CN107483151B - 一种基于scma系统的串行多用户动态迭代方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于SCMA系统的串行多用户动态迭代方法，该方法包括：将用户节点排序，将多个用户节点到多个资源节点进行一轮迭代译码，当迭代译码趋于收敛时，获取用户节点到资源节点的所有冗余值，并依次与设定门限比较，当各个冗余值皆满足门限条件时，终止迭代译码过程，否则，在不满足门限条件的所有冗余值中找到序号最大的用户节点，然后进行下一轮迭代译码，本轮只迭代小于或等于所述序号最大用户节点的用户节点。本发明通过合理设置门限值可使收敛速度慢的用户节点都经过一定数量的迭代，使外信息得到较为充分的利用，既可以保证检测的性能，也可以降低一部分计算复杂度。

Description

一种基于SCMA系统的串行多用户动态迭代方法

技术领域

本发明涉及多用户迭代技术领域，尤其涉及一种基于SCMA系统的串行多用户动态迭代方法。

背景技术

面向2020及未来，数据流量的千倍增长，千亿设备连接和多样化的业务需求都将对5G系统设计提出严峻的挑战。正交多址接入由于其接入用户数和正交资源成正比，不能满足5G海量连接的需求，5G需要更高效的多址接入技术。SCMA(Sparse Code MultipleAccess，稀疏码多址接入)方案是一种新的频域非正交多址技术，能支持海量设备连接及提供高的频谱效率，是5G空口技术的候选方案之一。SCMA方案是由LDS(Low DensitySignature,低密度扩频)演变而来的，SCMA方案把LDS中的QAM(Quadrature AmplitudeModulation，正交振幅调制)映射和稀疏扩频两个模块联合优化，形成SCMA调制器。SCMA调制器将信道编码后的比特流直接映射为复数码字，而码字来自不同用户的码本。由于SCMA方案码本的稀疏性，可以采用MPA(Message Passing Algorithm，消息传递算法)多用户检测算法。但当SCMA方案严重过载，即用户数远大于资源节点数时，MPA算法的复杂度很高。因此，进一步提出高效的多用户检测技术，对SCMA方案的多用户检测具有重要价值。

现有技术中，为了更好地平衡SCMA方案的性能和复杂度，研究者已做了较多的努力，研发出基于部分PM(Partial Marginalization,边缘化)的方法，提出一种适合SCMA方案上行链路的MPA检测算法。该算法在第m次迭代过程中选择t个符号，并把这个t符号反馈给参考符号向量所在的位置上，在接下来的迭代过程中，这t个符号不需要参加计算，从而降低了复杂度，但复杂度降低不到一个数量级。随后又提出一种基于阈值的SCMA方案上行链路MPA检测算法。该算法在每一次迭代过程中计算每一个码字的可靠性，使用置信阈值来判断这个用户是否含有可靠码字。如果该用户含有可靠码字，则该用户被译出且停止信息的更新。当设置合适的阈值时，每一次迭代的复杂度都会降低，但由于译码没有足够的可靠性并且需要多次迭代达到收敛，会导致系统性能的降低。适合SCMA方案上行链路的MPA检测算法和基于阈值的SCMA方案上行链路MPA检测算法都是并行实施的，即在每次迭代过程中，先同时更新全部的资源节点，再同时更新全部的用户节点。在并行的MPA检测算法中，本次迭代更新的消息只能在下一次迭代中传递出去，收敛速度较慢，因此，并行MPA检测算法并不一定是最优的。

为了解决收敛速度较慢这一问题，本领域技术人员又提出了一种基于串行的SCMA方案上行链路MPA检测算法。该算法以资源节点为序，以串行方式更新信息，收敛速度快，在降低复杂度的同时也减少了存储空间，但每次迭代所需的时间会增加，带来了一定的时延。针对时延问题，本领域人员又提出一种SCMA方案串行更新信息的S-MPA(Shuffled MessagePassing Algorithm，洗牌消息传递算法)。该算法以用户节点为序来更新信息，部分本次迭代更新的用户节点信息可以用来更新资源节点，算法收敛速度快。

提出的SCMA多用户检测算法都是串行策略，在串行迭代译码过程中，一部分本次迭代更新的信息可以用于本次迭代，因此加快了节点的收敛速度。S-MPA算法迭代3次和原始并行MPA算法迭代6次时BER(Bit Error Rate，误比特率)性能基本一致，但译码迭代次数是固定的i_max，无法动态调节SCMA方案的性能与复杂度。

