CN109150401A - 基于时间资源scma和mpa迭代检测的多天线复用传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于时间资源SCMA和MPA迭代检测的多天线复用传输方法，涉及多天线复用传输方法，属于传输通信技术领域。本发明首先发送端分别对每根发射天线上的用户数据根据基于星座图旋转的SCMA码本进行SCMA编码；对SCMA编码后的数据进行交织，采用V‑BLAST方式进行编码形成发送信号，并通过若干发射天线发送；发送信号经过慢衰落到达接收端形成接收信号，由若干接收天线对接收信号进行接收；然后接收端对接收信号进行解交织，根据扩展映射矩阵构建扩展泰讷图；最后利用扩展泰讷图进行MPA迭代检测。本发明解决了现有技术不能在较低的复杂度下实现分集和复用增益，进而导致误码率较高的问题。本发明可用于多天线复用传输。

Description

基于时间资源SCMA和MPA迭代检测的多天线复用传输方法

技术领域

本发明涉及多天线复用传输方法，属于传输通信技术领域。

背景技术

分集技术通常用于对抗衰落、提高链路可靠性。分集的基本思想是，如果能够传输多个独立衰落的信号，从统计意义来说，合成信号的衰落比每一路信号衰落要降低很多。这是因为在独立衰落的假设下，当一些信号发生深衰落时，可能另一些信号的衰落较轻，各路信号同时发生深衰落的概率是很低的，从而合成信号发生深衰落的概率也被大大降低。从以上描述可以看出，要获得分集增益，多个独立衰落信号产生和多个独立信号的合成是关键，一个合适的产生和合成方法将大大减轻合成信号的衰落。

多天线复用技术能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的提高系统信道容量，显示出明显的优势。但是没有利用信道的时间分集能力。

SCMA(Sparse Code Multiple Access，稀疏码分多址接入)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。对于时间资源的SCMA系统，可以使用重复编码方案和Alamouti方案来充分运用信道的时间分集能力，但并没有完全利用信道的空间分集能力。

但是现有结合时间分集与空间分集的技术，不是太成熟。如，编码解码复杂度较高，不能充分利用二者所带来的分集和复用增益，进而导致误码率较高。

发明内容

本发明为解决现有传输通信技术不能在较低的复杂度下实现分集和复用增益，进而导致误码率较高的问题，提供了基于时间资源SCMA和MPA迭代检测的多天线复用传输方法。

本发明所述基于时间资源SCMA和MPA迭代检测的多天线复用传输方法，通过以下技术方案实现：

步骤一、发送端分别对每根发射天线上的用户数据根据基于星座图旋转的SCMA码本进行SCMA编码；

步骤二、对SCMA编码后的数据进行交织，然后采用V-BLAST方式进行编码形成发送信号，并通过若干发射天线发送；

步骤三、发送信号经过慢衰落到达接收端形成接收信号，由若干接收天线对接收信号进行接收；接收天线数目与发射天线数目相等；

步骤四、接收端对接收信号进行解交织，得到解交织之后的码元信息；

步骤五、根据扩展映射矩阵构建扩展泰讷图；

步骤六、接收端利用扩展泰讷图进行MPA迭代检测，即E-MPA检测。

本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：

本发明提出的基于时间资源SCMA和MPA迭代检测的多天线复用传输方法，使用时间资源SCMA技术与V-BLAST多天线复用技术能够在充分运用信道分集能力的同时有效利用信道全部自由度，同时，本发明使用了基于扩展Tanner图的E-MPA算法，综合考虑了SCMA码本以及多天线复用信道的分集特性，多天线系统的应用，使得并行数据流可以同时传送，提供了空间复用增益及空间分集增益，可以显著克服信道的衰落，降低误码率。从而本发明能使系统性能优于其他传统方法。仿真表明，本发明方法误码率相比联合ZF-MPA(迫零-消息传递检测)、MMSE-MPA(最小均方误差-消息传递检测)等方法，误码率不到其他方法(除ML外)的十分之一；虽然最大似然检测(ML)法误码率与本发明方法差不多，但其复杂度最高，为指数级无法应用于实际系统，本发明解码算法的复杂度低，而且具有普适性，不管天线数目如何变化，都可以采用同样的解码方式。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为SCMA编码后的数据进行交织示意图；

