CN109417459A - 使用scma进行通信的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了用于DFT‑S‑SCMA(离散傅里叶变换‑扩展‑稀疏码多址接入)的系统和方法。利用SCMA编码器编码输入比特。利用IDFT(逆DFT)预编码输出，以产生预编码的SCMA块。在DFT的输入处，组合多个预编码的SCMA块。这是在多个DFTs处对多组SCMA块并行执行的。然后，组合DFT的输出并且进行OFDM调制。该方法可用于提高OFDM调制的输出处的PAPR(峰均功率比)。

Description

使用SCMA进行通信的系统和方法

本申请要求于2016年7月7日提交的、申请号为No.15/204,468、发明名称为“使用SCMA进行通信的系统和方法”(System and Method for Communicating Using SCMA)的美国非临时申请的权益，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本申请涉及使用稀疏码多址接入(sparse code multiple access,SCMA)进行通信的发送器和方法。

背景技术

一些系统需要和/或将受益于低峰均功率比(peak-to-average power ratio,PAPR)传输。这对于大规模物联网(Internet of Things,IoT)应用尤为重要，其中发送器是便宜且不具有高功率放大器功能的机器类型通信(machine type communications,MTC)发送器。

SCMA为适用于大规模IoT应用的上行免授权传输所需的大规模连接提供了良好的性能和灵活性。SCMA在性能、复杂性和大规模连接方面提供了良好的权衡。虽然低PAPRSCMA码本已经被提出，但是这些仅用于非常窄的带传输。低PAPR SCMA码本在与同一层相关的每个码字中仅包含一个非零分量。码本的音调(tone)跳变特性允许OFDM上的恒定振幅。这仅适用于每个OFDM符号的一个SCMA扩展块。多个块将导致更高的PAPR。

发明内容

本发明的广义方面提供了一种使用SCMA进行通信的方法。该方法始于级联第一组预编码的SCMA块，以产生第一级联输出。该第一级联输出被离散傅里叶变换(discreteFourier Transform,DFT)预编码，以产生第一预编码输出。然后，基于该第一预编码输出，进行OFDM调制。

在一些实施例中，SCMA编码涉及使用SCMA码本，其中每个码字具有一个非零元素。在其它实施例中，SCMA编码涉及使用SCMA码本，其中每个码字具有至少两个非零元素。

在一些实施例中，使用基于产生预编码的SCMA块的PAPR选择的矩阵进行预编码。

在一些实施例中，对包括第一组预编码的SCMA块的多组预编码的SCMA块中的每组预编码的SCMA块执行级联和DFT预编码步骤，以产生包括第一预编码输出的多个预编码输出。在这种情况下，进行OFDM调制涉及基于该多个预编码输出，进行OFDM调制。

本发明的另一广泛方面提供了一种发送器，其具有第一组预编码的SCMA块产生器，用于生成第一组预编码的SCMA块；第一级联器，用于级联该第一组预编码的SCMA块，以产生第一级联输出；第一DFT预编码器，用于预编码该第一级联输出，以产生第一预编码输出；以及OFDM调制器，用于基于该第一预编码输出，进行OFDM调制。

在一些实施例中，每个SCMA块产生器包括SCMA编码器以及实现线性矩阵的预编码器。

在一些实施例中，SCMA编码器使用SCMA码本，其中每个码字具有一个非零元素。在其它实施例中，SCMA编码器使用SCMA码本，其中每个码字具有至少两个非零元素。

在一些实施例中，预编码器使用基于产生预编码的SCMA块的PAPR选择的矩阵。

在一些实施例中，存在多组预编码的SCMA块产生器，用于生成多组预编码的SCMA块；多个级联器，每个级联器用于级联该多组预编码的SCMA块中的一个，以产生多个级联输出；以及多个DFT预编码器，每个DFT预编码器用于预编码该多个级联输出中的一个，以产生相应的预编码输出。在这样的实施例中，OFDM调制器基于该预编码输出，进行OFDM调制。

另一方面提供了一种用户设备，其包括上述的发送器，例如，机器类型通信(MTC)设备。

附图说明

现在将参照附图描述本发明的实施例，其中：

图1是由本发明实施例提供的使用SCMA进行通信的发送器的框图；

图2是具有低PAPR的SCMA码本的示例；

图3是不具有低PAPR的SCMA码本的示例；

图4是由本发明实施例提供的使用SCMA进行通信的方法的流程图；以及

图5是由本发明实施例提供的使用SCMA进行通信的另一发送器的框图。

具体实施方式

总体上来说，本公开的实施例提供了使用SCMA进行通信的方法和装置。为了说明的简单和清楚，可以在附图之间重复附图标记，以指示对应的或类似的元素。阐述了许多细节，以提供对本文描述的示例的理解。没有这些细节也可实践这些示例。在其它情况下，对已知的方法、过程和组件没有进行详细描述，以避免混淆所述示例。该描述不应视作对本文描述的示例的范围的限制。