发明内容

本发明提供了一种基于SCMA系统的串行多用户动态迭代方法，可实现动态迭代译码，可在保证误比特性能的前提下，实现更好的收敛性，降低复杂度。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种基于SCMA系统的串行多用户动态迭代方法，包括：

S1：将用户节点集排序，对所述用户节点集到资源节点集进行一轮迭代译码，当所述迭代译码趋于收敛时，获取所述用户节点集到所述资源节点集的冗余值集；

S2：将所述冗余值集中的各个冗余值依次与设定门限值比较，当所述各个冗余值皆满足门限条件时，终止迭代译码过程，否则执行S3；

S3：在不满足门限条件的所有冗余值中找到最大序号的用户节点，将小于或者等于所述最大序号的用户节点重新组合为用户节点集，对所述重新组合的用户节点集到所述的资源节点集进行下一轮迭代译码。

进一步地，用户节点集到资源节点集进行一轮迭代译码后，计算用户节点到资源节点先后迭代传输的边缘值之差，得到的差值取绝对值，再进行求和与归一化处理得到的值为冗余值，计算用户节点集到资源节点集所有冗余值组合为冗余值集。

进一步地，所述的计算用户节点到资源节点先后迭代传输的边缘值之差，得到的差值取绝对值，再进行求和与归一化处理得到的值为冗余值，所述处理公式为：

其中，和分别为用户节点u_j到资源节点r_k迭代先后的边缘值，χ_j为用户j的码字集合，x_j为用户j的码字，u_j→r_k为用户节点u_j到资源节点r_k的边。

进一步地，所述S2包括：

当所述冗余值集中的所有冗余值皆小于所述设定门限时，终止迭代译码过程，判决出所述用户节点集中所有用户节点的码字。

进一步地，所述S3包括：

当所述冗余值集中，存在大于所述设定门限的冗余值时，从所有大于所述设定门限的冗余值中找出最大序号的用户节点，将小于或者等于所述最大序号的用户节点重新组合为用户节点集，再对所述重新组合的用户节点集到S1中所述的资源节点集进行下一轮迭代译码，直至所有冗余值皆满足门限条件或者达到设定迭代译码次数，终止迭代译码过程。进一步地，所述S3还包括：

当所述冗余值集中，存在大于所述设定门限的冗余值时，利用公式更新资源节点集到用户节点集的迭代边缘值，公式如下：

其中，～x_j为除了码字x_j以外的所有码字，y_k为在第k个资源节点处接收到的信号，σ²为噪声功率，x_k为与资源节点k相连的所有用户节点的集合，ξ_k/{j}为在集合x_k中除去元素j，h_k,v为用户v到资源节点k的信道系数。

进一步地，所述更新资源节点集到用户节点集的迭代边缘值后，利用公式更新用户节点集到资源节点集的迭代边缘值，公式如下：

其中，ζ_j为与用户j相连的资源节点的集合，ζ_j/{k}为在集合ζ_j中除去元素j。

进一步地，终止迭代译码过程后，通过公式判决出所述用户节点集中所有用户节点的码字，所述公式如下：

其中，i_j代表用户j的子迭代次数，为判决出来的用户码字，r_k→u_j为资源节点r_k到用户节点u_j的边。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过合理设置门限值可使收敛速度慢的用户节点都经过一定数量的迭代，使外信息得到较为充分的利用，既可以保证检测的性能，也可以降低一部分计算复杂度。

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基于SCMA系统的串行多用户动态迭代方法的某一轮迭代过程中信息更新示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于SCMA系统的串行多用户动态迭代方法的因子图；

图3为本发明实施例提供的一种基于SCMA系统的串行多用户动态迭代方法的收敛性分析示意图；

图4为本发明实施例提供的一种基于SCMA系统的串行多用户动态迭代方法的BER性能分析示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于SCMA系统的串行多用户动态迭代方法的复杂度分析示意图。

