CN109361439B - 针对scma系统的低复杂度码本设计方法及其硬件架构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对大规模SCMA系统的低复杂度码本设计方法及相应的硬件架构实现，方法包括以分层式星座旋转为子操作符的码本简化、以已知码本进行非冲突扩充的码本简化等内容；硬件架构为针对大规模SCMA系统检测的高效架构，包括缓冲寄存器、控制单元和译码单元。本发明利用对子星座的单一旋转操作进行非冲突码本设计，避免了映射重排带来的大量复数乘法运算，极大降低了大规模SCMA系统的码本设计复杂度；利用对已知码本进行稀释化处理和非冲突扩充，进一步降低了码本设计复杂度；得到具有较高通用性的检测器架构，有着较低的硬件消耗和较高的硬件使用效率。

Description

针对SCMA系统的低复杂度码本设计方法及其硬件架构

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种针对大规模SCMA系统的低复杂度码本设计方法以及相应的硬件架构实现。

背景技术

近年来，随着无线通信技术在各领域的广泛应用，社会通信需求呈现快速激增态势，传统通信技术日益无法满足社会发展需要。据主要运营商和权威咨询机构的预测，移动宽带业务流量将在未来10年增长1000倍之多。为应对即将到来的巨大通信压力，5G作为全新的移动通信技术应运而生。其中，“Gbps用户体验速率”将是5G的最关键技术指标。为实现这一超高速传输速率，5G将运用到大规模天线阵列、新型多址、超密集组网、新型网络架构、全频谱接入等重要技术。而新型多址技术作为5G实现的关键技术之一，将在整个系统中扮演至关重要的角色。新型多址技术将对发送信号进行高效叠加传输以使系统的接入能力得到进一步提升，从而保证5G网络的大规模设备连接需求。

回溯多址技术，其自产生以来，经历了相当长时间的演进和变革，在现代无线通信中有着无法替代的重要地位。传统的多址技术包括频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等，而4G技术中所使用的则是正交频分多址(OFDMA)。多有这些多址技术都是正交层面上的多址技术，受到资源数量的极大限制。相比之下，在非正交多址技术中，接入用户则可以成倍大于资源数，从而有效解决这一瓶颈。

稀疏码分多址技术(SCMA)正是5G通信中期待使用的新型多址技术，并具备着重要的非正交特性。理论分析表明SCMA有着极其出色的过载承受能力以及资源复用能力，与传统多址技术相比，其接入量可至少提升50％，并随着系统内部往来互联数目的增加可进一步提升。在关于SCMA的相关文献中，用于研究的SCMA系统都具备用户规模较小的特点，原因在于大规模SCMA系统的码本设计存在复杂度过高的问题，但为了达到5G海量连接的需求，SCMA的大规模扩展是必须的，因此一种应用于大规模SCMA系统的通用性码本设计方案就显得尤为重要。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种针对大规模SCMA系统的低复杂度码本设计方法以及相应的硬件架构实现，针对大规模SCMA系统的分层式星座旋转码本设计和基于已知码本的非冲突扩展码本设计，可以极大的降低大规模SCMA系统的码本设计复杂度并保证较优的误码率性能，相应的硬件架构亦给出该SCMA检测译码器的通用方案，有着较高的硬件使用效率。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种针对大规模SCMA系统的低复杂度码本设计方法，包括以分层式星座旋转为子操作符的码本简化和以已知码本进行非冲突扩充的码本简化两部分设计方案。

所述以分层式星座旋转为子操作符的码本简化设计方案：以正交幅度调制信号作为母星座，并以不同半径生成若干同心圆，在圆上等间距安排星座点，不同半径同心圆上的星座点彼此之间存在一定的旋转角度，用以避免在不同星座维度上的冲突，对于每个圆上安排的星座点以顺时针方向按照格雷编码规则一次分配编码比特信息。该设计方法只需单一的旋转操作即可获取码本，避免了大量复数乘法运算，极大降低了设计复杂度。

所述以已知码本进行非冲突扩充的码本简化设计方案：通过对小规模SCMA系统和大规模SCMA系统因子矩阵的对比，以在同一资源点上码字不重合为准则，制定扩展矩阵，应用该扩展矩阵将已知码本的码字重新分配到大规模SCMA系统的非零资源节点上。该设计方法只需通过简单码字重新分配即可获得大规模码本，进一步降低了设计复杂度，且能保证较优的误码率性能。

