CN112003681A - 一种基于子图的scma多用户检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于子图的SCMA多用户检测方法，包括以下步骤：步骤1，更改SCMA系统原有因子图的结构，通过删减资源节点与用户节点间的分支，生成不同的子图，以这些子图为新的因子图，这些子图之间采用并行处理分别进行信息的迭代；步骤2，更改原有MPA算法的并行更新策略，通过边缘串行的方法对消息进行更新，更新的顺序由更新序列集给出，更新完成后的用户节点信息能够立即被后面资源节点更新使用；步骤3，在各个子图更新达到设定的最大迭代次数后，汇总得到用户码字的概率信息进行输出译码。本发明能有效地加快信息的收敛速率，降低消息传递算法的计算复杂度。

Description

一种基于子图的SCMA多用户检测方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，主要涉及无线通信SCMA系统中接收端的译码算法，即SCMA系统中一种基于子图的SCMA多用户检测方法。
背景技术
随着移动互联网和物联网技术的快速发展，网络容量，吞吐量和连接无线设备爆炸性增长，面对大规模机器类型通信的应用场景，在有限的频谱资源背景下，原来的正交频分多址技术已经不能满足种类繁多的物联网业务和海量的设备接入，所以有必要提出新型的多址技术。其中稀疏码分多址(SCMA，sparse code multiple access)作为一种码域的非正交多址方案，成为5G多址接入的重要候选技术，在相同的资源映射配置以及系统负载条件下，相比于其他多址技术，SCMA能够提供更好的链路性能。
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。但SCMA系统要成为5G中极具竞争力的空口技术，仍然需要解决最优化码本设计、低复杂度的多用户检测方案、免调度策略等问题。
寻找高效的多用户检测算法是在SCMA系统中要解决的问题。传统的最大后验概率(MAP)算法作为SCMA系统最优的多用户检测方案，计算复杂度随着用户数呈指数增长，接收端译码复杂度太高，并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。但是随着接入用户数目的不断增多，MPA算法仍然具有很高的计算复杂度。其计算量主要来自于资源节点的更新过程，在资源节点和用户节点的更新过程中，节点之间的信息交互是并行的，本次迭代中更新完成的信息并不能立刻传送到后续的更新操作中，导致MPA存在收敛性能不高的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于子图的SCMA多用户检测方法，以实现高效的多用户检测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于子图的SCMA多用户检测方法，包括以下步骤：
步骤1，更改SCMA系统原有因子图的结构，通过删减资源节点与用户节点间的分支，生成不同的子图，以这些子图为新的因子图，这些子图之间采用并行处理分别进行信息的迭代；
步骤2，更改原有MPA算法的并行更新策略，通过边缘串行的方法对消息进行更新，更新的顺序由更新序列集给出，更新完成后的用户节点信息能够立即被后面资源节点更新使用；
步骤3，在各个子图更新达到设定的最大迭代次数后，汇总得到用户码字的概率信息进行输出译码。
所述步骤1中，为了能并行处理，要避免迭代过程中子图之间的置信信息的传递，且使得子图能够不损失的还原因子图信息，子图中应包含所有的资源节点。
所述步骤1中，删减资源节点与用户节点间的分支的规则为：
(1)子图最小环长最大化；
(2)一个子图中被删UN节点，在其余的子图中应当保留，所有子图中被删的UN节点构成一个完整的UN节点集合。
所述步骤2中，子图中已经删除的分支资源节点不再对用户节点更新，但仍能够利用用户节点的信息。
所述步骤3中，汇总得到用户码字的概率信息是将各个子图收敛后的置信信息进行合并，计算用户各个码字的输出概率。
