CN107276725A

CN107276725A - Scma系统中多用户检测方法

Info

Publication number: CN107276725A
Application number: CN201710636999.2A
Authority: CN
Inventors: 赵懿伟; 杨维
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2037-07-31
Also published as: CN107276725B

Abstract

本发明提供了一种SCMA系统中并行多用户检测方法。该方法包括：在SCMA系统的并行迭代译码中，如果SCMA因子图中某用户节点在第i次迭代和第i‑1次迭代中，码字可信度向量中最大元素所在的位置不同，则判断该用户节点是不稳定的，该用户节点所对应的用户不能提前判决，进入下一次迭代过程；否则，判断用户节点是稳定的，对该用户节点所对应的用户进行门限条件的判决。本发明的方法在现有基于门限的MPA算法基础上，增加了对用户节点稳定性的判决，只有符合门限条件并通过用户节点稳定性判决的用户才能被提前译码。这样就提高了门限MPA算法提前判决码字的可靠性，可在低门限情况下使消息的迭代更加充分，从而获得良好的BER性能。

Description

SCMA系统中多用户检测方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种SCMA系统中并行多用户检测方法。

背景技术

正交多址技术(如4G中使用的OFDMA)远不能满足5G所要求的巨连接、更高的频谱效率和更低的时延。稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)方案作为一种基于多维码本的非正交多址技术，能够支持远多于所占用正交时频资源数的用户连接数。有文献比较了SCMA、多用户共享接入(Multi-User Shared Access,MUSA)和图样分割多址(Pattern Division Multiple Access,PDMA)这三种典型的非正交多址技术(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)在典型瑞利衰落信道中的误比特率(Bit ErrorRate,BER)性能，并得出SCMA的BER性能在这三种NOMA技术中最好。还有文献给出了SCMA方案在5G机器类型通信(Machine Type Communications,MTC)、移动宽带(MobileBroadband,MBB)和超密集网络(Ultra-Dense Networks,UDN)这三个应用场景的具体传输策略，表明SCMA方案能够有效解决现存无线通信系统的主要问题，在5G候选方案中极具竞争力。

在现有技术方案中，得益于SCMA码本的稀疏性，SCMA系统接收端可以采用基于消息传递算法(Message Passing Algorithm,MPA)的多用户检测算法，获得近似最优最大后验概率(Maximum a Posterior,MAP)检测的误码性能。但检测复杂度仍然过高，不适合在硬件设备上实现。对SCMA低复杂度多用户检测方法的研究仍然是SCMA系统研究的主要工作之一。有文献提出了基于部分边缘化(Partial Marginalization,PM)的固定复杂度SCMA多用户检测算法。该算法在第m次迭代中选择t个用户码字，并将这t个用户码字反馈到参考码字向量的相应位置上。这t个用户码字在之后的迭代过程中将不再进行更新运算。还有文献在码字可信度的基础上提出了一种基于门限的MPA算法。该算法在每次迭代中计算所有未提前判决用户的码字可信度，并且判断是否存在码字可信度符合门限条件的用户，如果存在，则将该用户提前解码。被提前解码的用户所对应的消息在后续的迭代过程中不再进行更新，从而起到降低检测复杂度的作用。

上述现有SCMA系统中的并行多用户检测技术的缺点主要表现在：检测复杂度过高，不适合在硬件设备上实现。如：原始MPA检测算法；虽然检测复杂度大大降低，但是BER性能下降严重，如：基于部分边缘化的固定复杂度SCMA多用户检测算法和现有基于门限的MPA算法，其中，现有基于门限的MPA算法的误码性能下降在低门限时尤其严重。

发明内容

本发明的实施例提供了一种SCMA系统中并行多用户检测方法，以实现在检测复杂度和BER性能中取得更好的平衡。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种SCMA系统中并行多用户检测方法，包括：

在SCMA系统的并行迭代译码中，根据用户节点的码字可信度向量判断所述用户节点是否稳定；

当判断所述用户节点稳定后，对所述用户节点所对应的用户进行门限条件的判决。

优选地，所述的在SCMA系统的并行迭代译码中，根据用户节点的码字可信度向量判断所述用户节点是否稳定，包括：

在SCMA并行迭代译码中，如果SCMA因子图中某用户节点u_j在第i次迭代和第i-1次迭代中，码字可信度向量中最大元素所在的位置不同；

即

则判断所述用户节点u_j是不稳定的；

如果

则判断所述用户节点u_j是稳定的。

优选地，所述的当判断所述用户节点稳定后，对所述用户节点所对应的用户进行门限条件的判决，包括：

针对SCMA系统中的用户节点提出存储稳定的用户节点所对应用户的可信集φ和存储不稳定的用户节点所对应用户的不可信集ψ，初始设定所有的用户节点都是不稳定的，即所有用户都位于不可信集ψ中；