图3为实施例中发送信号经过慢衰落到达接收端形成接收信号的示意图；

图4为实施例中构建扩展泰讷图的示意图；

图5为实施例中的本发明方法与其他传统方法的误码率(BER)对比图；

其中，BPSK表示二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying)；SISO表示单天线发送单天线接收；MMSE为最小均方误差检测；ZF为迫零检测；ML为最大似然检测；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、图2对本实施方式进行说明，本实施方式给出的基于时间资源SCMA和MPA(消息传递算法)迭代检测的多天线复用传输方法，具体包括以下步骤：

步骤一、发送端分别独立的对每根发射天线上的用户数据根据基于星座图旋转的SCMA码本进行SCMA编码；

步骤二、对SCMA编码后的数据进行交织，然后采用V-BLAST方式进行编码形成发送信号，并通过若干发射天线发送所述发送信号。V-BLAST是空间多路复用系统一种模式，它采用一种直接的天线与层的对应关系，即编码后的第x个子流直接送到第x根天线，不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变，它的数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量，称为V-BLAST(Vertical-BLAST)。由于V-BLAST中数据子流与天线之间只是简单的对应关系，因此在检测过程中，只要知道数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层的数据，检测过程简单。

交织的具体过程为：

由于SCMA的发送信号是每K个资源一组进行生成的，设每根天线对应有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

步骤三、发送信号经过慢衰落到达接收端形成接收信号，由若干接收天线对接收信号进行接收；接收天线数目与发射天线数目相等；慢衰落(Slow Fading)：由于移动台的不断运动，电波传播路径地形地貌是不断变化的，因而局部中值也是不断变化的；这种变化所造成的衰落比多径效应引起的快衰落要慢得多，称为慢衰落。慢衰落是由大气折射、大气湍流、大气层结等平均大气条件的变化而引起的，通常与频率的关系不大，而主要与气象条件、电路长度、地形等因素有关。慢衰落一般服从对数正态分布。

步骤四、接收端对接收信号进行解交织；

步骤五、根据扩展映射矩阵构建扩展泰讷图；泰讷图(即，Tanner图，是由MrTanner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)；

步骤六、接收端利用扩展泰讷图进行MPA迭代检测，即E-MPA检测。

本发明使用了基于扩展Tanner图的E-MPA算法，综合考虑了SCMA码本以及多天线复用信道的分集特性，多天线系统的应用，使得并行数据流可以同时传送，提供了空间复用增益及空间分集增益，可以显著克服信道的衰落，降低误码率。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤三中所述发送信号经过慢衰落到达接收端形成接收信号的具体过程包括：

其中，表示第k组内第l个时隙上第i_r根接收天线上接收到的信号向量，k＝1,...,K；K为每个天线的资源数，l＝1,...,L；L表示每组的码元(时隙)数；u[k+(i_t-1)K]＝[u₁[k+(i_t-1)K],u₂[k+(i_t-1)K],…,u_L[k+(i_t-1)K]]为交织后第i_t根发射天线上的第k组行向量，u_l[k+(i_t-1)K]为u[k+(i_t-1)K]中的元素；为第i_t根发射天线与第i_r根接收天线间的信道系数，服从循环对称复高斯分布；i_t为发射天线的序号，i_t＝1,...,I，i_r为接收天线的序号，i_r＝1,...,I；发射天线数目、接收天线数目均为I；表示第i_r个接收天线上第k组内的噪声。由于u[k]所持续的时间为LT_s，所以在u[k]持续时间内，为定值。

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二不同的是，当接收端已知信道状态信息时，先对叠加的接收信号直接解交织，将其映射回SCMA信号后再进行分析，即：

