CN107707329B - 稀疏码多址接入系统及其多用户检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种稀疏码多址接入系统及其多用户检测方法，涉及第5代移动通信技术。本系统包括无线信道(000)；设置有移动用户终端(100)和基站(200)；移动用户终端(100)包括结构和功能相同的第1用户终端(110)、第2用户终端(120)……第n用户终端(1n0)；移动用户终端(100)、无线信道(000)和基站(200)依次连通，实现稀疏码多址接入系统多用户检测功能。检测方法在每轮迭代过后，对译码优势高的用户直接进行译码并剔除，不再参与后续的迭代过程，从而使得后续每轮迭代的复杂度依次降低；检测方法的误码率和检测时延也进一步降低；本发明能够对稀疏码多址接入系统中的多用户进行低复杂度检测，对于5G的发展具有重要意义。

Description

稀疏码多址接入系统及其多用户检测方法
技术领域
本发明涉及第5代移动通信技术，尤其涉及稀疏码多址接入系统及其多用户检测方法。
背景技术
智能终端的迅速普及导致无线数据业务需求的爆炸式增长，使得现有的无线接入网络暴露出频谱资源短缺以及频谱效率低等严重问题，从而促使人们展开未来第5代(5G)移动通信的研究。高效的多址接入技术是5G要解决的关键技术之一，稀疏码多址接入(SCMA)支持过载连接的非正交多址接入被提出作为5G的候选多址接入技术。SCMA要正式成为5G选用的空口技术，高效多用户检测是亟需解决的关键问题之一。
基于此种情况，现有的SCMA系统多用户检测主要基于消息传递算法(MessagePassing Algorithm，MPA)的检测方法，分为并行和串行策略两种。基于并行策略的MPA，在算法的每轮迭代过程中，所有资源节点先同时进行消息更新，然后所有用户节点同时进行消息更新。这种策略的多用户检测方法，更新的消息只能等到下轮迭代过程才能传递出去，消息传递的收敛性并非最佳。基于串行策略的MPA，算法以资源节点为序，按串行方式依次进行消息更新与传递，保证更新的消息能够立即进入当前迭代过程，改善了消息传递的收敛速度。但这些方法的复杂度仍有进一步降低的空间。综上所述，5G移动通信的要求，低复杂度的SCMA系统多用户检测方法需要进一步探索。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种稀疏码多址接入系统及其多用户检测方法，以解决基于消息传递算法的多用户检测方法复杂度高问题。
实现本发明目的的技术方案是：
一、稀疏码多址接入系统(简称系统)
本系统包括无线信道；
设置有移动用户终端和基站；
移动用户终端包括结构和功能相同的第1用户终端、第2用户终端……第n用户终端，n是自然数，1≤n≤1024；
其连通关系是：
移动用户终端、无线信道和基站依次连通，实现稀疏码多址接入系统多用户检测功能。
二、基于稀疏码多址接入系统的多用户检测方法(简称方法)
本方法包括以下步骤：
①发射端多个用户共享同一资源块，用户之间以不同的码字区分，接收端必须采用多用户检测方法；
②发射端用户经过SCMA编码之后得到一个码字，然后多个码字进行叠加并发射；
③无线信道采用高斯白噪声信道进行模拟，发射端发送的信息受到乘性和加性噪声的干扰；
④接收端经过时钟同步后，采用RM-MPA算法进行多用户检测，分离出各个用户的信息；
⑤基于译码优势用户排序剔除的RM-MPA算法，每次迭代过后直接对前n个用户进行译码并剔除，达到最大迭代次数后停止迭代，并对剩余的用户统一译码；
⑥基于正交用户组剔除的RM-MPA算法，每次迭代过后直接对任意一组正交用户进行译码并剔除，达到最大迭代次数后停止迭代，并对剩余的用户统一译码。
本发明的工作机理：
