CN109039543A - 基于重复编码和多天线分集的时间资源scma传输方法 - Google Patents

Abstract

基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法，它用于通讯信号检测技术领域。本发明解决了由于现阶段的SCMA传输方法的误码率高，进而影响SCMA系统在衰落信道下的性能和可靠性的问题。本发明本发明建立了基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA系统模型，引入MIMO技术和重复编码技术增加了系统的可靠性，克服了系统在天线数目方面的限制，利用重复编码多天线分集系统以及SCMA码本带来的分集增益，可以使本发明的方法相比较于现阶段的研究方法的误码率降低30％以上，提升了系统对抗衰落的能力，同时也提高了系统的可靠性。本发明可以应用于通讯信号检测技术领域用。

Description

基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法

技术领域

本发明属于通讯信号检测技术领域，具体涉及基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法。

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，所以SCMA系统传输方法成为目前研究的热点与关键技术。现阶段关于SCMA系统的传输方法的研究都是在AWGN信道下进行的，而且现阶段关于SCMA系统的传输方法的研究都是基于单输入单输出的SCMA系统，导致现阶段的SCMA系统的传输方法的误码率高，进而影响系统在衰落信道下的性能和系统可靠性。

发明内容

本发明的目的是为解决由于现阶段的SCMA传输方法的误码率高，进而影响SCMA系统在衰落信道下的性能和可靠性的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法，该方法的具体步骤为：

步骤一：发送端用户根据基于星座图旋转的两个SCMA码本对要发送的信息进行编码，生成发送码字s；并将码字s经过深度为K×N_B或的交织，其中：K为时隙资源数，N_B为码元个数；

步骤二：对步骤一得到的交织后的信号进行重复编码，将重复编码后的信号加载到两根发射天线上进行发送，发送的两路不同信号经过平坦衰落信道后，通过两根接收天线接收到接收机；

步骤三：接收端用户对接收机接收到的两路不同信号进行最大比合并，获得最大比合并后的等效接收信号等效信道系数和等效噪声并对最大比合并后的等效接收信号进行解交织，得到第k个时隙上的接收信号和第k个时隙上信道系数的模值

步骤四：利用第k个时隙上的接收信号和第k个时隙上信道系数的模值计算出最大比合并后的概率信息P(k,ζ_k,m)，对最大比合并后的概率信息P(k,ζ_k,m)进行MPA检测，得到每个发送端用户发送的比特信息。

本发明的有益效果是：本发明建立了基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA系统模型，本发明引入MIMO技术和重复编码技术增加了系统的可靠性，克服了系统在天线数目方面的限制，利用重复编码多天线分集系统以及SCMA码本带来的分集增益，可以使本发明的方法相比较于现阶段的研究方法的误码率降低30％以上，提升了系统对抗衰落的能力，同时也提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明的基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法的流程图；

图2为本发明的SCMA信息交织过程的示意图；

图3为本发明的信号传输过程的示意图。

图中基站天线1和基站天线2分别代表发射天线1和发射天线2，用户j的天线1和用户j的天线2分别代表接收天线1和接收天线2；表示第k个时隙上第1组内第1根接收天线上接收到的信号向量，表示第k个时隙上第l′组内第1根接收天线上接收到的信号向量，表示第k个时隙上第2L组内第1根接收天线上接收到的信号向量；表示第k个时隙上第1组内第2根接收天线上接收到的信号向量，表示第k个时隙上第l′组内第2根接收天线上接收到的信号向量，表示第k个时隙上第2L组内第2根接收天线上接收到的信号向量；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：发送端用户根据基于星座图旋转的两个SCMA码本对要发送的信息进行编码，生成发送码字s；并将码字s经过深度为K×N_B或的交织，其中：K为时隙资源数，N_B为码元个数；

步骤二：对步骤一得到的交织后的信号进行重复编码，将重复编码后的信号加载到两根发射天线上进行发送，发送的两路不同信号经过平坦衰落信道后，通过两根接收天线接收到接收机；

步骤三：接收端用户对接收机接收到的两路不同信号进行最大比合并，获得最大比合并后的等效接收信号等效信道系数和等效噪声并对最大比合并后的等效接收信号进行解交织，得到第k个时隙上的接收信号和第k个时隙上信道系数的模值

步骤四：利用第k个时隙上的接收信号和第k个时隙上信道系数的模值计算出最大比合并后的概率信息P(k,ζ_k,m)，对最大比合并后的概率信息P(k,ζ_k,m)进行MPA检测，得到每个发送端用户发送的比特信息。

平坦衰落信道为瑞利慢衰落信道，瑞利慢衰落信道系数服从循环对称复高斯分布CN(0,1)。本发明中的多天线是由两根发射天线和两根接收天线组成的。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一所述的基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法进行进一步的限定，所述发送端用户根据基于星座图旋转的两个SCMA码本进行编码，生成发送码字s；其具体过程为：

s＝G·w

其中，G为对应码本的生成矩阵，w表示基带调制信号。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式二所述的基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法进行进一步的限定，所述发送的两路不同信号经过平坦衰落信道后，通过两根接收天线接收到接收机，其具体过程为：

