CN106998308B - 一种基于时变码本的稀疏码多址接入中的跳码传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于时变码本的稀疏码多址接入中的跳码传输方法，属于非正交多址接入技术领域。每个用户注册入网时分配得到用户ID、固定使用的导频序列以及导频序列指向的跳码序列；当用户进行数据传输时，首先发送预先分配的导频序列；用户将所需传输数据信息进行编码并分组，得到SCMA块；根据跳码序列指定码本，对SCMA块进行传输；接收机对导频序列解码，识别接入用户并获知码本碰撞情况；解码器根据接收机制定的解码复杂度门限对每个SCMA块进行解码，得到SCMA块的对数似然比，最终得到每个接入用户ID及对应的传输数据信息。本发明提升了SCMA的传输准确性，通过额外的准确性折中降低解码的复杂度，从而降低延时。

Description

一种基于时变码本的稀疏码多址接入中的跳码传输方法

技术领域

本发明涉及非正交多址接入技术领域，具体涉及一种基于时变码本的稀疏码多址接入中的跳码传输方法。

背景技术

稀疏码多址接入SCMA(Sparse Code Multiple Access)为用户分配码本实现非正交的多址接入。通过对码本的稀疏性设计，能够保证来自多个不同码本的码字叠加在一起时接收机仍能解码，从而实现接入用户数多于可用的正交通信资源数的过载，增加了可连接数，这是传统的正交多址接入无法实现的。也正是利用这种特性，SCMA在接入时不需要用户与基站预先建立连接再进行传输，而是可以让用户直接随机接入，免除了请求/准许接入等一系列调度过程，缩短了接入时间，是实现5G移动网络低延时接入的一个可行方案。

现行的稀疏码多址接入方法是在用户注册入网的时刻根据其用户ID分配一个固定使用的导频序列及其指向的唯一码本，其中每个可用的导频序列，对应于唯一的预分配的码本。在随机接入场景下，用户有数据传输需求时，在一个同步的接入时隙里，将无线通信资源正交地划分为导频部分和数据部分，用户在导频部分发送指定的导频序列，在数据部分根据预先分配的码本映射调制发送信息。这种方案最大的问题在于：尽管SCMA能提供一定数量的不同码本，但是在5G网络中业务量大幅增长的情况下，潜在用户数大量增加时，无法做到每个用户预先分配到不同的码本。因此，势必会有不同的用户在注册入网阶段得到相同的码本。各个接入的用户一旦被分配好码本，只要本次分配没有存在导频碰撞的情况，自始至终这些用户发送的所有数据都将通过最初的码本进行映射。如果某次传输刚好所有用户都用了不同的码本，SCMA的特性可以保证其快速度准确的解码。假如某次传输有较少的用户被分配到了相同的码本，鉴于码字的稀疏性，SCMA还是能保证一定的接收性能。然而，当出现了严重的码本冲突，有多个用户都使用了相同的码本，会导致极高的解码复杂度，相应的解码时间的增加，最终可能破坏低延时接入的实时需求。而且，这样的高复杂度解码往往也意味着很高的误符号率。接收机很可能花了很长时间解码最后只得到错误的结果。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种基于时变码本的稀疏码多址接入中的跳码传输方法。本发明提升了SCMA的传输准确性，并且可以通过额外的准确性的折中降低解码的复杂度，从而降低延时，进一步满足未来移动通信中低延时的需求。

本发明提出的一种基于时变码本的稀疏码多址接入中的跳码传输方法，包括以下步骤：

1)新用户注册入网，分配得到用户ID，同时分配得到该用户固定使用的导频序列与导频序列指向的对应跳码序列，每个跳码序列对应一个指定的码本；

2)当任一已经完成注册入网的用户u_i出现数据业务传输需求时，用户u_i接入无线网络准备进行数据传输，在无线通信资源的导频部分发送步骤1)预先分配的导频序列；

3)用户u_i将本次接入所需传输的数据信息经过信道编码得到比特向量

称为一个数据块，其长度为固定的L个比特；将比特向量

按每log₂M个比特长度进行分组，M为4的整数倍，表示调制阶数，得到SCMA块

共有L/log₂M个，t为SCMA块的序号,t＝1,2,…,L/log₂M；

用户u_i根据步骤1)分配得到的跳码序列指定的码本，在无线通信资源的数据部分对每个SCMA块采用对应的码本进行传输，得到SCMA传输符号向量，表达式如式(1)所示：

