CN115173910A - 基于叠加星座的vlc-scma的码本设计方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于叠加星座的VLC‑SCMA的码本设计方法及装置，该方法通过根据实际的通信场景需求，即对过载率的要求，进而设定用户码本的码本参数，再根据码本参数的设定设计一种总叠加星座图等于每个正交资源块叠加星座图的码本结构，并根据码本总能量为每个用户分配功率，并基于母星座旋转得到各用户的码字，各用户的码字用于组成初始码本，而后根据目标函数，对初始码本的码本参数进行优化，通过得到的优化码本参数确定优化码本，并将优化码本根据因子矩阵进行分配，最终得到各用户的目标码本，从而可以解决高维码本难以设计以及高过载系统码本难以优化的问题，另外，该码本设计方法还具有复杂度低以及误码率性能好的优点。

Description

基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计方法及装置
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计方法及装置。
背景技术
继5G技术研发出来之后，人们又将研究目光聚焦到下一代移动通信技术，即6G技术上，其中，下一代移动通信技术有望用到可见光通信、非正交多址技术。可见光通信技术的优点在于其安全性高、保密性好、抗电磁干扰能力强、无电磁污染等。
与此同时，非正交多址接入(Nonorthogonal Multiple Access，NOMA)技术作为实现大规模机器类型通信(massive Machine Type Communication，mMTC)系统的关键技术，近年来也受到越来越多的研究关注。它与正交多址接入(Orthogonal Multiple Access，OMA)技术相比，能够在相同的时频资源与指定的服务质量(Quality of Service，QoS)条件下支持更多的用户，也因此在一些基于VLC（Visible Light Communication，可见光通信）的系统中得到了广泛的部署。NOMA主要的概念是基于不同的码本或功率差异，在相同的资源元素(频率或时隙)上为多个用户提供服务。本发明基于VLC与稀疏码多址接入(SparseCode Multiple Access，SCMA)集成的非正交多址接入系统，提出了一种较新颖的码本设计和优化方案。由于用于射频通信的码本不能直接应用到VLC系统中，因为复数信号不能在VLC系统中传输和接收，VLC需要实数和正数信号的传输。为了克服上述问题，本发明采用非对称限幅光正交频分复用(Asymmetrically Clipped Optical Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，ACO-OFDM)在VLC系统中通过厄米特对称来传输正实信号，以满足VLC的非负约束条件。此外，由于SCMA通常可以提供更高的吞吐量，提高VLC系统的带宽效率，同时能够在相同的时频资源支持更多的用户。因此对于VLC的系统来说，SCMA是一个很有前途的非正交多址接入方案，需要说明的是，在VLC-SCMA系统中，码本设计是影响VLC-SCMA系统性能的关键因素。
具体的，将基于射频通信设计的SCMA应用于可见光通信，避免不了采用OFDM技术，而OFDM信号波形是由多个子载波信号波形叠加而成的，这将导致时域OFDM信号具有较高的峰值平均功率比(Peak to Average Power Ratio，PAPR)和振幅因子，从而在数据传输过程中，引起光源闪烁，同时还会影响照明质量和LED的使用寿命，另外，由于可见光通信中LED是一个典型的非线性器件，高峰均比的OFDM信号经过LED必然会产生严重的非线性失真，这是BER（Bit Error Ratio，比特误码率）性能下降和非线性信道中频谱频率扩展的主要原因，这将直接影响整个系统的性能。在ACO-OFDM调制系统中，由于ACO-OFDM在信号经过IFFT之后，需要把负信号削波为零，该操作会使信号的平均功率减小为原来的一半，从而使系统的 PAPR 增大为原来的两倍，也就是说PAPR会增大约3 dB，此外，当高峰值的信号经过LED这种非线性器件时，会使削短大幅度信号和小幅度信号，从而导致信号的失真。因此，抑制PAPR的问题显得尤为重要。
