CN108134641A - 一种基于scma多址接入机制的基站频谱带宽分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方法，本发明针对基于SCMA上行链路系统如何保证蜂窝小区内用户业务传输速率要求进行了研究，设计出了一种联合资源分配方案，不仅保证了系统的吞吐量最优，在此基础之上还充分考虑了用户业务传输速率的要求，对蜂窝小区内的基站频谱带宽进行调节。最后通过MATLAB仿真对比，从吞吐量说明了本发明的优越性。

Description

一种基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方法

技术领域：

本发明主要涉及基于SCMA(Sparse Code Multiple Access)多址接入机制的基站频谱带宽分配问题，在考虑到用户吞吐量以及用户业务传输速率要求，特别涉及了一种基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方法。

背景技术：

未来5G无线通信网络需要满足三个应用场景，即大规模连接、增强型带宽以及低时延。为了满足5G网络的要求，一种新型的非正交多址接入技术SCMA(Sparse CodeMultiple Access)被提出来用于多用户的接入。SCMA通过将来自不同用户的输入数据流直接映射到相应的多维码本的码字上，从而实现多个SCMA层共享相同的OFDMA时频资源。而在接收端，由于SCMA码字的稀疏性，因此可以利用低复杂度的消息传递算法(MessagePassing Algorithm,MPA)实现接近最优的检测性能。由于SCMA多址接入技术具有适合未来5G通信网络需求的多种优势，因此华为公司成立了一个专门的团队对其进行研究，同时在全国范围内，与多所高校进行合作研究，希望能更好的了解和发掘SCMA存在的潜能并在实际通信系统中实现。然而，由于这一新的多址接入技术出现时间较短，故目前关于它的研究都还处于起步阶段，相关研究成果相对也较少，仅仅体现在SCMA基本原理的介绍、码本的设计、上下行多址接入性能评估及如何利用MPA算法实现其接收检测等方面，且这些研究涉及的性能评估都是建立在简单的初步模型中进行的。鉴于SCMA技术在提升系统吞吐量、降低系统接入时延、提升用户连接数等方面的巨大优势，非常适合未来的5G网络，因此对基于SCMA这一新的多址接入技术的无线通信网络进行相关方面研究，尤其是无线资源管理(Radio Resource Management，RRM)方面的研究，将具有重要的理论及现实意义。

在SCMA上行链路系统中，每个用户分配有特定的码本，该码本决定了该用户所占用的频谱资源，大部分现有文献介绍了如何为用户分配码本资源(即频谱资源)，提出的用户码本分配方案考虑的基本都是在单位带宽下，以保证SCMA上行链路系统吞吐量最大为目标来为各用户分配码本。但是当前文献在考虑SCMA资源分配时，都未曾将用户业务的传输速率要求(即QoS要求)计算在内，这就导致了现有文献所提的资源分配方案并不适用于实际场景。而本发明所设计的基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方案，是在用户码本资源分配的基础上，根据推导出来的等效频谱带宽公式在基站端为SCMA上行链路系统的子载波分配频谱带宽从而满足各用户业务的传输速率要求。

发明内容：

本发明的目的是提出一种基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方法，即通过分配用户码本使得SCMA上行链路的系统吞吐量最大，同时通过在基站端为SCMA上行链路系统子载波分配频谱带宽来保证用户业务传输速率要求。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方法，具体包括以下步骤：

步骤1，根据SCMA上行链路系统模型，为用户码本建立关于系统吞吐量的最优化模型。

步骤2，根据用户信道条件状态为用户分配合适的码本，具体步骤如下：

步骤2.1，初始化：将行数为J，列数为K的矩阵σ＝{σ_j,k}的各个元素置0，即σ_j,k＝0。以σ_j,k＝1表示第j个用户占用了第k个子载波，σ_j,k＝0表示第j个用户未占用第k个子载波；

