CN110677182A - 基于上行链路分层空时结构scma码本的通信方法 - Google Patents

Abstract

基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法，涉及通信技术领域，针对现有技术中针对于SCMA和MIMO仅仅完成了系统架构上的融合，而没有从本质上对码本进行设计，不能实现系统误码率性能提升的问题，本发明创新性地将STBC与SCMA上行码本进行了结合，使传统的SCMA系统在衰落信道下能够获得更加优越的系统性能，SCMA‑STBC系统充分结合了SCMA系统和STBC系统各自的分集复用特性，实现系统性能在衰落信道下的有效提升，实现了系统误码率性能的提升。

Description

基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体为一种基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法。

背景技术

目前针对SCMA的码本设计主要集中在AWGN(Additive GaussianWhite Noise，加性高斯白噪声)信道下，通过有效的码本设计准则，能够实现系统误码率性能的提升以及检测复杂度的降低。但在衰落信道下码本设计的相关研究相对来说仍然较为欠缺，还有很广泛的研究空间。

对于空时编码来说，由于其具有较高的灵活度，发展较为迅速，目前已经成为MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)系统中一种成熟的编码方式。优秀的抗衰落性能以及较高的信息传输速率使得其与其他技术的结合产生良好的应用效果，例如CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址)系统。但是国内外关于将SCMA和STBC相结合的研究目前还是一个较为新颖的领域，相关工作寥寥无几。已有的研究成果大都是将SCMA与多用户MIMO相结合，完成了系统架构上的融合，而没有从本质上对SCMA码本进行设计，实现系统误码率性能的提升。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中针对于SCMA和MIMO仅仅完成了系统架构上的融合，而没有从本质上对码本进行设计，不能实现系统误码率性能提升的问题，提出一种上行链路分层空时结构SCMA码本设计。

本发明为了解决上述技术问题采取的技术方案是：基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法，每个用户配置发送天线数目N_t＝2，基站端配置接收天线数目N_r＝1，每个天线上分配的载波资源K＝4，所述方法包括发射端和接收端，所述发射端执行以下步骤：

步骤一：根据所有用户的列向量构成稀疏扩频矩阵F；

步骤二：稀疏扩频后对映射矩阵非零元素进行算子变换，得到SCMA码本的生成矩阵

其中，G为大小为K×J的生成矩阵，每个元素

表示复数，第j个用户占用了矩阵G的第j列，表示为K×1维的矢量g^(j)，得到G＝[g⁽¹⁾,g⁽²⁾,...,g^(J)]；

步骤三：根据星座图旋转码本，生成矩阵

其中，γ_i＝exp(iθ)，0≤i≤d_f-1；

步骤四：每个用户根据各自的码本将输入信息比特映射到多维复数码字完成SCMA编码过程，生成码字；

步骤五：用户的发送符号依据不同时刻分成两组，将两组信号根据Alamouti结构进行编码，并联合生成矩阵

完成发送；

所述接收端执行以下步骤：

步骤1、初始化：

计算初始先验概率和初始条件概率；

步骤2、FNs节点更新：

对FNs节点进行迭代更新，然后FNs节点将后验概率信息传递给VNs节点；

步骤3、VNs节点更新：

对VNs节点进行迭代更新，然后VNs节点将后验概率信息传递给FNs节点；

步骤4、ON概率合并：

VNs节点将迭代更新后的概率信息传递给与之相连接的ON节点；

步骤5、迭代终止并译码输出。

进一步的，所述步骤1中初始条件概率利用接收端星座图计算，公式如下：

其中，N₀为噪声单边功率谱密度，y为矢量，k为资源，β(k,m)表示接收端资源k星座图上的第m个星座点，1≤k≤K,

进一步的，所述步骤2中FNs节点将后验概率信息传递给VNs节点的公式如下：

其中，

为第k个资源上的用户集合，s^(j)为第j个用户的生成码字，

表示变量节点传递到函数节点。

进一步的，所述步骤3中VNs节点将后验概率信息传递给FNs节点的公式如下：

其中norm为归一化函数，使得概率信息和为1，s^(j)为第j个用户的生成码字，表示函数节点传递到变量节点。

进一步的，所述步骤4的详细步骤为首先定义

为VNs与ONs之间传递的概率信息，EGC合并表示为

式中，第p₁和第p₂个VNs与第j个ON相连接，其中

即为迭代过程中FNs更新给VNs的信息，

即为合并之后VNs传递给FNs的信息。

进一步的，所述步骤一中当矩阵中的元素取值为1时，用户与资源之前存在的映射关系为：

进一步的，所述步骤四中映射包含基带调制和稀疏扩频两个过程。

进一步的，所述基带调制和稀疏扩频具体过程为：首先，输入信息比特流

经过调制之后生成基带调制符号c^(j)[n]，c^(j)[n]表示为第j个用户的调制符号序列。

第j个用户的生成码字表示为

s^(j)＝c^(j)g^(j)(5)

