);$

b_j为第j个用户的数据比特；

步骤R-8、计算数据比特的软信息：

${\mathrm{LLR}}_j=\log \frac{P\left(b_j=1\right)}{P\left(b_j=0\right)}=\log \frac{\underset{b_j=1}{\mathrm{\Σ}}Q\left(x_j\right)}{\underset{b_j=0}{\mathrm{\Σ}}Q\left(x_j\right)};$

步骤R-9、数据比特的判决(硬判决)