CN111555757A - 一种非正交多址系统下行功率及无速率码联合优化方法 - Google Patents

一种非正交多址系统下行功率及无速率码联合优化方法 Download PDF

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CN111555757A CN202010440607.7A CN202010440607A CN111555757A CN 111555757 A CN111555757 A CN 111555757A CN 202010440607 A CN202010440607 A CN 202010440607A CN 111555757 A CN111555757 A CN 111555757A
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Abstract

本发明公开了一种非正交多址系统下行功率及无速率码联合优化方法，首先基站根据其收到各用户的统计信道状态信息，对各用户无速率码度数分布以及为各用户分配的下行发射功率分配进行优化，然后系统开始传输；在之后的传输过程中，基站将原始信息根据度数分布进行无速率编码，码字经调制后按优化的功率分配因子，将功率分配后叠加，再将其发送到两个用户，在两个用户处对接收的码字进行译码恢复信号，最后将恢复的信号在无速率译码图上利用置信传播算法BP进行译码恢复用户信息。本发明可以减小系统反馈开销，提升系统吞吐量，降低系统误码率。

Description

一种非正交多址系统下行功率及无速率码联合优化方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种非正交多址系统下行功率及无速率码联合优化方法。
背景技术
现有的正交多址技术(OMA)和一般的信道编码无法满足未来移动通信海量连接对更高容量的需求，而非正交多址技术(NOMA)技术和无速率编码以高速率、高容量、低时延等良好性能在移动通信中发挥较好的效果。
NOMA不仅以更高的速率超过OMA，而且达到了下行通信信道的容量极限。功率域NOMA的核心思想是通过发射机上使用不同的叠加编码，同时为多个用户服务，通过在接收机上使用串行干扰消除技术(SIC)，消除用户间的干扰。除了叠加编码和SIC之外，功率分配和用户配对也是NOMA的关键设计问题，因为它们保证了用户的公平性。针对一个典型的由基站和两个用户设备组成的NOMA系统，NOMA提供了比OMA更大的和速率，并且可以通过选择信道条件更独特的用户来扩大这个速率增益。
无速率码的速率根据信道的变化而自适应变化，仅需要接收到译码端成功译码反馈的确认字符(ACK)信号停止发送码字，减少了信令开销，能够有效缓解ACK信号反馈延迟带来的系统损失。发送端不需要知道信道状态，优化的无速率码仍然可以具有接近信道容量的性能。无速率码的这些特性使其适用于云接入网中的传输机制。关于无速率码的研究主要包括度分布设计、译码方法设计等，其中度分布函数与无速率码的性能直接相关，决定着译码成功率、译码开销和译码复杂度等，设计无速率码关键在于构造合适的度分布函数。
本发明提供非正交多址系统下行无速率编码传输的功率分配与度数分布联合优化方法，优化得到无速率编码输出度数分布对非正交多址系统的误码性能有了较好的提升。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种非正交多址系统下行功率及无速率码联合优化方法，即提供非正交多址系统下行无速率编码传输的功率分配与度数分布联合优化方法。
所述的一种非正交多址系统下行功率及无速率码联合优化方法，首先基站根据其收到各用户的统计信道状态信息，对各用户无速率码度数分布以及为各用户分配的下行发射功率分配进行优化，然后系统开始传输；在之后的传输过程中，基站将原始信息根据度数分布进行无速率编码，码字经调制后按优化的功率分配因子，将功率分配后叠加，再将其发送到两个用户，在两个用户处对接收的码字进行译码恢复信号，最后将恢复的信号在无速率译码图上利用置信传播算法BP进行译码恢复用户信息。
所述的一种非正交多址系统下行功率及无速率码联合优化方法，其特征在于基站到两个用户的信道为块衰落信道，该信道在两个用户的一轮接收码字中保持不变，系统中基站向两个用户下行传输；其中传输方法具体包括如下步骤：
1.1)基站把各用户原始信息先通过低密度奇偶校验码LDPC编码器进行无速率码的预编码，再经过卢比变换LT编码器再次得到无速率码，对于用户i来说：
LT码度数分布为Ωi(x)＝Ωi，1x+Ωi，2x2+…+Ωi，DxD，i∈{1，2}，Ωi，k是用户i的无速率码度数为k的概率,k＝1，...，D；其中D表示合理设定的常量；
为每一个编码比特c随机地选择一个度数k，从所有的预编码字比特中，等概率地选取k个比特进行模二和运算生成无速率码字比特ci，由此为每个用户源源不断地生成无速率码字；
1.2)基站将无速率码字比特0和1根据二进制相移键控BPSK调制分映射为发送符号1和-1，以此得到各用户i的发送符号xi；
1.3)基站发送信号为
Figure BDA0002504025440000021
其中x1和x2分别表示用户1和用户2的发送符号,分配给用户1的功率为P1＝(1-α)P，分配给用户2的功率为P2＝αP，α为功率分配因子，P为基站发送的总功率；用户1和用户2收到的信号分别为