有益效果：对于上行链路SCMA系统，本发明通过删减边缘分支的方式产生子图，更新路径的环长最大化，环路越则长得到的信息更新越多，得到因子图中唯一的环路路径，连接资源节点和用户节点边缘分支上的信息被串行更新。综上所述，本发明可以让更新后的信息立即被后面的节点更新使用，以获得更快的收敛速度，同时在产生子图的过程中，减少了因子图中资源节点连接的碰撞用户数目，降低了解码计算复杂度。
附图说明
图1为SCMA系统模型图；
图2为SCMA系统因子图；
图3为因子图删支示意图；
图4为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
消息传递算法通过在因子图上传递置信信息进行译码，算法性能很大程度上依赖于因子图中环路的长度，如果环路的长度太小，会使得连续进行信息传递的译码置信信息高度相关。所以必须对原始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不可以大量的损失。针对上行链路SCMA系统，在子图的基础上提出SE-MPA算法，改变原有因子图的结构，通过删减边缘分支的方式产生子图，减少同一资源块上用户碰撞的数目，得到唯一的环路路径，使得更新路径最小环长最大化，环路越则长得到的信息更新越多，边缘分支上的信息被串行更新，让更新完成的信息可以立即被其他资源节点使用。
如图1所示，在上行SCMA系统有J个用户共享K个资源块，用户j(j＝1,2,…,J)发送的数据比特流被映射成K维码字xj，从长度为M对应用户码本xj中取得，每个码字都是包含N个非零元素的K维稀疏向量。在非正交条件下，用户数J要大于时频资源块数K，则系统过载率为：λ＝J/K。用户多路复用信号经过同步之后，接收到的信号可以表示为：
Figure BDA0002655849380000031
其中，xj＝(x1,j,x2,j,…,xk,j)表示用户j的码字向量，hj＝(h1,j,h2,j,…,hk,j)表示用户j的信道向量，diag(hj)表示以向量hj的元素为对角元素构造的对角矩阵，n＝(n1,j,n2,j,…,nk,j)表示高斯白噪声且n～CN(0,σI)。
SCMA系统中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)，它们的连接关系如图2所示。原始MPA算法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，然后解码，下面是MPA算法迭代运算过程：
1.初始化条件概率，在迭代开始时，假设每个用户发送的码字概率相等：
Figure BDA0002655849380000032
2.消息的迭代更新，公式(2)和公式(3)分别表示资源节点和用户节点信息更新：
Figure BDA0002655849380000041
Figure BDA0002655849380000042
3.达到最大迭代次数后，计算用户各个码字的输出概率，输出结果：
Figure BDA0002655849380000043
因子图中的资源节点与用户节点通过边缘分支连接传递信息，很难从中找到环路的更新路径，通过删减用户与资源节点边缘分支的方法，可以生成多个不同环路的子图，在子图中使用边缘串行的消息传递算法进行迭代更新。为了能并行处理，要避免迭代过程中子图之间的置信信息的传递，且使得子图能够不损失的还原因子图信息，子图中应包含所有的资源节点。因子图删支的规则：(1)子图最小环长最大化；(2)一个子图中被删UN节点，在其余的子图中应当保留，所有子图中被删的UN节点构成一个完整的UN节点集合，这样每个用户的更新次数是一样的，以保证用户的公平性。在SCMA系统的因子图中，分别删除所有资源节点上的索引分支Ind(1),Ind(2),Ind(3)，得到子图A、B、C，这使得原来df＝3的资源节点变成了df＝2，资源节点和用户节点间的边缘分支构成了一个环路，子图A更新用户3、4、5、6；子图B更新用户1、2、5、6，子图C更新用户1、2、3、4；每个用户的更新次数是一样的，以保证用户的公平性。删支后的用户码字判决公式包含了两个子图中的置信信息，使得用户在删支过后还可以通过两个子图保持与其他所有节点的连通性。
图3、图4为因子图的删支示意图，从中可以看出子图A长度最小的环路径为：
