CN112565153B - 基于旋转映射的scma多用户码本设计方法 - Google Patents

Abstract

基于旋转映射的SCMA多用户码本设计方法，属于通信技术领域，应对未来5G移动通信海量连接、高可靠和超低时延等需求，特别是频谱资源极其有限的情况，如何提高频谱效率和系统容量，实现未来通信良性发展是亟待解决的关键问题。SCMA技术能满足5G通信需求。优化的用户SCMA码本设计对于提升系统性能有至关重要的作用，因此多用户码本设计准则就成为了SCMA接入的主要研究方向。本发明通过建立算式来计算每个资源上的星座点旋转因子，构造每一个资源上的多个操作符，形成资源码本集合、资源映射矩阵和资源矩阵，建立每个用户的码本，合理分配每个资源，也可满足资源及用户间的最优匹配，适用于所有母星座维度为2的SCMA系统。

Description

基于旋转映射的SCMA多用户码本设计方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是稀疏码分多址接入(sparse code multipleaccess，SCMA)技术中的多用户码本设计方法。

背景技术

应对未来5G移动通信海量连接、高可靠和超低时延等应用需求，特别是在频谱资源极其有限的形势下，如何提高频谱效率以及系统容量，实现未来通信良性发展是亟待解决的关键问题。稀疏码分多址接入(SCMA)技术是极具潜力的新一代多址接入技术，因此能够满足5G通信需求。SCMA技术是通过将用户信息比特直接映射到SCMA码本中的多维码字来实现资源复用，进而提升整体系统性能。因此优化的用户SCMA码本设计对于提升系统性能起到至关重要的作用，在母码本的基础上，主要取决于优良的用户码本映射准则的设计。由此，多用户码本设计准则就成为了稀疏码分多址接入的主要研究方向。

发明内容

基于旋转映射的SCMA多用户码本设计方法是一种多用户码本设计准则，其适用于母星座维度为2的SCMA系统。首先建立算式来求得每个资源上的星座点旋转因子，进而构造每一个资源上的多个操作符，进一步，可利用选定的母码本，并结合多个操作符构成资源码本集合，系统可依据自定义的映射矩阵来构造每个资源上的资源映射矩阵，最后每个资源映射矩阵与资源码本集合相乘得到每个资源上的资源矩阵，并分别取出每个资源矩阵中的第i行构成第i个用户的码本。

采用的技术方案是：

设定SCMA通信系统中所能承载的最大用户数量为I，可用总资源数为K。码本大小为M。每个用户在K个资源中占用的资源数为N。利用用户数I、资源数K和资源数N，可以得到每个资源块上同时承载的用户数Y为

进而为了使得系统能够适应更强，误码率更低，Y越小越好，因此，当用户数I确定后，可以通过增大资源以及降低维度N来降低同一资源上用户数。同时，由于维度N过大会增大系统的复杂度，考虑存在奇数和偶数维度情况，建议N为2。因此，本发明是在N为2的二维母码本C基础上进行设计的。

步骤1：依据每个资源上可承载的用户数分别计算旋转因子。

步骤2：利用Y个旋转因子建立每个资源上的操作符。

步骤3：利用计算的Y个操作符，结合母码本构成资源码本集合。

步骤4：系统可根据通信需求，设定映射矩阵，从而确定各个资源与各个用户的分配关系，通常采用LDPC(低密度奇偶校验码)的校验矩阵设计映射矩阵。

步骤5：提取映射矩阵中的每个资源(每行)并形成新的矩阵，转置后计算其中的非零元素所在的行数。

步骤6：构造对角方阵，并利用步骤5结果提取对角方阵中的对应列，进而构造每个资源上的资源映射矩阵。

步骤7：分别利用K个资源上的映射矩阵与资源码本集合相乘得到K个资源上的资源矩阵。

步骤8：利用K个资源矩阵，分别取出每个中的第i行构成第i个用户的用户码本。

其优点在于：

基于旋转映射的SCMA多用户码本设计方法是通过建立算式来计算每个资源上的星座点旋转因子，进而构造每一个资源上的多个操作符，并形成资源码本集合、资源映射矩阵和资源矩阵，从而建立每个用户的码本。本发明不仅合理分配了每个资源，而且也可以满足资源及用户间的最优匹配，其适用于所有母星座维度为2的SCMA系统。

附图说明

图1是本发明基于旋转映射的SCMA多用户码本设计方法的原理图。

具体实施方式

步骤1：依据同一资源上可承载的用户数Y，设定变量y，y∈[1,Y]，并分别计算旋转因子θ_y。

(1)如果Y≤N，则θ_y＝0,y∈[1,Y]。

(2)如果Y>N，则先计算分组数p和用户余数q：

q＝mod(Y,N) (2)。

其中，[·]_↓为向下取整函数，mod(Y,N)为计算余数函数。

进而，根据p和q进行旋转因子θ_y计算：

其中，y∈[1,Y]。

步骤2：利用Y个旋转因子θ_y得到一个资源上的Y个操作符Δ_y：

步骤3：输入二维母码本C，其两个维度分别表示为C₁和C₂。进而利用计算得到的Y个操作符Δ_y，结合母码本C的两个维度C₁和C₂构成Y行M列的资源码本集合Z，资源码本集合Z可以选择式(5)或式(6)中的任何一种模式构成。

