CN108521317A

CN108521317A - 一种基于异步检测的scma上行链路传输方法

Info

Publication number: CN108521317A
Application number: CN201810312135.XA
Authority: CN
Inventors: 于启月; 李焕英; 周永康; 孟维晓
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2018-09-11
Anticipated expiration: 2038-04-09
Also published as: CN108521317B

Abstract

本发明提供一种基于异步检测的SCMA上行链路传输方法，属于信息通信技术领域。本发明首先发送端用户根据基于星座图旋转的SCMA码本进行编码，生成发送码字；然后接收端根据不同用户的时延将得到的接收信号进行分段处理；接着利用置信传播算法，以串行消息更新的方式计算分段后的码字的后验概率；再利用等增益合并准则，将每个码字的三段概率进行合并；合并后的概率作为MPA迭代译码的初始概率；最后进行SCMA系统MPA迭代译码，获得每个用户发送的比特信息并输出。本发明解决了现有SCMA上行链路系统中，信号传输异步带来的用户间符号干扰所造成的系统误码性能的下降的问题。本发明可用于移动通信。

Description

一种基于异步检测的SCMA上行链路传输方法

技术领域

本发明涉及一种SCMA上行链路传输方法，属于信息通信技术领域。

背景技术

SCMA作为一种新的非正交多址接入技术，以其过载特性满足第五代移动通信系统所提出的大连接、低时延等要求。其中，接收端的低复杂度检测算法成为研究的热点与关键技术。

目前关于SCMA上行链路系统中检测算法的研究，几乎都是基于用户信号同时到达基站接收端的系统模型，接收端采用消息传递算法(MPA)来进行信号检测。考虑实际情况，用户之间由于地理位置的差异性，发送信号不能同时到达接收端，使得同一频率资源上承载的用户在不同时刻发送的符号彼此间造成干扰，造成系统误码性能的下降。

本发明提出的检测算法利用异步接收信号的结构，将接收信号根据用户时延分段处理，以较低的复杂度的增加实现SCMA上行链路系统的可靠传输。

发明内容

本发明为解决现有SCMA上行链路系统中，信号传输异步带来的用户间符号干扰所造成的系统误码性能的下降的问题，提供了一种基于异步检测的SCMA上行链路传输方法。

本发明所述一种基于异步检测的SCMA上行链路传输方法，通过以下技术方案实现：

步骤一、发送端用户根据基于星座图旋转的SCMA码本进行编码，生成发送码字；

步骤二、发送码字经过信道后，接收端得到延时叠加后的接收信号；

步骤三、接收端根据不同用户的时延将接收信号进行分段处理，每个码字被分成三段；

步骤四、利用置信传播算法，以串行消息更新的方式计算分段后的码字的后验概率；

步骤五、利用等增益合并准则，将每个码字的三段概率进行合并；合并后的概率作为MPA迭代译码的初始概率；

步骤六、利用步骤五中得到的初始概率进行SCMA系统MPA迭代译码，获得每个用户发送的比特信息并输出。

本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：

本发明基于传统的同步SCMA上行链路系统，考虑到实际环境中，由于用户地理位置的差异，信号的传输存在异步问题。本发明通过建立上行链路系统模型，利用异步接收信号结构，在同步SCMA检测算法MPA的基础上，提出了针对异步SCMA的多用户检测算法EGC-BP-MPA，首先通过置信传播(BP)算法获得码字的后验概率，接下来根据等增益合并准则(EGC)将后验概率进行合并，最后将合并的概率作为MPA(消息传递算法)迭代初始值迭代译码，降低了异步问题带来的用户间符号干扰所造成的系统误码性能的下降，进行100次仿真试验统计发现，本发明方法误码率基本与传统的同步SCMA上行链路系统误码率相当，仅比传统的同步SCMA上行链路系统误码率高8％左右，从而实现SCMA上行链路的可靠传输，提升系统的性能。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为异步接收信号时间域结构示意图；

