CN109586848A - Scma系统中一种消息传递解码算法 - Google Patents

Abstract

SCMA系统中一种基于欧式距离门限值的消息传递解码算法（ET‑MPA），针对SCMA系统解码端所运用的消息传递算法(MPA)在解码过程中会进行大量的无用重叠码字的计算，增加复杂度，提出解决方案为，在进行MPA算法迭代运算前将要进行运算的重叠码字点（SCP）进行有依据的删选，将选择参与后续运算的重叠码字分为可靠集合；余下的不可靠集合则舍弃，不参与后续运算。这样在第二步的消息传递算法所需要计算的重叠码字数量及运算量，较之于原始消息传递算法（MPA）运算量大幅度降低。同时由于在删选重叠码字时，是将对解码几乎没有影响的重叠码字给舍去，所有此发明的解码性能跟原始消息传递算法的性能基本一致。

Description

SCMA系统中一种消息传递解码算法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及在SCMA系统中接收端的高效率解码算法。

背景技术

在移动互联网和物联网(Internet of Things,Io T0业务的高速发展驱动下,未来海量的移动设备连接和极低的空口时延给无线空口技术提出了更加严峻的挑战。因此，为了满足第五代移动通信(Fifth Generation,5G)的应用场景需求，传统的正交多址技术(Orthogonal Multiple Access,OMA)已经不能够满足未来无线通信发展的要求，比如时分多址、频分多址等，所以一些非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)技术就被提了出来,新型的多址接入技术成为了无线通信的关键研究问题。

SCMA技术是一种多用户共享频率资源的非正交的多址接入方案，它将低密度信号(Low Density Signature,LDS)技术和码分多址(Code Division Multiple Access,CDMA)技术结合在一起，用来解决海量连接的系统过载问题。然而，SCMA系统要成为5G中极具竞争力的空口技术，仍然需要解决以下问题：最优化码本设计、低复杂度多用户检测方案、良好的系统性能、信道分配优化、免调度策略、盲检测方案等。

在SCMA系统中，高效的多用户检测算法是5G无线空口技术的重要组成部分。最大后验概率(MAP)算法作为SCMA系统最优的多用户检测方案，其计算复杂度随着用户数呈指数增长，在信号接收端译码复杂度太高不符合实际通信要求。而消息传递算法(MPA)作为接近最优的SCMA多用户检测方案，其利用码字稀疏特点可以有效的接近MAP译码性能并且能够大幅度降低译码复杂度。但随着用户数量和码本维度的增加，MPA算法的译码复杂度依旧是呈指数增长的，所以降低SCMA系统中MPA算法的复杂度是相当重要的。

在降低SCMA系统中MPA算法的译码复杂度的同时，还必须考虑系统解码性能，主要是利用BER的值来衡量系统的解码性能。

发明内容

为了满足上述的要求，必须对原始MPA算法进行合理的优化，在降低复杂度的同时还要保证性能不发生大量的失真。本发明的目的旨在提出SCMA系统中的一种基于欧式门限值的消息传递解码算法。

本发明实现上述目的的技术解决方案为：SCMA系统中一种消息传递解码算法，依据因子图迭代更新FNs与VNs之间的信息，根据复数次迭代后的结果判断码字、进行解码，其特征在于：在迭代前对所有重叠码字进行分类预处理，通过筛选可靠的重叠码字，仅部分参与之后的迭代处理。

进一步地，筛选重叠码字的步骤包括：计算资源块上接收信号与所述资源块上所有重叠码字的欧式距离，计算资源块上接收信号与重叠码字间欧式距离的均值，逐个将重叠码字计算所得的欧式距离相对均值进行比较，取欧式距离小于均值的重叠码字为可靠集合。

更进一步地，对所述欧式距离的均值利用加权因子作减小化处理得到门限均值，并基于门限均值作比较深度筛选参与迭代的重叠码字数量。

更进一步地，取欧式距离大于均值的重叠码字为不可靠集合，并弃用参与之后的迭代处理。

更进一步地，所述迭代处理的步骤包括：初始化设置，选择筛选所得可靠的重叠码字集合，从迭代次数1开始累加，逐次更新FNs节点信息和VNs节点信息，直至迭代次数上限后输出似然值。