Figure BDA0002504025440000022
和
Figure BDA0002504025440000023
其中h1和h2分别表示用户1和用户2的信道增益，n1表示用户1的均值为0、方差
Figure BDA0002504025440000024
的加性高斯白噪声，n2表示用户2的均值为0、方差
Figure BDA0002504025440000025
的加性高斯白噪声；
1.4)当α＞0.5或α＝0.5时，则用户2直接使用BP译码算法对x2进行译码；用户1先恢复x2，将其从接收信号中去除，再译码x1；
1.4.1)对于用户2而言，用户2译码x2的信道输出对数似然比LLR表示为:
Figure BDA0002504025440000026
上述公式(1)中xi(s)表示xi的取值为s，其中i∈{1，2}，s∈{1，-1}；
根据上述LLR，采用BP译码算法恢复x2，整个译码过程中可分为两个阶段：在第一阶段，对整个译码图执行译码迭代，直到输入节点的平均LLR超过预定阈值；在第二阶段中，在LDPC译码子图上单独执行译码迭代以去除残留误差；
当译码迭代达到最大次数或译码未满足无速率码的所有校验约束时，译码终止；
1.4.2)对于用户1而言，用户1译码x2的信道LLR表示为:
Figure BDA0002504025440000031
用户1中x2的译码过程和用户2中x2的译码过程相同，均是采用BP译码算法；用户1译码恢复的x2用
Figure BDA0002504025440000032
进行表示，然后根据串行干扰消除方法SIC，将
Figure BDA0002504025440000033
从用户1收到的信号r1中删去，得到修整信号
Figure BDA0002504025440000034
此时
Figure BDA0002504025440000035
为：
Figure BDA0002504025440000036
因此，根据上式译码x1，其信道输出LLR表示为:
Figure BDA0002504025440000037
用户1中x1的译码和x2的译码过程相同，都是采用BP算法进行译码；
1.5)当α＜0.5，则用户1直接使用译码算法对x1进行译码；而用户2先恢复x1，将其从接收信号中去除，再译码x2；
1.5.1)对于用户1而言，用户1译码x1的信道输出LLR表示为:
Figure BDA0002504025440000038
根据上述LLR，采用BP译码算法恢复x1，整个译码过程中可分为两个阶段：在第一阶段，对整个译码图执行译码迭代，直到输入节点的平均LLR超过预定阈值；在第二阶段中，在LDPC译码子图上单独执行译码迭代以去除残留误差；
当译码迭代达到最大次数或译码未满足无速率码的所有校验约束时，译码终止；
1.5.2)对于用户2而言，用户2译码x1的信道LLR表示为:
Figure BDA0002504025440000039
用户2中x1的译码过程和用户1中x1的译码过程相同，均是采用BP译码算法，用户2译码恢复的x1用
Figure BDA00025040254400000310
进行表示，然后根据串行干扰消除方法SIC，将
Figure BDA00025040254400000311
从用户2收到的信号r2中删去，得到修整信号
Figure BDA00025040254400000312
此时
Figure BDA00025040254400000313
为：
Figure BDA00025040254400000314
因此，根据上式译码x2，其信道输出LLR表示为:
Figure BDA0002504025440000041
对于用户2中x2的译码和x1的译码过程相同，都是采用BP算法进行译码。
所述的一种非正交多址系统下行功率及无速率码联合优化方法，其特征在于各用户处无速率码根据网络信道状态和功率分配在传输开始前进行优化，进行优化的过程具体包括以下步骤：
2.1)获得用户译码过程中LT输出节点向输入节点传递的外信息更新公式：当α＞0.5时，首先在用户2译码x2的无速率译码图上分析外信息EI更新过程：
步骤1：LLR消息从用户2的x2的输入节点传送到LDPC校验节点，LLR消息的外信息EI是：
Figure BDA0002504025440000042
其中
Figure BDA0002504025440000043
是在第(l-1)次迭代中从输出节点传送到输入节点消息的EI，αi，d是用户i(i∈{1，2})度数为d的输入节点在输入节点中所占的比例，dv表示输入节点的最大度数，其中J是服从均值为τ、方差为2τ的LLR消息的外信息：
Figure BDA0002504025440000044
步骤2：从LDPC校验节点到用户2的x2的输入节点的EI是：
Figure BDA0002504025440000045
其中ξd是度数为d的LDPC变量节点在LDPC变量节点中所占的比例，d′v为最大的LDPC变量节点度数；其中
Figure BDA0002504025440000046
是随机选择的一条边连接到度数为d的LDPC校验节点的概率，并且d′c是LDPC校验节点最大的度数；
步骤3：从用户2的x2的输入节点到输出节点的EI是：