图3为本发明中吸收剂量随等效厚度的分布曲线图；

图4为步骤五中信息传递与合并的子母泰讷图；其中，FN_m为母泰讷图中的函数节点，VN_m为母泰讷图中的变量节点，FN_c为子泰讷图中的函数节点，VN_c为子泰讷图中的变量节点；

图5为本发明实施例中误码率与传统的同步SCMA上行链路系统误码率对比图；其中，E_b/N₀表示信噪比。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1对本实施方式进行说明，本实施方式给出的一种基于异步检测的SCMA上行链路传输方法，具体包括以下步骤：

步骤三、接收端根据不同用户的时延将接收信号进行分段处理，由于每个资源上承载的用户数目为3，因此每个码字被分成三段；

步骤四、利用置信传播(BP)算法，以串行消息更新的方式计算分段后的码字的后验概率；

步骤五、利用等增益合并准则(EGC)，将每个码字的三段概率进行合并；合并后的概率作为MPA(消息传递算法)迭代译码的初始概率；

步骤六、利用步骤五中得到的初始概率进行传统的SCMA系统MPA迭代译码，获得每个用户发送的比特信息(即译码结果)并输出。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤一的具体过程包括：

发送端用户根据基于星座图旋转的SCMA码本生成发送码字X＝(x⁽¹⁾,…,x^(j),…,x^(J))：

X＝G·w

其中，J表示SCMA系统的用户数目，x^(j)表示第j个用户的发送码字，G为对应基于星座图旋转的SCMA码本的生成矩阵：

其中，γ_i＝exp(i·θ),0≤i≤η-1，exp(·)是e为底的指数函数，θ为相位旋转因子，η为每个资源上承载的用户个数，w＝[w⁽¹⁾,...,w^(j),...,w^(J)]^T表示基带调制信号，w^(j)为第j个用户调制后的符号，上标T表示转置。

其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，步骤二的具体过程包括：

发送信号经过信道后，产生不同的时延，接收端得到延时叠加后的接收信号y＝(y₁,…,y_k,…,y_K)^T，1≤k≤K，K为资源数目，t时刻接收端得到的第k个资源上的接收信号y_k(t)为：

其中，表示第j个用户在第k个资源上发送的第n个码字，n∈[1,N]，每个用户发送码字个数为N，p(t-nT_s)为波形函数，p(t-nT_s-τ_j)为延时τ_j的波形函数，T_s为符号周期，τ_j为第j个用户的时延，τ_j大小在[0,1)之间随机分布，满足0<τ_j<T_s，且当a<b时，τ_a<τ_b，1≤b≤J，1≤a≤J-1，z_k(t)为加性高斯白噪声，Ω_k为第k个资源上的用户集合。

其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图2所示，本实施方式与具体实施方式三不同的是，步骤三中根据不同用户的时延将接收信号进行分段处理的具体过程包括：

设第k个资源上的接收信号y_k来自用户Ω_k ^j1、Ω_k ^j2、…_k ^j3，用户Ω_k ^j1、Ω_k ^j2、Ω_k ^j3分别对应的时延为τ_j1、τ_j2、τ_j3，且τ_j1<τ_j2<τ_j3；

将接收信号y_k从用户Ω_k ^j1的第一个码字开始，以用户Ω_k ^j2相对于用户Ω_k ^j1延时的长度作为第一段的长度△₁，用户Ω_k ^j3相对于用户Ω_k ^j2延时的长度作为第二段的长度△₂，用户…_k ^j1第一个码字剩余部分长度作为第三段的长度△₃；