因此，可以得到两种模式的资源码本集合Z，其中选择式(5)得到的资源码本集合Z为：

其中选择式(6)得到的资源码本集合Z为：

步骤4：系统可根据通信需求，设定K行I列的映射矩阵F，从而确定各个资源与各个用户的分配关系，通常采用LDPC的校验矩阵设计映射矩阵。

例1，设系统中用户数I＝9，资源数K＝6，每个用户占用资源数N＝2，每个资源块上同时传输用户数Y＝3，设在此条件下系统设定的映射矩阵F为：

步骤5：提取映射矩阵F中的每个资源(每行)为一个新的矩阵F_k，F_k则为1行I列的矩阵，k∈[1,K]。然后对F_k进行转置得到I行1列的矩阵F′_k。由于F共有K行，因此可以得到K个I行1列的矩阵F′_k。进一步，利用每一个I行1列的矩阵F′_k，计算F′_k中非零元素所在的行数：

a_k，y＝Find[F′_k]_y，k∈[1，K]，y∈[1，Y]

(9)。

Find[·]_y为计算矩阵中第y个非零元素所在行数的函数。

利用例1中设定的映射矩阵F，可以计算其第一行(k＝1)的F₁矩阵的转置矩阵F₁′为：

从而在上述算例参数k＝1，y∈[1，3]条件下，计算得到F₁中非零元素所在的行数a_k，y：

a_1，1＝Find[F₁′]₁＝1

a_1，2＝Find[F₁′]₂＝4

a_1，3＝Find[F₁′]₃＝7

步骤6：构造I行I列的对角方阵A。在k∈[1，K]的每个资源上，利用Y个a_k，y，从对角方阵A中分别取出第a_k，y列，由于y∈[1，Y]，因此共取出Y个1维列矩阵，顺序地构成一个新矩阵，定义为资源映射矩阵。第k个资源映射矩阵为Y_k，由于k∈[1，K]，因此可得到K个资源映射矩阵Y_k。

利用上述例1的结果，构造的对角方阵A，可以得到第一个资源(k＝1)的资源映射矩阵Y₁为：

步骤7：利用K个资源映射矩阵Y_k分别与资源码本集合Z相乘，从而得到K个资源上每个资源的资源矩阵W_k，每个W_k都为I行M列的矩阵。

W_k＝Y_kZ,k∈[1,K] (10)。

步骤8：利用K个资源矩阵W_k，分别取出每个W_k中的第i行，并依次组合构成第i个用户的码本U_i，共K个资源，I个用户，因此可以得到I个用户的K维码本U_i。

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Claims (1)

1.基于旋转映射的SCMA多用户码本设计方法，所述的方法中设定SCMA通信系统中所能承载的最大用户数量为I，可用总资源数为K，码本大小为M，每个用户在K个资源中占用的资源数为N，每个资源块上同时承载的用户数Y为

其特征在于包括下列步骤：

步骤1：依据同一资源上可承载的用户数Y，设定变量y，y∈[1,Y]，并分别计算旋转因子θ_y；

(1)如果Y≤N，则θ_y＝0,y∈[1,Y]；

(2)如果Y＞N，则先计算分组数p和用户余数q：

q＝mod(Y,N) [2]；

其中，[·]_↓为向下取整函数，mod(Y,N)为计算余数函数；

进而，根据p和q进行旋转因子θ_y计算：

其中，y∈[1,Y]；

步骤2：利用Y个旋转因子θ_y得到一个资源上的Y个操作符Δ_y：

步骤3：输入二维母码本C，其两个维度分别表示为C₁和C₂；进而利用计算得到的Y个操作符Δ_y，结合母码本C的两个维度C₁和C₂构成Y行M列的资源码本集合Z，资源码本集合Z可以选择式[5]或式[6]中的任何一种模式构成；

因此，可以得到两种模式的资源码本集合Z，其中选择式[5]得到的资源码本集合Z为：

其中选择式[6]得到的资源码本集合Z为：

步骤4：系统可根据通信需求，设定K行I列的映射矩阵F，从而确定各个资源与各个用户的分配关系，通常采用LDPC的校验矩阵设计映射矩阵；

步骤5：提取映射矩阵F中的每行为一个新的矩阵F_k，F_k则为1行I列的矩阵，k∈[1,K]；然后对F_k进行转置得到I行1列的矩阵F_k'；由于F共有K行，因此可以得到K个I行1列的矩阵F′_k；进一步，利用每一个I行1列的矩阵F′_k，计算F′_k中非零元素所在的行数：

a_k，y＝Find[F′_k]_y，k∈[1，K]，y∈[1，Y] [9]；

Find[·]_y为计算矩阵中第y个非零元素所在行数的函数；

步骤6：构造I行I列的对角方阵A；在k∈[1,K]的每个资源上，利用Y个a_k,y，从对角方阵A中分别取出第a_k,y列，由于y∈[1,Y]，因此共取出Y个1维列矩阵，顺序地构成一个新矩阵，定义为资源映射矩阵；第k个资源映射矩阵为Y_k，由于k∈[1,K]，因此可得到K个资源映射矩阵Y_k；

步骤7：利用K个资源映射矩阵Y_k分别与资源码本集合Z相乘，从而得到K个资源上每个资源的资源矩阵W_k，每个W_k都为I行M列的矩阵；

W_k＝Y_kZ,k∈[1,K] (10)；

步骤8：利用K个资源矩阵W_k，分别取出每个W_k中的第i行，并依次组合构成第i个用户的码本U_i，共K个资源，I个用户，因此可以得到I个用户的K维码本U_i；

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