其中，

表示二进制数，

接收信号y^(j)＝[y(1),...,y(k),...,y(K)]^T在资源k上的表达式为

接收端的联合生成矩阵可以表示为

β(k,m)表示接收端资源k星座图上的第m个星座点，1≤k≤K,表示为

其中，z＝[z(1),...,z(K)]^T为服从高斯分布的随机噪声，z(k)～N(0,N₀)，1≤k≤K，N₀为噪声单边功率谱密度。

进一步的，所述步骤1中计算初始化先验概率利用SCMA算法。

进一步的，所述步骤1中计算初始条件概率公式如下：

其中，β(k,m)表示接收端资源k星座图上的第m个星座点，N₀为噪声单边功率谱密度。

本发明的有益效果是：本发明创新性地将STBC与SCMA上行码本进行了结合，使传统的SCMA系统在衰落信道下能够获得更加优越的系统性能，SCMA-STBC系统充分结合了SCMA系统和STBC系统各自的分集复用特性，实现系统性能在衰落信道下的有效提升，实现了系统误码率性能的提升。

附图说明

图1为本发明上行链路SCMA-STBC系统误码率性能。

图2为本发明SCMA系统编码复用过程。

图3为本发明SCMA上行链路系统模型。

图4为本发明SCMA系统泰讷图。

图5为本发明上行链路SCMA-STBC系统模型。

图6为本发明SCMA-STBC联合空时泰讷图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法，每个用户配置发送天线数目N_t＝2，基站端配置接收天线数目N_r＝1，每个天线上分配的载波资源K＝4，所述方法包括发射端和接收端，所述发射端执行以下步骤：

步骤一：根据所有用户的列向量构成稀疏扩频矩阵F；

步骤二：稀疏扩频后对映射矩阵非零元素进行算子变换，得到SCMA码本的生成矩阵

其中，G为大小为K×J的生成矩阵，每个元素

表示复数，第j个用户占用了矩阵G的第j列，表示为K×1维的矢量g^(j)，得到G＝[g⁽¹⁾,g⁽²⁾,...,g^(J)]；

步骤三：根据星座图旋转码本，生成矩阵

其中，γ_i＝exp(iθ)，0≤i≤d_f-1；

步骤四：每个用户根据各自的码本将输入信息比特映射到多维复数码字完成SCMA编码过程，生成码字；

步骤五：用户的发送符号依据不同时刻分成两组，将两组信号根据Alamouti结构进行编码，并联合生成矩阵

完成发送；

所述接收端执行以下步骤：

步骤1、初始化：

计算初始先验概率，和初始条件概率；

步骤2、消息迭代更新：

whilei≤I_maxdo

forj＝1to Kdo

更新函数节点FN；

end

forj＝1to Jdo

更新变量节点VN；

end

fork＝1to Kdo

输出节点ON根据公式进行等增益合并；

注释：定义

为VNs与ONs之间传递的概率信息。

end

判断是否满足迭代停止条件；

end；

步骤3、概率解算并且译码：

输出：

基于SCMA系统模型，本文给出上行链路SCMA-STBC系统模型，然后提出接收机的检测算法JST-MPA(Joint Space Time MPA，联合空时结构的MPA检测算法)。

SCMA系统参数定义

为方便后续描述，定义

分别表示二进制数、复数、自然数集合。假设系统中有K个正交的资源，需要承载的用户数目为J，若令每个用户使用N个资源，为使接收端能够区分用户，规定任意两个用户不能同时使用完全相同的N个资源，N为不大于K的正整数。

定义二进制指示向量来f_j表示用户j对资源的占用。

f_j＝[f_j1,...,f_jk,...,f_jK]^T,1≤j≤J (1)

