CN113067672A - 一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法 - Google Patents
一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113067672A CN113067672A CN202110284518.2A CN202110284518A CN113067672A CN 113067672 A CN113067672 A CN 113067672A CN 202110284518 A CN202110284518 A CN 202110284518A CN 113067672 A CN113067672 A CN 113067672A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- user
- iteration
- code word
- node
- multiple access
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 43
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims abstract description 34
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 7
- 238000007476 Maximum Likelihood Methods 0.000 claims description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 abstract 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000000342 Monte Carlo simulation Methods 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
- H04L1/0001—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff
- H04L1/0009—Systems modifying transmission characteristics according to link quality, e.g. power backoff by adapting the channel coding
Abstract
本发明公开了一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法。在发射端根据待传输的比特流选择相应的码字发送，经过无线信道和噪声干扰，在接收端收到的是多个用户叠加的信号。本发明在接收到多用户叠加的信号后，先对所有码字组合的条件概率进行计算和排序，挑选出条件概率高的码字组合；再进行传统的信息传递算法迭代，包含用户节点更新和资源节点更新；然后进行简化的传统信息传递算法迭代，其中资源节点更新过程不变，用户节点更新只针对选择出的码字组合来进行；最后译码输出。本发明通过减少用户节点更新的计算复杂度，实现了一种基于条件概率选择的非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法，并且该算法能够逼近原始的信息传递算法。
Description
技术领域
本发明涉及一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法，属于无线通信系统技术领域。
背景技术
新一代无线通信系统，特别是物联网，对频谱效率、能耗和大规模连接提出了较高的要求。为了满足这些严格的要求，非正交多址接入技术已被列为未来移动网络中的候选关键技术之一。与传统的正交多址接入不同，非正交多址接入技术允许多个用户共享相同的资源。目前，受到广泛关注的非正交多址接入方式有功率域和码域两种方式。功率域非正交多址技术允许不同用户在同一个资源块使用不同的功率，比如在载波上进行叠加传输，在接收端可以使用干扰消除的方法分解出各用户所发送的信号。码域非正交多址接入允许不同的用户使用不同的码本进行传输，因此同一个资源块会接收到来自多个用户的发送码字，接收端可以利用近似最优性能的信息传递算法进行译码。
有学者指出码域的非正交多址接入系统能够比基于功率域非正交多址技术的接入系统获得更高的吞吐量。但是，传统的信息传递算法具有很高的复杂度，在实际应用中会消耗过多的硬件和时间资源，不能满足新一代通信中的低时延高吞吐量的要求。
传统的信息传递算法主要包含用户节点信息更新和资源节点信息更新两个过程。资源节点的更新过程复杂度相对较低，但是用户节点更新的过程具有指数级的复杂度。具体来说，用户节点更新的复杂度随着每个资源块容纳的用户数呈指数增长。因此，我们着重研究降低用户节点更新过程的复杂度。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法，在非正交多址接入系统中接收机采用接近最优性能的信息传递算法解码。针对用户节点更新复杂度过高的问题，本发明通过选取条件概率大的码字组合进行迭代更新，从而减少了计算复杂度。该方案可以在大大减小迭代计算量的情况下，逼近原始信息传递算法的性能。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法采用如下步骤：