Figure BDA0002504025440000047
其中
Figure BDA0002504025440000048
是用户i(i∈{1，2})边连接到具有度数d的输入节点的概率；
步骤4：从用户2的x2的输出节点到输入节点的EI更新：
Figure BDA0002504025440000049
其中ωi，d表示用户i(i∈{1，2})边连接到具有度数d的输出节点的概率；
α＝0.5和α＜0.5时的外信息更新过程与α＞0.5相同，这里不再赘述。
同样地，能够推断出用户1译x2的EI更新过程为：
Figure BDA0002504025440000051
用户1继而恢复x1的EI更新过程为：
Figure BDA0002504025440000052
其中用户i译码信号xj的互信息Ii，j，i∈{1，2}，j∈{1，2}，互信息Ii，j是根据下式(16)-(18)进行计算：
对于用户2译码x2，互信息I2，2为：
I2，2＝I(x2，L(x2|r2)) (16)
对于用户1译码x2，互信息I1，2为：
I1，2＝I(x2，L(x2|r1)) (17)
对于用户1译码x1，互信息I1，2为：
I1，1＝I(x1，L(x1|r1)) (18)
上式(16)-(18)等式右边的互信息均是由蒙特卡洛方法获得；
2.2)根据2.1)过程的外信息更新公式，联合优化功率分配因子α以及用户1和用户2的无速率码度数分布，优化步骤如下：
步骤1：当α＞0.5或α＝0.5时，则对应的优化目标为求取无速率码平均码长的最小值，优化目标和限定条件如下所示：
Figure BDA0002504025440000053
a).优化目标公式中：
m表示块衰落信道的Q种信道状态；
tm表示第m种信道状态下能够保证用户1和用户2成功译码的无速率码码长；
Lm表示用户i(i∈{1，2})译码xj(j∈{1，2})的无速率码码长；
Figure BDA0002504025440000061
表示块衰落信道的Q种信道状态中第m种信道状态下的信道概率(每种信道情况都是等概率出现的)；
b).在公式(19)的限定条件中：
C1和C2条件分别表示x1和x2的无速率码输出节点的边度数分布概率之和为1,ωi，d(i∈{1，2})表示边度数分布概率，其中d表示边度数，dc为合理设定的常量，这里取值为60；
C3和C4分别表示用户i(i∈{1，2})进行BP译码的初始条件,ωi，1(i∈{1，2})表示xi边度数为1的概率，ε是大于零的小数常量，这里ε取值为0.001；
C5、C6和C7条件中
Figure BDA0002504025440000062
分别表示在第m种信道状态下用户i(i∈{1，2})译码xj(j∈{1，2})的信道输出外信息EI，l′是最大译码迭代次数，
Figure BDA0002504025440000063
为在第m种信道状态下用户i译码xj的正确译码时的外信息最小门限；
C8、C9、C10条件中
Figure BDA0002504025440000064
表示在第m种信道状态下用户i(i∈{1，2})译码xj(j∈{1，2})所需的无速率码长，其中K表示基站发给用户的消息长度；Rp表示LDPC预编码的编码速率，
Figure BDA0002504025440000065
表示第m种信道状态下xi(i∈{1，2})的信道外信息输出为1时的输入节点平均度数，Ii，j，m表示第m种信道状态下用户i(i∈{1，2})译码xj(j∈{1，2})信道的互信息。
步骤2：穷举功率分配因子α，通过线性规划方法优化出信号xi(i∈{1，2})的最优边度数分布ωi(x)，以及最优功率分配因子；
步骤3：当α＜0.5时，对应的联合优化问题如下所示：
Figure BDA0002504025440000066
Figure BDA0002504025440000071
优化目标公式和限定条件的描述已经在步骤1的a)和b)中进行解释，这里不再赘述；
步骤4：穷举功率分配因子α，通过线性规划方法优化出信号xi(i∈{1，2})的最优边度数分布ωi(x)，以及最优功率分配因子；
步骤5：根据以上4个步骤获得的目标函数值，选取其中的较小值，其对应的功率分配因子和边度数分布，即为最优的功率分配因子和边度数分布；通过公式
Figure BDA0002504025440000072
换算得到最优无速率码度数分布Ω(x)。
附图说明
图1为非正交多址系统基站向两个用户下行传输示意图；
图2为无速率码译码图；
图3为本专利方法与其他方法优化的系统吞吐量比较图(对比方法为采用二进制擦除信道(BEC)所得的结果)。
具体实施方式
以下结合说明书附图及实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
参照图1-3，非正交多址传输下无速率码度数分布和功率分配的联合优化方法，具体包括如下步骤：首先基站根据其收到各用户的统计信道状态信息，对各用户无速率码度数分布以及为各用户分配的下行发射功率分配进行优化，然后系统开始传输；在之后的传输过程中，基站将原始信息根据度数分布进行无速率编码，码字经调制后按优化的功率分配因子，将功率分配后叠加，再将其发送到两个用户，在两个用户处对接收的码字进行译码恢复信号，最后将恢复的信号在无速率译码图上利用置信传播算法BP进行译码恢复用户信息。