重复以△₁、△₂、△₃的长度对y_k进行分段，每个码字被分成三段，并最终得到分段后的码字r_k[m],m＝1,2,…,3N+2。

其他步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，步骤四的具体过程包括：

如图3，BP迭代译码泰讷图(即，Tanner图，是由Mr Tanner在1981在论文中提出来的，Tanner图是一个表示因式分解结构的二部图，是研究低密度校验码的重要工具)所示，将步骤三中得到的接收信号分段后的码字r_k[m]作为证据节点输入，α_m(1≤m≤3N)表示校验节点，存储分段后的码字的后验概率，因此共有3N个校验节点；β_m(1≤m≤3N+2)表示变量节点，每个变量节点对应一个证据节点，根据证据节点处的后验概率计算变量节点存储的值；由于每个码字被分成三段，因此每个校验节点与三个变量节点相约束；利用置信传播(BP)迭代算法计算每个分段后的码字的后验概率具体过程包括：

步骤四一、利用接收信号值计算联合概率，当m∈[3，3N]时，r_k[m]的联合概率计算如下：

p_k[m]表示r_k[m]的联合概率，n₁＝1,…,N；n₂＝0,1,…,N；n₃＝0,1,…,N；P(·)为概率函数，为噪声方差；

特别地，由于第一个、倒数第一个节点的接收信号只有一个用户的发送信息，第二个、倒数第二个节点的接收信号由两个用户的信息叠加而成，因此，这几个特殊节点(即，m＝1、2、3N+1、3N+2时)的联合概率计算如下：

步骤四二、证据节点将计算出的联合概率传递给相应的变量节点。校验节点和变量节点应用和积算法以串行迭代的方式计算出分段码字的后验概率，之后进行消息的迭代更新。迭代以从左向右的顺序进行，更新起始节点为最左边的节点，即从β₁到α_3N；概率信息从节点β_n传递到α_n，然后再从α_n传递到β_n+1；对于码字定义为变量节点传递给校验节点的后验概率信息，为校验节点传递给变量节点的后验概率信息：

其中，M为符号的调制阶数；

相应地，对于第一个和第二个变量节点来说，后验概率计算公式修正为：

然后，校验节点将存储的码字后验概率信息进行归一化。

其他步骤及参数与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，步骤五的具体过程包括：

图4所示信息传递与合并的子母泰讷图中，由于每个码字被分成三段，因此每个母泰讷图与三个子泰讷图相连。FN_m为母泰讷图中的函数节点，VN_m为母泰讷图中的变量节点，FN_c为子泰讷图中的函数节点，VN_c为子泰讷图中的变量节点。根据图4，阐述信息的传递与合并过程：

步骤五一、子泰讷图中的函数节点FN_c获得归一化的分段后的码字后验概率

步骤五二、FN_c将归一化后的后验概率传递给母泰讷图中的函数节点FN_m，FN_m根据等增益合并准则(EGC准则)对分段后的码字的后验概率进行合并，得到每个用户发送的N个码字的初始后验概率

步骤五三、母泰讷图将合并后的后验概率作为MPA迭代译码的初始概率。

其他步骤及参数与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

实施例

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

本实施例所述的一种基于异步检测的SCMA上行链路传输方法按照以下步骤进行：

信道为高斯白噪声信道，用户采用BPSK调制方式，符号的调制阶数M＝2；用户数目J为6，资源数目K为4，每个用户占用2个资源，每个资源上承载的用户个数η为3，用户发送码字个数N为256，符号周期T_s＝1，第j个用户的时延τ_j大小在[0,1)之间随机分布，满足0<τ_j<T_s，且当a<b时，τ_a<τ_b，1≤b≤J，1≤a≤J-1；

