CN109005003A - 一种应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法，采用QC结构的单位阵循环移位矩阵代替LDS CDMA系统扩频矩阵的非零元素，并适当选取每个循环移位矩阵的移位参数。该方法可以在过载率（用户数/资源数）一定的情况下，通过增大扩频矩阵的规模，获得更好的误比特率（BER）性能。

Description

一种应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法

技术领域

本发明涉及一种应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法，属于无线通信系统中的非正交码分多址接入技术领域。

背景技术

目前，主流的无线通信技术是以WCDMA、TD-SCDMA、CDMA-2000为代表的第三代移动通信技术，以LTE-TDD和LTE-FDD为代表的第四代移动通信技术。随着社会发展，通信系统需要更高的吞吐率、更多的接入用户以及更小的通信时延。这些需求也促使了人们对高能效、低时延、高可靠性的第五代移动通信系统(5G)的研究。

5G定义了三种应用场景：增强移动宽带、海量机型通信以及高可靠低时延通信。增强移动宽带场景需要更高的传输速率和更大的吞吐率，海量机型通信需要更多的接入以及更低的接收复杂度。传统的正交多址接入无法满足以上需求，因此，非正交多址接入凭借其高谱效率得到了人们的关注。非正交多址接入允许在同样的通信资源(如1个时隙、1个子载波或1个码道)上传输多个用户数据。目前非正交多址接入有功率域和码域两种实现方式。对于功率域的非正交多址接入，在接收端人为引入其他用户干扰，可以获得更高谱效率。每个用户以不同功率在接收端进行叠加，同时在接收端采用串行干扰抵消(SIC)方式对每个用户的数据进行检测。SIC检测器首先对高功率用户进行检测，然后根据信道信息计算出该用户的等效接收信号，从而能够将该用户对其他用户的干扰去除，并以此方法依次检测其他用户信号。码字域的非正交多址接入系统目前有很多实现方法。比如，稀疏码多址接入(SCMA)通过优化扩频序列来得到整形增益以及编码增益。此外，由于其扩频序列的稀疏特性，在接收端可以用较低复杂度的检测器。LDS CDMA可以看作SCMA的一种特殊情况，也是一种高谱效率的多址接入方式，同时在接收端可以采用信息传播算法(MPA)来对不同用户的数据进行检测。相比于最大似然(ML)检测算法，MPA是一种次优的检测算法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法，扩展后的扩频矩阵在相同的过载率下，有着更好的误比特率性能。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法，基于非正交多址接入系统，实现系统最大用户数情形下，基站接收来自各用户发送信号的控制方法，包括如下步骤：

步骤A.获得系统最少用户数情形下所对应的系统正交资源数M_b，以及系统码字信道数N_b，并基于各用户分别在各系统正交资源上发送信号的情况，生成维度为M_b×N_b的基础标签矩阵F_b，其中，F_b中各元素的值表示各用户在各系统正交资源上是否发送信号，1表示已发送，0表示未发送；然后进入步骤B；

步骤B.基于一用户分配一个系统码字信道原则，获得系统最大用户数情形下所对应的系统正交资源数M，以及系统码字信道数N，并基于Z＝M/M_b，获得准循环扩展倍数Z，然后进入步骤C；

步骤C.针对基础标签矩阵F_b中的各个元素分别进行扩展；其中，针对非零元素扩展为Z×Z维度单位阵的循环移位矩阵，并获得对应循环移位次数，作为该循环移位矩阵的循环移位参数；以及针对零元素扩展为Z×Z维度的全零矩阵，并定义该全零矩阵的循环移位参数为-1，然后进入步骤D；

步骤D.基于基础标签矩阵F_b中各个元素分别扩展所获矩阵的循环移位参数，组合构建循环移位参数矩阵P，即P的维度为M_b×N_b；然后进入步骤E；

步骤E.根据循环移位参数矩阵P，针对基础标签矩阵F_b，按准循环扩展倍数Z进行扩展，获得系统准循环分块结构标签矩阵F，即F的维度为M×N，然后进入步骤F；

步骤F.针对系统准循环分块结构标签矩阵F，获得各行中非零元素的个数，并作为对应行的行重ρ_m，m＝{0、…、M-1}，ρ_m表示F中第m行中非零元素的个数，即第m行的行重；以及获得各列中非零元素的个数，并作为对应列的列重γ_n，n＝{0、…、N-1}，γ_n表示F中第n列中非零元素的个数，即第n列的列重；然后进入步骤G；

