CN109889283B - 一种scma上行通信系统多用户检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种SCMA上行通信系统多用户检测方法及装置，方法包括：在高斯白噪条件下，利用信道评估对概率密度函数值进行计算，对用户进行码字筛选，在用户没有先验信息时，进行初始化处理，设定最大迭代次数，在小于等于所述最大迭代次数的迭代过程中，计算所有资源节点到用户节点的码字消息和用户节点到资源节点的消息，在达到所述最大迭代次数时，计算码字的概率，基于码字的概率计算出数据比特的软信息，基于数据比特的软信息进行判决。本申请能够有效解决下一代移动通信备选多址接入技术的多用户检测复杂度和迭代次数较高的问题。

Description

一种SCMA上行通信系统多用户检测方法及装置

技术领域

本申请涉及无线通信系统的信号检测技术领域，尤其涉及一种SCMA(Sparse codemultiple access，稀疏码多址接入)上行通信系统多用户检测方法及装置。

背景技术

为了满足第五代移动通信大容量、海量连接、低延时接入等需求SCMA技术被提出，如图3所示，为SCMA上行通信系统模型；由于SCMA采用的扩频码是稀疏码，即每个用户的基带数据仅在少量的码片上进行非零位扩频调制，多个用户就可以共享一段时频资源，而不必严格正交，且用户间不会产生较严重的干扰，可以实现过载系统。

在SCMA系统中，扩频过程和调制映射过程由预分配给用户的码本完成。接收端接收到的信号是由多个非正交用户叠加后的信号，接收端利用基于迭代循环的消息传递算法(message passing algorithm，MPA)对接收信号进行多用户检测，MPA检测技术包括并行和串行两种，如图4所示，为MPA算法的实现框图。并行MPA把迭代检测过程分为两个阶段，包括资源节点更新过程和用户节点更新过程。串行MPA则在每次迭代过程中，把资源节点和用户节点的消息更新过程合二为一。

在背景技术1中提出了一种基于并行策略的检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1、初始化：迭代开始时，用户没有先验信息，对用户节点u_j到资源节点r_k的初始消息进行等概初始化：

j＝1,2,...,j；k＝1,2,...,k；u_j为第j个用户节点，r_k为第k个资源节点，M为码本包含的码字个数；

步骤2、设定最大迭代次数t_max；

步骤3、在第t≤t_max次迭代过程中，计算所有资源节点到用户节点的码字消息和用户节点到资源节点的码字消息：

步骤4、达到最大迭代次数t_max，计算码字概率

步骤5、接下来就需要算出对数似然比LLR(log likelihood rate)，每一个bit的LLR(b_j,m)可表示为：

步骤6、判决LLR(b_j,m)得到b_j,m，判决表达式：

在背景技术2中提出了一种基于串行策略的检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1、初始化：迭代开始时，用户没有先验信息，对用户节点u_j到资源节点r_k的初始消息进行等概初始化：

j＝1,2,...,j，k＝1,2,...,k，u_j为第j个用户节点，r_k为第k个资源节点，M为码本包含的码字个数。

步骤2、设定最大迭代次数t_max；

步骤3、在第t≤t_max次迭代过程中，计算所有资源节点到用户节点的码字消息和用户节点到资源节点的码字消息：

步骤4、达到最大迭代次数t_max，计算码字概率

步骤5、接下来就需要算出对数似然比LLR(log likelihood rate)，每一个bit的LLR(b_j,m)可表示为：

步骤6、判决LLR(b_j,m)得到b_j,m，判决表达式：

由此可以看出，背景技术1，上述基于并行的检测方法中，检测正确率与最大迭代次数，以及消息传播方式有关。然而，在实际工程应用中，随着迭代次数的增加，通信系统的硬件计算复杂度越来越高，因此对硬件的要求也越来越高。针对并行MPA收敛速度较慢这一缺点，一种串行的检测算法被提出，串行MPA则在每次迭代过程中，把资源节点和用户节点的消息更新过程合二为一。

背景技术2，串行策略多用户检测算法，在每轮迭代过程中，更新后的消息马上传递给后面的节点，而不必等到下一轮迭代过程，这种消息的更新是异步的，并且越靠后处理的资源节点消息更新越可靠。因此，串行MPA改善了并行MPA的收敛特性，且可以获得相当于并行MPA的检测性能。但在SCMA系统，发送端发送的码字只有一个，而接收端需要从M个码字中通过MPA算法找到发送端发送的唯一正确的用户码字。该码字的N个非零元素由不同的时频资源传输，信道存在很大的差异性。我们知道，信道增益越大，信道质量越好，在该信道上传输的信号也越可靠。另外，由

