CN111030740B - 基于分层空时结构的下行链路scma码本设计方法 - Google Patents

Abstract

基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方法，涉及通讯信号检测技术领域。本发明是为了解决通讯信号检测技术的问题。利用每个用户的信道状态系数进行时隙资源选择，采用RD‑DCP算法，得到系统映射矩阵F；设计矢量d使其满足功率约束条件和线性相关条件；根据映射矩阵F和矢量d，通过遍历搜索法得到生成矩阵G；发送端用户根据获得的生成矩阵G生成码字s；码字s通过衰落信道到达接收机后，采用MPA迭代译码算法进行解调，得到接收信号。它用于对下行链路的码本进行设计。

Description

基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方法

技术领域

本发明涉及下行链路码本设计方法。属于通讯信号检测技术领域。

背景技术

SCMA(稀疏码分多址)作为一种新的非正交多址接入技术，以其过载特性满足第五代移动通信系统所提出的大连接、低时延等要求，所以SCMA系统传输方法成为目前研究的热点与关键技术。

空时编码具有较高的灵活度、优秀抗衰落性能以及较高的信息传输速率，发展较为迅速，目前已经成为MIMO系统中一种成熟的编码方式。但是国内外关于将SCMA和STBC(空时块编码)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码本进行设计以实现系统误码率性能的提升或者接收端检测复杂度的降低。

发明内容

本发明是为了解决现有对SCMA码本的设计，误码率高，并且接收端检测信号的方式复杂的问题。现提供基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方法。

基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、计算基站端每个用户所占用的任意两根天线的信道状态系数之差，对得到的所有用户的信道状态系数之差以升序的顺序进行排序，构成用户集合；

步骤二、根据用户集合和采用基于规则度分布的差分信道状态系数排序资源分配算法对每个用户分配天线内的时隙资源且保证每个时隙资源承载的用户数相同，得到SCMA映射矩阵；

步骤三、SCMA映射矩阵按照星座图映射关系，得到每个时隙资源上的每个用户所对应的星座点，根据每个时隙资源上不同星座点之间的距离，得到每个时隙资源上不同星座点之间距离的平方和；

步骤四、根据SCMA映射矩阵和每个时隙资源上不同星座点之间距离的平方和，采用遍历方法得到生成矩阵；

步骤五、基站端上的每个用户根据生成矩阵对要发送的信息进行编码，生成码字，对所有天线在相同时隙资源内接收到的码字进行叠加，生成最终的码本。

优选地，所述方法还包括步骤六，

步骤六、接收机采用消息传递迭代译码算法对接收到的所有码本进行解调，得到接收信号。

优选地，基站端每个用户所占用的任意两根天线的信道状态系数之差Δh^(j)为：

式中，

表示为基站端的第n_T个天线与第j个用户之间的信道状态系数，n_T＝1,2。

优选地，步骤三中，每个时隙资源上不同星座点之间距离的平方和为：

式中，

为第p,q个子星座点间的欧式距离，x_p(t)为SCMA映射矩阵中第t个时隙资源对应的子星座图中的第p个星座点，x_q(t)为SCMA映射矩阵中第t个时隙资源对应的子星座图中的第q个星座点，d_f代表第f个时隙资源所承载的用户个数，M代表每个用户的调制阶数，d_t为第t个时隙资源上不同星座点之间距离的平方和；

根据公式3，得到所有天线内所有时隙资源上的不同星座点之间距离的平方和矢量d：

d＝[d₁,…,d_t,…,d_K'] 公式3，

式中，K'表示所有天线上的时隙资源总数，d满足d·h＝|d|·|h|，h＝[h₁,…,h_t,…h_K']，

Φ_t表示使用第t个时隙资源的用户的集合，m^(j)(t)表示基站端第t个时隙资源与第j个用户之间的信道状态系数。

优选地，步骤四中，根据SCMA映射矩阵F和d，采用遍历方法得到生成矩阵G_2K×J：

式中，w_p(j)为不同用户所有的发射信号组合中第p种基带调制信号组合内用户j发射的信号，G(t,j)为G_2K×J中的元素，K为每个天线上的时隙资源数目，J为用户总数，1≤t≤2K。

优选地，步骤五中，基站端上的每个用户根据生成矩阵G_2K×J对要发送的信息进行编码，生成码字s：

s＝G_2K×J·w 公式5，

式中，w＝[w⁽¹⁾,w⁽²⁾,…,w^(J)]^T表示基带调制信号。

本发明的有益效果为：

本发明将STBC的构造思想与结构应用于SCMA码本设计，使其在衰落信道下能够获得更加优越的系统性能。本申请提出的一种基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方案，利用空时编码的结构，降低了系统的误码率，大幅提高了通信系统的编码调制容量；并且接收机采用消息传递迭代译码算法对接收到的所有码本进行解调，得到接收信号，解调的方式简单，接收信号简单。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方法的设计框图；