式中，

表示用户u_i第t个SCMA块对应的SCMA传输符号向量；C_j表示将相应的SCMA块

映射成符号向量所使用的SCMA码本；j＝f(u_i,t)，代表使用的码本序号，取决于用户ID以及对应的SCMA块序号t；

4)接收机首先对接收到的步骤2)所发送的导频序列进行解码，识别出本次接入的用户，并进行信道估计；根据用户识别结果得到接入用户所对应的跳码序列，获知共享当前无线通信资源的数据部分的接入用户中发送每个SCMA块所使用的码本，也获知了每个SCMA块对应的无线通信资源中的码本碰撞情况；

5)接收机根据解码准确性需求与延时需求制定每个SCMA块的解码复杂度门限；当SCMA块的解码复杂度未超过门限时，解码器对该SCMA块解码，进入步骤6)；当SCMA块的解码复杂度超过门限时，解码器放弃该SCMA块的解码，直接输出全0作为该SCMA块的对数似然比，进入步骤7)；

6)解码器根据步骤4)信道估计的结果构建SCMA块中所使用码本对应的联合星座图；根据联合星座图，解码器运行解码算法得到SCMA块的对数似然比；

7)根据解码得到的每个SCMA块的对数似然比，进行信道解码，利用步骤4)中的用户识别结果，解码器最终得到每个接入用户的ID与其对应的传输数据信息。

本发明的特点及有益效果：

本发明提出的一种基于时变码本的稀疏码多址接入中的跳码传输方法，给出了当发生码本碰撞时解码所需使用的联合星座图。相比于现有的稀疏码多址接入方法，一旦同时传输的用户出现了严重的码本碰撞，他们所有传输的数据块可能都会传输失败。然而在本发明的跳码传输方法下，即使有若干SCMA块发生了严重的码本碰撞并且在解码时出现了错误，通过适当的纠错信道编码(信道编码具有纠错特性这一事实可认为本领域内人士默认已知，不限定信道编码的具体种类)，整个数据块仍然能够解码正确。在此基础上，本发明通过设置复杂度门限实现译码延时与传输准确率的折中，通过减小计算量从而进一步降低延时。为了达到低接入延时和解码准确度之间的平衡，该复杂度门限可以根据实时需求适应性地调整。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图。

图2为本发明实施例中构建的联合星座图的示意图。

图3为本发明实施例中使用现有SCMA传输方法和本发明的跳码传输方法的码本映射与碰撞情况对比示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于时变码本的稀疏码多址接入中的跳码传输方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出的一种基于时变码本的稀疏码多址接入中的跳码传输方法流程如图1所示，包括以下步骤：

1)新用户注册入网，分配得到用户ID，同时分配得到该用户固定使用的导频序列与导频序列指向的对应跳码序列，每个跳码序列对应一个指定的码本。

2)当任一已经完成注册入网的用户u_i出现数据业务传输需求时，用户u_i接入无线网络准备进行数据传输，在无线通信资源的导频部分发送步骤1)预先分配的导频序列。本发明假设无线通信资源的导频部分资源足够充足，在同一时刻进行数据传输的所有用户能够使用不同的导频序列；而与用户u_i同时发送数据的所有用户共享系统给定的无线通信资源的数据部分。

3)用户u_i将本次接入所需传输的数据信息经过信道编码(其中信道编码的方式不限，本实施例中采用Turbo码)得到比特向量

称为一个数据块，为了保证通信的同步性，其长度为固定的L个比特(对L的取值没有具体限制要求，但为保证系统的同步，应为固定的一个取值。当用户需要发送的数据长度小于L个比特时，应将所需发送数据的长度通过补零扩展至L个比特；当用户需要发送的数据长度大于L个比特时，应将所需传输数据拆分成若干个长度为L个比特的数据块发送)；将比特向量

