CN107017967A - 一种改良串行策略的scma通信系统多用户检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改良串行策略的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技术领域。本发明在现有串行策略的多用户检测方法的基础上，首先基于输入的用户节点与资源节点的连接关系对用户节点顺序加以甄别和选择，进而将甄别出来的用户节点顺序应用于串行策略中的消息更新中，使多用户检测方法在每次迭代译码过程中可有效地把最新更新的消息应用于下一个用户节点消息的更新当中。本发明用于SCMA通信系统，能加快多用户检测方法的收敛速率；且用户节点的更新顺序只需在串行策略多用户检测前选择一次，计算复杂度低。

Description

一种改良串行策略的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，具体涉及一种改进的串行策略的多用户检测方法。

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，申请名称为“用于稀疏码多址接入的系统和方法”的专利申请中提出了一种SCMA(Sparse code multiple access，稀疏码多址接入)技术，在该方法中，首先通过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消息传递算法的多用户检测技术，即并行策略多用户检测方法(MPA检测)，，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。

文献“Shuffled Multiuser Detection Schemes for Uplink Sparse CodeMultiple Access Systems”(“IEEE Communications Letters”，vol.20,no.6,pp.1231-1234,Jun.2016)在专利申请201380059380.X的基础上提出了一种串行策略的SCMA多用户检测方法，该方法基于用户节点顺序依次进行消息传递，已更新的消息可以及时传递给后面的节点，而不必等到下一轮迭代过程，进而加快了收敛速率，其具体包括以下步骤：

步骤S-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，为迭代开始时用户节点u_j到资源节点c_k的消息；

步骤S-2、设定最大迭代次数为t_max；

步骤S-3、在第t次迭代过程中，首先将第j个用户节点以及与第j个用户节点相连的所有资源节点作为一组，将用户节点和资源节点分为J组，j＝1,2,...,J，J组节点分别标记为γ₁,γ₂,...,γ_J组；然后，计算第γ₁组的所有的资源节点到用户节点的消息和用户节点到资源节点的消息然后依次计算γ₂,...,γ_J组的资源节点到用户节点的消息以及用户节点到资源节点的消息，一次迭代完成；x_j＝(x_1,j,...,x_K,j)^T为第j个用户的SCMA码字，x_l＝(x_1,l,...,x_K,l)^T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∈h_i＝(h_1,i,h_2,i,...,h_K,i)^T，h_i为用户i的信道向量，为连接到用户节点u_j的资源节点集；

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

步骤S-5、经过t_max次迭代后退出循环，计算码字消息：

步骤S-6、计算数据比特的软信息

b_j为第j个用户的数据比特；

步骤7、数据比特的判决

上述基于串行策略的SCMA多用户检测方法，虽然与传统并行策略的洪泛消息机制相比，在消息更新策略上有了一定的改进，该串行策略基于用户节点顺序依次进行消息传递，已更新的消息可以及时传递给后面的节点，而不必等到下一轮迭代过程，进而加快了收敛速率，但该消息更新策略中的用户节点顺序并没加以甄别和选择，因而仍然不能非常有效地把最新更新的消息应用于下一个消息的更新当中。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种改进的串行策略的SCMA多用户检测方法，在现有串行策略的多用户检测方法的基础上，首先对用户节点顺序加以甄别和选择，进而将甄别出来的用户节点顺序应用于串行策略中的消息更新中，使多用户检测方法在每次迭代译码过程中可有效地把最新更新的消息应用于下一个用户节点消息的更新当中。

本发明的一种改良串行策略的SCMA通信系统多用户检测方法，包括初始化、选定用户节点更新的顺序、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，在进行洗牌策略MPA检测算法前，选定用户节点更新顺序，接着在每一次迭代过程中，按照选定的用户节点的更新顺序依次将各用户节点及其与该用户节点相连的所有资源节点作为一组，将用户节点和资源节点分为J组，J为用户节点的个数；然后依次对每一组中所有的资源节点到用户节点的消息以及用户节点到资源节点的消息进行更新，即完成一次迭代的过程。即本发明的一种改良串行策略的SCMA通信系统多用户检测方法包括两个阶段，即用户节点顺序选择阶段和传统串行策略消息更新阶段，具体包括以下步骤：

阶段一：用户节点消息更新顺序选择阶段：

步骤1-1：初始化顺序集合为S＝{}，用户节点权值ζ_j和资源节点权值η_k为0，查找集T＝{ζ_j|j＝1,…,J}，其中j＝1,2,...,J，k＝1,2,...,K；