为每个子载波所能够容纳的用户数设置初始值，即d_k＝d_r。其中d_r的值为具体如下：

其中，d_r代表每个子载波上复用的用户的个数，L为SCMA上行链路系统每个用户码字的非零值，K为SCMA上行链路系统的子载波个数；

为每个用户设置所占子载波数的初始值，即μ_j＝L；

设置初始的用户码本数为c，且c＝J，其中，J为SCMA上行链路系统所容纳的最大用户数，其值为

步骤2.2，从信道矩阵H中选择未遍历过的信道状态最好的信道系数，根据该信道系数的坐标k、j来判断d_k与μ_j的值；

步骤2.3，若选取到的该信道系数所关联的0＜μ_j≤L且0＜d_k≤d_r，执行μ_j＝μ_j-1，d_k＝d_k-1，并且设置σ_j,k＝1，若μ_j＝0或d_k＝0，则跳到步骤2.5；

步骤2.4，判断该信道系数所关联的μ_j是否为0。若μ_j＝0，则说明该用户已完成码本的选择，将用户码本数减1，即c＝c-1，若μ_j≠0说明该用户未完成码本的选择，跳到步骤2.2；

步骤2.5，判断用户码本数c的值，若用户码本数c＝0，则说明已确定用户SCMA码本，程序终止；否反之，则返回步骤2.2；

步骤3，计算基站应为SCMA上行链路系统子载波分配的频谱带宽：具体计算公式如下：

其中，δ_k为SCMA上行链路系统子载波的等效频谱带宽，K为SCMA上行链路系统的子载波个数，p为基站接收到的各个用户的功率，为每个子载波所能够容纳的用户数，N₀为加性高斯白噪声，B_j为SCMA上行链路系统中第j个用户所要达到的速率要求。

作为本发明一种基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方法的进一步优选方案，在步骤1中，SCMA上行链路系统模型包含的正交子载波数为K，其中单个子载波的信道容量具体表示如下：

其中，W_k为第k个子载波频谱带宽大小，ξ_k代表在第k个子载波上复用了哪些用户的集合，h_j,k表示在第k个子载波上第j个用户的信道系数，σ_j,k表示第j个用户是否占用第k个子载波，若σ_j,k＝1表示第j个用户占用了第k个子载波，若σ_j,k＝0表示第j个用户未占用第k个子载波，p_j,k为在第k个子载波上第j个用户的发送能量，N₀为加性高斯白噪声，C_k为第k个子载波用户的和速率，即吞吐量；

由SCMA上行链路系统模型可知，J个用户是通过复用K个正交子载波进行信号传输，每两个子载波之间的数据不会产生干扰，所以可将SCMA上行链路系统每个子载波的信道容量进行累加得到SCMA上行链路系统的吞吐量，SCMA上行链路系统的吞吐量如下式所示：

其中，W_k为第k个子载波频谱带宽大小，N₀为加性高斯白噪声，p_j,k为用户的发送能量，h_j,k为用户的信道系数。

作为本发明一种基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方法的进一步优选方案，在步骤1中，关于SCMA上行链路系统吞吐量的最优化模型具体如下：

其中，约束条件为：第一对于任意第k个子载波，σ_j,k累加之后得到的值为每个子载波所能够容纳的用户数d_r，第二对于任意第j个子载波，σ_j,k累加之后得到的值为每个用户所占子载波数L，第三矩阵σ＝{σ_j,k}的任意一个元素值的大小非零即一。

作为本发明一种基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方法的进一步优选方案，在步骤3中，定义一种基于SCMA上行链路系统基站频谱带宽与小区内用户业务传输速率要求的映射关系，即等效频谱带宽；

等效频谱带宽的具体推导如下：

步骤3.1，根据步骤2用户分配了码本，确定了σ_j,k的值，则忽略了σ_j,k的SCMA上行链路系统容量为：

令W_k＝W，即将(4)式改写为：

令式可简化为：

其中，d_r代表每个子载波上复用的用户的个数，W代表SCMA上行链路系统中子载波频谱带宽大小；根据SCMA上行链路系统的可接入的最大用户数以及子载波个数K，和每个用户码字的非零值个数L，得出

