CN115001929B - 一种低复杂度的针对光纤信道的scma码本设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低复杂度的针对光纤信道的SCMA码本设计方法，包括码本的优化、标签映射准则的优化和传输方案优化三个方面；提出一种低复杂度的优化目标d_sum，将码本的优化转化为基于遗传算法对一个低复杂度的优化目标d_sum的优化问题；标签映射规则优化依据码字间的成对错误率作为误比特个数的权重从而具有最低的误比特率，将上述标签映射规则用于映射多维码字和码字的恢复中。本发明有效的解决了新增用户带来的码本不可复用问题和大规模码本设计问题。本发明设计的码本在降低复杂度的同时在低信噪比下相比其他基于最小欧氏距离方案拥有更好的误码性能。

Description

一种低复杂度的针对光纤信道的SCMA码本设计方法

技术领域

本发明属于光通信领域，尤其涉及一种低复杂度的针对光纤信道的SCMA码本设计方法。

背景技术

随着物联网、智慧城市、超高清视频虚拟现实和第5代(Fifth Generation，5G)移动通信等各种新技术和新应用的普及，网络宽带需求呈现指数型上升趋势，不断增长的带宽需求给整个网络带来了巨大的压力，尤其是作为网络流量入口的接入网。针对缓解带宽压力的需求，无源光网络(Passive Optical Network，PON)以其低成本、高带宽的优点，广泛应用于各种接入网场景。然而目前商用化较为成熟的基于OOK调制的TDM-PON在支持更大容量传输方面的瓶颈越发的明显。随着光通信中阵列波导光栅、可调谐激光器和光分插复用器等设备的成熟，系统能够灵活地应用不同波长的光路进行信号的传输，基于波分复用(Wavelength Division Multiplexed,WDM)的无源光网络(WDM-PON)成为一种重要的复用组网方式。通过使用专门的波长向单独的光网络单元提供虚拟点对点光纤接入连接，考虑单波长上传输10Gbit/s的信号，4波长通道的PON就能够实现单根光纤上40Gbit/s的信号传输，从而极大提高了接入网的带宽上限。为了进一步的扩充接入网的容量，研究人员从时域和波域两个维度对传输信号进行复用，提出了时分波分复用无源光网络(Time andWavelength Division Multiplexed,TWDM-PON)，该技术因大幅提高带宽的利用率得到了广泛的关注，因此也成为下一代无源光网络NG-PON2标准的首选技术。除了在光域上的复用，在电域使用多载波调制技术也同样可以提高系统容量，例如基于正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)的无源光网络通过在频域进行复用，从而提高宽带利用率。且OFDM可以灵活进行的子载波分配，将高速的数据流划分到诸多平行传输的低速子载波信道上，增强了接入网的弹性和可拓展性，为用户的细颗粒度业务奠定了坚实的基础。研究人员还提出在码域上的复用，通过控制分配给每个用户正交的码字，使得用户间的信号不会相互干扰，以实现多址复用。另外由于多模光纤的产生，一根光纤中可以存在多个不同的正交波导模式，基于空分复用(Space Division Multiplexing,SDM)的无源光网络也被广泛研究。以上方案都是基于正交的复用，为了避免干扰，它们都选择在时域、频率(波长)、码域中将正交资源块分配给单个不同的ONU。虽然采用正交的方式可以减少资源块间的干扰，但是同时限制了频谱效率。而随着宽带网络用户的飞速增长和高新网络技术的广泛应用，尤其是近年来4K视频、虚拟现实、边缘计算以及物联网技术的成熟，终端用户对网络数据速率的要求日益提高。由于正交资源的稀缺，为了应对不断增长的用户需求，亟需探索新型的扩容方式。