步骤1-2：从查找集T中查找最大值，若最大值的个数大于1，则在所有最大值中随机选取一个为ζ_r，r∈{1,...,J}；

步骤1-3：将r存入顺序集合S，并将ζ_r从查找集T中删除；

步骤1-4：查找与用户节点u_r(对应ζ_r的用户节点)连接的资源节点，得到第一更新集；将与第一更新集中各资源节点对应的资源节点权值均自增1；

步骤1-5：判断查找集T是否为空，若是，则执行步骤2-1，即基于顺序集合S执行串行策略消息更新；否则，对查找集T进行更新：基于当前资源节点权值，重新计算查找集T的各用户节点权值ζ_q，其中ζ_q为连接到用户节点u_q的所有资源节点的资源节点权值之和，q∈{1,...,J}，基于更新后的查找集T执行步骤1-2。

进一步的，为了减少运算量，步骤1-5中，在对查找集T进行更新时，仅更新与第一更新集的资源节点存在连接的用户节点对应的用户节点权值。

阶段二：串行策略多用户检测阶段：

步骤2-1、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；(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，为连接到用户节点u_j的资源节点集。

步骤2-2、设定最大迭代次数为t_max；

步骤2-3、在第t次迭代过程中，首先将集合S中的第j个用户节点以及与第j个用户节点相连的所有资源节点作为一组，将用户节点和资源节点分为J组，j＝1,2,...,J，J组节点分别标记为γ₁,γ₂,...,γ_J组；然后，计算第γ₁组的所有的资源节点到用户节点的消息和用户节点到资源节点的消息然后依次计算γ₂,...,γ_J组的资源节点到用户节点的消息以及用户节点到资源节点的消息，一次迭代完成；x_j＝(x_1,j,...,x_K,j)^T为第j个用户的SCMA码字，x_l＝(x_1,l,...,x_K,l)^T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，；x_k,i表示第i个用户的码字的第k个资源，h_k,i∈h_i＝(h_1,i,h_2,i,...,h_K,i)^T，h_i为用户i的信道向量；

步骤2-4、判断t＞t_max是否成立，若成立，执行步骤2-5；若不成立，则令t＝t+1，返回步骤2-3，进行下一次迭代；

步骤2-5、经过t_max次迭代后退出循环，计算码字消息：

步骤2-6、计算数据比特的软信息

b_j为第j个用户的数据比特；

步骤2-7、数据比特的判决

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：本发明对用户节点更新顺序进行了甄别与选择，使其在迭代过程中能够更加充分地利用已更新的节点消息，加快了多用户检测方法的收敛速率；且用户节点的更新顺序只需在串行策略多用户检测前选择一次，计算复杂度很低，可忽略不计。因此，在每一次迭代过程中，本发明的计算复杂度与传统串行策略多用户检测方法的计算复杂度近似相同。

附图说明

图1为本发明方法多用户检测方法的流程图；

图2为本发明方法多用户检测方法中消息更新顺序选取过程示意图；

图3为现有串行策略的消息更新方式示意图；

图4为本发明多用户检测方法中消息更新方式示意图；

图5为本发明方法与背景技术方法的BER性能对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

参见图1，本发明的改良串行策略的SCMA通信系统多用户检测方法在现有串行策略的多用户检测方法的基础上，首先基于输入的用户节点与资源节点的连接关系对用户节点顺序加以甄别和选择，进而将甄别出来的用户节点顺序应用于串行策略(串行MPA迭代检测)中的消息更新中，使多用户检测方法在每次迭代译码过程中可有效地把最新更新的消息应用于下一个用户节点消息的更新当中。

为合理选择出用户节点更新的顺序，需定义关于用户节点和资源节点的权值ζ_j、η_k，其中用户节点标识符j＝1,2,...,J，资源节点标识符k＝1,2,...,K，J、K分别表示用户节点、资源节点总数目，即η_k表示资源节点c_k处的权值权值，ζ_j表示连接到用户节点u_j的资源节点的权值权值的和，简称用户节点权值。

为了更好地描述上述过程，现举例如下。图2为本发明方法在稀疏扩频矩阵为下的消息更新顺序选取过程示意图，矩阵F的行对应资源节点标识符k(k＝1,2,...,6)，矩阵F的列对应用户节点标识符j(j＝1,2,...,9)，元素值1表示资源节点与用户节点存在连接。因此在计算用户节点权值的当前值时，可根据公式计算。

根据下列步骤得到用于串行策略多用户检测的用户节点顺序：

首先定义用户节点权值权值为ζ_j，资源节点权值计权值为η_k(j＝1,2,...,9，k＝1,2,...,6)，且初始值均为0，如图2-①所示，初始化顺序集合为S为空集，初始化查找集T＝{ζ_j|j＝1,…,9}；

(1)在查找集T中选择最大值作为ζ_r，由于初始情况下每个用户节点权值都相同为0，则随机选取一个(即当最大用户节点权值为2个及其以上时，从中随机选取一个即可)，假设选取ζ₁(对应用户节点u₁)，则将1存入顺序集合S，并将ζ₁从查找集T中删除；

