CN107196737A - 基于消息传递算法的scma译码方法 - Google Patents

基于消息传递算法的scma译码方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于消息传递算法的SCMA译码方法，主要包括以下步骤：步骤1、输入信号，结合码本存储单元，初始化条件概率；步骤2、初始化后，在迭代检测接收机里后验概率迭代更新；其中，所述迭代检测接收机包括用户节点译码器和资源节点译码器，所述资源节点译码器连接所述用户节点译码器，所述后验概率在所述资源节点译码器和用户节点译码器之间联合迭代更新；步骤3、多次迭代后，所述用户节点译码器输出信息作为低密度奇偶校验码译码输入，译码完成。本发明不仅提高了收敛速度、误比特率性能，还降低了算法复杂度。

Description

基于消息传递算法的SCMA译码方法
技术领域
本发明涉及无线通讯技术领域，尤其涉及一种基于消息传递算法的SCMA译码方法。
背景技术
在移动通信系统中，稀疏码多址接入(SCMA)是一种多址接入技术，也就是基站如何同时服务和区分多个用户的一种方式。多址接入技术是满足多个用户同时进行通信的必要手段。每一代移动通信系统的出现，都伴随着多址接入技术的革新。稀疏码多址接入系统的性能主要取决于SCMA码本设计和译码器设计，因此好的译码器十分重要。最大联合后验概率(MAP)检测是最优的多用户联合检测，但由于巨大的存储量，较高的复杂度往往不能在实际中使用，由SCMA中低密度扩频的结构，可以采用近似于最大似然比(ML)检测性能的低复杂度的消息传递算法，消息传递算法的基本原理就是将一个计算困难的问题分解成许多容易计算的子问题，算法较为复杂，且收敛性能并非最佳，当前的消息传递算法已无法满足实际需求，提供一种既可以提高消息收敛速度，又可降低算法复杂度的算法，是很有必要的。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种基于消息传递算法的SCMA译码方法，不仅提高了收敛速度、误比特率性能，还降低了算法复杂度。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于消息传递算法的SCMA译码方法，主要包括以下步骤：
步骤1、输入信号，结合码本存储单元，初始化条件概率。
步骤2、初始化后，在迭代检测接收机里后验概率迭代更新；其中，所述迭代检测接收机包括用户节点译码器和资源节点译码器，所述资源节点译码器连接所述用户节点译码器，所述后验概率在所述资源节点译码器和用户节点译码器之间联合迭代更新。
步骤3、多次迭代后，所述用户节点译码器输出信息作为低密度奇偶校验码译码输入，译码完成。
优选的是，步骤2中所述后验概率多次迭代更新后，对每个符号进行硬判决，用于判决码字的符号估计，避免完整符号空间的对比。
优选的是，步骤2所述资源节点译码器和用户节点译码器之间联合迭代更新的公式为：
其中，表示资源节点到用户节点的消息概率；表示用户节点到资源节点的消息概率；Qi-1(xj)表示对应于每次资源节点消息更新的用户码字消息的更新。
优选的是，消息从资源节点传递到用户节点的公式为：
其中，x表示码片上的符号估计；Mk(x)表示先验联合概率；表示信道消息作为消息第i次从资源节点传递到用户节点；为用户节点传递到资源节点的消息；表示i次资源节点的信息总和；ξk表示稀疏矩阵F第K行的非零位置集；i≠j、i∈ξk、j∈ξk。
优选的是，所述硬判决模块进行硬判决的公式为：对应输出值为最大的参数x。
优选的是，所述SCMA译码方法的估算基于先验概率、图模型结构对外概率和后验概率。
优选的是，所述多次迭代的次数设置为40-60次。
优选的是，步骤1所述信号包括信号r、信道估计h和噪声NO。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明所述迭代检测接收机分为两个分量译码器，即所述用户节点译码器和资源节点译码器，迭代信息的后验概率在所述资源节点译码器和用户节点译码器之间迭代更新，所述后验概率沿着相连的边同时进行信息迭代更新，与传统的基于并行策略的消息传递算法译码器区别在于两个译码器的节点是联合更新的，即顺序的进行用户节点的消息传递，已更新的消息可以及时传递到后面的节点，而不必等到下次迭代，大大加快了算法的收敛速度；一定的迭代次数后，所述硬判决模块，对每个发送码字的符号估计，进行硬判决，有效避免了完整符号空间的对比，大大减少了运算量，尤其在多用户检测环节通过迭代减少错误概率，降低了算法复杂度。