步骤一、发送端用户根据基于星座图旋转的SCMA码本进行编码，生成发送码字X＝(x⁽¹⁾,x⁽²⁾,x⁽³⁾，x⁽⁴⁾，x⁽⁵⁾,x⁽⁶⁾)：

X＝G·w

对应基于星座图旋转的SCMA码本的生成矩阵

其中，基带调制信号w＝[w⁽¹⁾,w⁽²⁾,w⁽³⁾,w⁽⁴⁾,w⁽⁵⁾,w⁽⁶⁾]^T。

步骤二、发送码字经过信道后，接收端得到延时叠加后的接收信号y＝(y₁,y₂,y₃,y₄)^T；t时刻接收端得到的第k个资源上的接收信号y_k(t)为：

步骤三、接收端根据不同用户的时延将接收信号进行分段处理，得到分段后的码字r_k[m],m＝1,2,…,3×256+2；

步骤四、利用置信传播(BP)算法，以串行消息更新的方式计算分段后的码字的后验概率：

然后，校验节点将存储的码字后验概率信息进行归一化。

步骤六、利用步骤五中得到的初始概率进行传统的SCMA系统MPA迭代译码，获得每个用户发送的比特信息并输出。

如图5所示，本实施例的方法误码率基本与传统的同步SCMA上行链路系统误码率相当，仅比传统的同步SCMA上行链路系统误码率高8％左右。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于异步检测的SCMA上行链路传输方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种基于异步检测的SCMA上行链路传输方法，其特征在于，步骤一的具体过程包括：

X＝G·w

其中，γ_i＝exp(i·θ),0≤i≤η-1，exp(·)是e为底的指数函数，θ为相位旋转因子，η为每个资源上承载的用户个数，η＝3，w＝[w⁽¹⁾,...,w^(j),...,w^(J)]^T表示基带调制信号，w^(j)为第j个用户调制后的符号，上标T表示转置。

3.根据权利要求1或2所述一种基于异步检测的SCMA上行链路传输方法，其特征在于，步骤二的具体过程包括：

4.根据权利要求3所述一种基于异步检测的SCMA上行链路传输方法，其特征在于，步骤三中根据不同用户的时延将接收信号进行分段处理的具体过程包括：

设第k个资源上的接收信号y_k来自用户Ω_k ^j1、Ω_k ^j2、Ω_k ^j3，用户Ω_k ^j1、Ω_k ^j2、Ω_k ^j3分别对应的时延为τ_j1、τ_j2、τ_j3，且τ_j1<τ_j2<τ_j3；

将接收信号y_k从用户Ω_k ^j1的第一个码字开始，以用户Ω_k ^j2相对于用户Ω_k ^j1延时的长度作为第一段的长度△₁，用户Ω_k ^j3相对于用户Ω_k ^j2延时的长度作为第二段的长度△₂，用户Ω_k ^j1第一个码字剩余部分长度作为第三段的长度△₃；

5.根据权利要求4所述一种基于异步检测的SCMA上行链路传输方法，其特征在于，步骤四的具体过程包括：

将步骤三中得到的分段后的码字r_k[m]作为证据节点输入，α_m表示校验节点，其中1≤m≤3N，存储分段后的码字的后验概率，共有3N个校验节点；β_m表示变量节点，其中，1≤m≤3N+2，每个变量节点对应一个证据节点，根据证据节点处的后验概率计算变量节点存储的值；每个校验节点与三个变量节点相约束；利用置信传播算法计算每个分段后的码字的后验概率具体过程包括：

当m＝1、2、3N+1、3N+2时的联合概率计算如下：

步骤四二、证据节点将计算出的联合概率传递给相应的变量节点；校验节点和变量节点应用和积算法以串行迭代的方式计算出分段码字的后验概率，之后进行消息的迭代更新；迭代以从β₁到α_3N的顺序进行；概率信息从节点β_n传递到α_n，然后再从α_n传递到β_n+1；对于码字定义为变量节点传递给校验节点的后验概率信息，为校验节点传递给变量节点的后验概率信息：

其中，M为符号的调制阶数；

相应地，β₁和β₂的后验概率计算公式修正为：

然后，校验节点将存储的码字后验概率信息进行归一化。

6.根据权利要求5所述一种基于异步检测的SCMA上行链路传输方法，其特征在于，步骤五的具体过程包括：

步骤五一、获得归一化的分段后的码字后验概率

步骤五二、根据等增益合并准则对分段后的码字的后验概率进行合并，得到每个用户发送的N个码字的初始后验概率

步骤五三、将合并后的后验概率作为MPA迭代译码的初始概率。