在相邻两个时隙中，两根接收天线接收到的信号形式分别表示如下：

其中：表示第k个时隙上第l′组内第i_r根接收天线上接收到的信号向量，表示第k时隙上第l′+1组内第i_r根接收天线上接收到的信号向量，u[k]＝[u₁[k],u₂[k],…,u_L[k]]为交织后形成的第k组发送信号(行向量)，u₁[k]是u[k]中的第一个子元素；(由于u[k]所持续的时间为N_BT_s，等于相干时间，所以在u[k]持续时间内，和为定值，)u₁[k],u₂[k],…,u_L[k]分别是u[k]中的第一个、第二个…第L个子元素；

为第1根发射天线与第i_r根接收天线间的信道系数，为第2根发射天线与第i_r根接收天线间的信道系数，且信道系数和服从循环对称复高斯分布；表示第k时隙上第l′组内第i_r根接收天线上的噪声，表示第k时隙上第l′+1组内第i_r根接收天线上的噪声，i_r的取值为1或2，1≤l≤L，L为SCMA信号的组数，

具体实施方式四：本实施方式对实施方式三所述的基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法进行进一步的限定，所述接收端用户对接收机接收到的两路不同信号进行最大比合并，获得最大比合并后的等效接收信号等效信道系数和等效噪声其具体过程为：

引入为最大比合并后的等效信道系数，则经过最大比合并后的等效接收信号如下式所示：

其中：u_l[k]是u[k]中的第l个子元素；

等效信道系数和等效噪声通过下式求得：

其中：h^(1,1)[k]为第1根发射天线与第1根接收天线间的信道系数，h^(1,2)[k]为第1根发射天线与第2根接收天线间的信道系数，h^(2,1)[k]为第2根发射天线与第1根接收天线间的信道系数，h^(2,2)[k]为第2根发射天线与第2根接收天线间的信道系数；||·||为二范数，i_t代表接收天线，且i_t的取值为1或2，是共轭，代表从第i_t根发射天线到第i_r根接收天线间的信道系数，表示第k时隙上第l组内第i_r根接收天线上的噪声。

本发明应用了2x2(两根发射天线、两根接收天线)的天线收发结构，即引入了MIMO技术，同时结合重复编码技术增加了系统的可靠性。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式三所述的基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法进行进一步的限定，所述对最大比合并后的等效接收信号进行解交织，得到第k个时隙上的接收信号和第k个时隙上信道系数的模值其具体过程为：

其中：为第l组中的第k个时隙上的接收信号；为第l组中的第k个时隙上信道系数的模值，

分别为第l组、第2组、…、第l组、…、第L组中的第k个时隙上的接收信号,分别为第l组、第2组、…、第l组、…、第L组中的第k个时隙上信道系数的模值。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式五所述的基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法进行进一步的限定，利用第k个时隙上的接收信号和第k个时隙上信道系数的模值计算出最大比合并后的概率信息P(k,ζ_k,m)，其具体过程为：

其中：ζ_k,m表示第k个时隙上不同用户发送的码字组合；β_k,m表示SCMA中第k个时隙上信号的子星座图中的第m个点，η_k表示归一化因子，N₀表示噪声的单边功率谱密度。

实施例

本实施例的SCMA系统的用户数目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为3。

由于SCMA的发送信号是每K个资源一组进行生成的，不妨假设系统中有L组发送信号，每组信号的长度为K。这样就可以定义s[l]为第l个分组内的SCMA信号，1≤l≤L。而s_k[l]为第l个分组内第k个时隙中所发送的信号。

SCMA信号的交织过程如下：将L组SCMA信号列向量从左至右排列成一个K×L的矩阵(L是人为定的)，发送时从第1行第1个信号开始从左至右发送，在发送完一行信号之后再开始发送下一行，依此类推直至到第L行的第K个信号。为了更清晰地描述交织过程，引入长度为L的行向量u[k]＝[u₁[k],u₂[k],…,u_L[k]]，表示交织后形成的第k组发送信号。u[k]的形成示意图的如图2所示，可以看出，通过交织把L组长度为K的SCMA信号s[1],s[2],…,s[L]变换为了K组长度为L的发送信号u[1],u[2],…,,u[K]。交织的深度可以计算为K×L。交织后的信号与交织前的SCMA信号有一个很简单的对应关系

u_l[k]＝s_k[l],1≤l≤L,,1≤k≤K

实际上，交织深度会影响系统的误码率性能。为了在后文仿真结果中对比交织深度的影响，在此提出以下两种具有不同深度的交织方案。

N_B代表相干码元时间，

方案一：交织深度为此时，可以认为SCMA的K个时隙(时间资源)上只有K/2个不同的衰落系数，不能保证所有资源上的衰落都不互相同。因此该方案并不能充分利用SCMA码本的分集增益。