步骤G.针对系统准循环分块结构标签矩阵F中各个非零元素，分别选择相对应的复数因子，进而得到不同的扩频序列，组成扩频矩阵H，然后进入步骤H；

步骤H.根据扩频矩阵H，分别为各个用户分配其所对应的扩频序列，然后进入步骤I；

步骤I.分别针对各用户对应系统码字信道上的发送信号进行编码、调制，然后分别针对各用户对应系统码字信道上调制后的信号，分别采用用户所对应的扩频序列进行扩频，最后针对不同用户扩频后的信号进行叠加，构成系统最大用户数情形下，基站所接收信号。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，基于系统最少用户数情形下、各用户分别在各系统正交资源上发送信号的情况，采用LDPC奇偶检验矩阵生成方法，生成维度为M_b×N_b的基础标签矩阵F_b。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤G中，分别针对系统准循环分块结构标签矩阵F中的各个非零元素，按如下公式：

选择相对应的复数因子，其中，j表示复数的虚部，j_m＝{0、…、ρ_m-1}，j_m表示F中第m行中非零元素的序号，表示F中第m行中第j_m个非零元素所在的列数，表示e的次方；q表示用户调制阶数，gcd()表示最大公约数运算；w₀表示归一化系数，

本发明所述一种应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明所设计应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法，方法简单实用，不再需要对大规模的扩频矩阵进行单独设计；在过载率相同的情况下，同一个检测架构支持任意的用户数和时隙方案；该方法保证了扩频系统的稀疏特性，使接收端仍能应用复杂度低的MPA检测算法；此外，由于扩频矩阵短环的存在，会影响MPA检测算法的性能，所设计循环移位矩阵扩展法，可以保证扩展之后的矩阵最小环大于等于基矩阵的最小环长度；

(2)本发明所设计应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法，通过对扩频矩阵的基矩阵进行扩展，在相同的过载率以及同样采用MPA检测算法的情况下，可以达到更好的传输性能；扩展倍数增大时，性能接近于最优QAM以及SCMA系统；

(3)本发明所设计应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法，用户数不一定等于扩频系统的接入信道数，实际系统可以根据系统需求，如传输可靠性、接收端计算能力、系统时延要求等选择合适的扩展倍数，增加了系统的灵活性。

附图说明

图1是本发明所设计应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法的系统框图；

图2是采用QPSK调制的LDS CDMA的实施例示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明设计了一种应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法，基于非正交多址接入系统，实现系统最大用户数情形下，基站接收来自各用户发送信号的控制方法，实际应用当中，如图1所示，为了求得扩频矩阵H，具体执行包括如下步骤：

步骤A.获得系统最少用户数情形下所对应的系统正交资源数M_b，以及系统码字信道数N_b，并基于各用户分别在各系统正交资源上发送信号的情况，采用LDPC奇偶检验矩阵生成方法，生成维度为M_b×N_b的基础标签矩阵F_b，其中，F_b中各元素的值表示各用户在各系统正交资源上是否发送信号，1表示已发送，0表示未发送；然后进入步骤B。

上述步骤中采用LDPC奇偶检验矩阵生成方法，但不仅限于此方法，还可采用Gallager方法，MacKay和Neal提出的构造规则随机LDPC码方法，重复累加设计法构造不规则LDPC码，以及当前公认的对中短码长LDPC码构造非常有效的渐近边增长(PEG)算法。PEG算法可以在给定的行重、列重分布情况下，尽量避免短环的存在。

步骤B.基于一用户分配一个系统码字信道原则，获得系统最大用户数情形下所对应的系统正交资源数M，以及系统码字信道数N，并基于Z＝M/M_b，获得准循环扩展倍数Z，然后进入步骤C。

步骤C.针对基础标签矩阵F_b中的各个元素分别进行扩展；其中，针对非零元素扩展为Z×Z维度单位阵的循环移位矩阵，并获得对应循环移位次数，作为该循环移位矩阵的循环移位参数；以及针对零元素扩展为Z×Z维度的全零矩阵，并定义该全零矩阵的循环移位参数为-1，然后进入步骤D。

步骤D.基于基础标签矩阵F_b中各个元素分别扩展所获矩阵的循环移位参数，组合构建循环移位参数矩阵P，即P的维度为M_b×N_b，如下所示；其中元素即为各循环移位参数，然后进入步骤E。

步骤E.根据循环移位参数矩阵P，针对基础标签矩阵F_b，按准循环扩展倍数Z进行扩展，获得系统准循环分块结构标签矩阵F，即F的维度为M×N，如下所示，然后进入步骤F。