应用本发明的上述创新算法，较之于传统方案具有突出的实质性特点和显著的进步性，能够在MPA算法进行迭代以前对于要参与迭代的SCP点进行优化，在不影响解码的BER性能基础上，大大降低了解码端运算复杂度。尤其针对于现实运用的大尺寸码本，体现了超出现有其它优化方案更突出的优越性，具有相当的实际运用价值。

附图说明

图1为因子图以及根据因子图的用户与资源块之间的连接关系图。

图2为接收信号与重叠码字的分布图。

图3为本发明消息传递解码算法的流程图。

图4为不同数量SCP点数MPA算法的BER性能对比图。

具体实施方式

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握，从而对本发明的保护范围做出更为清晰的界定和支持。

在现在所考虑的SCMA系统中，主要是有J个用户共用K个连续的资源块，对于每个用户j∈{1,2...,J}，它们将log₂M个二进制比特值映射成一个K维的复杂码字x_j，而这个复杂码字则是从传输的码本χ_j中选择的，|χ_j|＝M即码本尺寸为M，即每个码本有M个码字。这个系统的过载率为λ＝J/K，其中λ>1。SCMA编码器可以被描述为一个映射过程，其中含有大小为M的K维复数码本，码本中存在不同码字，并且这些码字是稀疏列向量包含N<K非零元素。

SCMA系统用户与资源块之间的关系可以通过因子图得到，在因子图中包含了资源节(FNs)与用户节点(VNs)。上述的因子图可以知道用户用资源块之间的连接关系，如图1所示可以理解。

原始MPA算法是SCMA系统传统接收算法，MPA分离主要依据因子图不断迭代更新FNs与VNs两者之间的信息，最后根据多次迭代后的结果判断码字，做出解码选择。用V(k)表示与第k个RN相连接的所有VNs的集合，用R(j)表示与第j个VNs结合的所有RNs的结合。下面是MPA算法迭代运算过程：

1.初始化设置，

2.FNs节点信息更新，

3.VNs节点信息更新，

4.经过最大迭代次数后，输出结果：

从上述计算流程可发现MPA算法的运算复杂度主要集中在FNs节点的信息更新，若是可以减少在这个节点端的运算复杂度，则可以在整体上减少运算复杂度，根据公式(2)中的部分公式作为理论推导依据，即得：

其中表示的在资源块k上的接收信号与资源块k上的重叠码字(以下简述为SCP)之间的欧式距离，其中V(k)的取值为M^d _f，其中M为码本尺寸，为与资源块k相连接的用户数，从因子图中可以看出每个资源块有d_f个用户与之相连，而每个用户有一个尺寸为M的码本，每个用户只在M个码字中选取一个码字参与信号传输，所有在一个资源块会有M^d _f个SCP参与到迭代过程中，但是从上述公式(5)可以看出欧式距离大的，距离接收信号远的SCP其概率会很小，即是发送信号的可能性很小，将其舍去对解码没有影响；反之，欧式距离小的，离接收信号近的SCPs很可能是发送信号的重叠码字，将其舍去对解码准确性会造成很大的影响。接收信号与重叠码字的关系如图2所示。

其中重叠码字(SCP)的表达式为：

h_k,ix_k,i+h_k,jx_k,j+h_k,lx_k,l (6)；

在接收端接收到的接收信号的表达式如下：

y＝h_k,ix_k,i+h_k,jx_k,j+h_k,lx_k,l+n_k (7)；

对比表达式(6)，(7)发现接收信号与发送端发送的重叠码字之间只相差加性噪声，所有在接收到的信号不会是发送端已知的任何一个重叠码字。

根据上述分析理论分析，此发明中提出的方案主要分为两部分，首先在迭代前先将参与迭代过程的重叠码字(SCP)进行分类，将参与迭代运算的分为一类，称为可靠SCP；将不参与迭代运算的分为一类，称为不可靠SCP。划分的依据即以资源块k上的接收信号与这个资源块上所有的SCP的欧式距离的均值为门限，若接收信号与这个资源块上的SCP的欧氏距离小于门限值，判定这个SCP为可靠SCP，参与迭代；若是接收信号与这个资源块上的SCP的欧氏距离大于门限值，判定这个SCP为不可靠SCP，不需要参与后面的迭代过程。