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。

实施例一：

一种基于SCMA系统的串行多用户动态迭代方法，包括以下三个步骤：

步骤一：将用户节点集排序，对所述用户节点集到资源节点集进行一轮迭代译码，当所述迭代译码趋于收敛时，获取所述用户节点集到所述资源节点集的冗余值集；

在一个具体的实施例中，所述用户节点集为用户节点的集合，包含一个或多个用户节点；

在一个具体的实施例中，所述资源节点集为资源节点的集合，包含一个或多个资源节点；

在一个具体的实施例中，将多个用户节点对多个资源节点进项迭代译码，各个用户节点到各个资源节点的线称作边，从而形成图2所示的因子图；

在一个具体的实施例中，将多个用户节点到多个资源节点进行一轮迭代译码，计算用户节点到资源节点迭代前与迭代后之差，得到的差值取绝对值，再进行求和与归一化处理得到的值为冗余值，计算出所有用户节点到所有资源节点的冗余值组合为冗余值集。边缘值为边缘函数值；

冗余值表示迭代前后边缘值变化的程度。为了比较方便，把迭代前后的边缘值之差取绝对值保证为正数，由于一个用户分配多个码字，因此需要对一个用户取所有码字时的情况求和，最后归一化处理求均值。

在一个具体的实施例中，对计算得出的用户节点到资源节点各个边缘值之差先取绝对值，再进行求和与归一化处理，处理公式为：

其中，和分别表示用户节点u_j到资源节点r_k迭代前后的边缘值，χ_j代表用户j的码字集合，x_j为用户j的码字，u_j→r_k代表用户节点u_j到资源节点r_k这条边。

步骤二：将所述冗余值集中的各个冗余值依次与设定门限值比较，当所述各个冗余值皆满足门限条件时，终止迭代译码过程，否则执行步骤三；

图1为某一轮迭代过程中信息更新示意图，如图1所示：

在一个具体的实施例中，当所述冗余值集中的所有冗余值皆小于所述设定门限时，可以认为因子图中所有用户节点到资源节点间的边到达收敛终止迭代译码过程，并利用公式判决出所有用户的码字，公式如下：

其中，i_j代表用户j的子迭代次数，为判决出来的用户码字。

步骤三：在不满足门限条件的所有冗余值中找到序号最大的用户节点，将小于或者等于所述序号最大的用户节点重新组合为用户节点集，对所述重新组合的用户节点集到资源节点集进行下一轮迭代译码。

在一个具体的实施例中，当所述冗余值集中，存在大于所述设定门限的冗余值时，从所有大于所述设定门限的冗余值中找出最大序号的用户节点，将小于或者等于所述最大序号的用户节点重新组合为用户节点集，再对所述重新组合的用户节点集到资源节点集进行下一轮迭代译码，直至所有冗余值皆满足门限条件或者达到设定迭代译码次数，终止迭代译码过程。

在一个具体的实施例中，当所述冗余值集中，存在大于所述设定门限的冗余值时，利用公式更新资源节点集到用户节点集的迭代边缘值，公式如下：

其中，～x_j表示除了码字x_j以外的所有码字，y_k代表在第k个资源节点处接收到的信号，σ²为噪声功率。x_k表示与资源节点k相连的所用用户节点的集合，ξ_k/{j}表示在集合x_k中除去元素j，h_k,v代表用户v到资源节点k的信道系数。

在一个具体的实施例中，所述更新资源点集到用户节点集的迭代边缘值后，再利用公式更新用户节点集到资源节点集的迭代边缘值，公式如下：

其中，ζ_j代表与用户j相连的资源节点的集合，ζ_j/{k}表示在集合ζ_j中除去元素j。

在本实施中图2所示的因子图，图4所示的某一轮迭代过程中信息更新示意图中。在第一次串行迭代过程结束后，如果用户节点到资源节点所有边的冗余值都小于门限值就提前终止整个迭代译码过程，直接利用公式判决出所有的用户码字。若用户节点到资源节点所有边的冗余值中存在用户节点某条边的冗余值大于门限值，先对用户节点的边信息进行更新。先使用公式(3)更新资源节点r₂到用户节点u₁的边缘函数值和更新资源节点r₄到用户节点u₁的边缘函数值图4中用实线表示；然后再利用公式(4)更新用户节点u₁到资源节点r₂的边缘函数值和用户节点u₁到资源节点r₄的边缘函数值图4中用虚线表示。用户节点u₁边信息更新完以后，使用公式(1)计算更新用户节点u₁相关边的冗余值。接着按图1串行进行其他用户节点边信息的更新与冗余值的计算，直到序号最大的用户节点完成边信息的更新与冗余值的计算，停止本轮迭代过程，最后利用公式(2)判决出所有的用户码字。