在SCMA系统中，二进制数据流被直接编码为多维码字。通过将二进制数据直接编码为多维码字，本文描述的SCMA编码技术绕开了QAM符号映射，从而相较于传统的CDMA编码，实现了编码增益。值得注意的是，本文描述的SCMA编码技术使用码字而非QAM符号传达二进制数据。码字可以是多维码字，因为SCMA编码技术通过为每个多路复用层分配不同的码本来提供多址接入。此外，SCMA码本包括稀疏码字，使得接收器可以使用低复杂度的信息传递算法(message passing algorithms,MPA)检测多路复用码字中它们相应的码字，这降低了接收器侧的基带处理复杂度。虽然本公开的大部分可能是在二进制数据的上下文中进行讨论的，但是本公开的各方面同样适用于其它类型的数据，例如M进制数据。

SCMA多路复用方案可以利用多个码本，每个码本被分配给不同的多路复用层并且包含多个码字。相应码本的每个码字都被映射到不同的二进制值。根据在多路复用层上传输的二进制数据，从各种码本中选择不同的码字。然后将用二进制数据编码的码字一起进行多路复用，以形成多路复用数据流，该多路复用数据流在网络的共享资源上被发送。

一种使用SCMA技术在网络上通信数据的方法，其可以由发送器执行。当发送器接收到包括第一二进制数据和第二二进制数据的输入数据时，该方法开始。接下来，该方法进行到以下步骤：发送器通过从分配给第一多路复用层的第一码本中选择第一码字编码第一二进制数据流。此后，该方法进行到以下步骤：发送器通过从分配给第二多路复用层的第二码本中选择第二码字编码第二二进制数据流。随后，该方法进行到以下步骤：发送器将第一码字与第二码字多路复用，以获得多路复用码字。最后，该方法进行到步骤550：发送器在网络的共享资源上发送该多路复用码字。

一种使用SCMA技术接收多路复用的数据的方法，其可以由与第一多路复用层相关的接收器执行。该方法始于以下步骤：接收器接收携带多路复用码字的信号。接下来，该方法进行到以下步骤：接收器识别具有多路复用码字的第一码字。第一码字来自与第一多路复用层相关的第一码本，并且可以由接收器根据MPA来识别。此后，该方法进行到步骤630：接收器根据第一码本解码第一码字，以获得第一二进制数据。

参照图1，示出了由本发明实施例提供的DFT-s-SCMA(discrete Fouriertransform–spread–sparse code multiple access，离散傅里叶变换-扩展-稀疏码多址接入)发送器的框图。例如，该发送器可以是用户设备的一部分，如MTC用户设备。应当理解，该图示出了理解本发明所需的发送器的特征，但是通常发送器还包括未示出的其它功能。

出于该示例的目的，向发送器分配LxMxK个OFDM子载波。下面将详细描述L、M和K，但简单来说，K是SCMA-DFT块的数量；M是SCMA编码器的码字长度，M也是预编码的SCMA块的块大小，即每个预编码的SCMA块占用M个资源元素；L是在每个SCMA-DFT块中级联的预编码的SCMA块的数量。

示出了连接到并串行转换器174的K个SCMA-DFT块50、...、60(仅示出了两个)。并串行转换器174的输出连接到补零器176，而补零器176反过来又连接到OFDM调制器178。例如，OFDM调制器178可以用IFFT和CP嵌入块实现。

现在将详细描述第一SCMA-DFT块50。SCMA-DFT块50具有L个输入80、......、90(仅示出了两个)。输入80、...、90连接到L个SCMA编码器130、...、140(仅示出了两个)。L个SCMA编码器130、...、140具有连接到L个M点IDFT块150、...、160(仅示出了两个)的输出。L个M点IDFT块的输出连接到并串行转换器170，而并串行转换器170的输出连接到LxM个点DFT预编码器172的输入。

其它SCMA-DFT块的结构通常是相同的。在一些实施例中，对于所有SCMA-DFT块50、...、60，L是相同的。在一些实施例中，对于所有SCMA-DFT块50、...、60，L不一定相同。