SCMA(Sparse Code Multiple Access,SCMA)是由华为公司提出用于满足5G海量接入的新型方案，该方案是在LDS-CDMA的基础上同时实现调制和扩频操作。SCMA发送端首先将待传输的比特映射成多维稀疏码字，然后将各个用户发射的码字叠加成一个混叠码字在信道中进行传输；在接收端，利用码字稀疏的特性，SCMA系统可以采用多用户检测算法对信号进行解调。相比正交多址技术，SCMA在相同的资源块数量上可以容纳更多的用户接入，实现更高的资源利用率。这一优势和下一代大规模PON中不断指数增长的用户设备接入的需求不谋而合。

SCMA采用码本映射代替传统LDS-CDMA的多维调制和稀疏扩频操作，实现更好的成形增益。因此，码本设计在整个SCMA-PON系统中占据着重要地位，一个良好的码本对SCMA-PON系统的抗噪能力起着重要作用。码本设计与传统的星座图设计一样，其核心目标是为了让信号具有很好的抗干扰能力，这就意味这我们需要最大程度上的区分码本中的不同码字。并且码本优化是一个复杂的非凸二次规划(Non-Convex Quadratic Programming，QCQP)问题，目前针对该问题还没有最优方案，因此码本设计一直都是SCMA中探究的热门课题。在华为提出SCMA之初，码本优化问题通常被拆分为多个子问题优化问题进行。一般情况下，先使用优化准则对母星座图进行优化；之后设计星座算子对优化得到母星座图进行星座变换(如旋转、置换和共轭等)，从而得到各个用户的非零行码本；最后优化映射矩阵，将各个用户的非零行码本使用映射矩阵得到最终的码本。在此过程中针对母星座的设计研究人员提出了不同的优化准则，优化准则对于整个码本设计起着至关重要的作用。然而目前大多数工作的聚焦点都在于码本优化性能，忽略了码本优化的复杂度，码本优化的复杂度随着用户数的增长呈现指数增长，不适用于大规模的码本设计中。并且目前码本设计的研究大多集中在无线信道中，仿真主要针对高斯信道和瑞利衰落信道，对于光纤信道下的码本设计工作几乎没有。

发明内容

为解决大规模用户下码本设计复杂度高的问题，本发明提供一种低复杂度的针对光纤信道的SCMA码本设计方法。

本发明的一种低复杂度的针对光纤信道的SCMA码本设计方法，包括基于遗传算法的码本的优化、标签映射准则的优化和传输方案优化三个方面。

码本的优化：

步骤11：首先对需要优化的变量采用浮点数编码，初始化种群，种群大小设为100，即初始化一组参数值以便优化。

步骤12：评估种群中的个体适应度，适应度的计算则是通过计算优化准则d_sum来完成，之后通过对个体按照适应度排序，淘汰掉低适应度的个体。优化准则d_sum计算式如下：

式中，

表示第k个资源块上第i个混叠码字符号，λ为参数控制成对错误率的放缩比例，K表示载波资源块数量，M表示调制阶数，d_f表示一个载波上冲突的用户数。

步骤13：对个体进行交叉变异操作，生成新的子代个体，回到步骤12继续执行，直到迭代次数达到目标迭代次数100。

步骤14：得到最终存活个体，然后取出适应度最好的个体，即最小的个体，该个体对应的各个用户码本即为最终优化的码本。

标签映射准则的优化：

步骤21：随机初始化一个标签映射规则，计算Ξ(ξ)，然后将其作为最优码本，即Ξ(ξ_opt)；

式中，ξ表示标签映射规则，N_k,i,j(ξ)表示在资源块k上，码字i与码字j之间对应标签比特的不同比特位的个数；

与/>

都是/>

的子集，/>

为发送端叠加的码字集合。

步骤22：然后将所有比特到码字的映射，进行遍历进行交换，遍历所有可能性，如果交换后计算出的Ξ(ξ)值如果小于Ξ(ξ_opt)，那么就将当前的Ξ(ξ)置为Ξ(ξ_opt)，否则，继续遍历交换，直到遍历完所有的交换，最后得到的Ξ(ξ_opt)就是最优的。