Figure BDA0002655849380000044
不同于传统并行MPA算法的更新策略，方案采用边缘串行更新方法，子图中已经删除的分支资源节点不再对用户节点更新，但仍可以利用用户节点的信息。以子图A为例，给出更新序列集如下：
1、原始MPA序列更新：
IR1→U3,IR1→U5,IR2→U3,IR2→U6,IR3→U4,IR3→U6,IR4→U4,IR4→U5
IU3→R1,IU3→R2,IU4→R3,IU4→R4,IU5→R1,IU5→R4,IU6→R2,IU6→R3
2、SE-MPA序列更新：
IR1→U3,IU3→R2,IR2→U6,IU6→R3,IR3→U4,IU4→R4,IR4→U5,IU5→R1
IR1→U5,IU5→R4,IR4→U4,IU4→R3,IR3→U6,IU6→R2,IR2→U3,IU3→R1
在子图A中环路的路径，更新序列从R1开始到R1结束，可以看到在两个方向边缘更新U1的过程中,IR1→U3和IR2→U3经过了一系列的长路径消息的更新，与这两个方向边相关的消息更新决定了它的性能。消息更新IR1→U3在每次迭代开始时完成，意味着它收集的外部信息少于后期更新的消息。但是，与之关联的消息更新IR2→U3在之后完成，可以收集更多的外在信息，补偿其IR1→U3的劣势并帮助用户U3实现不错的性能。在原来的MPA算法中用户U3在两次更新过程中只能获得较少的外部信息，在后面资源节点对用户的消息更新已经开始使用新的消息，这意味着边缘串行可以表现出更快的收敛速度。置信信息在子图A、子图B、子图C中的用户节点和资源节点之间传递，并行更新每个子图在达到最大迭代次数后，将三个子图收敛后的置信信息进行合并，计算用户各个码字的输出概率：
Figure BDA0002655849380000051
如图4所示,本发明的基于子图的SCMA多用户检测方法，包括以下步骤：
步骤1，更改SCMA系统原有因子图的结构，通过删减资源节点与用户节点间的分支，生成不同的子图，以这些子图为新的因子图，这些子图之间采用并行处理分别进行信息的迭代；
步骤2，更改原有MPA算法的并行更新策略，通过边缘串行的方法对消息进行更新，更新的顺序由更新序列集给出，更新完成后的用户节点信息能够立即被后面资源节点更新使用；
步骤3，在各个子图更新达到设定的最大迭代次数后，汇总得到用户码字的概率信息进行输出译码。
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)

1.一种基于子图的SCMA多用户检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，更改SCMA系统原有因子图的结构，通过删减资源节点与用户节点间的分支，生成不同的子图，以这些子图为新的因子图，这些子图之间采用并行处理分别进行信息的迭代；
步骤2，更改原有MPA算法的并行更新策略，通过边缘串行的方法对消息进行更新，更新的顺序由更新序列集给出，更新完成后的用户节点信息能够立即被后面资源节点更新使用；
步骤3，在各个子图更新达到设定的最大迭代次数后，汇总得到用户码字的概率信息进行输出译码。
2.根据权利要求1所述的基于子图的SCMA多用户检测方法，其特征在于：所述步骤1中，为了能并行处理，要避免迭代过程中子图之间的置信信息的传递，且使得子图能够不损失的还原因子图信息，子图中应包含所有的资源节点。
3.根据权利要求1所述的基于子图的SCMA多用户检测方法，其特征在于：所述步骤1中，删减资源节点与用户节点间的分支的规则为：
(1)子图最小环长最大化；
(2)一个子图中被删UN节点，在其余的子图中应当保留，所有子图中被删的UN节点构成一个完整的UN节点集合。
4.根据权利要求1所述的基于子图的SCMA多用户检测方法，其特征在于：所述步骤2中，子图中已经删除的分支资源节点不再对用户节点更新，但仍能够利用用户节点的信息。
5.根据权利要求1所述的基于子图的SCMA多用户检测方法，其特征在于：所述步骤3中，汇总得到用户码字的概率信息是将各个子图收敛后的置信信息进行合并，计算用户各个码字的输出概率。
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