本发明的其它优点、目，标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述基于消息传递算法的SCMA译码方法的流程图；
图2为本发明所述迭代检测接收机结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本发明提供了一种基于消息传递算法的SCMA译码方法，主要包括以下步骤：
步骤1、输入信号，结合码本存储单元，初始化条件概率。
步骤2、初始化后，在迭代检测接收机里后验概率迭代更新；其中，所述迭代检测接收机包括用户节点译码器和资源节点译码器，所述资源节点译码器连接所述用户节点译码器，所述后验概率在所述资源节点译码器和用户节点译码器之间联合迭代更新。
步骤3、多次迭代后，所述用户节点译码器输出信息作为低密度奇偶校验码译码输入，译码完成。
在上述方案中，如图2所示，IA,ZND为发送符号C(k,n)(xd)和所述用户节点译码器的先验信息之间的互信息，IE,ZND为发送符号C(k,n)(xd)和所述用户节点译码器的外信息之间的互信息，IA,YND为发送符号C(k,n)(xd)和所述资源节点译码器的先验信息之间的互信息，IE,YND为发送符号C(k,n)(xd)和所述资源节点译码器的外信息之间的互信息，本发明所述迭代检测接收机分为两个分量译码器，即所述用户节点译码器和资源节点译码器，所述迭代检测机在译码过程中，一个译码器的先验概率是来自于另一个译码器的外信息，译码器的外信息互相独立，迭代信息的后验概率在所述资源节点译码器和用户节点译码器之间迭代更新，所述后验概率沿着相连的边同时进行信息迭代更新，与传统的基于并行策略的消息传递算法译码器区别在于两个译码器的节点是联合更新的，即顺序的进行用户节点的消息传递，已更新的消息可以及时传递到后面的节点，而不必等到下次迭代，大大加快了算法的收敛速度。
一个优选方案中，步骤2中所述后验概率多次迭代更新后，对每个符号进行硬判决，用于判决码字的符号估计，避免完整符号空间的对比。
在上述方案中，一定的迭代次数后，所述硬判决模块，对每个发送码字的符号估计，进行硬判决，有效避免了完整符号空间的对比，大大减少了运算量，尤其在多用户检测环节通过迭代减少错误概率，降低了算法复杂度。
一个优选方案中，步骤2所述资源节点译码器和用户节点译码器之间联合迭代更新的公式为：
其中，表示资源节点到用户节点的消息概率；表示用户节点到资源节点的消息概率；Qi-1(xj)表示对应于每次资源节点消息更新的用户码字消息的更新。
一个优选方案中，消息从资源节点传递到用户节点的公式为：
其中，x表示码片上的符号估计；Mk(x)表示先验联合概率；表示信道消息作为消息第i次从资源节点传递到用户节点；为用户节点传递到资源节点的消息；表示i次资源节点的信息总和；ξk表示稀疏矩阵F第K行的非零位置集；i≠j、i∈ξk、j∈ξk。
一个优选方案中，所述硬判决模块进行硬判决的公式为：对应输出值为最大的参数x。
一个优选方案中，所述SCMA译码方法的估算基于先验概率、图模型结构对外概率和后验概率。
一个优选方案中，所述多次迭代的次数设置为40-60次。
在上述方案中，理论上是次数越多结果越精确，但也会影响运行效率，所以设定所述迭代次数为50次，一定程度保证了结果的精确性，同时提高了运行效率。
一个优选方案中，步骤1所述信号包括信号r、信道估计h和噪声NO。
本发明基于消息传递算法的SCMA译码方法的工作过程如下：
步骤1、给出用户C在资源K的信道增益f_n＝1，用户节点在资源节点上发送码字x_d的符号C(k,n)(xd)，噪声功率N0,n，可以用hn(.)函数计算各种残余变量。
令hn(.)＝hn(yn,x1,x2,x3,N0,n,Fn)则
x1,x2,x3＝1,...,X；n＝1,...H
在高斯噪声下，φn是条件概率：
φn(yn,x1,x2,x3,N0,n,Fn)＝exp(h(.))