传输方案优化：

步骤31：每个用户组中的用户根据原始要发送的比特信息，根据标签映射规则映射成多维码字然后进行叠加，然后发送端将各个用户组的叠加的多维码字进行拼接。

步骤32：将多维码字使用OFDM调制到不同的正交载波上，最后经过上采样，滤波，上变频产生SCMA-OFDM信号，SCMA-OFDM信号通过增德尔马赫调制器调制到光载波上，然后置于光纤上传输。

步骤33：接收端对接收到的光信号通过光电转换为电信号，然后通过模数转换，下变频到OFDM基带信号，通过快速傅里叶变换后得到频域信号。

步骤34：对上一步得到的频域信号进行分组拆分得到每个组的频域信号，然后进行信道补偿后并MPA算法进行多用户检测，对各个用户发送的符号进行判决，最后通过标签映射规则将码字恢复成比特信号。

本发明的有益技术效果为：

本发明有效的解决了新增用户带来的码本不可复用问题和大规模码本设计问题。本发明设计的码本在降低复杂度的同时在低信噪比下相比其他基于最小欧氏距离方案拥有更好的误码性能。

附图说明

图1为本发明SCMA-PON系统传输链路图。

图2为SCMA信号帧示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种低复杂度的针对光纤信道的SCMA码本设计方法，包括基于遗传算法的码本的优化、标签映射准则的优化和传输方案优化三个方面。

码本的优化：

首先考虑到用户的灵活接入问题，当系统中新增用户时，SCMA-PON系统中的系统结构将发生较大变化。SCMA编码器将叠加更多用户的码字，而为了接收端能顺利进行多用户检测，用户的各个码字需要有着较大的差异，因此发送端需要重新设计新的码本分配给新的用户，甚至原本用户的码本也需要重新设计。然而码本设计是一项较为复杂的工作，如果新增用户接入以重新设计码本为代价，这显然使得系统的可用性大为降低。本发明考虑到以上问题，采用用户分组的思想，使得每一组用户组成一帧SCMA信号，n个信号帧的组合就成了一个SCMA符号。以6个ONU，4个资源块一帧SCMA信号为例，SCMA信号帧具体如图2所示。

考虑一个实际使用资源块数量为256的SCMA-PON系统中，当不考虑导频，插零的载波时，则一个SCMA符号可以拥有64帧SCMA信号，每一帧SCMA信号可以共享一组用户的码本进行传输。采用这种方案，当新用户进来组成新的用户组时，依然可以复用之前的码本，减少了重新设计码本的困难。并且也不需要再为每个用户单独设计码本，只需要每组用户复用同一组码本。

基于以上分组思想，针对少量用户组的码本设计提出一种低复杂度的码本优化准则。首先在码本模型设计方面，为了尽可能的减少优化的参数，通常利用坐标上的对称性，将码本设计成交织的形式，本发明使用的4QAM优化的非零行星座图模型如下：

其中，

而/>

其中α_2i和α_2i+1表示幅度参数，θ_2i和θ_2i+1表示旋转的角度参数，E表示了码字的平均功率，而R_i表示码字的功率差异，根据α_2i和α_2i+1的限定条件，可以使用E和R_i表示α_2i和α_2i+1，如下：

从而将最后优化的参数就转为了R和θ。

本发明使用星座图模型将星座运算这一个步骤直接融入到码本模型中，将码本中每一行的非零行码字都使用不同的相位进行旋转，得到码本中的各个值，最后将相位信息和幅度信息进行联合优化。优化后得到每个用户的非零行星座图后，还需要使用映射矩阵将其映射到资源块上得到各个用户的码本，设计的因子矩阵如下：