按每log₂M个比特长度进行分组，M为4的整数倍，表示调制阶数，得到SCMA块

共有L/log₂M个，t为SCMA块的序号,t＝1,2,…,L/log₂M。

用户u_i根据步骤1)分配得到的跳码序列指定的码本，在无线通信资源的数据部分对每个SCMA块采用对应的码本进行传输，得到SCMA传输符号向量，表达式如式(1)所示：

式中，

表示用户u_i第t个SCMA块对应的SCMA传输符号向量。C_j表示将相应的SCMA块映射成符号向量所使用的SCMA码本；j＝f(u_i,t)，代表使用的码本序号，取决于用户ID以及对应的SCMA块序号t。参与本次接入的所有用户的相同序号SCMA块占用相同的无线通信资源，不同序号的SCMA块占用的无线通信资源不同。

4)接收机首先对接收到的步骤2)所发送的导频序列进行解码，通过贝叶斯压缩感知等方式识别出活跃用户，即本次接入的用户，并进行信道估计；根据用户识别结果得到接入用户所对应的跳码序列，获知共享当前无线通信资源的数据部分的接入用户中发送每个SCMA块所使用的码本，也即获知了每个SCMA块对应的无线通信资源中的码本碰撞情况。

5)接收机根据解码准确性需求与延时需求制定每个SCMA块的解码复杂度门限；其中，解码复杂度门限可以但不限于是每个码本的最大使用人数；当SCMA块的解码复杂度未超过门限时，解码器对该SCMA块解码，进入步骤6)；当SCMA块的解码复杂度超过门限时，解码器放弃该SCMA块的解码，直接输出全0作为该SCMA块的对数似然比，进入步骤7)；

6)解码器根据步骤4)信道估计的结果构建SCMA块中所使用码本对应的联合星座图；根据联合星座图，解码器运行解码算法得到SCMA块的对数似然比。

7)根据解码得到的每个SCMA块的对数似然比，进行信道解码，利用步骤4)中的用户识别结果，解码器最终得到每个接入用户的ID与其对应的传输数据信息。

步骤6中所述构建SCMA块中所使用码本对应的联合星座图，具体步骤如下：

6-1)接收机获取使用相同码本(即发生码本碰撞)的所有接入用户的信道增益估计；

6-2)若有N个用户使用相同码本，调制阶数为M，则构建一个的联合星座图，其中联合星座图的每个点分别为N个碰撞用户的星座点乘以相应信道增益的一种组合的叠加，因此最终包含M^N个星座点。

图2给出了当有两个用户使用相同码本的情况下构建联合星座图的举例示意图。假设现总共有N＝2个用户同时使用某一码本，并且各自发送4比特数据，也即调制阶数为M＝2⁴＝16。分别将其发送的数据映射成一个16QAM符号S_1a和S_2b。其中，他们对应的映射符号集分别为{S_1i|i＝1,2,…,16}和{S_2j|j＝1,2,…,16}。在经过各自的信道后，这两个符号变为h₁*S_1a和h₂*S_2b，其中h₁，h₂分别为这两个用户的信道增益。据此，构建一个大小为M^N＝16²＝256的联合星座图，其符号集为{ξ_k＝h₁*S_1i+h₂*S_2j|k＝16*i+j-16,i,j＝1,2,…,16}。

步骤6中针对SCMA输入子块的解码算法，可以但不限于，使用可控复杂度的消息传递算法，其特征在于，消息传递算法的因子图的变量结点(Variable Node,VN)表示不同的码本，包含了使用该码本的用户的信息，对应的备选符号集即该码本对应的联合星座图中的星座点集合；因子图的码片结点(Chip Node,CN)表示不同的正交通信资源，包含了承载在对应通信资源上的信息。针对当前SCMA块，根据一旦出现严重的码本冲突，也即解码复杂度超过步骤5)中设定的复杂度门限，解码器放弃当前SCMA块的解码，直接输出全0作为该SCMA块的对数似然比。对于本发明提出的跳码传输方法，乍看之下当复杂度门限低到能够满足低延时需求时，这种丢弃同样会造成严重的接收表现恶化。事实上，高复杂度的解码由于过分密集的联合星座图会导致准确度和确信度的下降，因此即使执行了解调，往往会给出近0的对数似然比结果。因此，如果信道编码的编码效率选取合适，接收表现并不一定发生明显的恶化，反而会大大缩短解码延时，使得系统更加能够满足低延时的需求。