步骤1.各用户将输入的比特流调制为非正交多址接入系统的发送码字并发送，经过无线信道，基站端接收到多个用户发送的叠加信号；
步骤2.根据基站端接收到的多个用户发送的叠加信号和码本计算出所有码字组合的条件概率，并进行传统的信息传递迭代T0次；
步骤3.将步骤2中计算出的条件概率进行排序，获得条件概率最大的q个码字组合，继而设定信息传递更新的条件概率阈值；后期的T-T0次迭代使用简化的传统信息迭代算法，即资源节点更新过程保持不变，用户节点更新只针对在条件概率阈值范围内的码字组合进行；最后进行译码判决。
其中，
步骤1所述的非正交多址接入系统，考虑一个典型的J个用户共享K个资源的非正交多址接入系统，那么基站端接收到的多用户叠加信号表示为
式中xj＝[x1,j x2,j … xK,j]T是第j个用户发送的码字，其中j＝1,2,...,J；每个用户拥有独立的码本，发送信号根据待发送的比特信号选择码本中相应的码字进行发送；hj＝[h1,j,h2,j,...,hK,j]T是用户j到基站的信道向量，n＝[n1 n2 … nK]T中每个元素均是服从均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声；上述基站端接收到的多用户叠加信号可以使用传统的信息传递算法解调出每个用户各自的发送信号；信息传递算法使用因子图描述，因子图中包含的用户节点对应相应的用户，资源节点对应相应的资源，使用的信息传递算法描述成用户节点和资源节点不断迭代更新的过程；
第k个资源节点上的接收信号可表示为
其中
表示占用资源节点k的所有用户组成的集合。
步骤2所述的传统的信息传递迭代算法，主要包含如下三个过程：
①初始化从用户节点j传递到资源节点k的信息和条件概率，分别表示为
其中
表示资源节点k被占用的所有用户组成的集合，M为用户码本中码字的个数，σ为高斯白噪声的标准差；
②在第t次迭代中，从资源节点k传递到用户节点j的信息为
其中，
在第t次迭代中从资源节点k传递到用户节点j的信息；
表示除了用户j，资源节点k被占用的其他所有用户组成的集合；
③在第t次迭代中，从用户节点j传递到资源节点k的信息为
其中，
表示用户j占用的资源节点所组成的集合，
表示第t次迭代中从用户节点j传递到资源节点k的信息。
步骤3中，所述后期的T-T0次迭代，会存在冗余信息交互，只需要选取条件概率最大的q个码字组合参与到迭代过程中。
所述条件概率最大的q个码字组合参与到迭代的具体过程为：
首先定义第k个资源节点上的接收信号yk与各码字组合之间的距离为
式中
表示第u个码字组合，其中
如果传输的正好是第v个码字组合，那么必然有
可以看出，Rk,u越小对应的条件概率越大，将Rk,u从小到大排序得到
在剩余的T-T0次迭代中只需要对条件概率最大，即Rk,u最小的q个码字组合进行信息传递迭代；
当T次迭代结束后就可以计算出第j个用户码字xj对应的似然概率为
似然概率最大对应的码字为最后的译码输出。
所述非正交多址接入，译码完成后需要将符号似然比转化为比特似然比，然后输入到信道译码器中，似然比的转化过程可以表示为
其中p＝1,2…log2M，bp,j表示用户j的第p个比特信号，LLR(bp,j)是输入到信道译码器的比特似然比信息。
有益效果：本发明提供的一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法，在降低算法复杂度的前提下确保了系统的性能。仿真结果表明，本发明提出的基于低复杂度非正交多址技术接收方法能够逼近传统信息传递算法的性能，并且大大地降低了系统的复杂度。
附图说明
图1为本发明实施例中的非正交多址接入框架图，包含发送端和接收端；
图2为本发明实施例中的系统信号干扰噪声比与比特误码率关系曲线结果图；
图3为本发明实施例中的迭代次数与比特误码率关系曲线结果图；
图4为本发明实施例中各种信息传递算法加法和乘法次数的比较结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明方案做进一步说明。为了验证本发明所提出的低复杂度非正交多址接入接收机方案的有效性，在本部分我们使用蒙特卡洛实验并且与其他已知的方案进行对比。应理解的是，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利。
针对图1所述的非正交多址接入系统，在发送端，多个用户从自己独立的码本中选择码字发送。在接收端，将接收到的信号通过非正交多址接入解码器得到似然信息。为了实现低复杂度的非正交多址接入解码，本发明考虑选择性地对部分码字组合进行信息传递更新。首先，将每个资源节点的条件概率进行由大到小排序，并设定信息传递更新的条件概率阈值。然后，只针对在条件概率阈值范围内的码字组合进行用户节点更新。具体步骤如下：
1.考虑一个典型的J个用户共享K个资源的非正交多址接入系统，那么基站端接收到的多用户叠加信号表示为
