CN107204832B

CN107204832B - 一种scma编码本设计方法、scma编码器以及scma系统

Info

Publication number: CN107204832B
Application number: CN201710465337.3A
Authority: CN
Inventors: 武畅; 李豪; 杨路遥; 袁超; 程丹
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2037-06-19
Also published as: CN107204832A

Abstract

本发明涉及一种SCMA编码本设计方法、SCMA编码器以及SCMA系统，该SCMA编码本设计方法，包括步骤：(1)固定最小欧氏距离，同时最小化母星座图的基本容积，生成母星座图；(2)对母星座图以最小乘积距离为目标函数进行最优化，得到最优旋转角度；(3)将母星座图分解为三个子向量，以得到的最优旋转角度对三个子向量进行旋转，得到母星座图的旋转子向量；(4)对旋转子向量进行坐标重排，得到适用于6个用户的SCMA编码本。该方法能够有助于系统获得良好的误码率性能，本系统基于SCMA编码器在信道发射端产生的分量交织器和信道接收端产生的分量解交织器，使5G通信系统下行链路物理层在Rayleigh衰落信道下误码率降低，较好的起到了抵抗通信信道衰落的作用。

Description

一种SCMA编码本设计方法、SCMA编码器以及SCMA系统

技术领域

本发明涉及SCMA码本设计方法，尤其涉及一种SCMA编码本设计方法、SCMA编码器以及SCMA系统。

背景技术

稀疏码多址SCMA(sparse code multiple access)是5G通信系统中的一个多址技术，同时兼具基带调制的作用，SCMA技术的核心就是设计SCMA编码本。SCMA在低密度扩频多址接入(Low Density Signature Multiple Access,LDS-MA)的基础上利用码本，也就是多维星座调制和稀疏扩频技术实现过载，使多用户数大于资源数，极大的提高了频谱利用率。良好的多维星座的设计，可降低远近效应，并且降低检测复杂度，而稀疏扩频技术使多用户在同一资源快上的碰撞减小，致使SCMA技术性能优越。

SCMA加入了码本设计，从而获得了一定的编码增益，但与此同时，与传统的单一星座点设计所不同的是，SCMA系统需要通过多个资源上的码本进行联合解码得到信息，因此若想取得较好的性能，相应地在发射端SCMA系统也需要对多个资源上的码本进行联合设计，因此设计复杂度高，难度大，目前尚未提出最优化的码本设计方法，因此如何设计出性能更好的码本已成为SCMA面临的巨大挑战。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种SCMA编码本设计方法、SCMA编码器以及SCMA系统，解决SCMA对编码本的设计复杂度高，难度大的问题，同时，基于SCMA编码器在信道发射端产生的分量交织器和信道接收端产生的分量解交织器，使5G通信系统下行链路物理层在Rayleigh衰落信道下误码率降低，较好的起到了抵抗通信信道衰落的作用。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种SCMA编码本设计方法，包括以下步骤：

(1)固定最小欧氏距离，同时最小化母星座图的基本容积，生成母星座图；

(2)对母星座图以最小乘积距离为目标函数进行最优化，得到最优旋转角度；

(3)将母星座图分解为三个子向量，以得到的最优旋转角度对三个子向量进行旋转，得到母星座图的旋转子向量；

(4)对旋转子向量进行坐标重排，得到适用于6个用户的SCMA编码本。

本发明的有益效果是：旋转的星座图能够在衰落信道中获得良好的误码率性能，因此该方法能够有助于系统获得良好的误码率性能,同时按照层级划分的SCMA编码本设计方法能够使得整个SCMA编码本的生成过程简化。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤(2)的目标函数为:

其中，d_p ^(l)(x,y)²为两个星座图之间的l阶乘积距离，θ_max为最优旋转角度,x,y为旋转后星座图中的任意不相同的两点，x_i和y_i为星座图中两个不同的星座图点，E为星座图的平均能量，n为星座图的维度；