利用SCMA编解码的结构特点，本方法在执行过程中边迭代边检测出一部分用户，而不是在算法达到最大迭代次数后才将所有用户统一检测出。工作过程为：首先在迭代前计算出各用户的译码优势，依据译码优势对用户进行排序；然后在每一轮迭代后，对译码优势排序靠前的用户直接进行译码并剔除，使其不用再参与后续的迭代运算，由此每一轮迭代过后，剩下的未译码用户相应减少，所以随着迭代次数的增加，此算法每一轮迭代的复杂度也会随着降低。
本发明具有下列优点和积极效果：
①检测方法在每轮迭代过后，对译码优势高的用户直接进行译码并剔除，不再参与后续的迭代过程，从而使得后续每轮迭代的复杂度依次降低；
②检测方法的误码率和检测时延也进一步降低。
总之，本发明能够对稀疏码多址接入系统中的多用户进行低复杂度检测，对于5G的发展具有重要意义。
附图说明
图1是本系统的结构方框图；
图2是移动用户终端100的结构方框图；
图3是基站200的结构方框图；
图4是RM-MPA算法的工作流程图。
图中：
000—无线信道；
100—移动用户终端，
110—第1用户终端，
111—编码器，112—SCMA编码器，113—用户码字；
120—第2用户终端，
……
1n0—第n用户终端，n是自然数，1≤n≤1024；
200—基站，
210—多用户检测模块，
211—时钟同步，212—RM-MPA算法，213—用户数据。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明：
一、系统
1、总体
如图1，本系统包括无线信道000；
设置有移动用户终端100和基站200；
移动用户终端100包括结构和功能相同的第1用户终端110、第2用户终端120……第n用户终端1n0，n是自然数，1≤n≤1024；
其连通关系是：
移动用户终端100、无线信道000和基站200依次连通，实现稀疏码多址接入系统多用户检测功能。
2、功能块
0、无线信道000
如图1，无线信道000实现各用户终端100与基站200之间的互联互通以及信息传输。
1、第1用户终端110
如图2，第1用户终端110包括依次交互的编码器111、SCMA编码器112和用户码字113。
1)编码器111
编码器111为信道编码，如：纠错码、LDPC码等；
2)SCMA编码器112
SCMA编码器112依据每个用户专用的码本，将用户数据的编码比特直接映射为SCMA码本中的一个多维码字；
3)用户码字113
用户码字113为多维复向量。
工作机理：
用户的数据首先经过编码器111；
SCMA编码器112对输入的数据符号进行映射，即根据数据符号从用户预定义的码本中选择对应的码字并输出，得到用户码字113。
2、基站200
如图3，基站200包括多用户检测模块210，多用户检测模块210包括依次交互的时钟同步211、RM-MPA算法212和用户数据213；
基站接收到的信号经过时钟同步211后得到一个个SCMA块；
RM-MPA算法212对SCMA块进行解码，分离出各用户数据213。
1)时钟同步211
时钟同步211为常用模块；
2)RM-MPA算法212
RM-MPA算法212为本发明用于稀疏码多址系统中多用户检测算法的简称；
3)用户数据213
用户数据213为终端用户发送的原始信息。
工作机理：
接收的多用户信号经时钟同步后，采用RM-MPA算法进行多用户检测，分离出各个用户的信息；
基于译码优势用户排序剔除的RM-MPA算法，每次迭代过后直接对前n个用户进行译码并剔除，达到最大迭代次数后停止迭代，并对剩余的用户统一译码；
基于正交用户组剔除的RM-MPA算法，每次迭代过后直接对任意一组正交用户进行译码并剔除，达到最大迭代次数后停止迭代，并对剩余的用户统一译码。
如图4，RM-MPA算法其工作流程包括下列步骤：
开始-40
A、初始化-41，
设置各用户码字的初始概率，设置各用户码字在其所占的各个时频资源处的初始概率；
B、译码优势用户排序-42
按RM-MPA算法中时频资源被处理的先后顺序，给每个时频资源分配一个优势等级，等级越高，其译码优势就越大，时频资源k＝1,2,3,…,K相应的优势等级为lk＝1,2,3,…,K按