当判断所述用户节点稳定后，按照下面的处理过程对所述用户进行门限条件的判决：

首先计算在第i次迭代时所获得的用户j所有M个码字的后验概率近似值，并构成用户j在第i次迭代时的码字可信度向量；

qⁱ(χ_j)＝[qⁱ(χ_j,1),qⁱ(χ_j,2),…,qⁱ(χ_j,M)]，其中，向量qⁱ(χ_j)的第m个元素qⁱ(χ_j,m)为MPA算法在第i次迭代时所得到的用户j第m个码字的后验概率近似值，其可由下式获得，

其中，χ_j,m表示用户j所对应码本χ_j中的第m个码字，并构成qⁱ(χ_j),j∈ψ

然后将每个用户j∈ψ在第i次迭代时的码字可信度qⁱ(χ_j)中的元素按降序排序：

[p_j1,p_j2,...,p_jM]＝sort(qⁱ(χ_j),'descend'),j∈ψ

最后对每个用户j∈ψ，判定码字可信度是否符合门限条件：

p_j1/p_j2＞Th,j∈ψ

如果符合门限条件，则提前解码该用户，并将该用户的发送码字x_j判决为：

之后迭代不更新该用户，并将该用户从不可信集ψ中移动到可信集φ中；

如果不符合门限条件，则所述用户节点所对应的用户不能提前判决，需进入下一次迭代过程，直至符合提前判决的条件被提前判决或在达到最大迭代次数时进行判决。

优选地，所述的方法还包括：

当判断所述用户节点不稳定后，将所述用户节点所对应的用户继续留在不可信集ψ，该所述用户不能提前判决，所述用户进入下一次迭代过程。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例针对SCMA系统中并行多用户检测提出了一种改进的基于门限的MPA方法，该方法在现有基于门限的MPA算法基础上，增加了对用户节点稳定性的判决，只有符合门限条件并通过用户节点稳定性判决的用户才能被提前译码。这样就提高了门限MPA算法提前判决码字的可靠性，可在低门限情况下使消息的并行迭代更加充分，从而获得良好的BER性能。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种SCMA系统中多用户检测方法的处理流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例所提出的算法能够在检测复杂度和BER性能中取得很好的平衡。在检测复杂度大大降低的情况下，保持良好的BER性能。

为提高基于门限的MPA算法在低门限时的误码性能，同时保留其利用门限条件降低算法复杂度的优点，本发明实施例提出了一种改进的基于门限SCMA多用户检测方法。所提出的方法在现存基于门限的MPA算法基础上，增加了对用户节点稳定性的判决，只有符合门限条件并通过用户节点稳定性判决的用户才能被提前译码。这样就提高了门限MPA算法提前判决码字的可靠性，可在低门限情况下使消息的并行迭代更加充分，从而获得良好的BER性能。

图1为本发明实施例提供的一种SCMA系统中并行多用户检测方法的处理流程图，具体处理过程如下：

为方便描述用户节点稳定性的判决对SCMA系统误码性能的作用，本发明实施例首先给出“用户节点不稳定性”的定义：在SCMA并行迭代译码中，如果SCMA因子图中某用户节点u_j在第i次迭代和第i-1次迭代中，码字可信度向量中最大元素所在的位置不同：

即

其中，表示使括号内的表达式取最大值时，参数m的取值，其中参数m的取值范围是1到M的整数。则判断用户节点u_j是不稳定的。

如果

则判断所述用户节点u_j是稳定的。

显然，如果在临近的两次迭代中，某用户j的码字可信度向量中最大元素所在的位置不同，那么，在对应的SCMA因子图中，该用户节点u_j所在的这部分子图必然还没有收敛，MPA算法还需要更多的迭代来使这部分子图收敛。现存基于门限的MPA算法只依靠门限条件就提前判决，而没有考虑到这种用户节点的不稳定性，使得提前判决发生错误的概率大大增加。

MPA算法是一种自适应算法。在有环因子图中，用户节点u_j和资源节点c_k的外信息会在因子图中传播并影响其他用户节点的判决。因此，提前判决那些不稳定的用户节点而导致的错误，会在之后的迭代过程中传播开来，进而会对其他用户节点的判决产生不利影响，甚至会将本能够正确判决的码字判决错误。此外，由于门限MPA算法是提前判决，那些已经判决错误的码字无法更改，这些都会对SCMA系统的BER性能产生严重的影响。所以提高提前判决码字的可靠性对进一步提高SCMA系统的BER性能是十分重要的。基于这种考虑，本发明实施例所提出的算法通过增加对用户节点稳定性的判决，可减少那些因偶然性在消息迭代不充分时，某些用户的码字可信度就满足门限条件而导致提前判决情况的发生，从而提高了提前判决码字的可靠性。当门限设置较低时，门限MPA算法中的门限条件很容易达到，也就很容易出现提前判决的情况。这时，对用户节点稳定性的判决对改进门限MPA算法尤为重要，可显著提高门限MPA算法的性能。