其中，为解交织之后的码元信息。

其他步骤及参数与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是，设第i_t根发射天线上的数据来自一组用户I根发射天线上的用户分别独立地进行SCMA码本映射后发射各自的信号；将相邻两根接收天线的时隙联合考虑，构成由I·J个虚拟用户以及I·K个资源组成的扩展SCMA系统，记为SCMA^ext(I·J,I·K)，其扩展映射矩阵为：

根据该扩展映射矩阵构建扩展泰讷图；对于发送端，在第i_t个发射天线上对应第k个时隙的子星座图的点为j＝1,...,J；J表示每根发射天线上的用户数目； 为对应SCMA码本的生成矩阵G的第k行第j列元素；ζ_k,m[i_t]为第i_t根发射天线上不同用户发送的码字组合。

其他步骤及参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是，步骤六中所述利用扩展泰讷图进行MPA迭代检测的过程具体为：

求扩展子星座图的点：

其中，代表第i_r个接收天线上对应的第k个时隙上的子星座图的点；

在接收端，将用户的发送信息的映射记为对应的第个时隙上的子星座图中的点用对应的表示，求得第个资源上的初始概率：

其中，表示归一化因子，N₀为单边功率谱密度；

利用求得的初始概率，通过MPA检测求得对最终信号的估计。

其他步骤及参数与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二、三、四或五不同的是，L＝N_B；N_B为相干码元时隙数。交织深度会影响系统的误码率性能。为了对比交织深度的影响，以下对两种具有不同深度的交织方式进行比较：

(1)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。

(2)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。

因此，本实施方式L＝N_B时，进行K×N_B深度的交织可以获得最大分集增益。

其他步骤及参数与具体实施方式二、三、四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一或六不同的是，步骤一中所述根据基于星座图旋转的SCMA码本进行SCMA编码的具体过程包括：

发送端根据基于星座图旋转的SCMA码本生成发送码字：

s＝G·w

其中，w＝[w⁽¹⁾,...,w^(j),...,w^(J)]^T表示基带调制信号；j＝1,...,J；J表示每根发射天线上的用户数目，G为对应SCMA码本的生成矩阵：

其中，为G的第k行第j列的元素。

其他步骤及参数与具体实施方式一或六相同。

实施例

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

条件设定如下：

1)信道为瑞利慢衰落信道，信道系数服从循环对称复高斯分布CN(0,1)；

2)每根天线上的用户数目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ρ_r为3；发射天线数目和接收天线数目均为2根，即I＝2；L＝N_B；

3)用户采用BPSK调制方式；

4)信道的相干时间为N_B·T_s，其中T_s表示一个码元的时长；并假设信道的衰落系数在相干时间内保持不变。

本实施例所述基于时间资源SCMA和MPA迭代检测的多天线复用传输方法按照以下步骤进行：

步骤一、发送端分别对每根发射天线上的用户数据根据基于星座图旋转的SCMA码本进行SCMA编码；采用的SCMA码本的生成矩阵为：

其中，γ_α＝exp(i·α·△)；i表示虚数单位；0≤△≤π；△为相位旋转因子；ρ_r为每个资源上加载的用户数目等于3，0≤α≤ρ_r，α＝0，1，2。

步骤二、对SCMA编码后的数据进行交织，然后采用V-BLAST方式进行编码形成发送信号，并通过若干发射天线发送；

步骤三、如图3所示，发送信号经过慢衰落到达接收端形成接收信号，由若干接收天线对接收信号进行接收；接收天线数目与发射天线数目相等；

步骤四、接收端对接收信号进行解交织，有：

步骤五、根据扩展映射矩阵构建扩展泰讷图，如图4所示为构建扩展泰讷图的示意图；

步骤六、接收端利用扩展泰讷图进行MPA迭代检测，即E-MPA检测；其中，

如图5为本发明方法与其他传统方法的效果对比图。可以看出，本发明方法误码率明显低于其他方法，最大似然检测(ML)法虽然误码率与本发明方法差不多，但复杂度最高，为指数级无法应用于实际系统，因此实际不予考虑，除ML外，本发明方法误码率不到其他方法的十分之一。