式中xj＝[x1,j x2,j … xK,j]T是第j个用户发送的码字，其中j＝1,2,...,J。每个用户拥有独立的码本，发送信号根据待发送的比特信号选择码本中相应的码字进行发送。hj＝[h1,j,h2,j,...,hK,j]T是用户j到基站的信道向量，n＝[n1 n2 … nK]T中每个元素均是服从均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声。上述基站端接收到的多用户叠加信号可以使用传统的信息传递算法解调出每个用户各自的发送信号。特别地，第k个资源节点上的接收信号可表示为
其中
表示占用资源节点k的所有用户组成的集合。
2.传统的信息传递迭代算法主要包含如下三个过程：
①初始化从用户节点j传递到资源节点k的信息和条件概率，分别表示为
其中
表示资源节点k被占用的所有用户组成的集合，M为用户码本中码字的个数，σ为高斯白噪声的标准差；
②在第t次迭代中，从资源节点k传递到用户节点j的信息为
其中，
在第t次迭代中从资源节点k传递到用户节点j的信息；
表示除了用户j，资源节点k被占用的其他所有用户组成的集合；
③在第t次迭代中，从用户节点j传递到资源节点k的信息为
其中，
表示用户j占用的资源节点所组成的集合，
表示第t次迭代中从用户节点j传递到资源节点k的信息。在完成传统信息传递T0次迭代之后，剩余的T-T0次迭代会存在冗余信息交互，只需要选取条件概率最大的q个码字组合参与到迭代过程中。
下面是条件概率最大的q个码字组合参与到迭代的具体过程。
首先定义第k个资源节点上的接收信号yk与各码字组合之间的距离为
式中
表示第u个码字组合，其中
如果传输的正好是第v个码字组合，那么必然有
可以看出，Rk,u越小对应的条件概率越大，将Rk,u从小到大排序得到
在剩余的T-T0次迭代中只需要对条件概率最大，即Rk,u最小的q个码字组合进行信息传递迭代；我们将第t次迭代中，简化的从资源节点k传递到用户节点j的信息传递过程总结如下表
3、当T次迭代结束后就可以计算出第j个用户码字xj对应的似然概率为
似然概率最大对应的码字为最后的译码输出。
在通信系统中，通常在发送端的待发送比特流都需要预先进行信道编码，在接收端就会有对应的信道译码器。非正交多址接入译码完成后需要将符号似然比转化为比特似然比，然后输入到信道译码器中，似然比的转化过程可以表示为
其中p＝1,2…log2M，bp,j表示用户j的第p个比特信号，LLR(bp,j)是输入到信道译码器的比特似然比信息。
仿真示例
本发明实施例中，基于条件概率选择的低复杂度非正交多址接入接收机(为简化书写，我们将之命名为SMPA(Sorted Message Passing Algorithm))的仿真中，系统包含J＝6个用户和K＝4个资源块。用户j与基站之间的信道hj中的每个元素均服从独立且同分布的均值为0方差为1的复高斯白噪声。所采用的非正交多址接入指示矩阵为
该矩阵的行重为3，列重为2，即每个用户占用2个资源块，每个资源块由3个用户共享。该系统的过载因子为λ＝6/4＝150％。
图2中描绘了在不同系统信号噪声比(SNR,Signal to Noise Ratio)下，分别使用原始的信息传递算法CMPA(Conventional Message Passing Algorithm)，改进的PMMPA(Partial Marginalization Message Passing Algorithm)，以及本发明所提出的基于条件概率排序的SMPA(SortedMessage Passing Algorithm)进行仿真时，所对应的系统性能。可以看出，本发明提出的SMPA具有逼近于原始CMPA的比特误码率(BER，Bit Error Ratio)性能。图4描述出了各种算法所需的加法次数(Additions)和乘法次数(Multiplications)，可以看出，相比于CMPA和PMMPA，本发明所提出的SMPA具有较低的复杂度。
图3描绘了在SNR＝5dB和SNR＝12dB两种信噪比情况下，三种算法收敛的情况。由图3可以看出所提出的SMPA算法和原始算法相同，都可以在迭代次数为5的时候达到收敛。图2和图4的仿真结果表明了本发明所提算法的有效性。
Claims (6)
1.一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1.各用户将输入的比特流调制为非正交多址接入系统的发送码字并发送，经过无线信道，基站端接收到多个用户发送的叠加信号；
步骤2.根据基站端接收到的多个用户发送的叠加信号和码本计算出所有码字组合的条件概率，并进行传统的信息传递迭代T0次；
步骤3.将步骤2中计算出的条件概率进行排序，获得条件概率最大的q个码字组合，继而设定信息传递更新的条件概率阈值；后期的T-T0次迭代使用简化的传统信息迭代算法，即资源节点更新过程保持不变，用户节点更新只针对在条件概率阈值范围内的码字组合进行；最后进行译码判决。
2.根据权利要求1所述的一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法，其特征在于，步骤1所述的非正交多址接入系统，考虑一个典型的J个用户共享K个资源的非正交多址接入系统，那么基站端接收到的多用户叠加信号表示为