认为先验概率相同，即发送每个码字的概率相同，则：
步骤2、迭代检测接收机在译码过程中，一个译码器的先验概率是来自于另一个译码器的外信息，译码器的外信息互相独立，所述资源节点译码器和用户节点译码器之间的消息更新公式为：
步骤3、一定的迭代次数后，利用下式对每个符号进行硬判决。
步骤4、一定的迭代次数后用户处对数似然比输出
这样可以得到每个比特的对数似然比，用于低密度奇偶校验码译码输入。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种基于消息传递算法的SCMA译码方法，其中，主要包括以下步骤：
步骤1、输入信号，结合码本存储单元，初始化条件概率；
步骤2、初始化后，在迭代检测接收机里后验概率迭代更新；其中，所述迭代检测接收机包括用户节点译码器和资源节点译码器，所述资源节点译码器连接所述用户节点译码器，所述后验概率在所述资源节点译码器和用户节点译码器之间联合迭代更新；
步骤3、多次迭代后，所述用户节点译码器输出信息作为低密度奇偶校验码译码输入，译码完成。
2.如权利要求1所述的基于消息传递算法的SCMA译码方法，其中，步骤2中所述后验概率多次迭代更新后，对每个符号进行硬判决，用于判决码字的符号估计，避免完整符号空间的对比。
3.如权利要求1所述的基于消息传递算法的SCMA译码方法，其中，步骤2所述资源节点译码器和用户节点译码器之间联合迭代更新的公式为：
<mrow> <msubsup> <mi>M</mi> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>&amp;RightArrow;</mo> <msub> <mi>D</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>Q</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msubsup> <mi>M</mi> <mrow> <msub> <mi>D</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>&amp;RightArrow;</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>i</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中，表示资源节点到用户节点的消息概率；表示用户节点到资源节点的消息概率；Qi-1(xj)表示对应于每次资源节点消息更新的用户码字消息的更新。
4.如权利要求3所述的基于消息传递算法的SCMA译码方法，其中，消息从资源节点传递到用户节点的公式为：
其中，x表示码片上的符号估计；Mk(x)表示先验联合概率；表示信道消息作为消息第i次从资源节点传递到用户节点；为用户节点传递到资源节点的消息；表示i次资源节点的信息总和；ξk表示稀疏矩阵F第K行的非零位置集；i≠j、i∈ξk、j∈ξk。
5.如权利要求4所述的基于消息传递算法的SCMA译码方法，其中，所述硬判决模块进行硬判决的公式为：
<mrow> <msub> <mover> <mi>x</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>j</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>arg</mi> <munder> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mover> <mi>x</mi> <mo>^</mo> </mover> </munder> <mrow> <mo>(</mo> <munder> <mo>&amp;Pi;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <msub> <mi>&amp;xi;</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </munder> <msubsup> <mi>r</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&amp;RightArrow;</mo> <mi>j</mi> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
对应输出值为最大的参数x。
6.如权利要求1所述的基于消息传递算法的SCMA译码方法，其中，所述SCMA译码方法的估算基于先验概率、图模型结构对外概率和后验概率。
7.如权利要求1所述的基于消息传递算法的SCMA译码方法，其中，所述多次迭代的次数设置为40-60次。
8.如权利要求1所述的基于消息传递算法的SCMA译码方法，其中，步骤1所述信号包括信号r、信道估计h和噪声NO。
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