CN112003680A - 一种scma系统中低复杂度多用户检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SCMA系统中低复杂度多用户检测方法，包括以下步骤：步骤1，在SCMA系统中接收端对同一用户在不同资源上进行信道系数对比；步骤2，将不同信道系数的资源分配不同的功率；步骤3，在资源上进行多用户检测码字检测、分离；步骤4，将同一资源上检测、分离的用户归为一组；步骤5，以资源块为分组单位进行逐组用消息传递算法进行检测、分离运算，将用户码子检测出；步骤6，输出所有用户检测结果。本发明是以资源为用户分组依据，依次将不同用户组进行解码分离，由于已经分离出的用户不需要参与后续的迭代运算，所以整体的运算复杂度将会降低，且不会有性能的损失。

Description

一种SCMA系统中低复杂度多用户检测方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种SCMA系统中接收端的多用户检测方法，即SCMA系统中基于功率分配的消息传递算法(PA-MPA)。

背景技术

在未来第五代移动通信(Fifth Generation,5G)时代，由于移动互联网与物联网(Internet of Things,IoT)业务的高速发展驱动下,未来将会是海量的移动设备连接，且要求极低的空口时延，这无疑给无线空口技术提出了更加严峻的挑战。因此，为了满足5G的应用场景需求，传统的正交多址技术(Orthogonal Multiple Access,OMA)比如时分多址、频分多址等，已经不能够满足未来无线通信发展的要求，就需要将目光转向一些非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA),新型的多址接入技术接着成为了无线通信的热门研究问题。

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，可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完整。本发明的目的是提供一种SCMA系统中低复杂度多用户检测方法，在大幅度降低多用户检测计算复杂度的同时，还能够保证BER性能与原始MPA的性能基本一致。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种SCMA系统中低复杂度多用户检测方法，包括以下步骤：

步骤1，在SCMA系统中接收端对同一用户在不同资源上进行信道系数对比；

步骤2，将不同信道系数的资源分配不同的功率；

步骤3，在资源上进行多用户检测码字检测、分离；

步骤4，将同一资源上检测、分离的用户归为一组；

步骤5，以资源块为分组单位进行逐组用消息传递算法进行检测、分离运算，将用户码子检测出；

步骤6，输出所有用户检测结果。

所述步骤2中，发送端的功率根据接收端反馈的信道增益情况调整分配，将每个用户在不同资源上的发送功率根据信道系数的降序排列进行排序，即用户在信道质量越好的信道上所分配到的发送功率越大，而在信道质量较差的信道上分配的功率较小。

所述步骤3中，用户选择在功率最大的资源上进行码字检测。

所述步骤5中，根据优先级经过迭代优先分离出优先级高的用户组，然后再经迭代再将次优级用户组进行分离解码，直到将优先级最低的用户组解码分离出来，最终得到所有用户的码字。

所述步骤5中，引入迭代收敛判断因子

用于加速迭代终止；用

计算此次迭代与上次迭代的信息是否相同,以此判断此次迭代是否收敛,公式为：

其中，r_k→u_j为资源k到用户j，t表示当前迭代次数，

表示第t次迭代时用户j到资源k的信息更新；

若

表示迭代已收敛，反之，未收敛。

有益效果：本发明将不同信道系数的资源分配不同的功率，对于信道系数大的，即信道质量好的资源上分配的功率大，可以加速在此资源上此用户的检测收敛速度。减少了迭代次数，不仅不影响解码的BER性能，而且还可以大大降低解码端运算复杂度。由于针对每个用户只在功率最大的资源上进行检测，避免了在多个用户进行多用户检测，可以降低检测所需复杂度。尤其是针对于现实运用的大尺寸码本，这种方案的优点会更加突出，更加优越，所有具有相当的实际运用价值。

附图说明

图1为SCMA系统模型图；

图2为SCMA系统的因子图；

图3为功率分配后的因子图；

图4为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图4所示，本发明的一种SCMA系统中低复杂度多用户检测方法，包括以下步骤：

步骤1，在SCMA系统中接收端对同一用户在不同资源上进行信道系数对比；

步骤2，将不同信道系数的资源分配不同的功率；

步骤3，在资源上进行多用户检测码字检测、分离；

步骤4，将同一资源上检测、分离的用户归为一组；

步骤5，以资源块为分组单位进行逐组用消息传递算法进行检测、分离运算，将用户码子检测出；其中，根据优先级经过迭代优先分离出优先级高的用户组，然后再经迭代再将次优级用户组进行分离解码，直到将优先级最低的用户组解码分离出来，最终得到所有用户的码字；

步骤6，输出所有用户检测结果。

如图1所示，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，即从

比特映射到C，其中

是大小为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)。它们的连接关系的因子图如下：

从上述的因子图可以知道用户用资源块之间的连接关系，连接关系如图1。

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FN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FNs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。其中传输信号的表达式为：