参阅图3，图3示例了6个随机接入用户(即活跃用户为6个)在现行的稀疏码多址接入传输方法下的码本映射与碰撞情况以及使用本发明的跳码传输方法后的码本映射与碰撞情况。图3(a)为使用本发明的跳码传输方法后的码本映射与碰撞情况：应用本发明的跳码传输方法后，尽管在SCMA块1，块3，块4，块6活跃用户都存在码本冲突，但是并没有用户从始至终都受到冲突的波及。在SCMA块1处，用户1与用户2发生码本碰撞，用户4，用户5，用户6发生码本碰撞，但是到了SCMA块3处用户1，用户5，用户6便不再受影响。利用信道编码的纠错特性(信道编码普遍具有纠错特性，不限定信道编码的具体种类，本实施例中使用了Turbo码作为信道编码)，这些用户能够成功地传输数据。图3(b)为使用现行的稀疏码多址接入传输方法下的码本映射与碰撞情况：在现行SCMA传输方法下，如果所有活跃用户从始至终使用相同的码本，而在现行的固定码本方法中，码本冲突会一直持续到传输的完成，其中用户1和用户2永远发生码本冲突，用户4，用户5，用户6也发生冲突；在解码时，这些用户很可能会出现解码错误。

Claims (2)

1.一种基于时变码本的稀疏码多址接入中的跳码传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)新用户注册入网，分配得到用户ID，同时分配得到该用户固定使用的导频序列与导频序列指向的对应跳码序列，每个跳码序列对应一个指定的码本；

2)当任一已经完成注册入网的用户u_i出现数据业务传输需求时，用户u_i接入无线网络准备进行数据传输，在无线通信资源的导频部分发送步骤1)预先分配的导频序列；

3)用户u_i将本次接入所需传输的数据信息经过信道编码得到比特向量

称为一个数据块，其长度为固定的L个比特；将比特向量

按每log₂M个比特长度进行分组，M为4的整数倍，表示调制阶数，得到SCMA块

共有L/log₂M个，t为SCMA块的序号，t＝1，2，…，L/log₂M；

用户u_i根据步骤1)分配得到的跳码序列指定的码本，在无线通信资源的数据部分对每个SCMA块采用对应的码本进行传输，得到SCMA传输符号向量，表达式如式(1)所示：

式中，

表示用户u_i第t个SCMA块对应的SCMA传输符号向量；C_j表示将相应的SCMA块映射成符号向量所使用的SCMA码本；j＝f(u_i，t)，代表使用的码本序号，取决于用户ID以及对应的SCMA块序号t；

4)接收机首先对接收到的步骤2)所发送的导频序列进行解码，通过贝叶斯压缩感知方式识别出活跃用户，即本次接入的用户，并进行信道估计；根据用户识别结果得到接入用户所对应的跳码序列，获知共享当前无线通信资源的数据部分的接入用户中发送每个SCMA块所使用的码本，也获知了每个SCMA块对应的无线通信资源中的码本碰撞情况；

5)接收机根据解码准确性需求与延时需求制定每个SCMA块的解码复杂度门限；当SCMA块的解码复杂度未超过门限时，解码器对该SCMA块解码，进入步骤6)；当SCMA块的解码复杂度超过门限时，解码器放弃该SCMA块的解码，直接输出全0作为该SCMA块的对数似然比，进入步骤7)；

6)解码器根据步骤4)信道估计的结果构建SCMA块中所使用码本对应的联合星座图；根据联合星座图，解码器运行解码算法得到SCMA块的对数似然比；

7)根据解码得到的每个SCMA块的对数似然比，进行信道解码，利用步骤4)中的用户识别结果，解码器最终得到每个接入用户的ID与其对应的传输数据信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6中构建构建SCMA块中所使用码本对应的联合星座图，具体步骤如下：

6-1)接收机获取使用相同码本的所有接入用户的信道增益估计；

6-2)若有N个用户使用相同码本，调制阶数为M，则构建一个的联合星座图，其中联合星座图中的每个点分别为N个碰撞用户的星座点乘以相应信道增益的一种组合的叠加，最终包含M^N个星座点。

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