1.传输方法具体包括如下步骤：
1.1)基站把各用户原始信息先通过低密度奇偶校验码LDPC编码器进行无速率码的预编码，再经过卢比变换LT编码器再次得到无速率码，对于用户i来说：
LT码度数分布为Ωi(x)＝Ωi，1x+Ωi，2x2+…+Ωi，DxD，i∈{1，2}，Ωi，k是用户i的无速率码度数为k的概率,k＝1，...，D；其中D表示合理设定的常量，这里取值为60；
为每一个编码比特c随机地选择一个度数k，从所有的预编码字比特中，等概率地选取k个比特进行模二和运算生成无速率码字比特ci，由此为每个用户源源不断地生成无速率码字；
1.2)基站将无速率码字比特0和1根据二进制相移键控BPSK调制分映射为发送符号1和-1，以此得到各用户i的发送符号xi；
1.3)基站发送信号为
Figure BDA0002504025440000081
其中x1和x2分别表示用户1和用户2的发送符号,分配给用户1的功率为P1＝(1-α)P，分配给用户2的功率为P2＝αP，α为功率分配因子，P为基站发送的总功率；用户1和用户2收到的信号分别为
Figure BDA0002504025440000082
和
Figure BDA0002504025440000083
其中h1和h2分别表示用户1和用户2的信道增益，n1表示用户1的均值为0、方差
Figure BDA0002504025440000084
的加性高斯白噪声，n2表示用户2的均值为0、方差
Figure BDA0002504025440000085
的加性高斯白噪声；
1.4)当α＞0.5或α＝0.5时，则用户2直接使用BP译码算法对x2进行译码；用户1先恢复x2，将其从接收信号中去除，再译码x1；
1.4.1)对于用户2而言，用户2译码x2的信道输出对数似然比LLR表示为:
Figure BDA0002504025440000086
上述公式(1)中xi(s)表示xi的取值为s，其中i∈{1，2}，s∈{1，-1}；
根据上述LLR，采用BP译码算法恢复x2，整个译码过程中可分为两个阶段：在第一阶段，对整个译码图执行译码迭代，直到输入节点的平均LLR超过预定阈值；在第二阶段中，在LDPC译码子图上单独执行译码迭代以去除残留误差；
当译码迭代达到最大次数或译码未满足无速率码的所有校验约束时，译码终止；
1.4.2)对于用户1而言，用户1译码x2的信道LLR表示为:
Figure BDA0002504025440000087
用户1中x2的译码过程和用户2中x2的译码过程相同，均是采用BP译码算法；用户1译码恢复的x2用
Figure BDA0002504025440000091
进行表示，然后根据串行干扰消除方法SIC，将
Figure BDA0002504025440000092
从用户1收到的信号r1中删去，得到修整信号
Figure BDA0002504025440000093
此时
Figure BDA0002504025440000094
为：
Figure BDA0002504025440000095
因此，根据上式译码x1，其信道输出LLR表示为:
Figure BDA0002504025440000096
用户1中x1的译码和x2的译码过程相同，都是采用BP算法进行译码；
1.5)当α＜0.5，则用户1直接使用译码算法对x1进行译码；而用户2先恢复x1，将其从接收信号中去除，再译码x2；
1.5.1)对于用户1而言，用户1译码x1的信道输出LLR表示为:
Figure BDA0002504025440000097
根据上述LLR，采用BP译码算法恢复x1，整个译码过程中可分为两个阶段：在第一阶段，对整个译码图执行译码迭代，直到输入节点的平均LLR超过预定阈值；在第二阶段中，在LDPC译码子图上单独执行译码迭代以去除残留误差；
当译码迭代达到最大次数或译码未满足无速率码的所有校验约束时，译码终止；
1.5.2)对于用户2而言，用户2译码x1的信道LLR表示为:
Figure BDA0002504025440000098
用户2中x1的译码过程和用户1中x1的译码过程相同，均是采用BP译码算法，用户2译码恢复的x1用
Figure BDA0002504025440000099
进行表示，然后根据串行干扰消除方法SIC，将
Figure BDA00025040254400000910
从用户2收到的信号r2中删去，得到修整信号
Figure BDA00025040254400000911
此时
Figure BDA00025040254400000912
为：
Figure BDA00025040254400000913
因此，根据上式译码x2，其信道输出LLR表示为:
Figure BDA00025040254400000914
对于用户2中x2的译码和x1的译码过程相同，都是采用BP算法进行译码。
各用户处无速率码根据网络信道状态和功率分配在传输开始前进行优化，进行优化的过程具体包括以下步骤：
2.1)获得用户译码过程中LT输出节点向输入节点传递的外信息更新公式：当α＞0.5时，首先在用户2译码x2的无速率译码图上分析外信息EI更新过程：
步骤1：LLR消息从用户2的x2的输入节点传送到LDPC校验节点，LLR消息的外信息EI是：
