CN113438191B - 一种sm-scma系统上行链路的零码字辅助球形译码方法、系统 - Google Patents

一种sm-scma系统上行链路的零码字辅助球形译码方法、系统 Download PDF

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CN113438191B CN202110700578.8A CN202110700578A CN113438191B CN 113438191 B CN113438191 B CN 113438191B CN 202110700578 A CN202110700578 A CN 202110700578A CN 113438191 B CN113438191 B CN 113438191B
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Abstract

本发明实施例提供一种SM‑SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法、系统。包括：令非激活天线发送零码字，并对等效信道矩阵执行QR分解，将SM‑SCMA系统的译码问题建模为球形译码问题；基于用户数K、用户的发送天线数NT以及用户的非零码字个数M建立多层码字搜索树；执行球形译码的前向搜索，获得候选最优路径及其累积长度d；执行球形译码的后向搜索，在执行所述后向搜索过程中，检测是否存在比所述候选最优路径更短的路径，若存在，则用该更短的路径更新所述候选最优路径及其累积长度d，获得累积长度最短的路径；根据所述累积长度最短的路径确定输出至每一用户的激活天线索引和发送的码字。本发明具有高可靠性低复杂度的特点。

Description

一种SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法、系统
技术领域
本发明涉及5G(第五代移动通信系统)及后5G系统技术领域，具体地涉及一种SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法、系统。
背景技术
近年来随着物联网快速发展，需要接入无线网络的终端数量也在快速增长。稀疏码多址接入技术(SCMA，Sparse Code Multiple Access)是一种典型的短序列扩频非正交多址接入技术，其源于稀疏签名技术(LDS，Low-Density Signature)。SCMA和LDS都是在同步CDMA的基础上将扩频码稀疏化，主要思想是限定用户扩展码的某些码片为零值，而只有部分码片为非零值。通过稀疏化扩频码，不仅可以有效降低用户间的多址干扰，还有利于接收端采用低复杂度的消息传播检测算法进行多用户检测。此外近几年学术界提出了一种新的多天线信号传输方案——空间调制(SM，Spatial Modulation)即将比特流调制为激活天线索引和星座符号，通过激活天线发送调制符号。SM由于信号只由一根天线发送，不仅避免了多天线间的信号同步问题还可有效避免多天线之间的信号干扰。融合两种技术的SM-SCMA系统具有多天线高频谱效率的潜力，又能提高系统的用户容量。由于空间调制SCMA中天线索引也携带用户信息，其信号检测算法需要对天线索引和SCMA符号都要进行检测。现阶段适合于SM-SCMA系统的信号译码可靠较低，复杂度则较高。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法、系统，该SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法、系统具有高可靠性低复杂度的特点。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法，所述SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法包括：
令非激活天线发送零码字，并对等效信道矩阵执行QR分解，将SM-SCMA系统的译码问题建模为球形译码问题；
基于用户数K、用户的发送天线数NT以及用户的非零码字个数M建立多层码字搜索树；
执行球形译码的前向搜索，获得候选最优路径及其累积长度d；
执行球形译码的后向搜索，在执行所述后向搜索过程中，检测是否存在比所述候选最优路径更短的路径，若存在，则用该更短的路径更新所述候选最优路径及其累积长度d，获得累积长度最短的路径；
根据所述累积长度最短的路径确定输出至每一用户的激活天线索引和发送的码字。
优选地，所述令非激活天线发送零码字，并对等效信道矩阵执行QR分解，将SM-SCMA系统的译码问题建模为球形译码问题包括：
将输入的二进制比特块分成空间比特和调制比特两部分，其中，所述空间比特被配置为用于映射激活天线的索引，所述调制比特被配置为用于稀疏码字，并令非激活天线发送零码字；
上行链路SM-SCMA系统包含一个基站、K个用户和N个物理资源块，每个物理资源块有dn个用户复用，其中所述基站具有NR根天线，每个用户具有NT根天线；每个用户k都被分配了dr个物理资源块，并有一个码本Sk∈CN×M，该码本包含M个稀疏码字
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其中dr<N<K，k＝1,…,K，m＝1,…,M；具有dr个非零元素的稀疏码字/>
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被配置为能够通过二进制扩展矩阵
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获得，即/>
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在Wk的每一列中，只有一个元素为1，其位置与分配给第k个用户的物理资源块对应，其余元素都为0；对于第k个用户，每个输入log2(NTM)比特块的前log2(NT)个比特映射为激活天线的索引号/>
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基站第nr根天线的接收信号可以表达为：
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其中，
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表示从第k个用户的第/>
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根天线到基站第nr根接收天线的信道响应向量；/>