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 (7)

1.基于时间资源SCMA和MPA迭代检测的多天线复用传输方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一、发送端分别对每根发射天线上的用户数据根据基于星座图旋转的SCMA码本进行SCMA编码；

步骤二、对SCMA编码后的数据进行交织，然后采用V-BLAST方式进行编码形成发送信号，并通过若干发射天线发送；

步骤三、发送信号经过慢衰落到达接收端形成接收信号，由若干接收天线对接收信号进行接收；接收天线数目与发射天线数目相等；

步骤四、接收端对接收信号进行解交织；

步骤五、根据扩展映射矩阵构建扩展泰讷图；

步骤六、接收端利用扩展泰讷图进行MPA迭代检测，即E-MPA检测。

2.根据权利要求1所述基于时间资源SCMA和MPA迭代检测的多天线复用传输方法，其特征在于，步骤三中所述发送信号经过慢衰落到达接收端形成接收信号的具体过程包括：

其中，表示第k组内第l个时隙上第i_r根接收天线上接收到的信号向量，k＝1,...,K；K为每个天线的资源数，l＝1,...,L；L表示每组的码元数；u[k+(i_t-1)K]＝[u₁[k+(i_t-1)K],u₂[k+(i_t-1)K],…,u_L[k+(i_t-1)K]]为交织后第i_t根发射天线上的第k组行向量，u_l[k+(i_t-1)K]为u[k+(i_t-1)K]中的元素；为第i_t根发射天线与第i_r根接收天线间的信道系数；i_t为发射天线的序号，i_t＝1,...,I，i_r为接收天线的序号，i_r＝1,...,I；发射天线数目、接收天线数目均为I；表示第i_r个接收天线上的噪声。

3.根据权利要求2所述基于时间资源SCMA和MPA迭代检测的多天线复用传输方法，其特征在于，步骤四中所述对接收信号进行解交织，得到的解交织之后的码元信息为：

其中，为解交织之后的码元信息。

4.根据权利要求3所述基于时间资源SCMA和MPA迭代检测的多天线复用传输方法，其特征在于，步骤五具体为：

将由I·J个虚拟用户以及I·K个资源组成的扩展SCMA系统，记为SCMA^ext(I·J,I·K)，其扩展映射矩阵为根据该扩展映射矩阵构建扩展泰讷图，在第i_t个发射天线上对应第k个时隙的子星座图的点为J表示每根发射天线上的用户数目； 为对应SCMA码本的生成矩阵G的第k行第j列元素；ζ_k,m[i_t]为第i_t根发射天线上不同用户发送的码字组合。

5.根据权利要求4所述基于时间资源SCMA和MPA迭代检测的多天线复用传输方法，其特征在于，步骤六中所述利用扩展泰讷图进行MPA迭代检测的过程具体为：

求扩展子星座图的点：

其中代表第i_r个接收天线上对应的第k个时隙上的子星座图的点；

在接收端，将用户的发送信息的映射记为对应的第个时隙上的子星座图中的点用对应的表示，求得第个资源上的初始概率：

其中，表示归一化因子，N₀为单边功率谱密度；

利用求得的初始概率，通过MPA检测求得对最终信号的估计。

6.根据权利要求2、3、4或5所述基于时间资源SCMA和MPA迭代检测的多天线复用传输方法，其特征在于，L＝N_B；N_B为相干码元时隙数。

7.根据权利要求6所述基于时间资源SCMA和MPA迭代检测的多天线复用传输方法，其特征在于，步骤一中所述根据基于星座图旋转的SCMA码本进行SCMA编码的具体过程包括：

发送端根据基于星座图旋转的SCMA码本生成发送码字：

s＝G·w

其中，w＝[w⁽¹⁾,...,w^(j),...,w^(J)]^T表示基带调制信号；j＝1,...,J；J表示每根发射天线上的用户数目，G为对应SCMA码本的生成矩阵：