步骤F.针对系统准循环分块结构标签矩阵F，获得各行中非零元素的个数，并作为对应行的行重ρ_m，m＝{0、…、M-1}，ρ_m表示F中第m行中非零元素的个数，即第m行的行重；以及获得各列中非零元素的个数，并作为对应列的列重γ_n，n＝{0、…、N-1}，γ_n表示F中第n列中非零元素的个数，即第n列的列重；然后进入步骤G。

步骤G.针对系统准循环分块结构标签矩阵F中各个非零元素，按如下公式：

选择相对应的复数因子，进而得到不同的扩频序列，组成扩频矩阵H，如下所示：

然后进入步骤H；其中，j表示复数的虚部，j_m＝{0、…、ρ_m-1}，j_m表示F中第m行中非零元素的序号，表示F中第m行中第j_m个非零元素所在的列数，表示e的次方；q表示用户调制阶数，gcd()表示最大公约数运算；w₀表示归一化系数，从而保证扩频之后的能量归一。

步骤H.根据扩频矩阵H，分别为各个用户分配其所对应的扩频序列，然后进入步骤I。

步骤I.分别针对各用户对应系统码字信道上的发送信号进行编码、调制，这里编码方式，可以采用LDPC码、Turbo码，对用户数据进行编码，调制操作，可以采用QPSK调制器、16QAM调制器，得到用户调制后的信号。

然后分别针对各用户对应系统码字信道上调制后的信号，分别采用用户所对应的扩频序列进行扩频，最后针对不同用户扩频后的信号进行叠加，构成系统最大用户数情形下，基站所接收信号。

将上述所设计应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法，应用于实际当中，具体如下：

步骤A.获得系统最少用户数情形下所对应的系统正交资源数M_b＝4，以及系统码字信道数N_b＝6，并基于各用户分别在各系统正交资源上发送信号的情况，这里实施例中，采用PEG算法，生成维度为M_b×N_b的基础标签矩阵F_b，如下所示，然后进入步骤B。

PEG算法由于避免了短环的存在，可以保证接收端MPA检测算法有较好的性能。

步骤B.基于一用户分配一个系统码字信道原则，获得系统最大用户数情形下所对应的系统正交资源数M，以及系统码字信道数N，并基于Z＝M/M_b，获得准循环扩展倍数Z，实际应用中，Z＝1、10、15，接下来，按Z＝10进行描述，即进入步骤C。

步骤C.针对基础标签矩阵F_b中的各个元素分别进行扩展；其中，针对非零元素扩展为Z×Z维度单位阵的循环移位矩阵，并获得对应循环移位次数，作为该循环移位矩阵的循环移位参数；以及针对零元素扩展为Z×Z维度的全零矩阵，并定义该全零矩阵的循环移位参数为-1，然后进入步骤D。

步骤D.基于基础标签矩阵F_b中各个元素分别扩展所获矩阵的循环移位参数，组合构建循环移位参数矩阵P，即P的维度为M_b×N_b，如下所示；其中元素即为各循环移位参数，然后进入步骤E。

步骤E.根据循环移位参数矩阵P，针对基础标签矩阵F_b，按准循环扩展倍数Z进行扩展，获得系统准循环分块结构标签矩阵F，即F的维度为M×N，然后进入步骤F。

步骤F.针对系统准循环分块结构标签矩阵F，获得各行中非零元素的个数，并作为对应行的行重ρ_m，m＝{0、…、M-1}，ρ_m表示F中第m行中非零元素的个数，即第m行的行重；以及获得各列中非零元素的个数，并作为对应列的列重γ_n，n＝{0、…、N-1}，γ_n表示F中第n列中非零元素的个数，即第n列的列重；然后进入步骤G。

步骤G.针对系统准循环分块结构标签矩阵F中各个非零元素，按如下公式：

选择相对应的复数因子，进而得到不同的扩频序列，组成扩频矩阵H，然后进入步骤H；其中，j表示复数的虚部，j_m＝{0、…、ρ_m-1}，j_m表示F中第m行中非零元素的序号，表示F中第m行中第j_m个非零元素所在的列数，表示e的次方；q表示用户调制阶数，gcd()表示最大公约数运算；w₀表示归一化系数，从而保证扩频之后的能量归一。

步骤H.根据扩频矩阵H，分别为各个用户分配其所对应的扩频序列，然后进入步骤I。

步骤I.为信息比特选择合适的编码方式，本例中，采用码长为2170，打孔160比特，信息比特长度为1760，码率为的LDPC码。本例中，将编码后的码字经过QPSK调制器。然后分别针对各用户对应系统码字信道上调制后的信号，分别采用用户所对应的扩频序列进行扩频，最后针对不同用户扩频后的信号进行叠加，构成系统最大用户数情形下，基站所接收信号，即y＝Hx+v，其中，x为用户发送向量，v为信道噪声，y为基站接收信号。