因此进一步得出6个用户的映射矩阵分别如下：

具体的各个用户的码本通过使用映射矩阵与非零行码字相乘得到，如下：

CB_j＝V_jg_i

最后得到6个用户的码本结构如下：

在目前的优化准则方面，常用的主要有最小欧式距离准则。在通信系统中，定义SCMA融合码字后的星座图的码字集合

其中存在两个码字/>

和/>

码字间成对错误率如下：

实际上优化最小欧氏距离，等同于优化成对错误率上界，因此本发明直接对成对错误率进行优化。成对错误率的定义也是将码字间欧氏距离通过正态分布进行概率转换，因此当将成对错误率考虑为优化准则时同样也受距离计算复杂度太高的困扰。而实际上考虑到SCMA码字的稀疏性，每个资源块中只有d_f个用户存在碰撞。因此当将每个载波的码字间的成对错误率独立计算时，可以有效地降低计算复杂度。本发明基于此提出一种低复杂度最小化成对错误率的优化准则，单独对每个资源块中的码字成对错误率进行优化，优化目标如下：

其中，

表示第k个资源块上第i个混叠码字符号，λ参数控制成对错误率的放缩比例。与最小欧氏距离的优化方案相比，这个目标的复杂度由O(M^2J)变成了/>

复杂度的指数部分降低了，有效的降低了复杂度。在大规模用户码本设计的情况下，低复杂度的优化目标相比之下有着较大的优势,并且本发明提出的码本优化准则考虑了多个码字对，考虑了不同等级的误码情况(即距离远的码字和距离近的码字都考虑到优化中)，因此能在低信噪比情况下依然有较好的性能。

公式中是一个与信噪比有关的参数，在发送端编码和接收端解码都使用到了该参数。为了简易起见，本发明总共只优化出一个码本，将这个值固定住为16，在码本优化和MPA解码过程中都采用一致的值。最终码本的优化问题总结如下：

其中，0.01≤R_i≤40，0<θ_i≤2π使用遗传算法进行优化得到最终的码本。

码本的优化总结为：

步骤11：首先对需要优化的变量采用浮点数编码，初始化种群，种群大小设为100，即初始化一组参数值以便优化。

步骤12：评估种群中的个体适应度，适应度的计算则是通过计算d_sum来完成，之后通过对个体按照适应度排序，淘汰掉低适应度的个体。

步骤13：对个体进行交叉变异操作，生成新的子代个体，回到步骤12继续执行，直到迭代次数达到目标迭代次数100。

步骤14：得到最终存活个体，然后取出适应度最好的个体，即最小的个体，该个体对应的各个用户码本即为最终优化的码本。

标签映射准则的优化：

在优化最大化码间距离准则优化得到各个用户的码本之后，仅仅构建了每个用户的M个码字，还需定义比特到码字的映射标签映射规则。在早期的信号调制中，通常选择格雷映射作为最优的标签映射规则，使用格雷映射可以使得距离相近的两个点的误码率最小。但考虑到SCMA接收端星座图是一个叠加星座图，对每个用户的星座图单独采用格雷映射无法将星座点间的误码率降到最优。为了使得距离相近的两个星座点具有更低的误码率，依据码字间的成对错误率作为权重设计低误码的标签映射，优化得到的标签映射也就具有最低的误比特率。定义

为发送端叠加的码字集合，在高斯信道下，本文设计出的标签映射规则如下：

其中，ξ表示标签映射规则，N_k,i,j(ξ)表示在资源块k上，码字i与码字j之间对应标签比特的不同比特位的个数，比如00与01之间有一位比特不同，该值为1；而00与11有两位不同，该值为2，其中

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而标签映射就是需要找到一个最优的映射规则ξ使得Ξ最小的方案，由于搜索空间有限，因此采用穷尽搜索寻找最优的映射准则。