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P＝{1，...，NT}是发送端天线的索引集；p是非激活天线索引；/>
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的非零元素位于/>
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是均值为0、协方差矩阵为σ2IN的高斯噪声；
基站NR根接收天线的接收信号为：
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将SM-SCMA系统的译码问题转化为求解如下最优化问题：
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ui＝[u((i-1)dr+1),…,u(idr)],1≤i≤KNT，u(idr)表示u的第idr个元素；将矩阵R划分为dr×dr大小相等的若干子矩阵，其中，第i行第j列的子矩阵R(i,j)表示为
Figure BDA0003129628150000049
其中，1≤i,j≤KNT，因此
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其中R(i,i)是上三角矩阵；
将最优化问题
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转化成多层树搜索里的最短路径问题；其中，所述多层树有KNT层，其在每一层具有最小分支度量的码字将被选为候选节点，在所述多层树的第i层，分支度量定义为/>
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从根节点到所述第i层节点的路径长度定义为di＝di+1+òi，其中，di+1是上一层母节点的路径长度；在所述多层树的顶层，母节点是路径长度为零的根节点/>
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优选地，所述多层码字搜索树被配置为共有KNT层，其中每一层的每一个节点都包含其下一层的M+1个子节点，所述M+1个子节点包含M个非零码字和1个零码字。
优选地，所述执行球形译码的前向搜索，获得候选最优路径及其累积长度d包括：
从第KNT层开始向下执行球形译码的前向搜索，针对每一层，执行：
(I-1)若当前层根据最短路径准则选择了一个非零码字，则该用户剩余层直接选择零码字，并将该非零码字标记为已测试；每个用户的NT层中仅有一个非零码字，一旦非零码字被选择作为候选节点，则该用户剩余层将直接选择零码字；(II-1)若当前层为某用户的最后一层，且该用户的前面所有层都选择了零码字，则从该层的非零码字集中根据最短路径准则选择一个最优码字，并将该码字和零码字标记为已测试；
按照所述(I-1)和(II-1)的规则搜索至第一层时，获得候选最优路径及其累积长度d。
优选地，所述执行球形译码的后向搜索，在执行所述后向搜索过程中，检测是否存在比所述候选最优路径更短的路径，若存在，则用该更短的路径更新所述候选最优路径及其累积长度d，获得累积长度最短的路径包括：
执行球形译码的后向搜索，并在执行过程中，针对每一层执行：
(I-2)若当前层及该用户的前面所有层在候选最优路径里选择的都是零码字，则直接跳转到后面一层；
(II-2)若当前层及该用户的前面所有层在候选最优路径里选择的不全是零码字，则从当前层未测试过的码字里根据最短路径准则选择一个次优码字，并从该层的该码字开始执行前向搜索过程；一旦检测到所述累积长度大于候选最优路径对应的累积长度d，则停止前向搜索并回退到其上一层执行后向搜索过程；若前向搜索至第一层并发现一条更短路径，则用该更短路径及其累积长度更新所述候选最优路径及其累积长度d，并回退到第二层执行后向搜索过程；
按照所述(I-2)和(II-2)的规则搜索至第KNT层并测试完该层码字，获得累积长度最短的路径。
另外，本发明还提供一种SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码系统，所述SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码系统包括：
建模单元，用于令非激活天线发送零码字，并对等效信道矩阵执行QR(正交三角)分解，将SM-SCMA系统的译码问题建模为球形译码问题；
多层码字搜索树建立单元，用于基于用户数K、用户的发送天线数NT以及用户的非零码字个数M建立多层码字搜索树；
最优路径获取单元，用于执行球形译码的前向搜索，获得候选最优路径及其累积长度d；
路径更新单元，用于执行球形译码的后向搜索，在执行所述后向搜索过程中，检测是否存在比所述候选最优路径更短的路径，若存在，则用该更短的路径更新所述候选最优路径及其累积长度d，获得累积长度最短的路径；
索引码字确定单元，用于根据所述累积长度最短的路径确定输出至每一用户的激活天线索引和发送的码字。
优选地，所述建模单元包括：
零码字发送模块，用于将输入的二进制比特块分成空间比特和调制比特两部分，其中，所述空间比特被配置为用于映射激活天线的索引，所述调制比特被配置为用于稀疏码字，并令非激活天线发送零码字；
QR分解模块，用于对等效信道矩阵
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其中，
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是一个上三角矩阵；上行链路SM-SCMA系统包含一个基站、K个用户和N个物理资源块，每个物理资源块有dn个用户复用，其中所述基站具有NR根天线，每个用户具有NT根天线；每个用户k都被分配了dr个物理资源块，并有一个码本sk∈CN×M，该码本包含M个稀疏码字/>
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其中dr＜N＜K，k＝1，...，K，m＝1，...，M；具有dr个非零元素的稀疏码字/>
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Figure BDA0003129628150000073
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Figure BDA0003129628150000075