图2为基于规则度分布的差分CSI排序资源分配算法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、计算基站端每个用户所占用的任意两根天线的信道状态系数之差，对得到的所有用户的信道状态系数之差以升序的顺序进行排序，构成用户集合；

步骤二、根据用户集合和采用基于规则度分布的差分信道状态系数排序资源分配算法对每个用户分配天线内的时隙资源且保证每个时隙资源承载的用户数相同，得到SCMA映射矩阵；

步骤三、SCMA映射矩阵按照星座图映射关系，得到每个时隙资源上的每个用户所对应的星座点，根据每个时隙资源上不同星座点之间的距离，得到每个时隙资源上不同星座点之间距离的平方和；

步骤四、根据SCMA映射矩阵和每个时隙资源上不同星座点之间距离的平方和，采用遍历方法得到生成矩阵；

步骤五、基站端上的每个用户根据生成矩阵对要发送的信息进行编码，生成码字，对所有天线在相同时隙资源内接收到的码字进行叠加，生成最终的码本。

本实施方式中，图2为基于规则度分布的差分CSI排序资源分配算法(RD-DCP算法)。

步骤一中，利用每个用户的信道状态信息进行资源选择(选择占用的天线)，设基站与用户之间的通信信道为平坦衰落信道，基站端的第n_t根天线(n_t＝1,2)与第j个用户之间的信道状态信息为

首先比较J个用户的信道状态系数之差

的大小，以升序的顺序对Δh^(j)进行排序，得到排序后的用户集合。例如，有6个用户，每个用户的两根天线间的信道状态系数之差分别为0.1、0.6、0.2、0.5、0.3、0.4，排序后得到的U是{0.10.2 0.3 0.4 0.5 0.6}。

定义SCMA系统中每个天线时隙资源上所能承载的用户数为RD_max。对U中的用户按顺序进行时隙资源分配，其中每个用户首先选择信道较好的天线上K个时隙资源占用。若信道较好的天线已被RD_max个用户占用，则选择信道较差的天线上的K个时隙资源占用，得到SCMA映射矩阵F。

步骤二中，RD(1)表示第一根天线当前承载的用户数。

本申请条件设定如下：

1)信道为瑞利慢衰落信道，信道系数服从循环对称复高斯分布CN(0,1)；

2)发射天线数N_T＝2，每个天线上的用户数目J为6，每个天线上时隙资源数目K为

4，每个天线上承载的用户个数d_f为3；

3)用户采用BPSK调制方式；

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方法作进一步说明，本实施方式中，所述方法还包括步骤六，

步骤六、接收机采用消息传递迭代译码算法对接收到的所有码本进行解调，得到接收信号。

本实施方式中，消息传递迭代译码算法也叫做MPA迭代译码算法。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方法作进一步说明，本实施方式中，基站端每个用户所占用的任意两根天线的信道状态系数之差Δh^(j)为：

式中，

表示为基站端的第n_T个天线与第j个用户之间的信道状态系数，n_T＝1,2。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中，每个时隙资源上不同星座点之间距离的平方和为：

式中，

为第p,q个子星座点间的欧式距离，x_p(t)为SCMA映射矩阵中第t个时隙资源对应的子星座图中的第p个星座点，x_q(t)为SCMA映射矩阵中第t个时隙资源对应的子星座图中的第q个星座点，d_f代表第f个时隙资源所承载的用户个数，M代表每个用户的调制阶数，d_t为第t个时隙资源上不同星座点之间距离的平方和；

根据公式3，得到所有天线内所有时隙资源上的不同星座点之间距离的平方和矢量d：

d＝[d₁,…,d_t,…,d_K'] 公式3，

式中，K'表示所有天线上的时隙资源总数，d满足d·h＝|d|·|h|，h＝[h₁,…,h_t,…h_K']，

Φ_t表示使用第t个时隙资源的用户的集合，m^(j)(t)表示基站端第t个时隙资源与第j个用户之间的信道状态系数。

本实施方式中，例如，有两个天线，每个天线上的时隙资源数目K均为2，那么这两个天线上的时隙资源一共为4个，排序为：第一个时隙资源、第二个时隙资源、第三个时隙资源和第四个时隙资源。