实施例二:

本发明实施例所提出的迭代方法是以用户节点消息串行更新为基础，基于S-MPA算法提出的一种动态调节SCMA系统性能与复杂度的快速收敛R-THMPA(ResidualThreshold-aided MPA,冗余门限辅助MPA)算法。

R-THMPA算法基于S-MPA算法的基础上引入冗余值和门限值两个参数，可以动态调节SCMA系统性能和复杂度。

该算法增加了冗余值的计算，由于冗余值的计算与信息更新过程的复杂度相比可忽略不计，所以这一部分的复杂度可不计算。计算信息更新过程的复杂度主要集中在资源节点上，由最大迭代次数、码本大小和资源节点上占有的用户数决定。当码本大小与用户数相同时，复杂度就由最大迭代次数决定，降低迭代次数就可以降低计算复杂度。

为了和原始并行方法作比较，定义本实施例所述算法总的迭代次数为N＝C/J，C为迭代过程停止时，子迭代进行的总次数。由于子迭代总次数C不一定是用户总数J的整数倍，所以本实施例所述算法的总迭代次数N可以为小数。本发明所提出的方法，由于每一轮迭代用户节点的最大序号通常小于上一轮迭代用户节点的最大序号，导致某些用户节点子迭代的次数不同，序号越靠后的用户节点子迭代的次数就越少。因此，本实施例所述算法降低了迭代次数，且每次迭代的平均次数随E_b/N₀是可变的，复杂度具有可变性。在满足BER(BitError Rate,二进制误码率)性能需求的前提下，通过合理地设置门限值TH，会降低迭代次数，使总迭代的平均次数位于2到3之间，与现有方法迭代3次相比能降低一部分计算复杂度。

为了验证本实施例所述算法在上行SCMA系统中的性能，将本实施例所述算法与原始MPA算法及S-MPA算法进行了比较仿真。表1为仿真中所设置的参数。

表1 仿真参数

图3为本实施例所述算法、原始MPA算法与S-MPA算法在E_b/N₀为12dB时的收敛情况，其中，本实施例所述算法的门限值TH＝0.2。由图3可知，本实施例所述算法和S-MPA算法的收敛速度都很快，迭代3次就可收敛。这是因为这两种算法都为串行迭代，都可以把更新的消息在本次迭代中传递出去，而原始MPA算法为并行迭代，需要6次迭代才能收敛。由图3也可以看出，在迭代次数较少时，本实施例所述算法和S-MPA算法的BER性能都优于原始的MPA算法，并随着迭代次数的增加，3种算法的BER性能趋于一致。

图4为本实施例所述算法、原始MPA算法与S-MPA算法的BER性能随E_b/N₀变化情况，其中，本实施例所述算法的门限值TH分别取固定值0.1、0.2和可变值0.02×E_b/N₀。从图4可以看出，当门限值不同时，本实施例所述算法的BER性能介于S-MPA算法迭代2次与6次之间，但接近S-MPA算法迭代6次时的BER性能。从图4还可以看出本实施例所述算法TH＝0.1时的BER性能优于TH＝0.2时的BER性能，这是由于门限值越小，迭代的次数就越多，信息传递得更充分，BER性能也就越好。这表明通过合理地设置门限值可以保证本实施例所述算法的性能与S-MPA算法及原始MPA算法迭代6次时的性能相差不到0.1dB。虽然本发明所述方法的最大迭代次数也设置为6，但由于门限值的设置，可实现提前跳出整个译码迭代过程，实际上迭代次数并没达到6次。

图5为当门限值不同时本实施例所述算法平均迭代次数随E_b/N₀变化情况，门限值TH分别取固定值0.1、0.2和可变值0.02×E_b/N₀。对于一次完整的迭代过程，原始MPA算法、S-MPA算法和本实施例所述算法计算复杂度是一样的，但本实施例所述算法基于门限条件可在串行迭代过程中随时终止迭代，实现了迭代次数的降低，也就相应地降低了复杂度。由图3可知，S-MPA算法迭代3次收敛，原始MPA算法迭代6次收敛。门限值TH分别取固定值0.1、0.2和可变值0.02×E_b/N₀且E_b/N₀＝9dB时，本实施例所述算法的平均迭代次数分别为2.7、2.54、2.57，与S-MPA算法迭代3次相比，复杂度分别降低了10％，15.3％，14.3％，与原始MPA算法迭代6次比较，复杂度分别降低了55％，57.7％，57.2％。