Figure BDA0002504025440000101
其中
Figure BDA0002504025440000102
是在第(l-1)次迭代中从输出节点传送到输入节点消息的EI，αi，d是用户i(i∈{1，2})度数为d的输入节点在输入节点中所占的比例，dv表示输入节点的最大度数，其中J是服从均值为τ、方差为2τ的LLR消息的外信息：
Figure BDA0002504025440000103
步骤2：从LDPC校验节点到用户2的x2的输入节点的EI是：
Figure BDA0002504025440000104
其中ξd是度数为d的LDPC变量节点在LDPC变量节点中所占的比例，d′v为最大的LDPC变量节点度数；其中
Figure BDA00025040254400001010
是随机选择的一条边连接到度数为d的LDPC校验节点的概率，并且d′c是LDPC校验节点最大的度数；
步骤3：从用户2的x2的输入节点到输出节点的EI是：
Figure BDA0002504025440000105
其中
Figure BDA0002504025440000106
是用户i(i∈{1，2})边连接到具有度数d的输入节点的概率；
步骤4：从用户2的x2的输出节点到输入节点的EI更新：
Figure BDA0002504025440000107
其中ωi，d表示用户i(i∈{1，2})边连接到具有度数d的输出节点的概率；
α＝0.5和α＜0.5时的外信息更新过程与α＞0.5相同，这里不再赘述。
同样地，能够推断出用户1译x2的EI更新过程为：
Figure BDA0002504025440000108
用户1继而恢复x1的EI更新过程为：
Figure BDA0002504025440000109
其中用户i译码信号xj的互信息Ii，j，i∈{1，2}，j∈{1，2}，互信息Ii，，j是根据下式(16)-(18)进行计算：
对于用户2译码x2，互信息I2，2为：
I2，2＝I(x2，L(x2|r2)) (16)
对于用户1译码x2，互信息I1，2为：
I1，2＝I(x2，L(x2|r1)) (17)
对于用户1译码x1，互信息I1，2为：
I1，1＝I(x1，L(x1|r1)) (18)
上式(16)-(18)等式右边的互信息均是由蒙特卡洛方法获得；
2.2)根据2.1)过程的外信息更新公式，联合优化功率分配因子α以及用户1和用户2的无速率码度数分布，优化步骤如下：
步骤1：当α＞0.5或α＝0.5时，则对应的优化目标为求取无速率码平均码长的最小值，优化目标和限定条件如下所示：
Figure BDA0002504025440000111
a).优化目标公式中：
m表示块衰落信道的Q种信道状态；
tm表示第m种信道状态下能够保证用户1和用户2成功译码的无速率码码长；
Lm表示用户i(i∈{1，2})译码xj(j∈{1，2})的无速率码码长；
Figure BDA0002504025440000112
表示块衰落信道的Q种信道状态中第m种信道状态下的信道概率(每种信道情况都是等概率出现的)；
b).在公式(19)的限定条件中：
C1和C2条件分别表示x1和x2的无速率码输出节点的边度数分布概率之和为1,ωi，d(i∈{1，2})表示边度数分布概率，其中d表示边度数，dc为合理设定的常量，这里取值为60；
C3和C4分别表示用户i(i∈{1，2})进行BP译码的初始条件,ωi，1(i∈{1，2})表示xi边度数为1的概率，ε是大于零的小数常量，这里ε取值为0.001；
C5、C6和C7条件中
Figure BDA0002504025440000121
分别表示在第m种信道状态下用户i(i∈{1，2})译码xj(j∈{1，2})的信道输出外信息EI，l′是最大译码迭代次数，
Figure BDA0002504025440000122
为在第m种信道状态下用户i译码xj的正确译码时的外信息最小门限；
C8、C9、C10条件中
Figure BDA0002504025440000123
表示在第m种信道状态下用户i(i∈1，2})译码xj(j∈{1，2})所需的无速率码长，其中K表示基站发给用户的消息长度；Rp表示LDPC预编码的编码速率，
Figure BDA0002504025440000124
表示第m种信道状态下xi(i∈{1，2})的信道外信息输出为1时的输入节点平均度数，Ii，j，m表示第m种信道状态下用户i(i∈{1，2})译码xj(j∈{1，2})信道的互信息。
步骤2：穷举功率分配因子α，通过线性规划方法优化出信号xi(i∈{1，2})的最优边度数分布ωi(x)，以及最优功率分配因子；
步骤3：当α＜0.5时，对应的联合优化问题如下所示：
Figure BDA0002504025440000125
优化目标公式和限定条件的描述已经在步骤1的a)和b)中进行解释，这里不再赘述；
步骤4：穷举功率分配因子α，通过线性规划方法优化出信号xi(i∈{1，2})的最优边度数分布ωi(x)，以及最优功率分配因子；
步骤5：根据以上4个步骤获得的目标函数值，选取其中的较小值，其对应的功率分配因子和边度数分布，即为最优的功率分配因子和边度数分布；通过公式
Figure BDA0002504025440000131
换算得到最优无速率码度数分布Ω(x)。