所有用户的列向量构成稀疏扩频矩阵F，表示用户与资源之间的映射关系。矩阵的行代表资源，矩阵的列代表用户。当矩阵中的元素取值为1时表明用户与资源之前存在映射关系。

定义第k个资源上承载的用户个数为

称为资源节点的度。相应地，第j个用户占用的资源个数为称为用户节点的度。若满足

此时系统称为规则的SCMA系统，否则称为非规则的SCMA系统。同时，定义集合Φ_K为第k个资源上的用户集合，Ψ_j为第j个用户占用的资源的集合。

为了获得SCMA的扩频增益，在映射矩阵进行稀疏扩频的基础上，还需要对映射矩阵非零元素进行算子变换，最终形成SCMA码本的生成矩阵

G为大小为K×J的生成矩阵，每个元素

第j个用户占用了矩阵G的第j列，可以表示为K×1维的矢量g^(j)，因此G＝[g⁽¹⁾,g⁽²⁾,...,g^(J)]。本设计采用基于星座图旋转的码本，通过调制符号的相位旋转构建星座图，生成矩阵表示为

其中，γ_i＝exp(iθ)，0≤i≤d_f-1。不同的θ可以形成不同的星座点分布，并影响星座点之间的最小欧式距离，θ的选择受到系统参数J，K，M的影响。

定义χ为多维复数码本，χ＝[χ⁽¹⁾,...,χ^(j),...χ^(J)]，其中χ^(j)为用户j的码本，每个用户根据各自的码本将输入信息比特映射到多维复数码字完成SCMA编码过程

假设每个用户的调制阶数为M，则每个用户码本的大小也为M，即|χ^(j)|＝M。码本映射包含基带调制和稀疏扩频两个过程。首先，输入信息比特流

经过调制之后生成基带调制符号c^(j)[n]，c^(j)[n]表示为第j个用户的调制符号序列。第j个用户的生成码字表示为

s^(j)＝c^(j)g^(j)(5)

其中，

接收信号y^(j)＝[y(1),...,y(k),...,y(K)]^T在资源k上的表达式为

其中，z＝[z(1),...,z(K)]^T为服从高斯分布的随机噪声，z(k)～N(0,N₀)，1≤k≤K，N₀为噪声单边功率谱密度。

上行链路SCMA-STBC系统

每个用户配置发送天线数目N_t＝2，基站端配置接收天线数目N_r＝1，每个天线上分配的载波资源K＝4。

生成SCMA码字后，对多维码字进行Alamouti编码。定义

为用户j在第n个时刻发送的码字，

用户的发送符号依据不同时刻分成两组，

和

两组信号根据经典的Alamouti结构进行编码，以第j个用户为例，编码规则如表1所示

表1 SCMA-STBC系统信号编码结构

由于SCMA码字在两个连续时隙内根据空时结构进行联合编码，因此接收端也需要两个时隙的接收信号进行译码。所以整个系统可以看做是由2J个用户和2K个资源组成的联合SCMA系统，联合生成矩阵可以表示为

定义表示用户j在第n_t,(1≤n_t≤N_t)根天线发送端的K维星座图。

分别表示用户j在天线1在资源k上的第p个星座点和天线2在资源k上的第q个星座点，

在给定生成矩阵之后，发射端的所有时隙维度上的星座图是固定不变的。接收端星座图为发射端星座图经过衰落信道之后的叠加结果，因此接收端最终形成的星座图结构随着衰落系数的变化而发生改变。定义B为接收端星座图，β(k,m)表示接收端资源k星座图上的第m个星座点，1≤k≤K,

表示为

在联合空时泰讷图中，FNs和VNs的度为J＝6，K＝4的经典SCMA系统泰讷图的2倍。VNs由在两个连续时隙内发送码字的用户组成，FNs则包含两个时隙内的K维资源。为方便表示，图6中VNs 1～6表示码字

VNs 7～12表示码字

VNs 13～18表示码字

VNs13～18表示码字

显然，同一组码字下的VN含有相同的信息，因此在译码时，可以通过概率信息的合并来获得一定的译码增益，实现最终的信号检测，检测出的信号定义为输出节点(Output Nodes，ONs)。VNs,FNs和ONs之间的概率信息传递基于联合空时泰讷图展开。