在Wk的每一列中，只有一个元素为1，其位置与分配给第k个用户的物理资源块对应，其余元素都为0；对于第k个用户，每个输入log2(NTM)比特块的前log２(NT)个比特映射为激活天线的索引号/>
Figure BDA0003129628150000076
剩余的log2(M)个比特被映射到发送码字/>
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基站第nr根天线的接收信号可以表达为：
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表示等效信道矩阵；/>
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其余的元素为零；/>
Figure BDA00031296281500000716
是均值为0、协方差矩阵为σ2IN的高斯噪声；
基站NR根接收天线的接收信号为：
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其中，α是权重因子；令
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问题转换模块，用于将SM-SCMA系统的译码问题转化为求解如下最优化问题：
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Figure BDA0003129628150000087
其中，1≤i,j≤KNT，因此
Figure BDA0003129628150000088
其中R(i,i)是上三角矩阵；
并且，用于将最优化问题
Figure BDA0003129628150000089
转化成多层树搜索里的最短路径问题；其中，所述多层树有KNT层，其在每一层具有最小分支度量的码字将被选为候选节点，在所述多层树的第i层，分支度量定义为/>
Figure BDA00031296281500000810
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Figure BDA0003129628150000091
优选地，所述多层码字搜索树被配置为共有KNT层，其中每一层的每一个节点都包含其下一层的M+1个子节点，所述M+1个子节点包含M个非零码字和1个零码字。
优选地，所述最优路径获取单元包括：
前向搜索模块，用于从第KNT层开始向下执行球形译码的前向搜索，针对每一层，执行：
(I-1)若当前层根据最短路径准则选择了一个非零码字，则该用户剩余层直接选择零码字，并将该非零码字标记为已测试；每个用户的NT层中仅有一个非零码字，一旦非零码字被选择作为候选节点，则该用户剩余层将直接选择零码字；(II-1)若当前层为某用户的最后一层，且该用户的前面所有层都选择了零码字，则从该层的非零码字集中根据最短路径准则选择一个最优码字，并将该码字和零码字标记为已测试；
路径获得模块，用于按照所述(I-1)和(II-1)的规则搜索至第一层时，获得候选最优路径及其累积长度d。
优选地，所述路径更新单元包括：
后向搜索模块，用于执行球形译码的后向搜索，并在执行过程中，针对每一层执行：
(I-2)若当前层及该用户的前面所有层在候选最优路径里选择的都是零码字，则直接跳转到后面一层；
(II-2)若当前层及该用户的前面所有层在候选最优路径里选择的不全是零码字，则从当前层未测试过的码字里根据最短路径准则选择一个次优码字，并从该层的该码字开始执行前向搜索过程；一旦检测到所述累积长度大于候选最优路径对应的累积长度d，则停止前向搜索并回退到其上一层执行后向搜索过程；若前向搜索至第一层并发现一条更短路径，则用该更短路径及其累积长度更新所述候选最优路径及其累积长度d，并回退到第二层执行后向搜索过程；
最短路径获得模块，用于按照所述(I-2)和(II-2)的规则搜索至第KNT层并测试完该层码字，获得累积长度最短的路径。
另外，本发明还提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本申请上述SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码的方法。
另外，本发明还提供一种处理器，用于运行程序，其中，所述程序被运行时用于执行：如上述的SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法。
通过上述技术方案，本发明提供的基于零码字辅助的球形译码方法及系统利用空间调制每一时隙只激活一根发送天线的先验信息，能够大幅度地减少多用户信号检测的计算复杂度低，易于实现。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是说明本发明的一种SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法的流程图；
图2是说明本发明的给出K个用户构成多层码字搜索树图，其中序号1到M代表M个非零码字，序号M+1代表全零码字；
图3给出球形译码的前向搜索过程，以用户K配置4根发射天线数，非零码字数M＝4为例，其中用序号1到4表示用户的4个非零码字，序号5表示用户的全零码字；类型(I-1)和类型(II-1)分别代表规则(I-1)和规则(II-1)的前向搜索路径选择；
图4以用户1和用户2为例给出了球形译码的后向搜索过程的规则(I-2)和规则(II-2)的搜索路径选择；
图5为零码字辅助的球形译码方法(标记为本发明提供的方法)与最大似然方法、消息传递方法在基站配置不同接收天线下误比特率对比图；
图6分别为本发明提供的方法与消息传递方法、固定球形译码方法基于实数加法操作的复杂度对比曲线图；以及
图7分别为本发明提供的方法与消息传递方法、固定球形译码方法基于实数乘法操作的复杂度对比曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
图1是本发明的一种SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法的流程图，如图1所示，所述SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法包括：
步骤11，令非激活天线发送零码字，并对等效信道矩阵执行QR分解，将SM-SCMA系统译码问题建模为球形译码问题。
为了更好的理解本发明实施例的内容，首先详细介绍本发明实施例的系统模型。令上行链路SM-SCMA系统包含一个基站、K个用户和N个物理资源块，每个物理资源块有dn个用户复用，其中基站和每个用户分别具有NR和NT根天线。每个用户k都被分配了dr个物理资源块，并有一个码本Sk∈CN×M，该码本包含M个稀疏码字