为了表述方便，本发明实施例提出可信集φ和不可信集ψ的概念，但在所提出的算法中，只有既符合门限条件又通过用户节点稳定性判决的用户才属于可信集φ。所提出的算法在初始化时，假定所有的用户节点都是不稳定的，并将每次迭代过程分为两部分，即消息更新环节和校验环节。消息更新环节和原始MPA算法的消息更新过程一致，消息更新环节之后是控制码字提前判决的校验环节。

第i次迭代的校验环节具体为：

第1步，首先判定不可信集ψ中每个用户所对应用户节点的稳定性。对于不可信集ψ中的用户j，只有当次迭代和前一次迭代码字可信度向量中最大元素所在的位置相同时，才认为用户j通过了用户节点稳定性判决。只有通过用户节点稳定性判决的用户才能进入校验过程的第2步，否则直接进入下一次迭代过程。

第2步，按照式式[p_j1,p_j2,...,p_jM]＝sort(qⁱ(χ_j),'descend'),j∈ψ和式p_j1/p_j2＞Th,j∈ψ对通过用户节点稳定性判决的用户进行门限条件的判决。

第3步，当某用户j^*不仅通过用户节点稳定性判决，其码字可信度也符合门限条件时，则认为用户j^*中所对应码字已经足够可靠，符合提前判决的条件。将用户j^*所发送的码字提前判决为所对应码字，并将用户j^*放入可信集φ中。

上述第2步中的具体处理过程如下：

首先计算在第i次迭代时所获得的用户节点j所有M个码字的后验概率近似值，并构成用户节点j在第i次迭代时的码字可信度向量；qⁱ(χ_j)＝[qⁱ(χ_j,1),qⁱ(χ_j,2),…,qⁱ(χ_j,M)]，其中，向量qⁱ(χ_j)的第m个元素qⁱ(χ_j,m)为MPA算法在第i次迭代时所得到的用户j第m个码字的后验概率近似值，其可由下式获得，

其中，χ_j,m表示用户节点j所对应码本χ_j中的第m个码字，并构成qⁱ(χ_j),j∈ψ

[p_j1,p_j2,...,p_jM]＝sort(qⁱ(χ_j),'descend'),j∈ψ

最后对每个用户j∈ψ，判定码字可信度是否符合门限条件：

p_j1/p_j2＞Th,j∈ψ

如果符合门限条件，则提前解码该用户，该用户的发送码字x_j判决为：

本发明实施例所提算法在所有用户码字都提前判决或者达到最大迭代次数时终止。

可见，所提出的算法将门限条件和用户节点稳定性判决这两种判决结合起来，提高了基于门限的MPA算法提前判决码字的可靠性。此外，在本发明实施例所提算法的校验环节中，由于用户节点稳定性判决只需要少量的比较运算，因此相比于门限MPA算法计算复杂度增加的并不多。本发明实施例所提算法的详细过程如表1所示。

表1改进的基于门限算法

上面的步骤(15)、(16)和(17)的意思是如果所有用户都提前判决完毕，则不需要迭代到最大迭代次数。直接停止迭代。上面的步骤(20)、(21)的意思是如果有用户在算法迭代到最大迭代次数仍达不到提前判决的条件，则最大迭代次数时进行判决。

所提算法的复杂度分析

基于门限的MPA算法在原始MPA算法基础上增加了利用门限值来控制码字提前判决的校验环节，本发明实施例所提方法在基于门限的MPA算法基础上，在校验过程中又增加了用户节点稳定性判决的环节。但上述基于门限的MPA算法的校验环节所增加的额外运算量与迭代时消息更新过程的运算量相比微乎其微。因此，比较不同算法的复杂度只需要比较不同算法在迭代过程中消息更新环节的运算量即可。对于每个需要消息更新的用户来说，本发明实施例涉及到的所有计算都没有破坏该用户在每次迭代过程中的消息更新环节。因此，本发明实施例以消息更新过程中所需乘法运算的数目为标准来比较不同算法的复杂度。原始并行MPA算法所需的乘法个数为：

N_mul-original＝I_maxKd_rM(2d_r+1)+I_maxJd_cM(d_c-2)

其中，d_r和d_c分别表示因子图矩阵F的行重和列重。K表示SCMA系统占用的资源数，M为用户码本的大小。J为SCMA系统所承载的用户数。I_max为最大迭代次数。