式中xj＝[x1,j x2,j … xK,j]T是第j个用户发送的码字，其中j＝1,2,…,J；每个用户拥有独立的码本，发送信号根据待发送的比特信号选择码本中相应的码字进行发送；hj＝[h1,j,h2,j,...,hK,j]T是用户j到基站的信道向量，n＝[n1 n2 … nK]T中每个元素均是服从均值为0，方差为σ2的加性高斯白噪声；上述基站端接收到的多用户叠加信号可以使用传统的信息传递算法解调出每个用户各自的发送信号；信息传递算法使用因子图描述，因子图中包含的用户节点对应相应的用户，资源节点对应相应的资源，使用的信息传递算法描述成用户节点和资源节点不断迭代更新的过程；
第k个资源节点上的接收信号可表示为
其中
表示占用资源节点k的所有用户组成的集合。
3.根据权利要求1所述的一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法，其特征在于，步骤2所述的传统的信息传递迭代算法，主要包含如下三个过程：
①初始化从用户节点j传递到资源节点k的信息和条件概率，分别表示为
其中
表示资源节点k被占用的所有用户组成的集合，M为用户码本中码字的个数，σ为高斯白噪声的标准差；
②在第t次迭代中，从资源节点k传递到用户节点j的信息为
其中，
在第t次迭代中从资源节点k传递到用户节点j的信息；
表示除了用户j，资源节点k被占用的其他所有用户组成的集合；
③在第t次迭代中，从用户节点j传递到资源节点k的信息为
其中，
表示用户j占用的资源节点所组成的集合，
表示第t次迭代中从用户节点j传递到资源节点k的信息。
4.根据权利要求1所述的一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法，其特征在于，步骤3中，所述后期的T-T0次迭代，会存在冗余信息交互，只需要选取条件概率最大的q个码字组合参与到迭代过程中。
5.根据权利要求4所述的一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法，其特征在于，所述条件概率最大的q个码字组合参与到迭代的具体过程为：
首先定义第k个资源节点上的接收信号yk与各码字组合之间的距离为
式中
表示第u个码字组合，其中
如果传输的正好是第v个码字组合，那么必然有
可以看出，Rk,u越小对应的条件概率越大，将Rk,u从小到大排序得到
在剩余的T-T0次迭代中只需要对条件概率最大，即Rk,u最小的q个码字组合进行信息传递迭代；
当T次迭代结束后就可以计算出第j个用户码字xj对应的似然概率为
似然概率最大对应的码字为最后的译码输出。
6.根据权利要求1所述的一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法，其特征在于，所述非正交多址接入，译码完成后需要将符号似然比转化为比特似然比，然后输入到信道译码器中，似然比的转化过程可以表示为
其中p＝1,2…log2M，bp,j表示用户j的第p个比特信号，LLR(bp,j)是输入到信道译码器的比特似然比信息。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110284518.2A CN113067672A (zh) | 2021-03-17 | 2021-03-17 | 一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110284518.2A CN113067672A (zh) | 2021-03-17 | 2021-03-17 | 一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113067672A true CN113067672A (zh) | 2021-07-02 |
Family
ID=76560913
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110284518.2A Pending CN113067672A (zh) | 2021-03-17 | 2021-03-17 | 一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113067672A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114337933A (zh) * | 2022-03-16 | 2022-04-12 | 南昌大学 | 基于scma的高速可见光通信系统及自适应编解码方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107508657A (zh) * | 2017-08-08 | 2017-12-22 | 重庆邮电大学 | 一种基于权重因子消息传递的scma多用户检测方法 |
-
2021
- 2021-03-17 CN CN202110284518.2A patent/CN113067672A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107508657A (zh) * | 2017-08-08 | 2017-12-22 | 重庆邮电大学 | 一种基于权重因子消息传递的scma多用户检测方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| SHULIANG HAO等: ""A Low Complexity SCMA Detector Based on Avoiding Redundant Iterations"", 《 2018 12TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON MEDICAL INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY (ISMICT)》 * |