Figure BDA0003129628150000121
其中dr＜N＜K，k＝1，...，K，m＝1，...，M。此外，具有dr个非零元素的稀疏码字/>
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Figure BDA0003129628150000124
获得，即/>
Figure BDA0003129628150000125
在Wk的每一列中，只有一个元素为1，其位置与分配给第k个用户的物理资源块对应，其余元素都为0。对于第k个用户，每个输入log2(NTM)比特块的前log2(NT)个比特映射为激活天线的索引号/>
Figure BDA0003129628150000126
剩余的log2(M)个比特被映射到发送码字/>
Figure BDA0003129628150000127
在基站，第nr根天线的接收信号可以表达为
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其中
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表示等效信道矩阵，/>
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P＝{1，...，NT}是发送端天线的索引集，p是非激活天线索引，/>
Figure BDA00031296281500001213
是非激活天线发送的零码字，/>
Figure BDA00031296281500001214
的非零元素位于/>
Figure BDA00031296281500001215
其余的元素为零，
Figure BDA00031296281500001216
是均值为0，协方差矩阵为σ2IN的高斯噪声。
从而，基站NR根接收天线的接收信号可以写成
Figure BDA00031296281500001217
其中
Figure BDA00031296281500001218
x＝[(x1)T,…,(xK)T]T,/>
Figure BDA0003129628150000131
具体地，将所述步骤11拆分为2个部分：
1)令非激活天线发送零码字，输入的二进制比特块分成空间比特和调制比特两部分，分别用于映射激活天线的索引和稀疏码字，并令非激活天线发送零码字。
2)对等效信道矩阵执行QR分解，将SM-SCMA系统译码问题建模为球形译码问题。
当信道矩阵H中行数小于列数时，即NNR<KNTdr，SM-SCMA是一个欠定系统，因此，零元素将出现在QR分解生成的上三角矩阵R的对角线上，这使得球形译码不能直接应用。这里，用最小均方误差(MMSE)正则化来解决这个问题，因此，基站NR根接收天线的接收信号可以改写为
Figure BDA0003129628150000132
其中α是权重因子。令
Figure BDA0003129628150000133
对等效信道矩阵/>
Figure BDA0003129628150000134
执行QR分解可得
Figure BDA0003129628150000135
其中/>
Figure BDA0003129628150000136
是一个上三角矩阵。从而，可将SM-SCMA系统的译码问题转化为求解如下最优化问题
Figure BDA0003129628150000137
其中
Figure BDA0003129628150000138
将u划分为KNT个长度相等的部分，如/>
Figure BDA0003129628150000139
ui＝[u((i-1)dr+1),…,u(idr)],1≤i≤KNT，u(idr)表示u的第idr个元素；同样地，将矩阵R划分为dr×dr大小相等的若干子矩阵，这样，第i行第j列的子矩阵R(i,j)表示为
Figure BDA0003129628150000141
其中1≤i,j≤KNT，因此
Figure BDA0003129628150000142
其中R(i,i)也是上三角矩阵，从而最优化问题/>
Figure BDA0003129628150000143
可进一步转化成多层树搜索里的最短路径问题。多层树总共有KNT层，在每一层具有最小分支度量的码字将被选为候选节点。在第i层，分支度量定义为/>
Figure BDA0003129628150000144
从根节点到第i层节点的路径长度定义为di＝di+1+òi，其中di+1是上一层母节点的路径长度。在顶层，母节点是路径长度为零的根节点，即/>
Figure BDA0003129628150000145
这样就把SM-SCMA系统译码问题建模为球形译码问题。
步骤12，根据用户数K、用户的发射天线数NT、用户的非零码字个数M建立一个多层码字搜索树。该树一共有KNT层，且第KNT层对应用户K的第NT根发送天线，第KNT-1层对应用户K的第NT-1根发送天线，依次类推，第一层对应于用户1的第1根发送天线。每一层的每一个节点都包含其下一层的M+1个子节点，即M个非零码字和1个零码字。图2给出了K个用户构成的多层码字搜索树图，其中序号1到M代表M个非零码字，序号M+1代表零码字。
步骤13，从第KNT层开始向下执行球形译码的前向搜索过程，搜索至第一层，获得了一条候选最优路径及其累积长度d。
步骤14，从第一层开始向上执行球形译码的后向搜索过程，以检测是否存在更短的路径。若存在，则用该路径更新候选最优路径及其距离d。后向搜索至第KNT层并测试完该层码字，获得了一条累积长度最短的路径。
步骤15，根据累积长度最短的路径输出每个用户的激活天线索引和发送的码字。
优选地，在步骤S13中，如图3所示，从第KNT层开始向下执行球形译码的前向搜索过程。(I-1)若当前层根据最短路径准则选择了一个非零码字，则该用户剩余层直接选择零码字，并将该非零码字标记为已测试。因为每个用户的NT层中仅有一个非零码字，一旦非零码字被选择作为候选节点，则该用户剩余层将直接选择零码字。(II-1)若当前层为某用户的最后一层，且该用户的前面所有层都选择了零码字，则从该层的非零码字集中根据最短路径准则选择一个最优码字，并将该码字和零码字都标记为已测试。
按照规则(I-1)和(II-1)从第KNT层搜索至第一层，获得了一条最优的候选路径及其累积路径长度d。
优选地，在步骤S14中，如图4所示，从第一层开始向上执行球形译码的后向搜索过程，以检查是否存在另一条更短的路径。如果存在，则用该路径替换原来候选的最优路径，并更新候选最优路径的距离d。