方案二：交织深度为K×N_B，此时，第l组SCMA在K个时隙(时间资源)上的信号历经的衰落均互不相同。该方案可以获得SCMA码本的最大分集增益。

增加一个假设条件：

信道的相干时间小于一组SCMA信号的持续时间，此时有N_B<K，第l个分组内第k个时隙上的发送信号为s_k[l]，s₁[l],s₂[l],…,s_K[l]历经增益不同的衰落，此时可以利用SCMA系统的分集特性提升系统的可靠性。

重复编码的过程就是用2L个时隙资源发送L个码字，然后第一根天线与第二根天线发送所使用的时隙错开，当其中一根天线发送码字时另一根天线不发送码字，如图3所示。

本发明以时隙作为SCMA下行链路系统的资源，利用了重复编码多天线分集系统以及SCMA码本二者带来的分集增益，对抗慢衰落，提升系统的可靠性。

Claims (6)

1.基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

步骤一：发送端用户根据基于星座图旋转的两个SCMA码本对要发送的信息进行编码，生成发送码字s；并将码字s经过深度为K×N_B或的交织，其中：K为时隙资源数，N_B为码元个数；

步骤二：对步骤一得到的交织后的信号进行重复编码，将重复编码后的信号加载到两根发射天线上进行发送，发送的两路不同信号经过平坦衰落信道后，通过两根接收天线接收到接收机；

步骤三：接收端用户对接收机接收到的两路不同信号进行最大比合并，获得最大比合并后的等效接收信号等效信道系数和等效噪声并对最大比合并后的等效接收信号进行解交织，得到第k个时隙上的接收信号和第k个时隙上信道系数的模值

步骤四：利用第k个时隙上的接收信号和第k个时隙上信道系数的模值计算出最大比合并后的概率信息P(k,ζ_k,m)，对最大比合并后的概率信息P(k,ζ_k,m)进行MPA检测，得到每个发送端用户发送的比特信息。

2.根据权利要求1所述的基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法，其特征在于，所述发送端用户根据基于星座图旋转的两个SCMA码本进行编码，生成发送码字s；其具体过程为：

s＝G·w

其中，G为对应码本的生成矩阵，w表示基带调制信号。

3.根据权利要求2所述的基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法，其特征在于，所述发送的两路不同信号经过平坦衰落信道后，通过两根接收天线接收到接收机，其具体过程为：

两根接收天线接收到的信号形式分别表示如下：

其中：表示第k个时隙上第l′组内第i_r根接收天线上接收到的信号向量，k＝1,2,…,K，表示第k时隙上第l′+1组内第i_r根接收天线上接收到的信号向量，u[k]＝[u₁[k],u₂[k],…,u_L[k]]为交织后形成的第k组发送信号，u₁[k]是u[k]中的第一个子元素；

为第1根发射天线与第i_r根接收天线间的信道系数，为第2根发射天线与第i_r根接收天线间的信道系数，且信道系数和服从循环对称复高斯分布；表示第k时隙上第l′组内第i_r根接收天线上的噪声，表示第k时隙上第l′+1组内第i_r根接收天线上的噪声，i_r的取值为1或2，1≤l≤L，L为SCMA信号的组数，l′＝2l-1。

4.根据权利要求3所述基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法，其特征在于，所述接收端用户对接收机接收到的两路不同信号进行最大比合并，获得最大比合并后的等效接收信号等效信道系数和等效噪声其具体过程为：

引入为最大比合并后的等效信道系数，则经过最大比合并后的等效接收信号如下式所示：

其中：u_l[k]是u[k]中的第l个子元素；

等效信道系数和等效噪声通过下式求得：

其中：h^(1,1)[k]为第1根发射天线与第1根接收天线间的信道系数，h^(1,2)[k]为第1根发射天线与第2根接收天线间的信道系数，h^(2,1)[k]为第2根发射天线与第1根接收天线间的信道系数，h^(2,2)[k]为第2根发射天线与第2根接收天线间的信道系数；||·||为二范数，i_t代表接收天线，且i_t的取值为1或2，是共轭，代表从第i_t根发射天线到第i_r根接收天线间的信道系数。

5.根据权利要求4所述的基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法，其特征在于，所述对最大比合并后的等效接收信号进行解交织，得到第k个时隙上的接收信号和第k个时隙上信道系数的模值其具体过程为：

其中：为第l组中的第k个时隙上的接收信号；为第l组中的第k个时隙上信道系数的模值，

6.根据权利要求5所述的基于重复编码和多天线分集的时间资源SCMA传输方法，其特征在于，利用第k个时隙上的接收信号和第k个时隙上信道系数的模值计算出最大比合并后的概率信息P(k,ζ_k,m)，其具体过程为：

其中：ζ_k,m表示第k个时隙上不同用户发送的码字组合；β_k,m表示SCMA中第k个时隙上信号的子星座图中的第m个点，η_k表示归一化因子，N₀表示噪声的单边功率谱密度。