可见，本实施例所述算法的平均迭代次数位于2到3之间时，与S-MPA算法迭代3次和原始MPA算法迭代6次时的性能相差不到0.1dB，保证了BER性能。如果对BER要求不高，可以设置门限值TH，使得平均迭代次数落在1到2之间，进一步的降低计算复杂度。因此，本实施例所述算法可以在BER性能与复杂度上提供了很好的平衡。

综上所述，本发明实施例通过用户节点到资源节点边的冗余值与门限值的比较来动态控制迭代过程，通常迭代不到3次就可收敛，显著降低了计算复杂度，且与S-MPA算法及原始MPA算法迭代6次时的性能相差不到0.1dB。

本发明实施例通过合理设置门限值可使收敛速度慢的用户节点都经过一定数量的迭代，使外信息得到较为充分的利用，既可以保证检测的性能，也可以降低一部分计算复杂度。

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。

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。

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 (8)

1.一种基于SCMA系统的串行多用户动态迭代方法，其特征在于，包括：

S1：将用户节点集排序，对所述用户节点集到资源节点集进行一轮迭代译码，当所述迭代译码趋于收敛时，获取所述用户节点集到所述资源节点集的冗余值集；

S2：将所述冗余值集中的各个冗余值依次与设定门限值比较，当所述各个冗余值皆满足门限条件时，终止迭代译码过程，否则执行S3；

S3：在不满足门限条件的所有冗余值中找到最大序号的用户节点，将小于或者等于所述最大序号的用户节点重新组合为用户节点集，对所述重新组合的用户节点集到所述的资源节点集进行下一轮迭代译码。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用户节点集到资源节点集进行一轮迭代译码后，计算用户节点到资源节点先后迭代传输的边缘值之差，得到的差值取绝对值，再进行求和与归一化处理得到的值为冗余值，计算用户节点集到资源节点集所有冗余值组合为冗余值集。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的计算用户节点到资源节点先后迭代传输的边缘值之差，得到的差值取绝对值，再进行求和与归一化处理得到的值为冗余值，所述处理公式为：

其中，和分别为用户节点u_j到资源节点r_k迭代先后的边缘值，χ_j为用户j码字集合，x_j为用户j的码字，u_j→r_k为用户节点u_j到资源节点r_k的边。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2包括：

当所述冗余值集中的所有冗余值皆小于所述设定门限时，终止迭代译码过程，判决出所述用户节点集中所有用户节点的码字。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3包括：

当所述冗余值集中，存在大于所述设定门限的冗余值时，从所有大于所述设定门限的冗余值中找出最大序号的用户节点，将小于或者等于所述最大序号的用户节点重新组合为用户节点集，再对所述重新组合的用户节点集到S1中所述的资源节点集进行下一轮迭代译码，直至所有冗余值皆满足门限条件或者达到设定迭代译码次数，终止迭代译码过程。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3还包括：

当所述冗余值集中，存在大于所述设定门限的冗余值时，利用公式更新资源节点集到用户节点集的迭代边缘值，公式如下：

其中，～x_j为除了码字x_j以外的所有码字，y_k为在第k个资源节点处接收到的信号，σ²为噪声功率，ξ_k为与资源节点k相连的所有用户节点的集合，ξ_k/{j}为在集合ξ_k中除去元素j，h_k,v为用户v到资源节点k的信道系数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述更新资源节点集到用户节点集的迭代边缘值后，利用公式更新用户节点集到资源节点集的迭代边缘值，公式如下：

其中，ζ_j为与用户j相连的资源节点的集合，ζ_j/{k}为在集合ζ_j中除去元素j。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，终止迭代译码过程后，通过公式判决出所述用户节点集中所有用户节点的码字，所述公式如下：

其中，i_j代表用户j的子迭代次数，为判决出来的用户码字，r_k→u_j为资源节点r_k到用户节点u_j的边。