结合(6)式和(7)式，能够进一步得到SCMA上行链路系统容量上界的表达式：

在对(8)式进行泰勒级数展开之后，C_sum重新表达为

当SCMA上行链路系统中的所有用户都需要满足其自身的QoS要求时，即每一个用户都需要满足其在信道的传输速率，以(B₁,B₂,...,B_J)来表示SCMA上行链路系统中J个用户所要达到的速率要求，则SCMA上行链路系统所要为每个子载波分配的等效频谱带宽为：

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明解决的问题主要有两个：一是根据SCMA多址接入机制推导出用户业务传输要求与基站频谱带宽的映射关系，即等效频谱带宽。二是设计一种资源分配方案，在SCMA上行链路系统吞吐量最大的基础上，结合等效频谱带宽公式，在基站端为SCMA上行链路系统的子载波分配频谱带宽来保证用户业务传输速率要求；

2、本发明通过SCMA上行链路系统容量公式推导出用户业务传输要求与基站频谱带宽的映射关系，即等效频谱带宽。然后结合等效频谱带宽公式设计了一种资源分配方案，即用户码本分配和基站频谱带宽分配的联合资源分配方案。最后通过MATLAB仿真对比，从吞吐量说明了本发明的优越性。

附图说明：

图1是本发明的实现总流程图；

图2是根据本发明的等效频谱带宽公式在不同用户数量的情况下，对用户业务传输速率要求和SCMA上行链路系统等效频谱带宽之间的关系进行了仿真对比；

图3是本发明中的基于用户信道条件的SCMA码本分配实现流程图；

图4是验证采用本发明中的用户码本分配方案所得到的SCMA上行链路系统吞吐量，与采用随机码本分配方案所得到的SCMA上行链路系统吞吐量之间的仿真对比示意图；

图5是验证采用本发明中的结合等效频谱带宽的资源分配方案所得到的SCMA上行链路系统吞吐量，与未使用等效频谱带宽的资源分配方案所得到的SCMA上行链路系统吞吐量之间的仿真对比示意图。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明实施方式和效果做进一步详细描述：

参照图1所示，本发明的实现步骤如下：

步骤1，根据SCMA上行链路系统模型，为用户码本建立关于系统吞吐量的最优化模型。

SCMA多址接入机制规定了在单个子载波里复用多个用户，且在一个SCMA上行链路系统里含有K个子载波。由于单个子载波非正交的复用了多个用户的信号，另外非正交多址接入信道可以通过使用连续干扰消除(SIC)达到香农容量，则本发明将每个子载波的信道容量等效于非正交多址接入信道(MAC)的信道容量。根据文献(D.Tse and P.Viswanath,Fundamentals of wireless communication.Cambridge university press,2005)对于非正交多址接入信道(MAC)信道容量的介绍，SCMA上行链路系统单个子载波的信道容量(吞吐量)可表示为：

在(1)式中，W_k为第k个子载波频谱带宽大小，ξ_k代表在第k个子载波上复用了哪些用户的集合，h_j,k表示在第k个子载波上第j个用户的信道系数，σ_j,k表示第j个用户是否占用第k个子载波，若σ_j,k＝1表示第j个用户占用了第k个子载波，若σ_j,k＝0表示第j个用户未占用第k个子载波，p_j,k为在第k个子载波上第j个用户的发送能量，N₀为加性高斯白噪声，C_k为第k个子载波用户的和速率，即吞吐量。

由SCMA上行链路系统模型可知，J个用户是通过复用K个正交子载波进行信号传输，每两个子载波之间的数据不会产生干扰，所以可将SCMA上行链路系统每个子载波的信道容量进行累加得到SCMA上行链路系统的吞吐量，SCMA上行链路系统的吞吐量如下式所示：