现在将描述第一SCMA-DFT块50的操作。首先，m比特(通常来自编码比特流)经由L个输入80、...、90输入到每个SCMA编码器130、...、140。SCMA编码器130、...、140利用具有长度为M的码字的SCMA码本进行操作。由每个SCMA编码器处理的输入比特的数量m>＝2，并且SCMA编码器的数量L>＝2。SCMA编码器130、...、140将输入比特映射到SCMA码字，并且每个SCMA编码器130、......、140的输出为相应的SCMA码字，其中总共有L个SCMA码字在第一SCMA-DFT块50中产生。

然后，L个SCMA码字由L个M点IDFT块150、...、160进行预编码，以产生L个预编码的SCMA块。每个预编码的SCMA块由M个资源元素组成，并且L个SCMA块共同地由LxM个资源元素组成，例如，LxM个相邻音调。为了更好的性能，该LxM个相邻音调应该经历相对平坦的信道。L个预编码的SCMA块与并串行转换器170级联，以产生串行流形式的级联输出，该级联输出输入到LxM点DFT预编码器172。然后，由LxM点DFT预编码器172预编码级联输出，以产生预编码的输出。在所述示例中，每个预编码的SCMA块具有M个资源元素。在一些实施例中，每个预编码的SCMA块可以具有多于M个资源元素。

其它SCMA-DFT块160产生相应的预编码输出的功能类似。K个SCMA-DFT块50、...、60的预编码输出在并串行转换器174中被转换为并行形式。在补零器176中添加零填充。补零器176的输出被输入到OFDM调制器178，OFDM调制器178产生用于传输的时间信号。

在具有一定的带宽的系统中，通常可用子载波的总数是已知的。例如，在具有10MHz带宽的系统中，可用子载波的总数是600。其中，特定发送器可以被分配它们的子集，例如，120。这些子载波可以相邻或不相邻。最后，OFDM调制器采用尺寸大于可用子载波数量的IFFT，例如，1024。零填充用于(1)在未分配给该发送器(可能分配给其它用户)的子载波上填充零以及(2)在IFFT的不能分配给任何人的额外位置上填充零。

在所示的示例中，存在K个SCMA-DFT块，其中K>＝2。在另一实施例中，只存在一个DFT-SCMA块，即K＝1。

如上所述，为了更好的性能，由给定DFT处理的LxM个音调应该经历相对平坦的信道。对于IoT应用，例如，MTC设备和功率受限用户，通常只分配窄带资源并且通常保持上述性能。在K>1的情况下，在共同地输入到K个DFT的整个LxMxK个音调上，信道不需要是平坦的。

在一些实施例中，对于带宽分配，分配的带宽被分为较小的块，其中信道基本上是恒定的。图1的实施例是此示例。K的选择代表了性能和PAPR之间的权衡。当K＝1时，这是PAPR的最佳情况，但是由于信道在整个带内可能不是恒定的，这可能会影响BLER性能。另一方面，随着K的增加，PAPR也会增加；然而，信道在每个块上可以是相对平坦的，并且BLER性能将会提高。PAPR的要求可以与特定功率放大器设计相关。较大的K值可以满足PAPR的要求，但是在BLER性能方面需要做出一些牺牲。在一些实施例中，选择L和K，以实现PAPR和BLER之间可接受的平衡。

对于非相邻资源分配，不同的资源组可能受到不同的DFT块的约束。

在以上示例中，首先通过SCMA编码输入比特，然后利用DFT处理SCMA码字以生成预编码的SCMA块。更一般地，SCMA码字可以用线性矩阵预编码，并且在一些实施例中，线性矩阵是酉矩阵。在任一情况下，可以通过执行SCMA编码，并且作为单独的步骤或功能块预编码(用IDFT或其它矩阵)以生成预编码的SCMA块。或者，这两个步骤可以组合成单个步骤或功能块。在特定示例中，通过在单个组合的步骤或功能块中查找表格，执行这两个步骤。单独实现或作为一个功能单元实现的SCMA编码器和预编码器的功能在本文中也被称为预编码的SCMA块产生器。

在第一示例中，SCMA编码器是低PAPR SCMA编码器。例如，产生对所有码字只具有一个非零投影的码字的SCMA编码器是低PAPR SCMA编码器，因为输出具有恒定包络。图2示出了低PAPR SCMA码本的具体示例。两个输入比特被映射到两个音调(在SCMA码字的音调总数M中，剩余的M-2个音调为零)。在200处示出了第一音调的映射，并且在202处示出了第二音调的映射。可以看出，对于任何输入比特集合，到这两个音调之一的映射是零。因此，只存在一个非零投影。