可知，只有合成信号

越接近y_k，在时频资源k上的码字x_kv才越可能是发送端发送的码字，此时概率密度函数值也更大。显然，无论是并行策略还是串行策略的多用户检测技术，都参与了大量的冗余计算，因此，对于j用户来说，完全可以仅计算最大信道增益

信道上的概率密度函数值进行MPA检测。另外，MPA的迭代次数与参与检测码本大小有很大关系，所以说，串行MPA的收敛性未必是最优的。

因此，如何解决下一代移动通信备选多址接入技术的多用户检测复杂度和迭代次数较高，是一项亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种SCMA上行通信系统多用户检测方法及装置，能够有效解决下一代移动通信备选多址接入技术的多用户检测复杂度和迭代次数较高的问题。

本申请提供了一种SCMA上行通信系统多用户检测方法，包括：

在高斯白噪条件下，利用信道评估，对概率密度函数值进行计算；

对用户进行码字筛选；

在用户没有先验信息时，进行初始化处理；

设定最大迭代次数；

在小于等于所述最大迭代次数的迭代过程中，计算所有资源节点到用户节点的码字消息和用户节点到资源节点的消息；

在达到所述最大迭代次数时，计算码字的概率；

基于所述码字的概率计算出数据比特的软信息；

基于所述数据比特的软信息进行判决。

优选地，所述在高斯白噪条件下，利用信道评估，对概率密度函数值进行计算包括：

在高斯白噪条件下，基于以下公式对概率密度函数值进行计算：

优选地，所述对用户进行码字筛选包括：

基于公式

对用户j进行码字筛选，其中M_j表示上行链路N个资源节点在最大信道增益

条件下，满足门限值Td时第j个用户的候选码字序列集合，Td取小于等于0.1的实数，

表示稀疏扩频矩阵F中第j列的非零元素集。

优选地，在小于等于所述最大迭代次数的迭代过程中，计算所有资源节点到用户节点的码字消息和用户节点到资源节点的消息包括：

基于公式

计算所有资源节点到用户节点的码字消息；

基于公式

计算用户节点到资源节点的消息。

优选地，所述在达到所述最大迭代次数时，计算码字的概率包括：

基于公式

计算码字x_j(m_j)的概率。

优选地，所述基于所述码字的概率计算出数据比特的软信息包括：

基于公式

计算出数据比特的软信息。

优选地，所述基于所述数据比特的软信息进行判决包括：

基于公式

进行判决。

一种SCMA上行通信系统多用户检测装置，包括：

第一计算模块，用于在高斯白噪条件下，利用信道评估对概率密度函数值进行计算；

筛选模块，用于对用户进行码字筛选；

初始化模块，用于在用户没有先验信息时，进行初始化处理；

设定模块，用于设定最大迭代次数；

第二计算模块，用于在小于等于所述最大迭代次数的迭代过程中，计算所有资源节点到用户节点的码字消息和用户节点到资源节点的消息；

第三计算模块，用于在达到所述最大迭代次数时，计算码字的概率；

第四计算模块，用于基于所述码字的概率计算出数据比特的软信息；

判决模块，用于基于所述数据比特的软信息进行判决。

综上所述，本申请公开了一种SCMA上行通信系统多用户检测方法，首先在高斯白噪条件下，利用信道评估，对概率密度函数值进行计算，然后对用户进行码字筛选，在用户没有先验信息时，进行初始化处理，设定最大迭代次数，在小于等于所述最大迭代次数的迭代过程中，计算所有资源节点到用户节点的码字消息和用户节点到资源节点的消息，在达到最大迭代次数时，计算码字的概率，基于码字的概率计算出数据比特的软信息，基于数据比特的软信息进行判决。本申请能够有效解决下一代移动通信备选多址接入技术的多用户检测复杂度和迭代次数较高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请公开的一种SCMA上行通信系统多用户检测方法实施例1的方法流程图；

图2为本申请公开的一种SCMA上行通信系统多用户检测装置实施例1的结构示意图；

图3为SCMA上行通信系统模型；

图4为背景技术提出的实现框图；

图5为本申请实现的原理框架图；

图6为本申请方法与背景技术方法的BER性能对比图；

图7为本申请方法与背景技术方法在不同迭代次数下的BER性能对比图；

图8为本申请方法与背景技术方法的合成信号传递量对比图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

根据传输条件及检测过程的程序，初始化设置以下参数:

用户节点的个数J＝6，码本的码字个数M＝4，码字长度K＝4，系统过载率

信道模型为AWGN(高斯白噪声)信道，稀疏扩频矩阵为

用户信息比特经过SCMA编码器映射为相应的码字x，所有用户码字叠加后经过信道进行传输，接收端的接收信号

x_j＝(x_1,j,x_2,j,...x_K,j)^T是用户j的SCMA码字，h_j＝(h_1,j,h_2,j,...,h_K,j)^T为用户j的信道向量，n为传输信道中的高斯白噪声n～cN(0,σ²I)；对于接收信号y的第k个资源处，接收到的信号y_k表示为

其中k＝1,2，…，K；j＝1,2，…，J。

发射端各用户的码本为：

利用蒙特卡洛统计理论，对概率密度函数值进行统计，可以得到两种结论，1是概率密度函数值随SNR整体变小，2是在高SNR条件下，在某一点的值很大，该点极有可能是发送的叠加信号。因此对概率密度函数值设定门限Td，方便起见，Td一般小于0.1，太大将会影响检测效果。

下面结合图5对本申请的实施方式进行详细的描述。如图1所示，为本申请公开的一种SCMA上行通信系统多用户检测方法实施例1的方法流程图，所述方法可以包括以下步骤：

S101、在高斯白噪条件下，利用信道评估，对概率密度函数值进行计算；

高斯白噪条件下，概率密度函数值计算：

其中y_k表示资源节点k处的接收信号；

定义为第k个资源节点上连接的所有用户发送的码字集合；x_kj(m_j)表示j用户第m_j个码字在第k个资源节点r_k上的非零码字元素；h_kj表示第k个资源节点上j用户的信道增益；j∈ε_k表示稀疏扩频矩阵F第k行的非零元素集；σ为噪声功率方差。

S102、对用户进行码字筛选；

基于公式

对用户j进行码字筛选，其中，M_j表示上行链路N个资源节点在最大信道增益

条件下，满足门限值Td时第j个用户的候选码字序列集合，Td取小于等于0.1的实数，

表示稀疏扩频矩阵F中第j列的非零元素集。

通过该式，J个用户可以利用最大增益信道上满足f(y_k|x_k([m_j]))≥Td时，传递过来的码字才允许参与后面的检测过程。

S103、在用户没有先验信息时，进行初始化处理；

迭代开始时，用户没有先验信息，因此部分码字的资源节点到用户节点的消息为：

其中，

表示j用户最终参与多用户检测的码字数目；此时，

不再是等概率分配。

S104、设定最大迭代次数；

设定最大迭代次数t_max。

S105、在小于等于所述最大迭代次数的迭代过程中，计算所有资源节点到用户节点的码字消息和用户节点到资源节点的消息；

在第t≤t_max次迭代过程中，基于公式

计算所有资源节点到用户节点的码字消息；基于公式

计算用户节点到资源节点的消息。

S106、在达到最大迭代次数时，计算码字的概率；

达到最大迭代次数t_max，计算码字x_j(m_j)的概率：

S107、基于码字的概率计算出数据比特的软信息；

接下来就需要算出对数似然比LLR，每一个bit的LLR(b_j,m)可表示为：

S108、基于数据比特的软信息进行判决。

判决LLR(b_j,m)得到b_j,m，判决表达式为：

利用对背景技术1和背景技术2和本申请实施例的基于串行策略的上行通信系统多用户检测方法，在信道中的误码性能、迭代性能、复杂度进行仿真对比分析，仿真结果如图6、图7和图8所示。

由图6可知，Td＝0.3时，本发明的误码率较大。当Td＝0.02时，其BER与背景技术1和背景技术几乎相当。因此，在Td的设定要合理，过大将会造成检测器失真。图7为Td＝0.02时迭代性能对比，由图7可知，本发明1次迭代和2次迭代的BER性能都比背景技术1和背景技术2好，尤其在高SNR条件下。值得注意的是，本申请2次迭代的BER(Bit Error Ratio，比特出错概率)性能与5次迭代的背景技术1性能相当。因此本申请加快了算法了收敛速度。图8表示复杂度对比，以合成信号传递量进行对比，由MPA消息更新可知，合成信号传递量是决定算法复杂度的关键，因此以合成信号传递量来评估算法复杂度是合理的。由图8可知，背景技术1和背景技术2的合成信号传递量为64，而本发明合成信号传递量随着SNR在不断下降，知道趋于平衡。且随着Td的增大，合成信号传递量更少。因此，综合图6、图7和图8来看，本发明在降低复杂度的同时，还进一步的改善了算法的收敛特性。

本申请实施例还提供了一种SCMA上行通信系统多用户检测装置，所述一种SCMA上行通信系统多用户检测装置用于实施本发明实施例提供的一种SCMA上行通信系统多用户检测方法，下文所描述的一种SCMA上行通信系统多用户检测装置的技术内容，可与上文所描述的一种SCMA上行通信系统多用户检测方法的技术内容之间相互对应参照。