在(2)式中，第k个子载波频谱带宽大小W_k，加性高斯白噪声N₀，用户的发送能量p_j,k以及用户的信道系数h_j,k均为已知条件，我们通过优化码本结构，即确定J行K列的矩阵σ＝{σ_j,k},(σ_j,k∈{0,1})的各个元素值，使得SCMA上行链路系统的吞吐量最大，所以可将该最优化问题建模如下：

在(3)式中，约束条件为：第一对于任意第k个子载波，σ_j,k累加之后得到的值为每个子载波所能够容纳的用户数d_r，第二对于任意第j个子载波，σ_j,k累加之后得到的值为每个用户所占子载波数L，第三矩阵σ＝{σ_j,k}的任意一个元素值的大小非零即一。

步骤2，根据用户信道条件状态为用户分配合适的码本，保证系统吞吐量最大。

参照图3，本步骤的具体实现如下：

(1)初始化：

为K行J列的矩阵σ＝{σ_k,j}的各个元素置0，即σ_k,j＝0。

为每个子载波所能够容纳的用户数设置初始值，即d_k＝d_r；

为每个用户设置所占子载波数的初始值，即μ_j＝L；

设置初始的用户码本数为c＝J；

(2)步骤过程：

Step1：从信道矩阵H中选择未遍历过的信道状态最好的信道系数，根据该信道系数的坐标k、j来判断d_k与μ_j的值。

Step2：若选取到的该信道系数所关联的0＜μ_j≤L且0＜d_k≤d_r，执行μ_j＝μ_j-1，d_k＝d_k-1，并且设置σ_j,k＝1。若μ_j＝0或d_k＝0，跳到Step4。

Step3：判断执行完step2之后，选取到的该信道系数所关联的μ_j是否为0。若μ_j＝0说明该用户已完成码本的选择，将用户码本数减1，即c＝c-1。若μ_j≠0说明该用户未完成码本的选择，跳到Step1。

Step4：判断用户码本数c的值，若用户码本数c＝0则说明已确定用户SCMA码本，程序终止；否则返回Step1。

步骤3、计算基站应为SCMA上行链路系统子载波分配的频谱带宽：

由于每一用户业务传输都有一定的速率要求，为了保证每一用户业务传输速率都能达到要求，基站依据等效频谱带宽公式计算应该为SCMA上行链路系统子载波分配多大的频谱带宽才能保证用户业务要求的传输速率。

本发明的效果可通过仿真进一步说明：

仿真场景1：通过MATLAB验证了在不同用户数量的情况下用户业务要求的传输速率对SCMA上行链路系统等效频谱带宽的影响。

I.仿真参数设置

总共设置了三种不同用户数的情况，即SCMA上行链路系统中承载用户信息的子载波数K＝4,6,8，每个用户码字非零值的个数L＝2。用户的发射功率为0.7W，均值为0，方差为0.1的噪声功率谱密度为0.1W/Hz，系统中每个用户业务要求的传输速率为[10,11,...,15]kbps。

根据上述仿真场景，可知，K∈[4 6 8]，L＝2，p＝0.7W，N₀＝0.1W/Hz，B_j∈[10 1112 13 14 15]kbps。

II.仿真结果及分析

根据MATLAB仿真，在不同用户数量的情况下SCMA上行链路系统的等效频谱带宽与用户业务要求的传输速率的关系如图2所示。根据图2可知，随着用户业务要求的传输速率的增加，SCMA上行链路系统的等效频谱带宽也增大。从物理意义上理解，在一定的信道条件下，信道所能提供的传输速率也是一定的，那么要达到更大的传输速率的要求，系统需要提供更多的资源。

仿真场景2：验证基于用户信道条件的SCMA码本分配和用户随机SCMA码本分配之间系统吞吐量的区别。

I.仿真参数设置

在仿真中，本文单小区蜂窝系统上行链路模型中采用的都是瑞利小尺度衰落信道模型，在基于SCMA的给定SCMABlock中，正交子载波数目K为4，SCMA码字非零元数目L为2，由此可得到SCMA传输层数(用户码本数)c和相应的用户数目J，有c＝J＝6，具体的参数设置如表1所示。