Claims (4)

1.一种非正交多址系统下行功率及无速率码联合优化方法，首先基站根据其收到各用户的统计信道状态信息，对各用户无速率码度数分布以及为各用户分配的下行发射功率分配进行优化，然后系统开始传输；在之后的传输过程中，基站将原始信息根据度数分布进行无速率编码，码字经调制后按优化的功率分配因子，将功率分配后叠加，再将其发送到两个用户，在两个用户处对接收的码字进行译码恢复信号，最后将恢复的信号在无速率译码图上利用置信传播算法BP进行译码恢复用户信息。
2.如权利要求1所述的一种非正交多址系统下行功率及无速率码联合优化方法，其特征在于基站到两个用户的信道为块衰落信道，该信道在两个用户的一轮接收码字中保持不变，系统中基站向两个用户下行传输；其中传输方法具体包括如下步骤：
2.1)基站把各用户原始信息先通过低密度奇偶校验码LDPC编码器进行无速率码的预编码，再经过卢比变换LT编码器再次编码得到无速率码，对于用户i来说：
LT码度数分布为Ωi(x)＝Ωi，1x+Ωi，2x2+...+Ωi，DxD，i∈{1，2}，Ωi，k是用户i的无速率码度数为k的概率，k＝1，...，D；其中D表示合理设定的常量；
为每一个编码比特c随机地选择一个度数k，从所有的预编码字比特中，等概率地选取k个比特进行模二和运算生成无速率码字比特ci，由此为每个用户源源不断地生成无速率码字；
2.2)基站将无速率码字比特0和1根据二进制相移键控BPSK调制分映射为发送符号1和-1，以此得到各用户i的发送符号xi；
2.3)基站发送信号为
Figure FDA0002504025430000011
其中x1和x2分别表示用户1和用户2的发送符号，分配给用户1的功率为P1＝(1-α)P，分配给用户2的功率为P2＝αP，α为功率分配因子，P为基站发送的总功率；用户1和用户2收到的信号分别为
Figure FDA0002504025430000012
和
Figure FDA0002504025430000013
其中h1和h2分别表示用户1和用户2的信道增益，n1表示用户1的均值为0、方差
Figure FDA0002504025430000014
的加性高斯白噪声，n2表示用户2的均值为0、方差
Figure FDA0002504025430000015
的加性高斯白噪声；
2.4)当α＞0.5或α＝0.5时，则用户2直接使用BP译码算法对x2进行译码；用户1先恢复x2，将其从接收信号中去除，再译码x1；
2.4.1)对于用户2而言，用户2译码x2的信道输出对数似然比LLR表示为：
Figure FDA0002504025430000016
上述公式(1)中xi(s)表示xi的取值为s，其中i∈{1，2}，s∈{1，-1}；
根据上述LLR，采用BP译码算法恢复x2，整个译码过程中可分为两个阶段：在第一阶段，对整个译码图执行译码迭代，直到输入节点的平均LLR超过预定阈值；在第二阶段中，在LDPC译码子图上单独执行译码迭代以去除残留误差；
当译码迭代达到最大次数或译码未满足无速率码的所有校验约束时，译码终止：
2.4.2)对于用户1而言，用户1译码x2的信道LLR表示为：
Figure FDA0002504025430000021
用户1中x2的译码过程和用户2中x2的译码过程相同，均是采用BP译码算法；用户1译码恢复的x2用
Figure FDA0002504025430000022
进行表示，然后根据串行干扰消除方法SIC，将
Figure FDA0002504025430000023
从用户1收到的信号r1中删去，得到修整信号
Figure FDA0002504025430000024
此时
Figure FDA0002504025430000025
为：
Figure FDA0002504025430000026
因此，根据上式译码x1，其信道输出LLR表示为：
Figure FDA0002504025430000027
用户1中x1的译码和x2的译码过程相同，都是采用BP算法进行译码；
2.5)当α＜0.5，则用户1直接使用译码算法对x1进行译码；而用户2先恢复x1，将其从接收信号中去除，再译码x2；
2.5.1)对于用户1而言，用户1译码x1的信道输出LLR表示为：
Figure FDA0002504025430000028
根据上述LLR，采用BP译码算法恢复x1，整个译码过程中可分为两个阶段：在第一阶段，对整个译码图执行译码迭代，直到输入节点的平均LLR超过预定阈值；在第二阶段中，在LDPC译码子图上单独执行译码迭代以去除残留误差；
当译码迭代达到最大次数或译码未满足无速率码的所有校验约束时，译码终止；
2.5.2)对于用户2而言，用户2译码x1的信道LLR表示为：
Figure FDA0002504025430000031
用户2中x1的译码过程和用户1中x1的译码过程相同，均是采用BP译码算法，用户2译码恢复的x1用竞1进行表示，然后根据串行干扰消除方法SIC，将
Figure FDA0002504025430000032
从用户2收到的信号r2中删去，得到修整信号
Figure FDA0002504025430000033
此时
Figure FDA0002504025430000034
为：
Figure FDA0002504025430000035