在执行球形译码的后向搜索过程中，(I-2)若当前层及该用户的前面所有层在候选最优路径里选择的都是零码字，则直接跳转到后面一层；(II-2)否则从当前层未测试过的码字里根据最短路径准则选择一个次优码字，并从该层的该码字开始执行前向搜索过程；(II-2A)一旦发现累积路径长度大于d，则停止前向搜索并回退到其上一层执行后向搜索过程；(II-2B)若前向搜索至第一层并发现一条更短路径，则用该更短路径及其长度分别更新候选最优路径及d，并回退到第二层执行后向搜索过程。按此规则搜索至第KNT层并测试完该层码字，从而获得了一条累积长度最短的路径。
如图4左侧路径，前向搜索过程到达第一层，获得了一条最优路径及其累积长度d，即d1＝d。开始执行球形译码后向搜索过程，跳到第二层。根据后向搜索规则(I-2)，因为第一、二层在前向搜索过程选择的是零码字，所以跳转到第三层，开始测试第三层的次优码字。
若该前向搜索到达了第一层，并发现了一条更短的路径，如图4右侧路径，则用该路径更新之前的候选最优路径及其路径长度d，并跳到后面一层继续执行球形译码的后向搜索过程。
并且，如果d3＞d，则继续测试剩余码字。若剩下的1、3、4号码字都测试完了，则跳转到后面一层。
如果d3＜d，则执行球形译码前向搜索过程，一直到路径长度大于d停止。
与现有技术相比，本发明提供的基于零码字辅助的球形译码方法利用空间调制每一时隙只激活一根发送天线的先验信息，能够大幅度地减少多用户信号检测的计算复杂度低，易于实现。
为了验证本发明方法的有效性与相比现有方法的优势，做了如下仿真对比试验。所考虑的场景参数是：发送天线数目NT＝4，非零码字数M＝4，每个用户占用的资源块数目dr＝2，接入系统的用户数目K＝6；图5为零码字辅助的球形译码方法(标记为本发明提供的方法)与最大似然方法、消息传递方法在基站配置不同接收天线的误比特率对比图，图5如图中所示，其实际为三种线重叠的形式。从图中可以看出本发明提供方法的检测正确概率接近于最优的最大似然方法。
图6、7分别为本发明提供的方法与消息传递方法、固定球形译码方法基于实数操作的复杂度对比曲线图。从图中可以看出本发明提供方法的计算复杂度在中和高信噪比时，其实数加和实数乘操作比消息传递方法、固定球形译码方法低，且随着接收天线的的增多而减少。而消息传递方法、固定球形译码方法与本发明提供的方法相反，实数加和实数乘操作随着接收天线的的增多而增多。
另外，本发明还提供一种SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码系统，所述SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码系统包括：
建模单元，用于令非激活天线发送零码字，并对等效信道矩阵执行QR分解，将SM-SCMA系统的译码问题建模为球形译码问题；
多层码字搜索树建立单元，用于基于用户数K、用户的发送天线数NT以及用户的非零码字个数M建立多层码字搜索树；
最优路径获取单元，用于执行球形译码的前向搜索，获得候选最优路径及其累积长度d；
路径更新单元，用于执行球形译码的后向搜索，在执行所述后向搜索过程中，检测是否存在比所述候选最优路径更短的路径，若存在，则用该更短的路径更新所述候选最优路径及其累积长度d，获得累积长度最短的路径；
索引码字确定单元，用于根据所述累积长度最短的路径确定输出至每一用户的激活天线索引和发送的码字。
优选地，所述建模单元包括：
零码字发送模块，用于将输入的二进制比特块分成空间比特和调制比特两部分，其中，所述空间比特被配置为用于映射激活天线的索引，所述调制比特被配置为用于稀疏码字，并令非激活天线发送零码字；
QR分解模块，用于对等效信道矩阵
Figure BDA0003129628150000171
执行QR分解得到/>
Figure BDA0003129628150000172
其中，
Figure BDA0003129628150000173
是一个上三角矩阵；上行链路SM-SCMA系统包含一个基站、K个用户和N个物理资源块，每个物理资源块有dn个用户复用，其中所述基站具有NR根天线，每个用户具有NT根天线；每个用户k都被分配了dr个物理资源块，并有一个码本Sk∈CN×M，该码本包含M个稀疏码字/>
Figure BDA0003129628150000174
其中dr<N<K，k＝1,...,K，m＝1,...,M；具有dr个非零元素的稀疏码字/>
Figure BDA0003129628150000175
被配置为能够通过二进制扩展矩阵/>
Figure BDA0003129628150000181
乘以dr维复数星座点/>
Figure BDA0003129628150000182
获得，即/>
Figure BDA0003129628150000183
在Wk的每一列中，只有一个元素为1，其位置与分配给第k个用户的物理资源块对应，其余元素都为0；对于第k个用户，每个输入log２(NTM)比特块的前log２(NT)个比特映射为激活天线的索引号/>
Figure BDA0003129628150000184
剩余的log２(M)个比特被映射到发送码字/>
Figure BDA0003129628150000185
基站第nr根天线的接收信号可以表达为：/>
Figure BDA0003129628150000186
其中，
Figure BDA0003129628150000187
表示从第k个用户的第/>
Figure BDA0003129628150000188
根天线到基站第nr根接收天线的信道响应向量；/>
Figure BDA0003129628150000189
表示等效信道矩阵；/>
Figure BDA00031296281500001810
P＝{l，...，NT}是发送端天线的索引集；p是非激活天线索引；/>
Figure BDA00031296281500001811
是非激活天线发送的零码字；/>
Figure BDA00031296281500001812
的非零元素位于/>
Figure BDA00031296281500001813
其余的元素为零；
Figure BDA00031296281500001814
是均值为0、协方差矩阵为σ2IN的高斯噪声；
基站NR根接收天线的接收信号为：
Figure BDA00031296281500001815
其中，
Figure BDA00031296281500001816
x＝[(x1)T，...，(xK)T]T，/>
Figure BDA00031296281500001817