表1

参数名称	参数值
		正交子载波数目K	4
码本非零元数目L	2
		SCMA Block上码本数目c	6
SCMA Block上用户数J	6
		小尺度衰落信道模型	瑞利信道
噪声	加性高斯白噪声
		功率分配方案	平均功率分配

II.仿真结果及分析

下面对仿真结果进行分析比较，仿真所得系统容量(和速率)均为多次仿真统计得到的系统平均容量。

对SCMA上行链路系统，由以上仿真参数与仿真模型得到的仿真结果如图4所示，图中小圆虚线表示的是基于用户信道条件的码本选择方案下，系统上行链路单位带宽和速率。星点虚线代表的是随机用户码本选择方案下的系统和速率。由图可见，基于用户信道条件的SCMA码本分配方案的系统吞吐量比随机码本分配的系统吞吐量要高。这是由于基于用户信道条件的SCMA码本分配方案，每次都将最好的信道组合所对应的码本分配给相应用户，故每次新匹配的用户和码本都是当前能提升系统容量的最佳匹配，因而与随机选择某个码本相比，系统的容量性能表现更佳。

仿真场景3：通过MATLAB仿真对比，传统的SCMA资源分配方案，即仅考虑用户信道条件的SCMA码本分配方案，和基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方案之间的性能。在对比上述两种资源分配方案的性能时，通过对比吞吐量，吞吐量越大，则表示资源分配的性能更优。

图5表示的是系统的吞吐量随着用户发送能量的变化关系，此时系统中的用户都是传输速率要求为16kbps的话音业务。由图可知，首先，基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方案与传统的资源分配方案之间，其系统的吞吐量随着发送能量增大呈上升趋势，这是因为式(8)所表达的SCMA和速率关于能量之间的关系是增函数，而图中的吞吐量是有变化的，这个变化是由于用户的信道状态矩阵是由MTLAB随机生成造成的；其次，传统的资源分配方案得到的最大系统吞吐量不大于基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方案得到的最大系统吞吐量，这是因为，基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方案是在用户码本资源分配的基础上，又额外考虑到用户业务传输速率的要求，为SCMA上行链路系统分配了频谱带宽。

综上所述，本发明针对基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配问题进行了研究，设计了一种联合用户码本分配和基站系统带宽的资源分配方案，既保证了系统吞吐量最优，又考虑到了用户业务传输速率要求，对基站的频谱带宽进行调节，以求贴近SCMA系统的实际。仿真结果表明，本发明所设计的方法相较于未考虑到等效频谱带宽的资源分配方法，其吞吐量性能相对较优，同时也说明了本发明所提基站频谱带宽调整过程的有效性。

Claims (4)

1.一种基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，根据SCMA上行链路系统模型，为用户码本建立关于系统吞吐量的最优化模型。

步骤2，根据用户信道条件状态为用户分配合适的码本，具体步骤如下：

步骤2.1，初始化：将行数为J，列数为K的矩阵σ＝{σ_j,k}的各个元素置0，即σ_j,k＝0。以σ_j,k＝1表示第j个用户占用了第k个子载波，σ_j,k＝0表示第j个用户未占用第k个子载波；

为每个子载波所能够容纳的用户数设置初始值，即d_k＝d_r。其中d_r的值为具体如下：

其中，d_r代表每个子载波上复用的用户的个数，L为SCMA上行链路系统每个用户码字的非零值，K为SCMA上行链路系统的子载波个数；

为每个用户设置所占子载波数的初始值，即μ_j＝L；

设置初始的用户码本数为c，且c＝J，其中，J为SCMA上行链路系统所容纳的最大用户数，其值为

步骤2.2，从信道矩阵H中选择未遍历过的信道状态最好的信道系数，根据该信道系数的坐标k、j来判断d_k与μ_j的值；

步骤2.3，若选取到的该信道系数所关联的0＜μ_j≤L且0＜d_k≤d_r，执行μ_j＝μ_j-1，d_k＝d_k-1，并且设置σ_j,k＝1，若μ_j＝0或d_k＝0，则跳到步骤2.5；