因此，根据上式译码x2，其信道输出LLR表示为：
Figure FDA0002504025430000036
对于用户2中x2的译码和x1的译码过程相同，都是采用BP算法进行译码。
3.如权利要求1所述的一种非正交多址系统下行功率及无速率码联合优化方法，其特征在于各用户处无速率码根据网络信道状态和功率分配在传输开始前进行优化，进行优化的过程具体包括以下步骤：
3.1)获得用户译码过程中LT输出节点向输入节点传递的外信息更新公式：首先在用户2译码x2的无速率译码图上分析外信息EI更新过程：
步骤1：LLR消息从用户2的x2的输入节点传送到LDPC校验节点，LLR消息的外信息EI是：
Figure FDA0002504025430000037
其中
Figure FDA0002504025430000038
是在第(l-1)次迭代中从输出节点传送到输入节点消息的EI，αi，d是用户i(i∈{1，2})度数为d的输入节点在输入节点中所占的比例，dv表示输入节点的最大度数，其中J是服从均值为τ、方差为2τ的LLR消息的外信息：
Figure FDA0002504025430000039
步骤2：从LDPC校验节点到用户2的x2的输入节点的EI是：
Figure FDA00025040254300000310
其中ξd是度数为d的LDPC变量节点在LDPC变量节点中所占的比例，d′v为最大的LDPC变量节点度数；其中
Figure FDA00025040254300000311
是随机选择的一条边连接到度数为d的LDPC校验节点的概率，并且d′c是LDPC校验节点最大的度数；
步骤3：从用户2的x2的输入节点到输出节点的EI是：
Figure FDA0002504025430000041
其中
Figure FDA0002504025430000042
是用户i(i∈{1，2})边连接到具有度数d的输入节点的概率；
步骤4：从用户2的x2的输出节点到输入节点的EI更新：
Figure FDA0002504025430000043
其中ωi，d表示用户i(i∈{1，2})边连接到具有度数d的输出节点的概率；
同样地，能够推断出用户1译x2的EI更新过程为：
Figure FDA0002504025430000044
用户1继而恢复x1的EI更新过程为：
Figure FDA0002504025430000045
其中用户i译码信号xj的互信息Ii，j，i∈{1，2}，j∈{1，2}，互信息Ii，j是根据下式(16)-(18)进行计算：
对于用户2译码x2，互信息I2，2为：
I2，2＝I(x2，L(x2|r2)) (16)
对于用户1译码x2，互信息I1，2为：
I1，2＝I(x2，L(x2|r1)) (17)
对于用户1译码x1，互信息I1，2为：
I1，1＝I(x1，L(x1|r1)) (18)
上式(16)-(18)等式右边的互信息均是由蒙特卡洛方法获得；
3.2)根据3.1)过程的外信息更新公式，联合优化功率分配因子α以及用户1和用户2的无速率码度数分布，优化步骤如下：
步骤1：当α＞0.5或α＝0.5时，则对应的优化目标为求取无速率码平均码长的最小值，优化目标和限定条件如下所示：
Figure FDA0002504025430000046
Figure FDA0002504025430000051
a).优化目标公式中：
m表示块衰落信道的Q种信道状态；
tm表示第m种信道状态下能够保证用户1和用户2成功译码的无速率码码长；
Lm表示用户i(i∈{1，2})译码xj(j∈{1，2})的无速率码码长；
Figure FDA0002504025430000052
表示块衰落信道的Q种信道状态中第m种信道状态下的信道概率，其中每种信道状态的情况都是等概率出现的；
b).在公式(19)的限定条件中：
C1和C2条件分别表示x1和x2的无速率码输出节点的边度数分布概率之和为1，ωi，d(i∈{1，2})表示边度数分布概率，其中d表示边度数，dc为合理设定的常量；
C3和C4分别表示用户i(i∈{1，2})进行BP译码的初始条件，ωi，1(i∈{1，2})表示xi边度数为1的概率，ε是大于零的小数常量；
C5、C6和C7条件中
Figure FDA0002504025430000053
分别表示在第m种信道状态下用户i(i∈{1，2})译码xj(j∈{1，2})的信道输出外信息EI，l′是最大译码迭代次数，
Figure FDA0002504025430000054
为在第m种信道状态下用户i译码xj的正确译码时的外信息最小门限；
C8、C9、C10条件中
Figure FDA0002504025430000055
表示在第m种信道状态下用户i(i∈{1，2})译码xj(j∈{1，2})所需的无速率码长，其中K表示基站发给用户的消息长度；Rp表示LDPC预编码的编码速率，
Figure FDA0002504025430000056
表示第m种信道状态下xi(i∈{1，2})的信道外信息输出为1时的输入节点平均度数，Ii，j，m表示第m种信道状态下用户i(i∈{1，2})译码xj(j∈{1，2})信道的互信息；
步骤2：穷举功率分配因子α，通过线性规划方法优化出信号xi(i∈{1，2})的最优边度数分布ωi(x)，以及最优功率分配因子；