查找与用户节点u₁连接的资源节点，得到第一更新集{c₄,c₅}，将η₄，η₅都自增1，并将与c₄、c₅相连接的用户节点权值(除u₁)都自增1并对应更新查找集T中的户节点权值的值，即基于变化后的η₄，η₅，更新查找集T中与c₄、c₅存在连接的用户节点对应的用户节点权值的值，如图2-②所示；

(2)在查找集T＝{ζ₂,ζ₃,ζ₄,ζ₅,ζ₆,ζ₇,ζ₈,ζ₉}中选择最大值作为ζ_r，因ζ₅,ζ₆,ζ₈,ζ₉均为最大，则随机选择ζ₅(对应用户节点u₅)，因此将5存入顺序集合S，并将ζ₅从查找集T中删除；

与u₅连接的资源节点为c₄，c₆，因此将η₄，η₆都自增1，并将与c₄，c₆相连接的用户节点权值(除u₁、u₅)都自增1完成对查找集T的更新，如图2-③所示；

(3)重复上述过程，直到完成对所有用户节点的节点顺序的甄别和选择，即当查找集T为空时结束重复，最终得到的序列顺序为1→5→8→2→6→4→3→7→9，如图2-⑩所示。对于上述稀疏扩频矩阵F，现有的串行策略多用户检测方法中的用户节点顺序为1→2→3→4→5→6→7→8→9如图3所示，而本发明方法是将4选出的用户节点序列顺序1→5→8→2→6→4→3→7→9用于串行策略的多用户迭代消息更新机制中如图4所示。本发明对用户节点更新顺序进行了甄别与选择，使其在迭代过程中能够更加充分地利用已更新的节点消息，加快了多用户检测方法的收敛速率。

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＝80，码字长度K＝40，系统过载率信道模型为AWGN(高斯白噪声)信道，稀疏正则扩频矩阵为40×80的矩阵；用户信息比特经过SCMA编码器映射为相应的码字x＝{-1，+1}，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)^T是用户j的SCMA码字，h_j＝(h_1,j,h_2,j,...,h_K,j)^T为用户j的信道有效向量，n～CN(0,σ²Ι)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。本发明在传统串行策略多用户检测方法用户节点更新顺序的基础上加以甄别与选择，使其在迭代过程中能够更加充分地利用已更新的节点消息，加快了迭代译码收敛速率；且用户节点的更新顺序只需在串行策略多用户检测方法前选择一次，计算复杂度很低，因此本发明的计算复杂度与传统串行策略多用户检测方法的计算复杂度近似相同。

利用Matlab对背景技术的并行策略、串行策略和本发明实施例的改进的串行策略的SCMA通信系统多用户检测方法在AWGN信道中的BER误码性能进行仿真对比分析，仿真结果如图5所示。由图5可知，在相同的检测性能的情况下，如BER＝1.0×10^-4，本发明2次迭代的BER性能相较于背景技术中传统串行策略2次迭代的BER性能有2dB的增益；其次，本发明2次迭代的BER性能近似于背景技术中并行策略6次迭代的性能；最后由于背景技术中串行策略与并行策略一次迭代的计算复杂度相同，而本发明仅仅在传统串行策略的基础上根据节点计数器来选取节点更新顺序，计数器的计算复杂度相对于多用户检测方法的计算复杂度可忽略不计。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BER性能，大大降低系统的计算复杂度。

Claims (2)

1.一种改良串行策略的SCMA通信系统多用户检测方法，包括用户节点顺序选择和串行策略消息更新，其特征在于，用户节点顺序选择具体包括下列步骤：

步骤1-1：初始化顺序集合为S＝{}，用户节点权值ζ_j、资源节点权值η_k为0，其中j＝1,2,...,J，k＝1,2,...,K，J、K分别表示用户节点、资源节点数目；查找集T＝{ζ_j|j＝1,…,J}；

步骤1-2：从查找集T中查找最大值ζ_r，若最大值的个数大于1，则在所有最大值中随机选取一个作为ζ_r，r∈{1,...,J}；

步骤1-3：将r存入顺序集合S，并将ζ_r从查找集T中删除；

步骤1-4：用u_r表示对应ζ_r的用户节点，查找与用户节点u_r连接的资源节点，得到第一更新集；将与第一更新集中各资源节点对应的资源节点权值均自增1；

步骤1-5：判断查找集T是否为空，若是，则基于顺序集合S执行串行策略消息更新；否则，对查找集T进行更新：基于当前资源节点权值，重新计算查找集T的各用户节点权值ζ_q，其中ζ_q为连接到用户节点u_q的所有资源节点的资源节点权值之和，q∈{1,...,J}，基于更新后的查找集T执行步骤1-2。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1-5中，在对查找集T进行更新时，仅更新与第一更新集的资源节点存在连接的用户节点对应的用户节点权值。