| 邓晋: "基于消息传递的多用户检测算法研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 * |
| 邵凯 等: "基于条件概率选择更新的SCMA系统译码方案", 《系统工程与电子技术》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114337933A (zh) * | 2022-03-16 | 2022-04-12 | 南昌大学 | 基于scma的高速可见光通信系统及自适应编解码方法 |
| CN114337933B (zh) * | 2022-03-16 | 2022-06-24 | 南昌大学 | 基于scma的高速可见光通信系统及自适应编解码方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105721106B (zh) | 基于串行策略的scma上行通信系统多用户检测方法 | |
| Dai et al. | Improved message passing algorithms for sparse code multiple access | |
| CN112153653A (zh) | 可重构智能表面辅助的noma下行低功耗传输方法 | |
| CN109039534B (zh) | 一种基于深度神经网络的稀疏码分多址信号检测方法 | |
| CN106100795B (zh) | 一种基于Plotkin构造和信息位重休眠的Polar码编码协作方法 | |
| CN108270474B (zh) | 基于遗传算法的mimo-scma系统码本设计方法 | |
| CN110430009A (zh) | 多用户联合编码调制系统 | |
| CN112994850A (zh) | 一种联合发送端和接收端的scma编译码方法 | |
| CN107864029A (zh) | 一种降低多用户检测复杂度的方法 | |
| CN110677182B (zh) | 基于上行链路分层空时结构scma码本的通信方法 | |
| CN107508657A (zh) | 一种基于权重因子消息传递的scma多用户检测方法 | |
| Wen et al. | OTFS-SCMA: A downlink NOMA scheme for massive connectivity in high mobility channels | |
| Jamali et al. | Massive coded-NOMA for low-capacity channels: A low-complexity recursive approach | |
| Chen et al. | On near-optimal codebook and receiver designs for MIMO-SCMA schemes | |
| CN110191476B (zh) | 一种基于可重构天线阵列的非正交多址接入方法 | |
| CN113067672A (zh) | 一种非正交多址接入移动通信低复杂度接收方法 | |
| Miao et al. | A low complexity multiuser detection scheme with dynamic factor graph for uplink SCMA systems | |
| CN113141326B (zh) | 一种新的scma系统码本优化及码字分配方法 | |
| CN112003680B (zh) | 一种scma系统中低复杂度多用户检测方法 | |
| Chen et al. | A joint update parallel MCMC-method-based sparse code multiple access decoder | |
| CN107437976A (zh) | 一种数据处理方法及设备 | |
| CN111082842A (zh) | 基于码本复用的上行链路scma发射方法与接收方法 | |
| Lin et al. | Information theory, mathematical optimization, and their crossroads in 6G system design | |
| Yang et al. | Efficient hardware architecture of deterministic MPA decoder for SCMA | |
| Zhao et al. | Low Complexity MPA Based on Dynamic Threshold and Stability Judgment for SCMA |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210702 |