当SCMA编码器是低PAPR SCMA编码器时，使用IDFT预编码SCMA码字是合适的。

在第二示例中，SCMA编码器不是低PAPR SCMA编码器。这是SCMA码字具有多于一个非零投影的情况。图3描述了该码本的示例。此处，三个比特被映射到两个音调(在总数M中，剩余的M-2个音调为零)。在300处示出了第一音调的映射，并且在302处示出了第二音调的映射。在该示例中，许多3比特排列映射到两个音调上的非零值。对于这样的实现方式，使用IDFT以执行预编码可能不会导致最低可能的PAPR。因此，虽然在这样的实现方式中仍然可以使用IDFT，但是在一些实施例中，可以采用比IDFT产生更好的PAPR的不同的线性矩阵或酉矩阵。可以选择矩阵，以优化PAPR。在选择矩阵的方法的具体示例中，随机生成酉矩阵，并且评估产生的PAPR。然后，在发送器中选择并实现在评估的矩阵中提供最佳PAPR或至少可接受的PAPR的酉矩阵。

在如OFDM的多载波系统中，多个正弦波以不同的频率被添加在一起。当多个正弦波被添加在一起时，会产生在某些时候具有高功率而在某些时候具有低功率的结果，这相当于高PAPR。高PAPR可能会导致信号失真并且降低性能。

对于SCMA，PAPR的最佳情况是每个SCMA块只有一个非零音调。在这种情况下，峰值＝平均值，PAPR是可能的最小值。在每个SCMA块具有多个非零音调的设计中，PAPR未被最小化。

在所述实施例中，多个SCMA块被组合在发送器中。例如，根据上述第一示例，可以存在10个SCMA块，且每个块都是低PAPR。在频域中添加多个SCMA块将产生不再是低PAPR的结果。为了降低PAPR，在SCMA编码之后，使用预编码。该操作的结果是将多个SCMA块的PAPR降低到几乎单个SCMA块的PAPR。

根据上述第二示例，如果SCMA码本一开始就不是低PAPR，则不能使用预编码以将整个PAPR降低到单个SCMA块的PAPR之下。然而，即使结果不同于低PAPR系统的结果，预编码仍可用于降低PAPR。

在上述实施例中，预编码的SCMA块然后由LxM点DFT预编码，并且在此之后进行OFDM调制。虽然用作OFDM调制的一部分的IFFT倾向于增加PAPR，但是DFT预编码倾向于降低它。更一般地，可以采用任何多载波调制方案而非OFDM。在这样的实施例中，LxM点DFT可以用不同的酉矩阵代替。

在上述实施例中，在每个SCMA DFT块中，预编码的SCMA块与并串行转换器级联。更一般地，为了实现此效果，可以使用任何级联器。

现参考图4，示出了由本发明实施例提供的使用SCMA进行通信的方法的流程图。块400涉及级联第一组预编码的SCMA块，以产生第一级联输出。块402涉及DFT预编码该第一级联输出，以产生第一预编码输出。块404涉及基于该第一预编码输出，进行OFDM调制。

例如，可以使用类似于图1的发送器执行图4的方法。

现参考图5，示出了由本发明实施例提供的另一发送器的框图。应当注意，也可以使用类似于图5的发送器执行图4的方法。该发送器包括一组预编码的SCMA块产生器500、......、502，用于生成一组预编码的SCMA块。级联器504用于级联该组预编码的SCMA块，以产生级联输出。DFT预编码器506用于预编码该级联输出，以产生预编码输出。最后，OFDM调制器508用于基于该预编码输出，进行OFDM调制。在一些实施例中，复制在OFDM调制器508之前的包括该组SCMA块产生器500、...、502、级联器504和DFT预编码器506的功能，使得OFDM调制器508接收来自每个DFT预编码器的输入。

在一些实施例中，该方法还包括：对于每个预编码的SCMA块生成第一组预编码的SCMA块，SCMA编码相应的输入比特集合以产生相应的SCMA码字，以及利用线性矩阵处理该相应的SCMA码字。

上述关于预编码的SCMA的组数、SCMA编码、预编码SCMA块、DFT预编码和OFDM调制的所有概括同样适用于图4的方法。

在一些实施例中，所述方法由在相同资源上传输的多个用户设备同时执行。在这样的实施例中，为每个用户设备分配不同的SCMA码本层。

在本申请的各种实施例中，该方法或装置是基于SCMA系统描述的。应当理解，SCMA是非正交多址接入技术之一。本文的实施例中描述的方法或装置也可以应用于其它非正交多址接入技术，如RSMA(Resource Spread Multiple Access,资源扩展多址接入)、MUSA(Multi-User Shared Access,多用户共享接入)、PDMA(Pattern Division MultipleAccess,图样分割多址接入)、IGMA(Interleave-Grid Multiple Access,交织网格多址接入)或IDMA(Interleave Division Multiple Access,交织多址接入)。