进一步地，所述以分层式星座旋转为子操作符的码本简化具体包括如下步骤：

设一大规模SCMA系统有K个资源节点、J个用户层、每个用户有M个码字，每个码字有N个非零元素，将母星座设置为正交幅度调制(QAM)信号，那么以单一旋转操作设计大规模SCMA系统码本的步骤描述如下：

1)确定每个用户在每个旋转层上需要分配的p个星座点数，并由此得到总共的旋转层数L＝M/p(其中L必须为一整数)，那么在每个旋转层上总共的星座点个数为T＝M·d_f/L，其中d_f为共享同一旋转层的用户个数，并且第l层的半径为r_l(l＝1,2,...,L)；

2)将第一层(半径r₁)上的T个点进行均匀分配，每个点之间的角度间隔为2π/T，且在各层上所有星座点按照格雷映射的规则进行编码比特的分配；

3)以相同方式将星座点以T个一组分配在剩下的旋转层上(2,...,L)，但这些层的半径被相应的扩大为3r₁,...,(2L-1)r₁，将相应层上的T个星座点以第一层为基准整体顺时针旋转角度θ₂,...,θ_L(0＜θ₂＜...＜θ_L＜π/2)，且这些星座点仍按照格雷映射的规则进行编码比特的分配。

进一步地，所述以已知码本进行非冲突扩充的码本简化具体包括如下步骤：

假设已知码本的小规模SCMA系统的星座向量表示为c_l(N_l×1)，设计的大规模SCMA系统的星座向量表示为c_m(N_m×1)，通过对小规模SCMA系统和大规模SCMA系统相对应因子矩阵的对比，设置非冲突的因子图扩充矩阵E_m,l(N_m×N_l)，从而可以获得大规模SCMA系统的码本码字，计算为：x_m＝V_mc_m＝V_mE_m,lc_l，其中V_m为可通过大规模SCMA系统因子矩阵获得的映射矩阵，x_m则是新获得的码本码字。

本发明在上述技术内容的基础上，提供一种针对大规模SCMA系统检测器的通用硬件架构，包括用于存储用户码本的缓冲寄存器、用于选择码本扩展方式和检测译码方式的控制单元和用于完成SCMA检测译码的译码单元，所述译码单元由初始化模块、资源节点更新模块、层节点更新模块和概率计算模块构成，所述通用硬件架构应用于对分层式星座旋转码本和已知码本非冲突扩展所获得的码本的存储和检测译码，本应用包含折叠、重定时技术在内的硬件设计手段，以获得具有通用性的具备可选码本和可选译码方案的大规模SCMA检测器方案，在实际设计中考虑数据的流向，以流水线运作形式对架构进行优化，从而保证较高的硬件效率和数据吞吐率。

上述针对大规模SCMA系统检测器的通用硬件架构的使用方法，包括如下步骤：

A)用户在控制单元中选择检测需要使用的码本设计方案和检测译码方案，其中码本设计方案包括分层式星座旋转码本和已知码本非冲突扩展两种，检测译码方案包括全并行DMPA检测译码和串行式DMPA检测译码，在方案选择完毕后，控制单元将生成针对此种方案的码本并存储在缓冲寄存器中，用于该检测器的后续检测译码操作，同时将生产控制信号，激活检测译码单元的串行处理模块；

B)码本缓冲寄存器具有两个存储部分，分别用于存储分层旋转码本和已知码本非冲突扩展所获得的码本，该寄存器具备选择控制端，当用户在控制单元中选择特定码本方案后，寄存器中对应的码本存储空间将被激活，用于后续检测译码；

C)接收到的SCMA信号在检测译码单元中进行译码操作：

SCMA信号首先进入初始化模块，结合缓冲寄存器中的码本信息，计算出初始条件概率；初始条件概率被输入资源节点更新模块中，通过对共享同一资源节点的层节点的置信度计算，更新出资源节点至层节点的置信度信息；资源节点至层节点置信度信息被输入层节点更新模块中，通过对共享同一层节点的资源节点的置信度互换，更新出层节点至资源节点的置信度信息；置信度信息在资源节点更新模块和层节点更新模块中不断迭代运算，在到达终止条件或最大迭代次数后，输出最终各符号的置信度信息；利用输出的置信度信息，对各用户作出符号判断，选择具备最大置信度的符号作为最后的估计符号，并完成检测。