如图2所示，为本申请公开的一种SCMA上行通信系统多用户检测装置实施例1的结构示意图，所述装置可以包括：

第一计算模块201，用于在高斯白噪条件下，利用信道评估，对概率密度函数值进行计算；

筛选模块202，用于对用户进行码字筛选；

初始化模块203，用于在用户没有先验信息时，进行初始化处理；

设定模块204，用于设定最大迭代次数；

第二计算模块205，用于在小于等于所述最大迭代次数的迭代过程中，计算所有资源节点到用户节点的码字消息和用户节点到资源节点的消息；

第三计算模块206，用于在达到所述最大迭代次数时，计算码字的概率；

第四计算模块207，用于基于所述码字的概率计算出数据比特的软信息；

判决模块208，用于基于所述数据比特的软信息进行判决。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种SCMA上行通信系统多用户检测方法，其特征在于，包括：

在高斯白噪条件下，利用信道评估，对概率密度函数值进行计算，包括：在高斯白噪条件下，基于以下公式对概率密度函数值进行计算：

其中y_k表示资源节点k处的接收信号；

定义为第k个资源节点上连接的所有用户发送的码字集合；x_kj(m_j)表示j用户第m_j个码字在第k个资源节点r_k上的非零码字元素；h_kj表示第k个资源节点上j用户的信道增益；j∈ε_k表示稀疏扩频矩阵F第k行的非零元素集；σ为噪声功率方差；

对用户进行码字筛选包括：

基于公式

对用户j进行码字筛选，其中，M_j表示上行链路N个资源节点在最大信道增益

条件下，满足门限值Td时第j个用户的候选码字序列集合，Td取小于等于0.1的实数，

表示稀疏扩频矩阵F中第j列的非零元素集；

在用户没有先验信息时，进行初始化处理；在迭代开始时，部分码字的资源节点到用户节点的消息为：

其中，|M_j|表示j用户最终参与多用户检测的码字数目，u_j为第j个用户节点，r_k为第k个资源节点，M为码本包含的码字个数；

设定最大迭代次数；

在小于等于所述最大迭代次数的迭代过程中，计算所有资源节点到用户节点的码字消息和用户节点到资源节点的消息；

在达到所述最大迭代次数时，计算码字的概率；

基于所述码字的概率计算出数据比特的软信息；

基于所述数据比特的软信息进行判决。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在小于等于所述最大迭代次数的迭代过程中，计算所有资源节点到用户节点的码字消息和用户节点到资源节点的消息包括：

基于公式

计算所有资源节点到用户节点的码字消息；

基于公式

计算用户节点到资源节点的消息。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在达到所述最大迭代次数时，计算码字的概率包括：

基于公式

计算码字x_j(m_j)的概率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述码字的概率计算出数据比特的软信息包括：

基于公式

计算出数据比特的软信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述数据比特的软信息进行判决包括：

基于公式

进行判决。

6.一种SCMA上行通信系统多用户检测装置，其特征在于，包括：

第一计算模块，用于在高斯白噪条件下，利用信道评估，对概率密度函数值进行计算，包括：在高斯白噪条件下，基于以下公式对概率密度函数值进行计算：

其中y_k表示资源节点k处的接收信号；

定义为第k个资源节点上连接的所有用户发送的码字集合；x_kj(m_j)表示j用户第m_j个码字在第k个资源节点r_k上的非零码字元素；h_kj表示第k个资源节点上j用户的信道增益；j∈ε_k表示稀疏扩频矩阵F第k行的非零元素集；σ为噪声功率方差；

筛选模块，用于对用户进行码字筛选，包括：

基于公式

对用户j进行码字筛选，其中，M_j表示上行链路N个资源节点在最大信道增益

条件下，满足门限值Td时第j个用户的候选码字序列集合，Td取小于等于0.1的实数，

表示稀疏扩频矩阵F中第j列的非零元素集；

初始化模块，用于在用户没有先验信息时，进行初始化处理；在迭代开始时，部分码字的资源节点到用户节点的消息为：

其中，|M_j|表示j用户最终参与多用户检测的码字数目，u_j为第j个用户节点，r_k为第k个资源节点，M为码本包含的码字个数；

设定模块，用于设定最大迭代次数；

第二计算模块，用于在小于等于所述最大迭代次数的迭代过程中，计算所有资源节点到用户节点的码字消息和用户节点到资源节点的消息；

第三计算模块，用于在达到所述最大迭代次数时，计算码字的概率；

第四计算模块，用于基于所述码字的概率计算出数据比特的软信息；

判决模块，用于基于所述数据比特的软信息进行判决。

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