本发明提出的基于欧式距离门限值的消息传递算法，首先在迭代前对于所有的SCP点进行预处理，进行删选,以此来减少参与迭代的次数，此方案的具体操作步骤包括：

(1)计算资源块k上接收信号与此资源块上所有重叠码字(SCP)的欧式距离，计算如下：

(2)计算资源块k上接收信号与重叠码字间的欧氏距离的均值，计算如下：

(3)将步骤(1)中计算的资源块k上个欧氏距离与均值a(k)比较；将欧式距离小于这个均值的SCP称为可靠SCP，将欧式距离大于这个均值的SCP称为不可靠SCP；由于在可靠SCP集合中的SCP点数还是有部分不需要参与迭代的，需要进一步减少均值。给均值一个加权因子，使均值变小，则满足上述条件，比门限均值小的SCP点数会进一步降低。加权因子的判断方法如下。

如图4所示，可知MPA算法在不同的码本尺寸中，在MPA算法中参与迭代的SCP中点数只需要个离接收信号最近的SCP点，即参数r＝0.2时不同信噪比下，MPA的算法的BER性能基本收敛，不会有损失。所有只需要这么多的SCP参与迭代运算，离接收信号最近的第个SCP的欧式距离为D_K(0.2M^df)。得加权因子的判定公式为：

由上述的公式计算出α(k)的取值最小为0.5，但会有部分的性能损失，带来的好处是复杂度降低的多，所有为了保证性能，可以取其值为0.6，BER性能基本与原始MPA性能一致。

继而，将用新的门限均值判定过的可靠的SCP用于下面的MPA算法中去。

由于MPA算法的复杂度主要集中在FNs节点间的，所以此方案相对现有MPA算法的主要不同之处就在FNs节点的计算，此方案的MPA迭代计算过程如下：

(1)初始化设置：

(2)选择重新判定过的可信SCPs(k)的集合：

(3)开始迭代：初始化t＝1，T；

(4)FN节点信息更新：

(5))VN节点信息更新：

(6)解码似然值输出：

综上实施例的详细描述可见，应用本发明的上述创新算法，能够在MPA算法进行迭代以前对于要参与迭代的SCP点进行优化，在不影响解码的BER性能基础上，大大降低了解码端运算复杂度。尤其针对于现实运用的大尺寸码本，体现了超出现有其它优化方案更突出的优越性，具有相当的实际运用价值。

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 (5)

1.SCMA系统中一种消息传递解码算法，依据因子图迭代更新FNs与VNs之间的信息，根据复数次迭代后的结果判断码字、进行解码，其特征在于：在迭代前对所有重叠码字进行分类预处理，通过筛选可靠的重叠码字，仅部分参与之后的迭代处理。

2.根据权利要求1所述SCMA系统中一种消息传递解码算法，其特征在于筛选重叠码字的步骤包括：计算资源块上接收信号与所述资源块上所有重叠码字的欧式距离，计算资源块上接收信号与重叠码字间欧式距离的均值，逐个将重叠码字计算所得的欧式距离相对均值进行比较，取欧式距离小于均值的重叠码字为可靠集合。

3.根据权利要求2所述SCMA系统中一种消息传递解码算法，其特征在于对所述欧式距离的均值利用加权因子作减小化处理得到门限均值，并基于门限均值作比较深度筛选参与迭代的重叠码字数量。

4.根据权利要求2所述SCMA系统中一种消息传递解码算法，其特征在于取欧式距离大于均值的重叠码字为不可靠集合，并弃用参与之后的迭代处理。

5.根据权利要求2所述SCMA系统中一种消息传递解码算法，其特征在于所述迭代处理的步骤包括：初始化设置，选择筛选所得可靠的重叠码字集合，从迭代次数1开始累加，逐次更新FNs节点信息和VNs节点信息，直至迭代次数上限后输出似然值。