当信道矩阵H中行数小于列数时，即NNR＜KNTdr，将基站NR根接收天线的接收信号改写为
Figure BDA0003129628150000191
其中，α是权重因子；令
Figure BDA0003129628150000192
问题转换模块，用于将SM-SCMA系统的译码问题转化为求解如下最优化问题：
Figure BDA0003129628150000193
其中，
Figure BDA0003129628150000194
将u划分为如下KNT个长度相等的部分：/>
Figure BDA0003129628150000195
ui＝[u((i-1)dr+1),…,u(idr)],1≤i≤KNT，u(idr)表示u的第idr个元素；将矩阵R划分为dr×dr大小相等的若干子矩阵，其中，第i行第j列的子矩阵R(i,j)表示为
Figure BDA0003129628150000196
/>
其中，1≤i,j≤KNT，因此
Figure BDA0003129628150000197
其中R(i,i)是上三角矩阵；
并且，用于将最优化问题
Figure BDA0003129628150000198
转化成多层树搜索里的最短路径问题；其中，所述多层树有KNT层，其在每一层具有最小分支度量的码字将被选为候选节点，在所述多层树的第i层，分支度量定义为/>
Figure BDA0003129628150000199
从根节点到所述第i层节点的路径长度定义为di＝di+1+òi，其中，di+1是上一层母节点的路径长度；在所述多层树的顶层，母节点是路径长度为零的根节点/>
Figure BDA00031296281500001910
优选地，所述多层码字搜索树被配置为共有KNT层，其中每一层的每一个节点都包含其下一层的M+1个子节点，所述M+1个子节点包含M个非零码字和1个零码字。
优选地，所述最优路径获取单元包括：
前向搜索模块，用于从第KNT层开始向下执行球形译码的前向搜索，针对每一层，执行：
(I-1)若当前层根据最短路径准则选择了一个非零码字，则该用户剩余层直接选择零码字，并将该非零码字标记为已测试；每个用户的NT层中仅有一个非零码字，一旦非零码字被选择作为候选节点，则该用户剩余层将直接选择零码字；(II-1)若当前层为某用户的最后一层，且该用户的前面所有层都选择了零码字，则从该层的非零码字集中根据最短路径准则选择一个最优码字，并将该码字和零码字标记为已测试；
路径获得模块，用于按照所述(I-1)和(II-1)的规则搜索至第一层时，获得候选最优路径及其累积长度d。
优选地，所述路径更新单元包括：
后向搜索模块，用于执行球形译码的后向搜索，并在执行过程中，针对每一层执行：
(I-2)若当前层及该用户的前面所有层在候选最优路径里选择的都是零码字，则直接跳转到后面一层；
(II-2)若当前层及该用户的前面所有层在候选最优路径里选择的不全是零码字，则从当前层未测试过的码字里根据最短路径准则选择一个次优码字，并从该层的该码字开始执行前向搜索过程；一旦检测到所述累积长度大于候选最优路径对应的累积长度d，则停止前向搜索并回退到其上一层执行后向搜索过程；若前向搜索至第一层并发现一条更短路径，则用该更短路径及其累积长度更新所述候选最优路径及其累积长度d，并回退到第二层执行后向搜索过程；
最短路径获得模块，用于按照所述(I-2)和(II-2)的规则搜索至第KNT层并测试完该层码字，获得累积长度最短的路径。
其中，本发明的种SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码系统与现有技术相比具有与所述SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法相同的区别技术特征和技术效果在此不再赘述。
本发明实施例提供了一种存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现所述SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法。
本发明实施例提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法。
本发明实施例提供了一种设备，设备包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，处理器执行程序时实现以下步骤：图1中的所有步骤。本文中的设备可以是服务器、PC、PAD、手机等。
本申请还提供了一种计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行初始化有如下方法步骤的程序：图1中的所有步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法，其特征在于，所述SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法包括：
令非激活天线发送零码字，并对等效信道矩阵执行QR分解，将SM-SCMA系统的译码问题建模为球形译码问题；
基于用户数K、用户的发送天线数NT以及用户的非零码字个数M建立多层码字搜索树；
执行球形译码的前向搜索，获得候选最优路径及其累积长度d；
执行球形译码的后向搜索，在执行所述后向搜索过程中，检测是否存在比所述候选最优路径更短的路径，若存在，则用该更短的路径更新所述候选最优路径及其累积长度d，获得累积长度最短的路径；
根据所述累积长度最短的路径确定输出至每一用户的激活天线索引和发送的码字。
2.根据权利要求1所述的SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法，其特征在于，所述令非激活天线发送零码字，并对等效信道矩阵执行QR分解，将SM-SCMA系统的译码问题建模为球形译码问题包括：
将输入的二进制比特块分成空间比特和调制比特两部分，其中，所述空间比特被配置为用于映射激活天线的索引，所述调制比特被配置为用于稀疏码字，并令非激活天线发送零码字；其中，上行链路SM-SCMA系统包含一个基站、K个用户和N个物理资源块，每个物理资源块有dn个用户复用，其中所述基站具有NR根天线，每个用户具有NT根天线；每个用户k都被分配了dr个物理资源块，并有一个码本Sk∈CN×M，该码本包含M个稀疏码字
Figure FDA0003129628140000011
其中dr<N<K，k＝1,...,K，m＝1,...,M；具有dr个非零元素的稀疏码字/>
Figure FDA0003129628140000012
被配置为能够通过二进制扩展矩阵/>