该旋转后星座图的生成矩阵为G_rotate：

其中，G为母星座图的生成矩阵，

利用生成矩阵G_rotate可以得到星座图中任意两个点的坐标，将两个坐标点带入目标函数中，经过运算即可得到最优旋转角度。

采用上述进一步方案的有益效果是，该方案有助于获得一个最优的旋转角度，该角度用于后续的用户编码本生成过程。

另外，本发明还提供了一种SCMA编码器，该SCMA编码器基于上述SCMA编码本设计方法产生的编码本。

另外，本发明还提供了一种SCMA系统，包括：

SCMA编码器：用于将各用户输入的N比特数据映射成为对应用户编码本中的数据,该数据是一个4维列向量；

合并器：用于将各SCMA编码器形成的4维列向量相加，得到一个4维向量，该4维向量的每一维数值用一个子载波进行传输；

分量交织器：用于将所述4个子载波分为两组，将每组中的两个子载波的复数数据的实部和虚部进行交换，得到交换了实部和虚部顺序的4个子载波；

无线信道：用于发送交换了实部和虚部顺序的4个子载波，所述信道是瑞利衰落信道；

分量解交织器：用于将从无线信道接收的4个子载波分为两组，将每组中的两个子载波的复数数据的实部和虚部进行交换，得到交换了实部和虚部顺序的4个子载波；

解码器：用于处理分量解交织器产生的4个子载波上的数据，利用已知信道衰落系数以及MPA解调算法来实现对于原始数据的解码。

采用上述方案的有益效果是：基于SCMA编码器在信道发射端产生的分量交织器和信道接收端产生的分量解交织器，使5G通信系统下行链路物理层在Rayleigh衰落信道下误码率降低，较好的起到了抵抗通信信道衰落的作用。

附图说明

图1为本发明系统框图；

图2为本发明未旋转母星座图的空间格型图；

图3为本发明母星座图旋转最优角度之后的格型星座图；

图4为本发明旋转与未旋转六角格星座图误码率对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

为了改善原有技术的缺点，本方案从系统的角度出发，将星座图旋转技术应用到编码本的设计中，并且结合交织器，使得SCMA系统整体的性能达到优化其中，如图1所示，本发明只针对传统的6用户4载波SCMA系统进行设计，因此后面的所有实施步骤都隐含了这样一个基本背景。

本发明的一个实施方式，SCMA编码本设计方法为：

(1)固定最小欧氏距离及最小化母星座图的基本容积，生成母星座图，该星座图是一个64点的六角格星座图，如图2所示；

(2)对母星座图以最小乘积距离为目标函数进行最优化，得到最优旋转角度；具体计算步骤如下所示：

a.假设母星座图的最优旋转角度为θ_max，该参数是最大化最小乘积距离得到的，首先写出最优化的目标函数:

化简目标函数，定义乘积距离如下：

其中，

表示两个星座图之间的_l阶乘积距离，x_i和y_i表示星座图中两个不同的星座图点，E表示星座图的平均能量，n表示星座图的维度，在该案例中，星座图的维度是2，x,y是旋转后星座图中的点，该旋转星座图的生成矩阵为G_rotate：

其中，G代表母星座图的生成矩阵

本发明中使用计算机辅助搜索的技术来搜索最优的旋转角度。具体的，我们已知母星座图的所有坐标点，并且把旋转角度参数设置为θ，步长为Δ，θ初始值设置为0，Δ＝0.1，当θ递增到90度的时候停止迭代。每次迭代，将母星座图所有坐标点乘以θ，然后把旋转之后的坐标点带入上述的两个目标函数中计算，最后求出来一个最大乘积距离，该最大乘积距离对应的旋转角度即为θ_max。

(3)将母星座图分解为三个子向量，以得到的最优旋转角度θ_max对三个子向量进行旋转，得到母星座图的旋转子向量，如图3所示为把母星座图旋转最优角度之后的格型星座图；

利用向量重排技术来设计子向量，使得距离谱达到最优。具体方法如下所示：首先固定每个用户的星座图点能量，然后固定该用户星座图的一个旋转子向量，最后调整另外一个旋转子向量的顺序，使得与第一个子向量形成的组合能够达到设定的能量值：