X_k＝h_k,ix_k,i+h_k,jx_k,j+h_k,lx_k,l (5)

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 (6)

对比式(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。

在传统的码分多址系统中，功率控制对系统至关重要。功率控制不仅可降低系统干扰，提升性能，对系统容量的提高也具有重要意义。作为码字领域中的一种新型多址技术的SCMA，可以看作QAM映射与CDMA技术相结合的技术。将传输信号直接映射成一个复杂稀疏的多维码本，将多维码本以非正交形式进行传输的技术。因此可以将SCMA看成是一个泛化的低密度信号，用于解决5G中海量的连接、要求更好的服务质量以及较高的系统容量等需求的解决方案。

在CDMA中功率控制将直接影响系统接收端多用户检测的复杂度。同样作为码字领域的多址技术的SCMA，在SCMA中主要根据用户功率进行区分，从而本发明提出基于功率控制的消息传递算法，旨在降低在系统接收端多用户检测、解码的复杂度的目的。本发明提出基于功率分配的消息传递算法可以在保障多用户检测性能的同时降低检测所需运算复杂度。

如图3，从因子图F可以得到每个用户与多个资源相互连接，即用户将数据流映射成码字后需要多个资源进行传输，在华为所提供的码本中码本尺寸M＝4，资源数为4，而在传输过程中每个用户只占用其中的两个资源。在此矩阵中行表示资源，其中全0的行表示不占用此资源，而每一列表示为一个码字，列数表示的为码本尺寸M。在此码本中码本尺寸为4，用户用第二与第四资源进行信息的传输，在上述的码本中码字是互不相同的，而且同一个码字的不同资源上的码字信息也是互不相同的，假设在接收端已经知道在发送端预先分配给用户码本，那么根据上述的分析只计算得到一个资源上的部分码字信息，则可以根据预设码本进行查找，另外资源上的信息不需要由接收端的MPA算法经过大量的迭代运算而得到，比如求得第四资源上的一部分码字为0.2243，为用户码本中第三个码字。此码字在第二资源上的码字为0.6351+1j*0.4615，可以直接根据码本读取得到。由于消息传递算法在计算其余用户需要借助此信息，所以必须将第二资源的码字信息进行存储。

但是码字的传输需要用多个资源进行传输，如何选取优先检测、解码的资源是本方案的难点。比如此码本中的两个资源如何选择关系检测、解码的复杂度。

SCMA系统中，由于多个用户会共享时，频资源，所以主要以功率区分不同的用户，当不同用户的码字叠加于同一资源上时，接收功率大的用户相比于接收功率小的用户更加容易的优先的被检测出。在上述的码本的例子中，整个系统占用四个资源，那么六个用户到四个资源间的信道都是相互独立，且都是瑞利衰落信道，即h_k,j的值是相互独立。系统用户传输信息仅占用其中两个资源，那么所用的两个资源的信道系数h_k,j是相互独立，且是瑞利衰落函数。而用户没有用到的资源在信道增益矩阵中信道系数用0表示。

假定现行SCMA系统发送端用户功率是均匀分配，在不同用户在到达接收端时经过不同程度的衰落，这将造成同一资源上不同信号的功率的大小不一样。功率大小的差异程度越大越有利于SCMA接收端多用户检测。

在原始的消息传递算法中每个用户的码字都将会在传输所用的所有的资源上进行检测，即在所有的传输资源上都需要进行迭代算法，但是由于不同资源上的迭代收敛不同，即在有的资源上迭代已收敛，可以将用户的码字进行检测分离。但是在其余资源上迭代并没有收敛，所以运算仍在继续，这将会造成大量的冗余运算。而本发明所提出的方案则是首先选出最易解码的资源，即最先迭代收敛的资源，然后在此资源上进行MPA的迭代收敛，然后将检测出的码字信息出传递到其余资源上。

在本发明中将提出根据信道参数的不同，用户在不同子载波上发送功率差异分配。用户在不同子载波上分配的功率与信道参数成正比。此方案主要在考虑不同用户在不同资源上的收敛性的不同，选择更易收敛，更易检测的资源进行多用户检测。而在发送端的功率分配则是将收敛性，多用户检测的困难度进一步降低。

造成相同用户在不同资源上消息传递算法的收敛性不同的主要原因是由于噪声的存在，在上文中已对比接收信号与一个资源上的叠加星座点，得出主要是由噪声的存在使接收信号无法落在叠加星座点上任何一点。在接收端信噪比(SNR)的表达公式为

上述公式P_s为接收信号功率，P_n为噪声功率，P_i为输入信号功率，h则表示用户传输信道系数。信噪比越大，说明混在用户信号的噪声越少，那么噪声对用户信息干扰越小。从

可得信噪比的大小与噪声成反比，与信道系数和用户发送功率成正比。因此本发明提出的根据信道增益的降序排序进行用户功率的分配，将会使在信噪比大的资源上的信噪比更大，即进一步降低噪声对用户信号的干扰，而将信噪比小的资源上的信噪比进一步降低，降低此时在别的资源上对其它用户的检测的干扰。