有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

1、利用对子星座的单一旋转操作进行非冲突码本设计，避免了映射重排带来的大量复数乘法运算，极大降低了大规模SCMA系统的码本设计复杂度；

2、利用对已知码本进行稀释化处理和非冲突扩充，进一步降低了码本设计复杂度，且能将码本性能维持在合理的水平；

3、针对大规模SCMA系统检测的硬件架构作出时序和资源复用上的系列优化，得到具有较高通用性的检测器架构，该架构在处理速度允许的范围内，有着较低的硬件消耗和较高的硬件使用效率。

附图说明

图1是(K＝4,J＝6,M＝4,N＝2)的SCMA系统采用分层式星座旋转码本设计方案时第一资源节点的星座点分配方式示意图；

图2是(K＝4,J＝6,M＝4,N＝2)的SCMA系统采用分层式星座旋转码本设计方案时4个资源节点的最终星座点分配结果示意图；

图3是采用按已知码本进行非冲突扩充的方式将(K＝4,J＝6,M＝4,N_l＝2)的SCMA系统扩展为(K＝12,J＝18,M＝4,N_m＝3)的SCMA系统的各用户星座点重分配流程示意图；

图4是传统码本设计方案、分层式星座旋转码本设计方案以及基于已知码本进行非冲突扩充的方案的误码率性能示意图；

图5是传统码本设计方案、分层式星座旋转码本设计方案以及基于已知码本进行非冲突扩充的方案的设计复杂度分析示意图；

图6是大规模SCMA系统检测器的通用硬件架构的组成细节示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

本实施例提供一种针对大规模SCMA系统的低复杂度码本设计方法，包括以分层式星座旋转为子操作符的码本简化和以已知码本进行非冲突扩充的码本简化两部分设计方案，以下结合附图对两个设计方案做详细描述。

1、以分层式星座旋转为子操作符的码本简化

设一大规模SCMA系统有K个资源节点、J个用户层、每个用户有M个码字，每个码字有N个非零元素，将母星座设置为正交幅度调制(QAM)信号，那么以单一旋转操作设计大规模SCMA系统码本的一般步骤如下：

1)确定每个用户在每个旋转层上需要分配的p个星座点数，并由此得到总共的旋转层数L＝M/p(其中L必须为一整数)，那么在每个旋转层上总共的星座点个数为T＝M·d_f/L，其中d_f为共享同一旋转层的用户个数，并且第l层的半径为r_l(l＝1,2,...,L)；

2)将第一层(半径r₁)上的T个点进行均匀分配，每个点之间的角度间隔为2π/T，且在各层上所有星座点按照格雷映射的规则进行编码比特的分配；

3)以相同方式将星座点以T个一组分配在剩下的旋转层上(2,...,L)，但这些层的半径被相应的扩大为3r₁,...,(2L-1)r₁，将相应层上的T个星座点以第一层为基准整体顺时针旋转角度θ₂,...,θ_L(0＜θ₂＜...＜θ_L＜π/2)，且这些星座点仍按照格雷映射的规则进行编码比特的分配。

根据上述步骤，图1和图2以(K＝4,J＝6,M＝4,N＝2)的SCMA系统展示了分层星座旋转的码本设计流程。图1显示的为SCMA码字在第一个资源节点上的分配方式，在该分配中同心圆共有2个，每个圆上等间隔分布6个星座点，且外侧圆以内侧圆为基准顺时针旋转π/6，而两个圆的半径则分别为r₁＝1和r₂＝3；图2显示的则是该案例按照上述设计流程得到的4个资源节点上各自的星座点分配情况。该种码本设计方法的误码率性能展示如图4所示，而设计复杂度则展示如图5所示，与传统设计方法相比，在误码率性能略有损失的情况下可以极大降低设计复杂度。

2、以已知码本进行非冲突扩充的码本简化

假设已知码本的小规模SCMA系统的星座向量表示为c_l(N_l×1)，设计的大规模SCMA系统的星座向量表示为c_m(N_m×1)，通过对小规模SCMA系统和大规模SCMA系统相对应因子矩阵的对比，设置非冲突的因子图扩充矩阵E_m,l(N_m×N_l)，从而可以获得大规模SCMA系统的码本码字，计算为：x_m＝V_mc_m＝V_mE_m,lc_l，其中V_m为可通过大规模SCMA系统因子矩阵获得的映射矩阵，x_m则是新获得的码本码字。