其中，

和

是经过向量重排之后的向量，V₁和V₂表示用户的原始分配的两个旋转子向量。

其中，本发明的一个实施方式，设计合并器，将6个用户编码经过合并器，合并器实际上是一个加法器，它将6个用户的数据映射到4个子载波上，因此每个子载波上都是6个用户重叠的复数数据，最后形成一个4维列向量D：

m_k表示第k个用户的编码本，i_k表示从对应的编码本中选择第i_k列数据进行传输。

其中，本发明的一个实施方式，设计分量交织器，配合旋转后的星座图能够达到较低的误码性能，设计方法如下：

通过合并器得到一个4维的列向量，对应着4个子载波上实际传输的数值，然后将两个子载波上的数据的实部与虚部分离，并且相互交换，最后将交换实部和虚部的数据发送到信道中进行传输。经过合并器得到的4维列向量D,D＝[d₁d₂d₃d₄]^T，使用实部和虚部分离的方法表示数据：

D_real＝[d_1,real d_2,real d_3,real d_4,real]

D_imag＝[d_1,imag d_2,imag d_3,imag d_4,imag]

D＝D_real+j*D_imag

D_real表示原始数据的实部，D_imag表示原始数据的虚部。

使用⊙表示分量交织操作：

其中，本发明的一个实施方式，分量解交织器的设计，该模块放在接收端进行，具体的设计步骤如下：

首先将接收到的数据信号解交织，将接收到的4个子载波分为两组，前面两个子载波一组，后面两个子载波一组；然后分离实部和虚部，并且相互交换；按照相同的方法将信道估计模块的信道增益进行分离，将4个子载波的信道增益分为两组，前面两个子载波增益一组，后面两个子载波增益一组；然后分离实部和虚部，并且相互交换。

在分量解交织之后，可以将分离之后的数据以及信道增益传入后面的SCMA解码器中，进行解码。这一步不详细叙述，利用现有技术能实现。

基于上述设计原理，本发明提供了一种SCMA系统，包括：

发明效果：本发明的主要目的是通过一个新的SCMA编码本设计方法来实现基于SCMA编码器的SCMA系统，同时又加入了分量交织模块与解交织模块，新的编码本与分量交织模块、解交织模块共同组成了本发明的创新点，从而在实践中提升了SCMA系统在衰落信道下的误码率性能。

实施例1

本发明的一个实施方式，针对于4载波非正交承载6个用户数据的经典SCMA框架进行设计；

(1)本发明使用64点六角格星座图A₂作为母星座图，下面以64点母星座图为例；

(2)对母星座图A₂以最小乘积距离为目标函数进行最优化，得到最优旋转角度17.6度；

(3)将母星座图分解为3个子向量，3个向量取母星座图的3个对角线，然后以得到的最优旋转角度对3个子向量进行旋转，得到3个旋转子向量V₁,V₂,V₃；

(4)在3个旋转子向量中选择2个向量按照下面的矩阵进行映射：

映射过程中，要保证每一行以及每一列不能有同一个向量映射，矩阵F中的1代表将选择的向量映射到该位置，0代表不映射。在子向量映射之后，利用向量重排技术处理，最终得到6个用户的编码本，用矩阵进行表示，对于每一个用户，每一列表示两个比特映射成为的4维向量，这4维向量对应映射到4个子载波上，如下所示：

仿真效果图如图4所示：利用上述编码本，得到6个用户的数据，映射到4个子载波上面。经过分量交织器，该交织器将4个子载波分为两组，每一组交换两个数据分量的实部和虚部，然后把数据发送到无线信道之中。接收端中分别对数据以及信道增益进行解交织，将解交织之后的数据送入SCMA译码器中进行译码，其中译码器的迭代次数选择为6次，这个迭代次数通常已经能够保证收敛。仿真结果表明，对比原始的未经旋转的SCMA编码本设计方案，本发明提出的方案，能够使得在瑞利衰落信道下，渐进误码率性能提升了2dB；

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。