CN107508657A - 一种基于权重因子消息传递的scma多用户检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于权重因子消息传递的SCMA多用户检测方法，属于无线通信系统的信号检测领域，涉及到一种收敛速度快，性能优良、复杂度低的稀疏码多址接入(SCMA)上行通信系统多用户检测方法，可以用以解决5G移动通信备选多址接入技术中的多用户检测问题。本发明基于消息传递算法(MPA)，通过引入权重因子α来改变每个叠加星座点的初始条件概率，使得距离接收信号近的星座点可以获得更大的初始条件概率，从而加快消息传递迭代过程的收敛时间，使得迭代结果更加准确，并且在SCMA系统的性能和复杂度之间取得了良好的折中。本发明方法能够运用于下一代移动通信中基于SCMA系统的多用户检测。

Description

一种基于权重因子消息传递的SCMA多用户检测方法

技术领域

本发明属于无线通信系统的信号检测领域，具体涉及一种基于权重因子消 息传递的SCMA多用户检测方法。

背景技术

1)多址接入一直以来都是无线通信物理层的核心技术之一，它使基站能区 分并同时服务多个终端用户。为了满足5G中连续广域覆盖、热点高容量、低时 延高可靠和低功耗大连接四个主要技术场景，华为公司提出了一种SCMA(Sparse code multiple access,稀疏码多址接入)技术，图2是SCMA上行通信系统模型(6 个用户，4个资源块)，通过多用户信息在相同资源上的叠加传输，在接收侧利 用先进的接收算法分离多用户信息，不仅可以有效提升系统频谱效率，还可成 倍增加系统的接人容量。此外，通过免调度传输，也可有效简化信令流程，并 降低空口传输时延。SCMA是一种基于码域叠加的新型多址技术，它将低密度码 和调制技术相结合，通过共扼、置换以及相位旋转等方式选择最优的码本集合， 不同用户基于分配的码本进行信息传输。在接收端，通过MPA(Message Passing Algorithm)算法进行解码，流程图如如3所示。由于采用非正交稀疏编码叠加技术， 在同样资源条件下，SCMA技术可以支持更多用户连接，同时，利用多维调制和 扩频技术，单用户链路质量将大幅度提升。此外，还可以利用盲检测技术以及 SCMA对码字碰撞不敏感的特性，实现免调度随机竞争接人，有效降低实现复杂 度和时延，更适合用于小数据包、低功耗、低成本的物联网业务应用。

2)传统的MPA检测算法，具体包括以下步骤：

步骤一：初始化，迭代开始时，给出用户k在资源n的信道增益h_n＝1，变 量节点k在资源节点n上发送码字m_k的符号C_k,n(m_k)，噪声功率N_0,n

步骤二：用f_n(.)函数计算包含各种可能性的残余信号。令 f_n(.)＝f_n(y_n,m₁,m₂,m₃,N_0,n,H_n)，则

m₁,m₂,m₃＝1,...,M；n＝1,...,F在高斯噪声下，φ_n是条件概率。

φ_n(y_n,m₁,m₂,m₃,N_0,n,H_n)＝exp(f(.))认为先验概率相等，即发送每个码字的概率相等， 则M为码本的码字数目。

步骤三：设定最大迭代次数t_max；

步骤四：迭代消息沿边缘传递更新。功能节点FN通过其相邻的变量节点VN 传递的外信息更新，如图4所示。其更新公式为 VN通过其相邻的FN传递的信息来更新， 当每个用户节点连接两个资源节点时，可以看做在VN上信息的交换，如图5所 示。其更新公式为m＝1,...,M，Normalize使每 个VN发送各个码字的概率和为1。

步骤五：判断t>t_max是否成立，若成立，执行步骤六；若不成立，则令t＝t+1， 返回步骤四，进行下一次迭代。

步骤六：一定的迭代次数后LLR输出。 这样可以得到每个比特的对数似然比LLR，用于turbo译码的输入。

上述传统的MPA检测方法，检测的正确率与最大迭代次数t_max以及消息传递 更新方式有关。然而，在实际工程应用中，存在着收敛速度慢、系统性能差的 问题，而且计算复杂度也比较高，不利于硬件的实现。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种加快消息传递迭代过程的 收敛时间，使得迭代结果更加准确，并且在SCMA系统的性能和复杂度之间取 得了良好的折中的基于权重因子消息传递的SCMA多用户检测方法。本发明的 技术方案如下：