Figure FDA0003129628140000013
乘以dr维复数星座点/>
Figure FDA0003129628140000014
获得，即/>
Figure FDA0003129628140000021
在Wk的每一列中，只有一个元素为1，其位置与分配给第k个用户的物理资源块对应，其余元素都为0；对于第k个用户，每个输入log2(NTM)比特块的前log2(NT)个比特映射为激活天线的索引号/>
Figure FDA0003129628140000022
剩余的log2(M)个比特被映射到发送码字/>
Figure FDA0003129628140000023
基站第nr根天线的接收信号可以表达为：
Figure FDA0003129628140000024
其中，
Figure FDA0003129628140000025
表示从第k个用户的第/>
Figure FDA0003129628140000026
根天线到基站第nr根接收天线的信道响应向量；
Figure FDA0003129628140000027
表示等效信道矩阵；/>
Figure FDA0003129628140000028
P＝{1,...,NT}是发送端天线的索引集；p是非激活天线索引；/>
Figure FDA0003129628140000029
是非激活天线发送的零码字；
Figure FDA00031296281400000210
的非零元素位于/>
Figure FDA00031296281400000211
其余的元素为零；/>
Figure FDA00031296281400000212
是均值为0、协方差矩阵为σ2IN的高斯噪声；
基站NR根接收天线的接收信号为：
Figure FDA00031296281400000213
其中，
Figure FDA00031296281400000214
Figure FDA00031296281400000215
当信道矩阵H中行数小于列数时，即NNR<KNTdr，将基站NR根接收天线的接收信号改写为
Figure FDA0003129628140000031
其中，α是权重因子；令
Figure FDA0003129628140000032
对等效信道矩阵/>
Figure FDA0003129628140000033
执行QR分解得到
Figure FDA0003129628140000034
其中，/>
Figure FDA0003129628140000035
是一个上三角矩阵；
将SM-SCMA系统的译码问题转化为求解如下最优化问题：
Figure FDA0003129628140000036
其中，
Figure FDA0003129628140000037
将u划分为如下KNT个长度相等的部分：/>
Figure FDA0003129628140000038
ui＝[u((i-1)dr+1),…,u(idr)],1≤i≤KNT，u(idr)表示u的第idr个元素；将矩阵R划分为dr×dr大小相等的若干子矩阵，其中，第i行第j列的子矩阵R(i,j)表示为
Figure FDA0003129628140000039
其中，1≤i,j≤KNT，因此
Figure FDA00031296281400000310
其中R(i,i)是上三角矩阵；
将最优化问题
Figure FDA00031296281400000311
转化成多层树搜索里的最短路径问题；其中，所述多层树有KNT层，其在每一层具有最小分支度量的码字将被选为候选节点，在所述多层树的第i层，分支度量定义为/>
Figure FDA00031296281400000312
从根节点到所述第i层节点的路径长度定义为/>
Figure FDA00031296281400000313
其中，di+1是上一层母节点的路径长度；在所述多层树的顶层，母节点是路径长度为零的根节点/>
Figure FDA00031296281400000314
3.根据权利要求2所述的SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法，其特征在于，所述多层码字搜索树被配置为共有KNT层，其中每一层的每一个节点都包含其下一层的M+1个子节点，所述M+1个子节点包含M个非零码字和1个零码字。
4.根据权利要求3所述的SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法，其特征在于，所述执行球形译码的前向搜索，获得候选最优路径及其累积长度d包括：
从第KNT层开始向下执行球形译码的前向搜索，针对每一层，执行：
(I-1)若当前层根据最短路径准则选择了一个非零码字，则该用户剩余层直接选择零码字，并将该非零码字标记为已测试；每个用户的NT层中仅有一个非零码字，一旦非零码字被选择作为候选节点，则该用户剩余层将直接选择零码字；(II-1)若当前层为某用户的最后一层，且该用户的前面所有层都选择了零码字，则从该层的非零码字集中根据最短路径准则选择一个最优码字，并将该码字和零码字标记为已测试；
按照所述(I-1)和(II-1)的规则搜索至第一层时，获得候选最优路径及其累积长度d。
5.根据权利要求4所述的SM-SCMA系统上行链路零码字辅助球形译码方法，其特征在于，所述执行球形译码的后向搜索，在执行所述后向搜索过程中，检测是否存在比所述候选最优路径更短的路径，若存在，则用该更短的路径更新所述候选最优路径及其累积长度d，获得累积长度最短的路径包括：
执行球形译码的后向搜索，并在执行过程中，针对每一层执行：
(I-2)若当前层及该用户的前面所有层在候选最优路径里选择的都是零码字，则直接跳转到后面一层；
(II-2)若当前层及该用户的前面所有层在候选最优路径里选择的不全是零码字，则从当前层未测试过的码字里根据最短路径准则选择一个次优码字，并从该层的该码字开始执行前向搜索过程；一旦检测到所述累积长度大于候选最优路径对应的累积长度d，则停止前向搜索并回退到其上一层执行后向搜索过程；若前向搜索至第一层并发现一条更短路径，则用该更短路径及其累积长度更新所述候选最优路径及其累积长度d，并回退到第二层执行后向搜索过程；
按照所述(I-2)和(II-2)的规则搜索至第KNT层并测试完该层码字，获得累积长度最短的路径。
6.一种SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码系统，其特征在于，所述SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码系统包括：