假设SCMA映射矩阵

每一行代表一个天线。当t＝3时，Φ_t代表第3个时隙资源所承载的用户的集合，第三行中的第2、4、6列均为1，代表第3个时隙资源用于为第2、4、6个用户服务，Φ_t＝{2,4,6}。

本申请设计的矢量d，使其与信道状态系数矢量h＝[h₁,…,h_t,…h_K']，

线性相关，同时d满足功率约束条件：

其中P_total是总的发射功率，P_t是每个维度上的发射功率。

通过遍历搜寻方法得到

进而得到x_p(t)。

本申请中，假设第t个时隙资源上有第1、2、3个星座点，那么d_t＝第1个星座点和第2个星座点的距离的平方的和+第1个星座点和第3个星座点的距离的平方的和+第2个星座点和第3个星座点的距离的平方的和。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四中，根据SCMA映射矩阵F和d，采用遍历方法得到生成矩阵G_2K×J：

式中，w_p(j)为不同用户所有的发射信号组合中第p种基带调制信号组合内用户j发射的信号，G(t,j)为G_2K×J中的元素，K为每个天线上的时隙资源数目，J为用户总数，1≤t≤2K。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方法作进一步说明，本实施方式中，步骤五中，基站端上的每个用户根据生成矩阵G_2K×J对要发送的信息进行编码，生成码字s：

s＝G_2K×J·w 公式5，

式中，w＝[w⁽¹⁾,w⁽²⁾,…,w^(J)]^T表示基带调制信号。

Claims (3)

1.基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、计算基站端每个用户所占用的任意两根天线的信道状态系数之差，对得到的所有用户的信道状态系数之差以升序的顺序进行排序，构成用户集合；

步骤二、根据用户集合和采用基于规则度分布的差分信道状态系数排序资源分配算法对每个用户分配天线内的时隙资源且保证每个时隙资源承载的用户数相同，得到SCMA映射矩阵；

步骤三、SCMA映射矩阵按照星座图映射关系，得到每个时隙资源上的每个用户所对应的星座点，根据每个时隙资源上不同星座点之间的距离，得到每个时隙资源上不同星座点之间距离的平方和；

步骤四、根据SCMA映射矩阵和每个时隙资源上不同星座点之间距离的平方和，采用遍历方法得到生成矩阵；

步骤五、基站端上的每个用户根据生成矩阵对要发送的信息进行编码，生成码字，对所有天线在相同时隙资源内接收到的码字进行叠加，生成最终的码本；

步骤三中，每个时隙资源上不同星座点之间距离的平方和为：

式中，

为第p,q个子星座点间的欧式距离，x_p(t)为SCMA映射矩阵中第t个时隙资源对应的子星座图中的第p个星座点，x_q(t)为SCMA映射矩阵中第t个时隙资源对应的子星座图中的第q个星座点，d_f代表第f个时隙资源所承载的用户个数，M代表每个用户的调制阶数，d_t为第t个时隙资源上不同星座点之间距离的平方和；

根据公式2，得到所有天线内所有时隙资源上的不同星座点之间距离的平方和矢量d：

d＝[d₁,…,d_t,…,d_K'] 公式2，

式中，K'表示所有天线上的时隙资源总数，d满足d·h＝|d|·|h|，h＝[h₁,…,h_t,…h_K']，

Φ_t表示使用第t个时隙资源的用户的集合，m^(j)(t)表示基站端第t个时隙资源与第j个用户之间的信道状态系数；

步骤四中，根据SCMA映射矩阵F和d，采用遍历方法得到生成矩阵G_2K×J：

式中，w_p(j)为不同用户所有的发射信号组合中第p种基带调制信号组合内用户j发射的信号，G(t,j)为G_2K×J中的元素，K为每个天线上的时隙资源数目，J为用户总数，1≤t≤2K；

步骤五中，基站端上的每个用户根据生成矩阵G_2K×J对要发送的信息进行编码，生成码字s：

s＝G_2K×J·w 公式4，

式中，w＝[w⁽¹⁾,w⁽²⁾,…,w^(J)]^T表示基带调制信号。

2.根据权利要求1所述的基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方法，其特征在于，所述方法还包括步骤六，

步骤六、接收机采用消息传递迭代译码算法对接收到的所有码本进行解调，得到接收信号。

3.根据权利要求1所述的基于分层空时结构的下行链路SCMA码本设计方法，其特征在于，基站端每个用户所占用的任意两根天线的信道状态系数之差Δh^(j)为：

式中，

表示为基站端的第n_T个天线与第j个用户之间的信道状态系数，n_T＝1,2。

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