CN107181567A - 一种基于门限的低复杂度mpa算法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于门限的低复杂度MPA算法，具体步骤包括输入基带信号；初始化变量节点消息；更新函数节点和变量节点消息；计算各码字的置信度；判断码字置信度是否满足门限，确定对码字进行译码、舍弃还是继续迭代。本发明利用门限将迭代过程中的置信度足够高的码字挑选出来进行译码，从而减少同一频点上叠加的用户数；同时，对置信度足够低的码字进行舍弃，可以缩小后续迭代过程中消息更新所需的搜素范围，有效地降低算法复杂度。

Description

一种基于门限的低复杂度MPA算法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于门限的低复杂度MPA算法。。
背景技术
随着4G LTE系统投入商用，面对不断增长的用户数量、无处不在的网络接入以及更高的通信质量需求，人们开始了对5G的研究。稀疏码分多址(SCMA)系统因为其优于LTE系统的链路传输质量和成倍的系统容量而成为新的研究热点。
SCMA技术作为一种新型的非正交多址技术，由于码字具有稀疏特性，即码字中非零元个数远小于码字长度，接收机可以利用消息传递算法(MPA)进行多用户联合译码。
MPA算法是一种基于因子图求边缘概率分布的迭代算法，该算法中外信息在变量节点(VN)和函数节点(FN)之间不断的传递，最后获得一个稳定的概率分布作为判决量，最终最优的判决量对应的码字即为判决输出结果。相对于联合最优最大后验概率(MAP)检测算法，MPA是一种次优的方法，但是MPA利用了码本的稀疏性，极大地降低了多用户检测的复杂度。
虽然MPA算法的复杂度相对于最优的MAP有所降低，但是在系统严重过载或码本尺寸过大的情况下，硬件实现仍然很困难。事实上，在迭代过程中用户码字的收敛速度存在差异，收敛快的码字不需要迭代到最大迭代步数就可以译码，同时对于一些置信度极低的码字可以在迭代过程中舍弃。然而，在原始MPA的迭代过程中所有的码字都被同等对待，每次迭代都需要更新所有的节点消息，直到迭代到最大迭代步数后才对所有的用户进行译码，这种不顾码字置信度的迭代译码方式导致很多冗余的计算复杂度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于门限的低复杂度MPA算法，该算法通过设置置信度门限来及时对可靠的码字进行译码，或对发送概率极低的码字进行舍弃，从而有效地降低了原始MPA算法的复杂度。
一种基于门限的低复杂度MPA算法，具体步骤如下：
S1、输入基带信号；
S2、初始化变量节点消息，具体为：其中，表示第t次迭代中用户j在频点k上传输码字χ的概率，表示用户j的码本中第m个码字，M表示码本尺寸，J表示所有的用户数，表示用户j占用的频点集合，j＝1,...,J,m＝1,...,M，t为不为零的自然数；
S3、根据公式更新函数节点和变量节点消息，其中，yk表示第k个频点的观测值，表示合成码字第k维的取值，表示频点k上叠加的用户集合，表示从集合中除去用户j，表示在第t次迭代中在频点k上检测到用户j传输码字χ的概率，normalize(·)表示归一化，为传输条件下接受到yk的条件概率；
S4、根据公式计算各码字的置信度，其中，表示第t次迭代完成后用户j传输第m个码字的概率；
S5、判断S4所述码字置信度是否满足门限，确定对码字进行译码、舍弃还是继续迭代，具体如下：
S51、判断置信度最高的码字是否满足第一门限，若是则直接将该码字作为译码结果输出，反之，则进入S52，其中，所述第一门限为经验设定；
S52、判断置信度最低的码字是否满足第二门限，若否则进入步骤S6，若是则舍弃该码字并进入S53，其中，所述第二门限为经验设定，第一门限与第二门限不相等；
S53、判断舍弃一个置信度最低的码字后剩余的码字个数是否为1，若是则将剩下的码字作为译码结果输出，反之则进入步骤S3，且迭代步数加1；
S6、当S5完成后若存在未被译码的用户，则判断是否达到最大迭代步数，若达到最大迭代步数则对用户进行译码，反之，则回到步骤S3，且迭代步数加1。
进一步地，S3所述计算方式为
其中，σ2表示噪声方差，hj,k表示第j个用户的第k个分量经历的信道衰落系数，xj,k表示第j个用户发送码字的第k维取值。
本发明的有益效果是：
利用门限将迭代过程中的置信度足够高的码字挑选出来进行译码，从而减少同一频点上叠加的用户数；同时，对置信度足够低的码字进行舍弃，可以缩小后续迭代过程中消息更新所需的搜素范围，有效地降低算法复杂度。
附图说明
图1为本发明的算法流程图。
图2为原始MPA算法流程图。
图3为上行SCMA系统模型图。
图4为SCMA编码器工作原理图。
图5为SCMA因子图。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图，对本发明方法进行进一步说明。
本实施例在Matlab仿真平台进行实验，实施例中的系统参数如表1所示，码本如表2所示，其系统模型如图3所示。在AWGN信道下对6个用户共享4个频率资源，过载率为150％的SCMA系统进行仿真，包括发送端处理过程和接收端处理过程。
表1仿真系统参数
表2所用码本
发送端处理流程包括以下步骤：
S101：随机生成6组长度为2的二进制比特流；
S102：利用SCMA编码器进行编码，将各用户数据中的2个比特映射为一个码字，分别获得码字x1,x2,...,x6，编码器工作原理图如图4所示；
S103：经过编码后的码字经历不同的信道衰落后叠加在一起发送到接收端；
接收端处理流程包括以下步骤：
S201：接收到长度为4的向量y，其表达式如下：
其中xj＝(xj,1,xj,2,···,xj,4)T表示第j个用户发送的码字，hj＝(hj,1,hj,2,...,hj,4)T表示第j个用户经历的信道衰落，n＝(n1,n2,...,n4)表示白高斯噪声向量，且n服从均值为零，方差为σ2I的复高斯分布。
S202：将y输入到本发明的译码器中进行译码，如图1所示，具体包括以下步骤：
S2021：初始化变量节点消息；
其中表示第t次迭代中用户j在频点k上传输码字χ的概率，表示用户j的码本中第m个码字，表示用户j占用的频点集合。
S2022：更新函数节点和变量节点消息，消息沿着如图5所示的因子图的边传递；
其中yk表示第k个频点的观测值，表示合成码字第k维的取值，表示频点k上叠加的用户集合，表示从集合中除去用户j，表示在第t次迭代中在频点k上检测到用户j传输码字χ的概率，normalize(·)表示归一化，为传输条件下接受到yk的条件概率，其计算方式如下：
其中σ2表示噪声方差，hj,k表示第j个用户的第k个分量经历的信道衰落系数，xj,k表示第j个用户发送码字的第k维取值。
S2023：计算各码字的置信度；
其中表示第t次迭代完成后用户j传输第m个码字的概率。
S2024：判断码字置信度是否满足门限，来决定对码字进行译码、舍弃还是继续迭代，具体包括以下步骤：
S20241：判断置信度最高的码字是否满足第一门限Th1，若是则直接将该码字作为译码结果输出，反之，则进入下一步；
S20242：判断置信度最低的码字是否满足第二门限Th2，若否则进入步骤S2022，反之，则舍弃该码字并进入下一步；
S20243：判断舍弃一个置信度最低的码字后剩余的码字个数是否为1，若是则将剩下的码字作为译码结果输出，反之则进入步骤S3，且迭代步数加1；
S2025：当S2024完成后若存在未被译码的用户，则判断是否达到最大迭代步数，若是则对剩下的所有用户进行译码，反之，则回到步骤S2022；且迭代步数加1；
本发明在接收端利用基于门限的MPA算法进行多用户联合译码，能够及时译码置信度高的码字，同时也能及时舍弃置信度低的码字，从而避免了原始MPA中不管码字置信度造成的多余的消息更新，如图2所示，有效地降低了算法复杂度。