步骤3：当α＜0.5时，对应的联合优化问题如下所示：
Figure FDA0002504025430000061
步骤4：穷举功率分配因子α，通过线性规划方法优化出信号xi(i∈{1，2})的最优边度数分布ωi(x)，以及最优功率分配因子；
步骤5：根据以上4个步骤获得的目标函数值，选取其中的较小值，其对应的功率分配因子和边度数分布，即为最优的功率分配因子和边度数分布；通过公式
Figure FDA0002504025430000062
换算得到最优无速率码度数分布Ω(x)。
4.如权利要求3所述的一种非正交多址系统下行功率及无速率码联合优化方法，其特征在于ε取值为0.001。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112911714A (zh) * 2021-02-01 2021-06-04 福州大学 基于功率分配的noma两用户下行链路的译码方法
CN113727283A (zh) * 2021-05-26 2021-11-30 中南大学 零时延相关信源广播通信方法
CN114337925A (zh) * 2021-12-28 2022-04-12 福州大学 非正交多址接入下基于极化码与物理层的联合编译码方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080165889A1 (en) * 2007-01-08 2008-07-10 The Mitre Corporation Methods, Systems, and Computer Program Products for Rateless Coding
CN106162846A (zh) * 2016-06-21 2016-11-23 华中科技大学 一种考虑sic能耗的两用户noma下行能效优化方法
CN106658694A (zh) * 2015-08-03 2017-05-10 电信科学技术研究院 一种分配下行功率的方法、装置和系统
CN109245800A (zh) * 2018-10-11 2019-01-18 浙江工业大学 云接入网下行无速率码度数分布以及预编码联合优化方法
CN110213822A (zh) * 2019-04-26 2019-09-06 浙江工业大学 一种基于数据安全的非正交多址接入系统下行链路线性搜索式功率分配优化方法
CN111030779A (zh) * 2019-12-10 2020-04-17 浙江工业大学 一种云接入网压缩传输下无速率码度数分布优化方法
CN111162876A (zh) * 2019-12-31 2020-05-15 三维通信股份有限公司 两用户上行传输的无速率编码方法和无速率码译码方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080165889A1 (en) * 2007-01-08 2008-07-10 The Mitre Corporation Methods, Systems, and Computer Program Products for Rateless Coding
CN106658694A (zh) * 2015-08-03 2017-05-10 电信科学技术研究院 一种分配下行功率的方法、装置和系统
CN106162846A (zh) * 2016-06-21 2016-11-23 华中科技大学 一种考虑sic能耗的两用户noma下行能效优化方法
CN109245800A (zh) * 2018-10-11 2019-01-18 浙江工业大学 云接入网下行无速率码度数分布以及预编码联合优化方法
CN110213822A (zh) * 2019-04-26 2019-09-06 浙江工业大学 一种基于数据安全的非正交多址接入系统下行链路线性搜索式功率分配优化方法
CN111030779A (zh) * 2019-12-10 2020-04-17 浙江工业大学 一种云接入网压缩传输下无速率码度数分布优化方法
CN111162876A (zh) * 2019-12-31 2020-05-15 三维通信股份有限公司 两用户上行传输的无速率编码方法和无速率码译码方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112911714A (zh) * 2021-02-01 2021-06-04 福州大学 基于功率分配的noma两用户下行链路的译码方法
CN113727283A (zh) * 2021-05-26 2021-11-30 中南大学 零时延相关信源广播通信方法
CN113727283B (zh) * 2021-05-26 2022-09-23 中南大学 零时延相关信源广播通信方法
CN114337925A (zh) * 2021-12-28 2022-04-12 福州大学 非正交多址接入下基于极化码与物理层的联合编译码方法
CN114337925B (zh) * 2021-12-28 2024-01-26 福州大学 非正交多址接入下基于极化码与物理层的联合编译码方法

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