图3以通过(K＝4,J＝6,M＝4,N_l＝2)的小规模SCMA系统扩展为(K＝12,J＝18,M＝4,N_m＝3)的大规模SCMA系统为例，展示了基于已知码本的码字重新分配过程，其中数字为码字编号，通过专利中论及的分配方式，可以保证在同一资源节点上不会发生星座冲突。该设计的方法的误码率性能和设计复杂度亦分别展示在图4和图5中，如图4所示其误码率性能略有降低，但是如图5所示其设计复杂度可进一步缩减。

3、在上述两种设计方案的基础上，提供一种针对大规模SCMA系统检测器的通用硬件架构：

该硬件架构组成如图6所示，可大致区分为用于存储用户码本的缓冲寄存器、用于选择码本扩展方式和检测译码方式的控制单元、用于完成SCMA检测译码的译码单元，其中译码单元又由初始化模块、资源节点更新模块、层节点更新模块和概率计算模块构成。

该硬件架构的一般性处理流程可以描述如下：

A)用户在控制单元中选择此次检测需要使用的码本设计方案和检测译码方案，其中码本设计方案包括分层式星座旋转码本和已知码本非冲突扩展两种，检测译码方案包括全并行DMPA检测译码和串行式DMPA检测译码。在方案选择完毕后，控制单元将生成针对此种方案的码本并存储在缓冲寄存器中，用于该检测器的后续检测译码操作，同时将生产控制信号，激活检测译码单元的串行处理模块；

B)码本缓冲寄存器具有两个存储部分，分别用于存储分层旋转码本和已知码本非冲突扩展所获得的码本，该寄存器具备选择控制端，当用户在控制单元中选择特定码本方案后，寄存器中对应的码本存储空间将被激活，用于后续检测译码；

C)接收到的SCMA信号在检测译码单元中进行译码操作：

SCMA信号首先进入初始化模块，结合缓冲寄存器中的码本信息，计算出初始条件概率；初始条件概率被输入资源节点更新模块中，通过对共享同一资源节点的层节点的置信度计算，更新出资源节点至层节点的置信度信息；资源节点至层节点置信度信息被输入层节点更新模块中，通过对共享同一层节点的资源节点的置信度互换，更新出层节点至资源节点的置信度信息；置信度信息在资源节点更新模块和层节点更新模块中不断迭代运算，在到达终止条件或最大迭代次数后，输出最终各符号的置信度信息；利用输出的置信度信息，对各用户作出符号判断，选择具备最大置信度的符号作为最后的估计符号，并完成检测。

Claims (6)

1.一种针对大规模SCMA系统的低复杂度码本设计方法，其特征在于：包括以分层式星座旋转为子操作符的码本简化和以已知码本进行非冲突扩充的码本简化两部分设计方案；

所述以分层式星座旋转为子操作符的码本简化：以正交幅度调制信号作为母星座，并以不同半径生成若干同心圆，在圆上等间距安排星座点，不同半径同心圆上的星座点彼此之间存在一定的旋转角度，用以避免在不同星座维度上的冲突，对于每个圆上安排的星座点以顺时针方向按照格雷编码规则一次分配编码比特信息；

所述以已知码本进行非冲突扩充的码本简化：通过对小规模SCMA系统和大规模SCMA系统因子矩阵的对比，以在同一资源点上码字不重合为准则，制定扩展矩阵，应用该扩展矩阵将已知码本的码字重新分配到大规模SCMA系统的非零资源节点上。

2.根据权利要求1所述的一种针对大规模SCMA系统的低复杂度码本设计方法，其特征在于：所述以分层式星座旋转为子操作符的码本简化具体包括如下步骤：

设一大规模SCMA系统有K个资源节点、J个用户层、每个用户有M个码字，每个码字有N个非零元素，将母星座设置为正交幅度调制(QAM)信号，那么以单一旋转操作设计大规模SCMA系统码本的步骤描述如下：

1)确定每个用户在每个旋转层上需要分配的p个星座点数，并由此得到总共的旋转层数L＝M/p(其中L必须为一整数)，那么在每个旋转层上总共的星座点个数为T＝M·d_f/L，其中d_f为共享同一旋转层的用户个数，并且第l层的半径为r_l(l＝1,2,...,L)；