一种基于权重因子消息传递的SCMA多用户检测方法，其特征在于，包括以 下步骤：

步骤一：初始化，迭代开始时，设定用户k在资源n的信道增益h_n＝1，变 量节点用户k在资源节点n上发送码字m_k的星座符号为C_k,n(m_k)；

步骤二：计算在信道环境h下接收信号y_n与各种码字叠加组合之间的欧式距 离，表达式如下：

d(.)＝|y_n-(h_n,1C_1,n(m₁)+h_n,2C_2,n(m₂)+h_n,3C_3,n(m₃))|² (1)

d(.)表示： 接收信号y_n与各种码字叠加组合之间的欧式距离，y_n表示：资源节点n上的接 收信号，h_n,1表示：资源节点n上用户1的信道增益，星座符号C_k,n(m_k)，h_n,2表 示：资源节点n上用户2的信道增益当k＝2时的选择星座符合C_k,n(m_k)，h_n,3表示： 资源节点n上用户3的信道增益；

步骤三：根据不同码字组合与接收信号y_n之间的欧式距离，计算不同码字组 合的条件概率，可以表示为：

φ_n(m₁,m₂,m₃)＝exp(-d(.)) (2)

φ_n表示：根据 欧式距离所求出来的条件概率；

步骤四：根据不同码字组合与接收信号y_n之间的欧式距离大小给各星座点分 配不同的权重因子α，首先，将所有星座点按照初始条件概率从大到小排序，然 后将其划分为L类，每类分配相同的权重因子α，其中，权重因子α的确定方式 为：

步骤五：将各星座点的初始条件概率与其分配的权重因子相乘，使得靠近接 收信号的星座点可以获得更大的初始值：

最后，将改变后的各星座点初始条件概率代入到MPA消息传递迭代过程中。

进一步的，所述将改变后的各星座点初始条件概率进行到MPA消息传递迭代 过程中包括以下步骤：

步骤六：设定最大迭代次数t_max，假设发送每个码字的概率相等，则M为码本的码字数目；

步骤七：迭代消息沿边缘传递更新，功能节点FN通过其相邻的变量节点VN 传递的外信息更新；其更新公式为：

变量节点VN通过其相邻的功能节点FN传递的信息来更新，当每个用户节点 连接两个资源节点时，可以看做在VN上信息的交换，其更新公式为：

其中，m＝1,...,M，normalize表示：归一化处理，ap_v(m)表示码字的先验概率，表示，步骤7中的更新公式，Normalize使每个VN发送各个码字的概率 和为1；

步骤八：判断t>t_max是否成立，若成立，执行步骤九；若不成立，则令t＝t+1， 返回步骤七，进行下一次迭代；

步骤九：一定的迭代次数后LLR输出；

Q_v(m)表示：变 量节点v处码字m的猜想，这样可以得到每个比特的对数似然比LLR，用于turbo 译码的输入。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出一种基于权重因子消息传递的SCMA多用户检测方法，当采用 消息传递算法MPA进行译码时，通过引入权重因子α来改变每个叠加星座点的 初始条件概率，使得距离接收信号近的星座点可以获得更大的初始条件概率， 从而加快消息传递迭代过程的收敛时间，使得迭代结果更加准确，并且在SCMA 系统的性能和复杂度之间取得了良好的折中，能够运用于下一代移动通信中基 于SCMA系统的多用户检测。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的是MPA迭代过程示意图；

图2是上行SCMA通信系统模型；

图3是MPA算法流程图；

图4是FN更新示意图；

图5是VN更新示意图；

图6是稀疏矩阵F对应的Tanner图；

图7是时频资源n处接收码字示意图；

图8是一次迭代BER性能仿真对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

根据传输的条件及检测过程的程序，初始化设置以下参数如表1所示。对应于Tanner图的稀疏扩频矩阵为如图6所示；用户比特信息 经过SCMA编码器映射为相应的码字x，所有用户的码字叠加后经过信道进行传 输，接收端接收信号式中表示第j个用户发 送的码字，表示第j个用户的信道向量，z为高斯白噪声且 时频资源n处接收到的信号为如图7所示，由于码 字x_j是稀疏的，所以在时频资源n处仅有较少的码字冲突。发送端各用户的码 本采用华为公司提供的优化码本，如表2所示。接收机处采用基于权重因子消 息传递的多用户检测方法，包括以下几个步骤：