步骤2.4，判断该信道系数所关联的μ_j是否为0。若μ_j＝0，则说明该用户已完成码本的选择，将用户码本数减1，即c＝c-1，若μ_j≠0说明该用户未完成码本的选择，跳到步骤2.2；

步骤2.5，判断用户码本数c的值，若用户码本数c＝0，则说明已确定用户SCMA码本，程序终止；否反之，则返回步骤2.2；

步骤3，计算基站应为SCMA上行链路系统子载波分配的频谱带宽：具体计算公式如下：

其中，δ_k为SCMA上行链路系统子载波的等效频谱带宽，K为SCMA上行链路系统的子载波个数，p为基站接收到的各个用户的功率，为每个子载波所能够容纳的用户数，N₀为加性高斯白噪声，B_j为SCMA上行链路系统中第j个用户所要达到的速率要求。

2.根据权利要求1所述的一种基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方法，其特征在于：在步骤1中，SCMA上行链路系统模型包含的正交子载波数为K，其中单个子载波的信道容量具体表示如下：

其中，W_k为第k个子载波频谱带宽大小，ξ_k代表在第k个子载波上复用了哪些用户的集合，h_j,k表示在第k个子载波上第j个用户的信道系数，σ_j,k表示第j个用户是否占用第k个子载波，若σ_j,k＝1表示第j个用户占用了第k个子载波，若σ_j,k＝0表示第j个用户未占用第k个子载波，p_j,k为在第k个子载波上第j个用户的发送能量，N₀为加性高斯白噪声，C_k为第k个子载波用户的和速率，即吞吐量；

由SCMA上行链路系统模型可知，J个用户是通过复用K个正交子载波进行信号传输，每两个子载波之间的数据不会产生干扰，所以可将SCMA上行链路系统每个子载波的信道容量进行累加得到SCMA上行链路系统的吞吐量，SCMA上行链路系统的吞吐量如下式所示：

其中，W_k为第k个子载波频谱带宽大小，N₀为加性高斯白噪声，p_j,k为用户的发送能量，h_j,k为用户的信道系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于SCMA多址接入机制的基站带宽分配方法，其特征在于：在步骤1中，关于SCMA上行链路系统吞吐量的最优化模型具体如下：

其中，约束条件为：第一对于任意第k个子载波，σ_j,k累加之后得到的值为每个子载波所能够容纳的用户数d_r，第二对于任意第j个子载波，σ_j,k累加之后得到的值为每个用户所占子载波数L，第三矩阵σ＝{σ_j,k}的任意一个元素值的大小非零即一。

4.根据权利要求1所述的一种基于SCMA多址接入机制的基站带宽分配方法，其特征在于：在步骤3中，定义一种基于SCMA上行链路系统基站频谱带宽与小区内用户业务传输速率要求的映射关系，即等效频谱带宽；

等效频谱带宽的具体推导如下：

步骤3.1，根据步骤2用户分配了码本，确定了σ_j,k的值，则忽略了σ_j,k的SCMA上行链路系统容量为：

令W_k＝W，即将(4)式改写为：

令(5)式可简化为：

其中，d_r代表每个子载波上复用的用户的个数，W代表SCMA上行链路系统中子载波频谱带宽大小；根据SCMA上行链路系统的可接入的最大用户数以及子载波个数K，和每个用户码字的非零值个数L，得出

结合(6)式和(7)式，能够进一步得到SCMA上行链路系统容量上界的表达式：

在对(8)式进行泰勒级数展开之后，C_sum重新表达为

当SCMA上行链路系统中的所有用户都需要满足其自身的QoS要求时，即每一个用户都需要满足其在信道的传输速率，以(B₁,B₂,...,B_J)来表示SCMA上行链路系统中J个用户所要达到的速率要求，则SCMA上行链路系统所要为每个子载波分配的等效频谱带宽为：