建模单元，用于令非激活天线发送零码字，并对等效信道矩阵执行QR分解，将SM-SCMA系统的译码问题建模为球形译码问题；
多层码字搜索树建立单元，用于基于用户数K、用户的发送天线数NT以及用户的非零码字个数M建立多层码字搜索树；
最优路径获取单元，用于执行球形译码的前向搜索，获得候选最优路径及其累积长度d；
路径更新单元，用于执行球形译码的后向搜索，在执行所述后向搜索过程中，检测是否存在比所述候选最优路径更短的路径，若存在，则用该更短的路径更新所述候选最优路径及其累积长度d，获得累积长度最短的路径；
索引码字确定单元，用于根据所述累积长度最短的路径确定输出至每一用户的激活天线索引和发送的码字。
7.根据权利要求1所述的SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码系统，其特征在于，所述建模单元包括：
零码字发送模块，用于将输入的二进制比特块分成空间比特和调制比特两部分，其中，所述空间比特被配置为用于映射激活天线的索引，所述调制比特被配置为用于稀疏码字，并令非激活天线发送零码字；
QR分解模块，用于对等效信道矩阵
Figure FDA0003129628140000061
执行QR分解得到/>
Figure FDA0003129628140000062
其中，
Figure FDA0003129628140000063
是一个上三角矩阵；上行链路SM-SCMA系统包含一个基站、K个用户和N个物理资源块，每个物理资源块有dn个用户复用，其中所述基站具有NR根天线，每个用户具有NT根天线；每个用户k都被分配了dr个物理资源块，并有一个码本Sk∈CN×M，该码本包含M个稀疏码字/>
Figure FDA0003129628140000064
其中dr<N<K，k＝1,...,K，m＝1,…,M；具有dr个非零元素的稀疏码字/>
Figure FDA0003129628140000065
被配置为能够通过二进制扩展矩阵/>
Figure FDA0003129628140000066
乘以dr维复数星座点/>
Figure FDA0003129628140000067
获得，即/>
Figure FDA0003129628140000068
在Wk的每一列中，只有一个元素为1，其位置与分配给第k个用户的物理资源块对应，其余元素都为0；对于第k个用户，每个输入log2(NTM)比特块的前log2(NT)个比特映射为激活天线的索引号/>
Figure FDA0003129628140000069
剩余的log2(M)个比特被映射到发送码字/>
Figure FDA00031296281400000610
基站第nr根天线的接收信号可以表达为：
Figure FDA00031296281400000611
其中，
Figure FDA00031296281400000612
表示从第k个用户的第/>
Figure FDA00031296281400000613
根天线到基站第nr根接收天线的信道响应向量；
Figure FDA00031296281400000614
表示等效信道矩阵；/>
Figure FDA0003129628140000071
P＝{1,…,NT}是发送端天线的索引集；p是非激活天线索引；/>
Figure FDA0003129628140000072
是非激活天线发送的零码字；
Figure FDA0003129628140000073
的非零元素位于/>
Figure FDA0003129628140000074
其余的元素为零；/>
Figure FDA0003129628140000075
是均值为0、协方差矩阵为σ2IN的高斯噪声；
基站NR根接收天线的接收信号为：
Figure FDA0003129628140000076
其中，
Figure FDA0003129628140000077
Figure FDA0003129628140000078
当信道矩阵H中行数小于列数时，即NNR<KNTdr，将基站NR根接收天线的接收信号改写为
Figure FDA0003129628140000079
其中，α是权重因子；令
Figure FDA00031296281400000710
问题转换模块，用于将SM-SCMA系统的译码问题转化为求解如下最优化问题：
Figure FDA00031296281400000711
其中，
Figure FDA00031296281400000712
将u划分为如下KNT个长度相等的部分：/>
Figure FDA00031296281400000713
ui＝[u((i-1)dr+1),…,u(idr)],1≤i≤KNT，u(idr)表示u的第idr个元素；将矩阵R划分为dr×dr大小相等的若干子矩阵，其中，第i行第j列的子矩阵R(i,j)表示为
Figure FDA00031296281400000714
其中，1≤i,j≤KNT，因此
Figure FDA0003129628140000081
其中R(i,i)是上三角矩阵；
并且，用于将最优化问题
Figure FDA0003129628140000082
转化成多层树搜索里的最短路径问题；其中，所述多层树有KNT层，其在每一层具有最小分支度量的码字将被选为候选节点，在所述多层树的第i层，分支度量定义为/>
Figure FDA0003129628140000083
从根节点到所述第i层节点的路径长度定义为/>
Figure FDA0003129628140000084
其中，di+1是上一层母节点的路径长度；在所述多层树的顶层，母节点是路径长度为零的根节点/>
Figure FDA0003129628140000085
8.根据权利要求7所述的SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码系统，其特征在于，所述多层码字搜索树被配置为共有KNT层，其中每一层的每一个节点都包含其下一层的M+1个子节点，所述M+1个子节点包含M个非零码字和1个零码字。
9.一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本申请上述权利要求1-5中任一项所述SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码的方法。
10.一种处理器，其特征在于，用于运行程序，其中，所述程序被运行时用于执行：如权利要求1-5任意一项所述的SM-SCMA系统上行链路的零码字辅助球形译码方法。
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