具体算法如下：

SCMA-STBC系统充分结合了SCMA系统和STBC系统各自的分集复用特性，实现系统性能在衰落信道下的有效提升；

表2系统仿真参数设定

需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法，其特征在于：每个用户配置发送天线数目N_t＝2，基站端配置接收天线数目N_r＝1，每个天线上分配的载波资源K＝4，所述方法包括发射端和接收端，所述发射端执行以下步骤：

步骤一：根据所有用户的列向量构成稀疏扩频矩阵F；

步骤二：稀疏扩频后对映射矩阵非零元素进行算子变换，得到SCMA码本的生成矩阵

其中，G为大小为K×J的生成矩阵，每个元素

表示复数，第j个用户占用了矩阵G的第j列，表示为K×1维的矢量g^(j)，得到G＝[g⁽¹⁾,g⁽²⁾,...,g^(J)]；

步骤三：根据星座图旋转码本，生成矩阵

其中，γ_i＝exp(iθ)，0≤i≤d_f-1；

步骤四：每个用户根据各自的码本将输入信息比特映射到多维复数码字完成SCMA编码过程，生成码字；

步骤五：用户的发送符号依据不同时刻分成两组，将两组信号根据Alamouti结构进行编码，并联合生成矩阵

完成发送；

所述接收端执行以下步骤：

步骤1、初始化：

计算初始先验概率和初始条件概率；

步骤2、FNs节点更新：

对FNs节点进行迭代更新，然后FNs节点将后验概率信息传递给VNs节点；

步骤3、VNs节点更新：

对VNs节点进行迭代更新，然后VNs节点将后验概率信息传递给FNs节点；

步骤4、ON概率合并：

VNs节点将迭代更新后的概率信息传递给与之相连接的ON节点；

步骤5、迭代终止并译码输出。

2.根据权利要求1所述的基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法，其特征在于所述步骤1中初始条件概率利用接收端星座图计算，公式如下：

其中，N₀为噪声单边功率谱密度，y为矢量，k为资源，β(k,m)表示接收端资源k星座图上的第m个星座点，1≤k≤K,

3.根据权利要求1所述的基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法，其特征在于所述步骤2中FNs节点将后验概率信息传递给VNs节点的公式如下：

其中，

为第k个资源上的用户集合，s^(j)为第j个用户的生成码字，

表示变量节点传递到函数节点。

4.根据权利要求1所述的基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法，其特征在于所述步骤3中VNs节点将后验概率信息传递给FNs节点的公式如下：

其中norm为归一化函数，s^(j)为第j个用户的生成码字，表示函数节点传递到变量节点。

5.根据权利要求1所述的基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法，其特征在于所述步骤4的详细步骤为首先定义

为VNs与ONs之间传递的概率信息，EGC合并表示为

式中，第p₁和第p₂个VNs与第j个ON相连接，其中

即为迭代过程中FNs更新给VNs的信息，

即为合并之后VNs传递给FNs的信息。

6.根据权利要求1所述的基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法，其特征在于所述步骤一中当矩阵中的元素取值为1时，用户与资源之前存在的映射关系为：

7.根据权利要求1所述的基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法，其特征在于所述步骤四中映射包含基带调制和稀疏扩频两个过程。

8.根据权利要求7所述的基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法，其特征在于所述基带调制和稀疏扩频具体过程为：首先，输入信息比特流

经过调制之后生成基带调制符号c^(j)[n]，c^(j)[n]表示为第j个用户的调制符号序列。第j个用户的生成码字表示为

s^(j)＝c^(j)g^(j)(5)

其中，

表示二进制数，

接收信号y^(j)＝[y(1),...,y(k),...,y(K)]^T在资源k上的表达式为

接收端的联合生成矩阵可以表示为

β(k,m)表示接收端资源k星座图上的第m个星座点，1≤k≤K,

表示为

其中，z＝[z(1),...,z(K)]^T为服从高斯分布的随机噪声，z(k)～N(0,N₀)，1≤k≤K，N₀为噪声单边功率谱密度。

9.根据权利要求1所述的基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法，其特征在于所述步骤1中计算初始化先验概率利用SCMA算法。

10.根据权利要求1所述的基于上行链路分层空时结构SCMA码本的通信方法，其特征在于所述步骤1中计算初始条件概率公式如下：

其中，β(k,m)表示接收端资源k星座图上的第m个星座点，N₀为噪声单边功率谱密度。

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