2)将第一层(半径r₁)上的T个点进行均匀分配，每个点之间的角度间隔为2π/T，且在各层上所有星座点按照格雷映射的规则进行编码比特的分配；

3)以相同方式将星座点以T个一组分配在剩下的旋转层上(2,...,L)，但这些层的半径被相应的扩大为3r₁,...,(2L-1)r₁，将相应层上的T个星座点以第一层为基准整体顺时针旋转角度θ₂,...,θ_L(0＜θ₂＜...＜θ_L＜π/2)，且这些星座点仍按照格雷映射的规则进行编码比特的分配。

3.根据权利要求1或2所述的一种针对大规模SCMA系统的低复杂度码本设计方法，其特征在于：所述以已知码本进行非冲突扩充的码本简化具体包括如下步骤：

假设已知码本的小规模SCMA系统的星座向量表示为c_l(N_l×1)，设计的大规模SCMA系统的星座向量表示为c_m(N_m×1)，通过对小规模SCMA系统和大规模SCMA系统相对应因子矩阵的对比，设置非冲突的因子图扩充矩阵E_m,l(N_m×N_l)，从而可以获得大规模SCMA系统的码本码字，计算为：x_m＝V_mc_m＝V_mE_m,lc_l，其中V_m为可通过大规模SCMA系统因子矩阵获得的映射矩阵，x_m则是新获得的码本码字。

4.一种针对大规模SCMA系统检测器的通用硬件架构，其特征在于：包括用于存储用户码本的缓冲寄存器、用于选择码本扩展方式和检测译码方式的控制单元和用于完成SCMA检测译码的译码单元，所述译码单元由初始化模块、资源节点更新模块、层节点更新模块和概率计算模块构成，所述通用硬件架构应用于对分层式星座旋转码本和已知码本非冲突扩展所获得的码本的存储和检测译码；

所述分层式星座旋转码本为：以正交幅度调制信号作为母星座，并以不同半径生成若干同心圆，在圆上等间距安排星座点，不同半径同心圆上的星座点彼此之间存在一定的旋转角度，用以避免在不同星座维度上的冲突，对于每个圆上安排的星座点以顺时针方向按照格雷编码规则一次分配编码比特信息；

所述已知码本非冲突扩展所获得的码本为：通过对小规模SCMA系统和大规模SCMA系统因子矩阵的对比，以在同一资源点上码字不重合为准则，制定扩展矩阵，应用该扩展矩阵将已知码本的码字重新分配到大规模SCMA系统的非零资源节点上。

5.根据权利要求4所述的一种针对大规模SCMA系统检测器的通用硬件架构的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

A)用户在控制单元中选择检测需要使用的码本设计方案和检测译码方案，其中码本设计方案包括分层式星座旋转码本和已知码本非冲突扩展两种，检测译码方案包括全并行DMPA检测译码和串行式DMPA检测译码，在方案选择完毕后，控制单元将生成针对此种方案的码本并存储在缓冲寄存器中，用于该检测器的后续检测译码操作，同时将生产控制信号，激活检测译码单元的串行处理模块；

B)码本缓冲寄存器具有两个存储部分，分别用于存储分层旋转码本和已知码本非冲突扩展所获得的码本，该寄存器具备选择控制端，当用户在控制单元中选择特定码本方案后，寄存器中对应的码本存储空间将被激活，用于后续检测译码；

C)接收到的SCMA信号在检测译码单元中进行译码操作。

6.根据权利要求5所述的一种针对大规模SCMA系统检测器的通用硬件架构的使用方法，其特征在于：所述步骤C的具体操作步骤如下：

SCMA信号首先进入初始化模块，结合缓冲寄存器中的码本信息，计算出初始条件概率；初始条件概率被输入资源节点更新模块中，通过对共享同一资源节点的层节点的置信度计算，更新出资源节点至层节点的置信度信息；资源节点至层节点置信度信息被输入层节点更新模块中，通过对共享同一层节点的资源节点的置信度互换，更新出层节点至资源节点的置信度信息；置信度信息在资源节点更新模块和层节点更新模块中不断迭代运算，在到达终止条件或最大迭代次数后，输出最终各符号的置信度信息；利用输出的置信度信息，对各用户作出符号判断，选择具备最大置信度的符号作为最后的估计符号，并完成检测。

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