本公开的实施例可以被表示为存储在机器可读介质中的计算机程序产品(也被称为计算机可读介质、处理器可读介质或具有其中包含计算机可读程序代码的计算机可用介质)。机器可读介质可为任意合适的有形的、非暂时性介质，包括磁性、光学或电子存储介质，它们包括磁盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、存储器设备(易失性或非易失性)或类似的存储机制。机器可读介质可包含各种指令集、代码序列、配置信息或其它数据，其在被执行时使处理器根据所公开的实施例执行方法步骤。本领域普通技术人员将理解，实现所述实现方式所必需的其它指令和操作也可以存储在机器可读介质上。存储在机器可读介质上的指令可以由处理器或其它合适的处理设备执行，并且可与电路接口以执行所述任务。

上述实施例仅仅是示例。本领域技术人员可以对特定实施例做出改变、修改和变化。权利要求的范围不应受本文所述的特定实施例的限制，而应以与整个说明书一致的方式来理解。

Claims (20)

1.一种方法，包括：

级联第一组预编码的稀疏码多址接入(SCMA)块，以产生第一级联输出；

离散傅里叶变换(DFT)预编码所述第一级联输出，以产生第一预编码输出；以及

基于所述第一预编码输出，进行OFDM调制。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：生成所述第一组预编码的SCMA块，其中对于每个预编码的SCMA块，生成所述预编码的SCMA块包括：

SCMA编码相应的输入比特集合，以产生相应的SCMA码字；以及

将所述相应的SCMA码字乘以线性矩阵。

3.根据权利要求2所述的方法，其中SCMA编码包括使用SCMA码本，其中每个码字具有一个非零元素。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述线性矩阵是酉矩阵。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述酉矩阵是IDFT。

6.根据权利要求2所述的方法，其中SCMA编码包括使用SCMA码本，其中每个码字具有至少两个非零元素。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述线性矩阵是基于产生所述预编码的SCMA块的PAPR选择的矩阵。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：通过查找表格生成所述第一组预编码的SCMA块。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：

对多组预编码的SCMA块中的每组预编码的SCMA块执行所述级联和DFT预编码步骤，以产生多个预编码输出；

其中进行OFDM调制包括：基于所述多个预编码输出，进行OFDM调制。

10.一种发送器，包括：

第一组预编码的SCMA块产生器，用于生成第一组预编码的SCMA块；

第一级联器，用于级联所述第一组预编码的SCMA块，以产生第一级联输出；

第一DFT预编码器，用于预编码所述第一级联输出，以产生第一预编码输出；以及

OFDM调制器，用于基于所述第一预编码输出，进行OFDM调制。

11.根据权利要求10所述的发送器，其中每个SCMA块产生器包括：

SCMA编码器；以及

实现线性矩阵的预编码器。

12.根据权利要求11所述的发送器，其中所述SCMA编码器使用SCMA码本，其中每个码字具有一个非零元素。

13.根据权利要求12所述的发送器，其中所述线性矩阵是酉矩阵。

14.根据权利要求13所述的发送器，其中所述酉矩阵是IDFT。

15.根据权利要求11所述的发送器，其中每个SCMA编码器使用SCMA码本，其中每个码字具有至少两个非零元素。

16.根据权利要求15所述的发送器，其中所述线性矩阵是基于产生所述预编码的SCMA块的PAPR选择的矩阵。

17.根据权利要求10所述的发送器，其中所述SCMA块产生器通过使用表格查找生成所述第一组预编码的SCMA块。

18.根据权利要求10所述的发送器，还包括：

多组预编码的SCMA块产生器，用于生成多组预编码的SCMA块；

多个级联器，每个级联器用于级联所述多组预编码的SCMA块中的一个，以产生多个级联输出；

多个DFT预编码器，每个DFT预编码器用于预编码所述多个级联输出中的一个，以产生相应的预编码输出；

其中OFDM调制器基于所述预编码输出，进行OFDM调制。

19.一种用户设备，包括发送器和与所述发送器耦合的处理器，其中所述发送器包括：

第一组预编码的SCMA块产生器，用于生成第一组预编码的SCMA块；

第一级联器，用于级联所述第一组预编码的SCMA块，以产生第一级联输出；

第一DFT预编码器，用于预编码所述第一级联输出，以产生第一预编码输出；以及

OFDM调制器，用于基于所述第一预编码输出，进行OFDM调制。

20.根据权利要求19所述的用户设备，其中所述用户设备是机器类型通信(MTC)设备。