SCMA多用户检测算法的复杂度主要体现在迭代时消息更新过程的大量运算上。如果可以减少迭代中消息更新过程的次数，则可以大幅降低SCMA多用户检测算法的复杂度。与基于门限的MPA算法相似，当某些用户在迭代过程中被提前判决时，这些用户所对应的消息在后续的迭代过程中就不需要再进行更新，所提出算法的复杂度就会比原始并行MPA算法低。显然，最大迭代次数I_max和门限值Th这两个参数都会影响本发明实施例所提算法的复杂度。与基于门限的MPA算法相似，由于噪声的随机性，本发明实施例并不能给出所提方法复杂度的具体表达式。直观地，本发明实施例所提算法在门限MPA算法的基础上增加了用户节点稳定性的判决，解决了基于门限的MPA算法在提前判决用户码字时可能出现的用户节点不稳定问题，但也会导致在相同门限值设定下，本发明实施例所提算法在总体上需要更多的迭代过程才能够将用户码字提前判决，所以复杂度会比门限MPA算法的略高。

综上所述，本发明实施例针对SCMA系统中多用户检测提出了一种改进的基于门限的MPA算法，该算法在现存基于门限的MPA算法基础上，增加了对用户节点稳定性的判决，只有符合门限条件并通过用户节点稳定性判决的用户才能被提前译码。这样就提高了基于门限的MPA算法提前判决码字的可靠性，可在低门限情况下使消息的迭代更加充分，从而获得良好的BER性能。

本发明实施例的算法能够在检测复杂度和BER性能中取得更好的平衡，在检测复杂度显著降低的情况下，保持良好的BER性能。所提出的改进算法将基于门限的MPA算法提前判决码字的可靠性进一步提高，能够很好地解决现有基于门限的MPA算法存在的低门限时误码性能下降严重问题，且门限值设定越低效果就越明显。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种SCMA系统中并行多用户检测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的在SCMA系统的并行迭代译码中，根据用户节点的码字可信度向量判断所述用户节点是否稳定，包括：

即

则判断所述用户节点u_j是不稳定的；

如果

则判断所述用户节点u_j是稳定的。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的当判断所述用户节点稳定后，对所述用户节点所对应的用户进行门限条件的判决，包括：

针对SCMA系统中的用户节点提出存储稳定用户节点所对应用户的可信集φ和存储不稳定用户节点所对应用户的不可信集ψ，初始设定所有的用户节点都是不稳定的，即所有用户都位于不可信集ψ中；

当判断所述用户节点稳定后，按照下面的处理过程对所述用户节点所对应的用户进行门限条件的判决：

qⁱ(χ_j)＝[qⁱ(χ_j,1),qⁱ(x_j,2),…,qⁱ(x_j,M)]，其中，向量qⁱ(x_j)的第m个元素qⁱ(χ_j,m)为MPA算法在第i次迭代时所得到的用户j第m个码字的后验概率近似值，其可由下式获得，

<mrow> <msup> <mi>q</mi> <mi>i</mi> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&chi;</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>,</mo> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munder> <mo>&Pi;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&Element;</mo> <msub> <mi>&zeta;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </munder> <msubsup> <mi>M</mi> <mrow> <msub> <mi>c</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>&RightArrow;</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&chi;</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>,</mo> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>&Element;</mo> <mi>&psi;</mi> <mo>,</mo> <mi>m</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <mi>M</mi> <mo>,</mo> </mrow>

其中，χ_j,m表示用户j所对应码本χ_j中的第m个码字，

然后将每个用户j∈ψ在第i次迭代时的码字可信度qⁱ(x_j)中的元素按降序排序：

[p_j1,p_j2,...,p_jM]＝sort(qⁱ(χ_j),'descend'),j∈ψ

最后对每个用户j∈ψ，判定码字可信度是否符合门限条件：

p_j1/p_j2＞Th,j∈ψ

<mrow> <msub> <mover> <mi>x</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>j</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>arg</mi> <munder> <mi>max</mi> <mrow> <mi>x</mi> <mo>&Element;</mo> <msub> <mi>&chi;</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </munder> <mrow> <mo>(</mo> <munder> <mo>&Pi;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&Element;</mo> <msub> <mi>&zeta;</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> </munder> <msubsup> <mi>M</mi> <mrow> <msub> <mi>c</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>&RightArrow;</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>j</mi> </msub> </mrow> <mi>i</mi> </msubsup> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow>

如果不符合门限条件，则所述用户不能提前判决，需进入下一次迭代过程，直至符合提前判决的条件被提前判决或在达到最大迭代次数时进行判决。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：

当判断所述用户节点不稳定后，将所述用户节点所对应的用户继续留在不可信集ψ，该所述用户节点不能提前判决，所述用户节点进入下一次迭代过程。