Claims (2)

1.一种基于门限的低复杂度MPA算法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、输入基带信号；
S2、初始化变量节点消息，具体为：其中，表示第t次迭代中用户j在频点k上传输码字χ的概率，表示用户j的码本中第m个码字，M表示码本尺寸，J表示所有的用户数，表示用户j占用的频点集合，t为不为零的自然数；
S3、根据公式更新函数节点和变量节点消息，其中，yk表示第k个频点的观测值，表示合成码字第k维的取值，表示频点k上叠加的用户集合，表示从集合中除去用户j，表示在第t次迭代中在频点k上检测到用户j传输码字χ的概率，normalize(·)表示归一化，为传输条件下接受到yk的条件概率；
S4、根据公式计算各码字的置信度，其中，表示第t次迭代完成后用户j传输第m个码字的概率；
S5、判断S4所述码字置信度是否满足门限，确定对码字进行译码、舍弃还是继续迭代，具体如下：
S51、判断置信度最高的码字是否满足第一门限，若是则直接将该码字作为译码结果输出，反之，则进入S52，其中，所述第一门限为经验设定；
S52、判断置信度最低的码字是否满足第二门限，若否则进入步骤S6，若是则舍弃该码字并进入S53，其中，所述第二门限为经验设定，第一门限与第二门限不相等；
S53、判断舍弃一个置信度最低的码字后剩余的码字个数是否为1，若是则将剩下的码字作为译码结果输出，反之则进入步骤S3，且迭代步数加1；
S6、当S5完成后若存在未被译码的用户，则判断是否达到最大迭代步数，若达到最大迭代步数则对用户进行译码，反之，则回到步骤S3，且迭代步数加1。
2.根据权利要求1所述的一种基于门限的低复杂度MPA算法，其特征在于：S3所述计算方式为其中，σ2表示噪声方差，hj,k表示第j个用户的第k个分量经历的信道衰落系数，xj,k表示第j个用户发送码字的第k维取值。
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