如图2所示，为采用QPSK调制的LDS CDMA，系统过载率为等效于8QAM系统的频谱利用率。其中，Ω＝{N_b,M_b,Z,γ,ρ}，LDPC码率为7/8；基矩阵大小为M_b＝4，N_b＝6，行重为3，列重为2。基矩阵通过QC扩展得到最终的扩频矩阵，扩展倍数Z分别为1、10、15。实线为未编码性能，虚线为采用码率的LDPC码性能。从图中可以看出，对于未编码系统来说，当扩展倍数增大时，BER性能有明显提升，当Z＝10时系统性能在高信噪比时可以超过8QAM的性能，继续增大扩展倍数Z＝15时，性能改善不大。对于加入了LDPC编码之后的LDS CDMA系统，BER性能得到了很大改善,且扩展之后的编码性能逐渐逼近采用相同编码，相同用户资源和信道配置的SCMA系统方案。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.一种应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法，基于非正交多址接入系统，实现系统最大用户数情形下，基站接收来自各用户发送信号的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A.获得系统最少用户数情形下所对应的系统正交资源数M_b，以及系统码字信道数N_b，并基于各用户分别在各系统正交资源上发送信号的情况，生成维度为M_b×N_b的基础标签矩阵F_b，其中，F_b中各元素的值表示各用户在各系统正交资源上是否发送信号，1表示已发送，0表示未发送；然后进入步骤B；

步骤B.基于一用户分配一个系统码字信道原则，获得系统最大用户数情形下所对应的系统正交资源数M，以及系统码字信道数N，并基于Z＝M/M_b，获得准循环扩展倍数Z，然后进入步骤C；

步骤C.针对基础标签矩阵F_b中的各个元素分别进行扩展；其中，针对非零元素扩展为Z×Z维度单位阵的循环移位矩阵，并获得对应循环移位次数，作为该循环移位矩阵的循环移位参数；以及针对零元素扩展为Z×Z维度的全零矩阵，并定义该全零矩阵的循环移位参数为-1，然后进入步骤D；

步骤D.基于基础标签矩阵F_b中各个元素分别扩展所获矩阵的循环移位参数，组合构建循环移位参数矩阵P，即P的维度为M_b×N_b；然后进入步骤E；

步骤E.根据循环移位参数矩阵P，针对基础标签矩阵F_b，按准循环扩展倍数Z进行扩展，获得系统准循环分块结构标签矩阵F，即F的维度为M×N，然后进入步骤F；

步骤F.针对系统准循环分块结构标签矩阵F，获得各行中非零元素的个数，并作为对应行的行重ρ_m，m＝{0、…、M-1}，ρ_m表示F中第m行中非零元素的个数，即第m行的行重；以及获得各列中非零元素的个数，并作为对应列的列重γ_n，n＝{0、…、N-1}，γ_n表示F中第n列中非零元素的个数，即第n列的列重；然后进入步骤G；

步骤G.针对系统准循环分块结构标签矩阵F中各个非零元素，分别选择相对应的复数因子，进而得到不同的扩频序列，组成扩频矩阵H，然后进入步骤H；

步骤H.根据扩频矩阵H，分别为各个用户分配其所对应的扩频序列，然后进入步骤I；

步骤I.分别针对各用户对应系统码字信道上的发送信号进行编码、调制，然后分别针对各用户对应系统码字信道上调制后的信号，分别采用用户所对应的扩频序列进行扩频，最后针对不同用户扩频后的信号进行叠加，构成系统最大用户数情形下，基站所接收信号。

2.根据权利要求1所述一种应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法，其特征在于：所述步骤A中，基于系统最少用户数情形下、各用户分别在各系统正交资源上发送信号的情况，采用LDPC奇偶检验矩阵生成方法，生成维度为M_b×N_b的基础标签矩阵F_b。

3.根据权利要求1所述一种应用准循环矩阵扩展的稀疏标签多址接入方法，其特征在于：所述步骤G中，分别针对系统准循环分块结构标签矩阵F中的各个非零元素，按如下公式：

选择相对应的复数因子，其中，j表示复数的虚部，j_m＝{0、…、ρ_m-1}，j_m表示F中第m行中非零元素的序号，表示F中第m行中第j_m个非零元素所在的列数，表示e的次方；q表示用户调制阶数，gcd()表示最大公约数运算；w₀表示归一化系数，