发送端的功率根据接收端反馈的信道增益情况调整分配，将每个用户在不同资源上的发送功率根据信道系数的降序排列进行排序，即用户在信道质量越好的信道上所分配到的发送功率越大，而在信道质量较差的信道上分配的功率较小；

对于在资源上进行多用户检测分离主要根据不同用户的情况决定具体根据哪个资源块进行检测分离，并不是随机或者在所有的资源上进行检测分离。

在上述的因子图F中，如图3所示，每个用户的码字需要通过两个资源进行传输，以第一个用户(第一列)为例，此用户的码字经过第一、二资源进行信号传输，对比用户到这两个资源信道系数，得到h_1,1>h_1,2(带有下划线的数字的表示信道系数高的资源)。根据本方案的思路，在发送端进行功率分配时在第一资源上分配的功率则高于分配到第二资源上的功率，所以对于第一用户进行码字检测、分离时将在第一资源上进行。同理对其余用户进行功率分配，最终得到如图3所示的在因子图上功率分配后的因子图F。对不同用户功率分配后可以用户一、三在第一资源上功率大于这两个用户在其余资源上的功率，则在第一资源上只检测用户一、三的码字，至于第一资源上的第五个用户的码字在第四资源上进行检测。

此外，引入迭代收敛判断因子

用

计算UN上此次迭代与上次迭代的信息是否相同,以此判断此次迭代是否收敛,公式为：

若

表示迭代已收敛，反之，未收敛。为了可以加速迭代收敛性，在迭代运算过程中加入迭代收敛判断因子

加速迭代终止,减少不必要的运算。

综合上述分析，假设经过对比每个用户与相连的资源的信道系数，得出信道增益较大的资源(1)，将因子图转化为图3右图所示，在每个资源上待检测信号表达式有原先的

转化为

其中对应消失的用户并不表示在此资源上没有此用户的码字，只是对应用户不在此资源上进行检测。对比上，下的待检测信号，本发明提出的算法避免了同一用户码字在不同资源上重复运算，并且通过与发送端的联合设计，每个用户通过选择在最适合检测的资源上进行检测，从而可以加速检测算法的迭代收敛，从迭代次数上减少了整体检测的运算复杂度。对比MPA，本发明提出的多用户检测方案从两方面降低运算复杂度，提高系统的性能，具体为：

(1)对比用户在不同子载波上的信道系数，在接收端的发送功率与信道系数成正比分配。由于信道系数越大，表示信道衰落越小，则接收端功率也越大；相反，信道系数小的信道，接收端的功率也会降低到更低。由于在SCMA系统中，用户间相互区分主要依据功率，通过发送端的功率分配，将用户在不同资源上的接收功率差异性越大，同时同一资源上不同用户的接收功率差异性也越大，更便于在资源上的多用户检测。通过选择在信道系数最大的资源上进行检测，可以加速检测算法的收敛性，从而降低运算复杂度。

(2)在迭代过程中通过设置迭代收敛判断因子，从而避免不必要的迭代，降低迭代过程中的冗余运算。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种SCMA系统中低复杂度多用户检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，在SCMA系统中接收端对同一用户在不同资源上进行信道系数对比；

步骤2，将不同信道系数的资源分配不同的功率；

步骤3，在资源上进行多用户检测码字检测、分离；

步骤4，将同一资源上检测、分离的用户归为一组；

步骤5，以资源块为分组单位进行逐组用消息传递算法进行检测、分离运算，将用户码字检测出；

步骤6，输出所有用户检测结果。

2.根据权利要求1所述的SCMA系统中低复杂度多用户检测方法，其特征在于：所述步骤2中，发送端的功率根据接收端反馈的信道增益情况调整分配，将每个用户在不同资源上的发送功率根据信道系数的降序排列进行排序，即用户在信道质量越好的信道上所分配到的发送功率越大，而在信道质量较差的信道上分配的功率较小。

3.根据权利要求1所述的SCMA系统中低复杂度多用户检测方法，其特征在于：所述步骤3中，用户选择在功率最大的资源上进行码字检测。

4.根据权利要求1所述的SCMA系统中低复杂度多用户检测方法，其特征在于：所述步骤5中，根据优先级经过迭代优先分离出优先级高的用户组，然后再经迭代再将次优级用户组进行分离解码，直到将优先级最低的用户组解码分离出来，最终得到所有用户的码字。

5.根据权利要求4所述的SCMA系统中低复杂度多用户检测方法，其特征在于：引入迭代收敛判断因子

用于加速迭代终止；用

计算此次迭代与上次迭代的信息是否相同,以此判断此次迭代是否收敛,公式为：

其中，r_k→u_j为资源k到用户j，t表示当前迭代次数，

表示第t次迭代时用户j到资源k的信息更新；

若

表示迭代已收敛，反之，未收敛。

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