步骤一：计算引入权重因子α的初始条件概率。迭代开始时，由于没有先验 的用户信息，因此可以假定每个用户在各自相应的码本中获取任一码字的概率 相同，均假定为M为码本的码字数目。

步骤二：进入循环迭代，迭代消息沿边缘传递更新。功能节点FN通过其相 邻的变量节点VN传递的外信息更新；VN通过其相邻的FN传递的信息来更新， 当每个用户节点连接两个资源节点时，可以看做在VN上信息的交换。

步骤三：判断是否成立，若成立，执行步骤四；若不成立，则令t＝t+1， 返回步骤二，进行下一次迭代。

步骤四：一定的迭代次数后LLR输出。

这样可以得到每个比特的对数似然比LLR，用于turbo译码的输入。

利用Matlab对背景技术的传统MPA方法和本发明实施例的基于权重因子消 息传递的多用户检测方法在AWGN信道中的BER误码性能进行仿真对比分析， 性能仿真结果如图8所示，在1次迭代的情况下，基于权重因子消息传递的MPA 算法相比于原始MPA和Max-logMPA都有一定的性能提升。当BER＝1.0×10^-3时， 基于权重因子消息传递的MPA比原始MPA约有1dB的性能提升，而相比于 Max-log MPA有3dB左右的提升。并且随着信噪比的升高，发射信号与接收信号 之间的偏离越小，该改进算法越为准确。这是由于基于权重因子消息传递的MPA 中各叠加星座点的初始值受权重因子影响，靠近接收信号的星座点可以获得更 大的概率，从而使得迭代过程更加准确。

表1

表2

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范 围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或 修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种基于权重因子消息传递的SCMA多用户检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：初始化，迭代开始时，设定用户k在资源n的信道增益h_n＝1，变量节点用户k在资源节点n上发送码字m_k的星座符号为C_k,n(m_k)；

步骤二：计算在信道环境h下接收信号y_n与各种码字叠加组合之间的欧式距离，表达式如下：

d(.)＝|y_n-(h_n,1C_1,n(m₁)+h_n,2C_2,n(m₂)+h_n,3C_3,n(m₃))|² (1)

d(.)表示：接收信号y_n与各种码字叠加组合之间的欧式距离，y_n表示：资源节点n上的接收信号，h_n,1表示：资源节点n上用户1的信道增益，星座符号C_k,n(m_k)，h_n,2表示：资源节点n上用户2的信道增益当k＝2时的选择星座符合C_k,n(m_k)，h_n,3表示：资源节点n上用户3的信道增益；

步骤三：根据不同码字组合与接收信号y_n之间的欧式距离，计算不同码字组合的条件概率，可以表示为：

φ_n(m₁,m₂,m₃)＝exp(-d(.)) (2)

φ_n表示：根据欧式距离所求出来的条件概率；

步骤四：根据不同码字组合与接收信号y_n之间的欧式距离大小给各星座点分配不同的权重因子α，首先，将所有星座点按照初始条件概率从大到小排序，然后将其划分为L类，每类分配相同的权重因子α，其中，权重因子α的确定方式为：

步骤五：将各星座点的初始条件概率与其分配的权重因子相乘，使得靠近接收信号的星座点可以获得更大的初始值：

最后，将改变后的各星座点初始条件概率代入到MPA消息传递迭代过程中。

2.根据权利要求1所述的基于权重因子消息传递的SCMA多用户检测方法，其特征在于，所述将改变后的各星座点初始条件概率进行到MPA消息传递迭代过程中包括以下步骤：

步骤六：设定最大迭代次数t_max，假设发送每个码字的概率相等，则M为码本的码字数目；

步骤七：迭代消息沿边缘传递更新，功能节点FN通过其相邻的变量节点VN传递的外信息更新；其更新公式为：

变量节点VN通过其相邻的功能节点FN传递的信息来更新，当每个用户节点连接两个资源节点时，可以看做在VN上信息的交换，其更新公式为：

其中，m＝1,...,M，normalize表示：归一化处理，ap_v(m)表示码字的先验概率，表示，步骤7中的更新公式，Normalize使每个VN发送各个码字的概率和为1；

步骤八：判断t＞t_max是否成立，若成立，执行步骤九；若不成立，则令t＝t+1，返回步骤七，进行下一次迭代；

步骤九：一定的迭代次数后LLR输出；

Q_v(m)表示：变量节点v处码字m的猜想，这样可以得到每个比特的对数似然比LLR，用于turbo译码的输入。