标签映射准则的优化总结为：

步骤21：随机初始化一个标签映射规则，计算Ξ(ξ)，然后将其作为最优码本，即Ξ(ξ_opt)；

步骤22：然后将所有比特到码字的映射，进行遍历进行交换，遍历所有可能性，如果交换后计算出的Ξ(ξ)值如果小于Ξ(ξ_opt)，那么就将当前的Ξ(ξ)置为Ξ(ξ_opt)，否则，继续遍历交换，直到遍历完所有的交换，最后得到的Ξ(ξ_opt)就是最优的。

传输方案具体传输链路如图1，具体为：

步骤31：每个用户组中的用户根据原始要发送的比特信息，根据标签映射规则映射成多维码字然后进行叠加，然后发送端将各个用户组的叠加的多维码字进行拼接；

步骤32：将多维码字使用OFDM调制到不同的正交载波上，最后经过上采样，滤波，上变频产生SCMA-OFDM信号，SCMA-OFDM信号通过增德尔马赫调制器调制到光载波上，然后置于光纤上传输；

步骤33：接收端对接收到的光信号通过光电转换为电信号，然后通过模数转换，下变频到OFDM基带信号，通过快速傅里叶变换后得到频域信号；

步骤34：对上一步得到的频域信号进行分组拆分得到每个组的频域信号，然后进行信道补偿后并MPA算法进行多用户检测，对各个用户发送的符号进行判决，最后通过标签映射规则将码字恢复成比特信号。

Claims (1)

1.一种低复杂度的针对光纤信道的SCMA码本设计方法，其特征在于，包括基于遗传算法的码本的优化、标签映射准则的优化和传输方案优化三个方面；

码本的优化：

步骤11：首先对需要优化的变量采用浮点数编码，初始化种群，种群大小设为100，即初始化一组参数值以便优化；

步骤12：评估种群中的个体适应度，适应度的计算则是通过计算优化准则d_sum来完成，之后通过对个体按照适应度排序，淘汰掉低适应度的个体；优化准则d_sum计算式如下：

式中，

表示第k个资源块上第i个混叠码字符号，λ为参数控制成对错误率的放缩比例，K表示载波资源块数量，M表示调制阶数，d_f表示一个载波上冲突的用户数；

步骤13：对个体进行交叉变异操作，生成新的子代个体，回到步骤12继续执行，直到迭代次数达到目标迭代次数100；

步骤14：得到最终存活个体，然后取出适应度最好的个体，即最小的个体，该个体对应的各个用户码本即为最终优化的码本；

标签映射准则的优化：

步骤21：随机初始化一个标签映射规则，计算Ξ(ξ)，然后将其作为最优码本，即Ξ(ξ_opt)；

式中，ξ表示标签映射规则，N_k,i,j(ξ)表示在资源块k上，码字i与码字j之间对应标签比特的不同比特位的个数；

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为发送端叠加的码字集合；

步骤22：然后将所有比特到码字的映射，进行遍历进行交换，遍历所有可能性，如果交换后计算出的Ξ(ξ)值如果小于Ξ(ξ_opt)，那么就将当前的Ξ(ξ)置为Ξ(ξ_opt)，否则，继续遍历交换，直到遍历完所有的交换，最后得到的Ξ(ξ_opt)就是最优的；

传输方案优化：

步骤31：每个用户组中的用户根据原始要发送的比特信息，根据标签映射规则映射成多维码字然后进行叠加，然后发送端将各个用户组的叠加的多维码字进行拼接；

步骤32：将多维码字使用OFDM调制到不同的正交载波上，最后经过上采样，滤波，上变频产生SCMA-OFDM信号，SCMA-OFDM信号通过增德尔马赫调制器调制到光载波上，然后置于光纤上传输；

步骤33：接收端对接收到的光信号通过光电转换为电信号，然后通过模数转换，下变频到OFDM基带信号，通过快速傅里叶变换后得到频域信号；

步骤34：对上一步得到的频域信号进行分组拆分得到每个组的频域信号，然后进行信道补偿后并MPA算法进行多用户检测，对各个用户发送的符号进行判决，最后通过标签映射规则将码字恢复成比特信号。

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