Figure BDA0001390399520000051
式计算出用户的译码优势等级，其中aj为用户j的译码优势等级；按用户的译码优势等级从高到低进行排序；
C、更新功能节点与变量节点的信息-43
采用串行消息传播机制，即每更新完一个功能节点，就立即进行变量节点的更新，使可靠消息的传播更及时，加快算法收敛速度；
D、执行用户剔除操作-44
按步骤B译码优势用户排序42得出的排序结果，剔除前n个用户，则此n个用户不再参与后续迭代运算；
E、剔除用户译码-45
选择概率最高的码字作为此用户的译码结果；
F、判断是否达到最大迭代次数-46
是则进入步骤G，否则跳转到步骤C；
G、剩余用户译码-47
输出各个用户的译码结果；
H、结束-48。

Claims (2)

1.一种稀疏码多址接入系统，包括无线信道(000)；
设置有移动用户终端(100)和基站(200)；
移动用户终端(100)包括结构和功能相同的第1用户终端(110)、第2用户终端(120)……第n用户终端(1n0)，n是自然数，1≤n≤1024；
其连通关系是：
移动用户终端(100)、无线信道(000)和基站(200)依次连通，实现稀疏码多址接入系统多用户检测功能；
所述的第1用户终端(110)包括依次交互的编码器(111)、SCMA编码器(112)和用户码字(113)；
其特征在于：
所述的基站(200)包括多用户检测模块(210)，多用户检测模块(210)包括依次交互的时钟同步(211)、RM-MPA算法(212)和用户数据(213)；
基站接收到的信号经过时钟同步(211)后得到一个个SCMA块；
RM-MPA算法(212)对SCMA块进行解码，分离出各用户数据(213)；
所述的RM-MPA算法其工作流程包括下列步骤：
开始(40)
A、初始化(41)
设置各用户码字的初始概率，设置各用户码字在其所占的各个时频资源处的初始概率；
B、译码优势用户排序(42)
按RM-MPA算法中时频资源被处理的先后顺序，给每个时频资源分配一个优势等级，等级越高，其译码优势就越大，时频资源k＝1,2,3,Λ,K相应的优势等级为lk＝1,2,3,Λ,K按
Figure FDA0002466759030000011
式计算出用户的译码优势等级，其中aj为用户j的译码优势等级；按用户的译码优势等级从高到低进行排序；
C、更新功能节点与变量节点的信息(43)
采用串行消息传播机制，即每更新完一个功能节点，就立即进行变量节点的更新，使可靠消息的传播更及时，加快算法收敛速度；
D、执行用户剔除操作(44)
按步骤B译码优势用户排序得出的排序结果，剔除前n个用户，则此n个用户不再参与后续迭代运算；
E、剔除用户译码(45)
选择概率最高的码字作为此用户的译码结果；
F、判断是否达到最大迭代次数(46)
是则进入步骤G，否则跳转到步骤C；
G、剩余用户译码(47)
输出各个用户的译码结果；
H、结束(48)。
2.基于权利要求1所述稀疏码多址接入系统的多用户检测方法，其特征在于包括以下步骤：
①发射端多个用户共享同一资源块，用户之间以不同的码字区分，接收端必须采用多用户检测方法；
②发射端用户经过SCMA编码之后得到一个码字，然后多个码字进行叠加并发射；
③无线信道采用高斯白噪声信道进行模拟，发射端发送的信息受到乘性和加性噪声的干扰；
④接收端经过时钟同步后，采用RM-MPA算法进行多用户检测，分离出各个用户的信息；
⑤基于译码优势用户排序剔除的RM-MPA算法，每次迭代过后直接对前n个用户进行译码并剔除，达到最大迭代次数后停止迭代，并对剩余的用户统一译码；
⑥基于正交用户组剔除的RM-MPA算法，每次迭代过后直接对任意一组正交用户进行译码并剔除，达到最大迭代次数后停止迭代，并对剩余的用户统一译码。
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