现有关于应用在可见光系统上的码本设计很少考虑抑制PAPR 的问题，只是通过最大化最小欧几里得距离（MED）或者信道容量，来设计更高维度和更高过载率的码本，该方法存在较高的复杂度。需要说明的是，可见光通信作为未来移动通信的关键技术之一，但是由于LED光源调制带宽窄的原因，不能满足未来的高速率、大规模连接的需求，而稀疏码多址技术辅助可见光通信系统可以在不增加调制带宽的基础上，提升频谱利用效率，这将有利于提升VLC系统容量，并且很大程度地提升室内终端的连接数量，对构建“万物互联”具有重要意义。但是，面向智慧互联系统，将面临着超大规模连接的需求，同时，高速传输作为可见光通信一大优势，将面临着如何在受限带宽内进一步提升传输速率的需求，面对以上需求，基于SCMA辅助可见光通信如何设计高阶码本将是需要解决的难题。现有研究关于SCMA辅助可见光通信系统的系统过载率大多为150%，这远远满足不了需求，这也将严重影响VLC-SCMA在未来6G系统的应用，因此，基于以上亟待解决的问题，本发明将峰值平均功率比较高的问题考虑其中，提出一种基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计方法及装置。
发明内容
基于此，本发明实施例当中提供了一种基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计方法及装置，旨在解决现有技术中，高维码本难以设计以及高过载系统码本难以优化的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计方法，应用于VLC-SCMA通信系统中，所述方法包括：
获取过载率目标值，并根据所述过载率目标值确定对应的码本参数，所述码本参数至少包括正交资源块数量、码字中非零元素数量、码本大小、SCMA系统所能承载的第一用户数量、各正交资源块上所占的第二用户数量以及因子矩阵；
根据所述码本大小，确定母星座维度，并根据所述母星座维度设计具有叠加星座特点的母星座结构，其中，所述码本大小为偶数，所述母星座结构由不同种类的码字组成，且所述母星座结构中包括至少两种码字，所述码本大小与码字种类数量的关系可以表示为：
Figure 319417DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，M表示为所述码本大小，n表示为所述码字种类数量，
Figure 576917DEST_PATH_IMAGE002
为取商运算；
根据所述各正交资源块上所占的第二用户数量，确定用户的分配功率，并基于母星座旋转得到各所述用户的码字，各所述用户的码字用于组成初始码本；
获取初始码本，并根据目标函数以及所述码字种类数量，以各正交资源块上叠加星座点间的最小欧式距离为优化目标，对所述初始码本的码本参数进行优化，得到优化码本参数，其中，所述目标函数可以表示为：
Figure 518329DEST_PATH_IMAGE003
其中，MED1表示为第1个正交资源块的最小欧式距离，argmin表示为求函数的最小值，P表示为用户分配功率的向量，Ei表示为第i个用户的功率，
Figure 100620DEST_PATH_IMAGE004
表示为所述母星座结构的旋转角度，
Figure 619326DEST_PATH_IMAGE005
表示为所述母星座结构中第i个用户所做的旋转角度，W表示所述母星座结构中不同类别的码字，M表示为码本大小，J表示为SCMA系统所能承载的第一用户数量，MJ表示为SCMA码本的总能量，K表示为正交资源块数量，df表示为各正交资源块上所占的第二用户数量；
根据所述优化码本参数，确定各所述用户的优化码本，并根据所述因子矩阵，将各所述优化码本进行分配，得到各所述用户的目标码本。
进一步的，所述根据所述各正交资源块上所占的第二用户数量，确定用户的分配功率，并基于母星座旋转得到各所述用户的码字，各所述用户的码字用于组成初始码本的步骤中，所述码字的公式为：
Figure 578054DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，Ci表示为第i个用户的码字，1≤i≤第二用户数量，MC表示为所述母星座结构，E表示为所述母星座结构的功率，Ei表示为第i个用户的功率，
Figure 249338DEST_PATH_IMAGE005
表示为所述母星座结构中第i个用户所做的旋转角度，
Figure 2531DEST_PATH_IMAGE007
表示为相位旋转。
进一步的，所述母星座结构的功率的公式为：
Figure 149478DEST_PATH_IMAGE008
；
其中，M表示为码本大小，J表示为SCMA系统所能承载的第一用户数量，MJ表示为SCMA码本的总能量，K表示为正交资源块数量，df表示为各正交资源块上所占的第二用户数量。
进一步的，所述因子矩阵中的每行每列非零元素不重复。
进一步的，所述获取初始码本的公式为：
Figure 505373DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，CBi表示为第i个用户的码本，
Figure 155797DEST_PATH_IMAGE010
表示为因子矩阵。
本发明实施例的另一方面提供了一种基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计装置，应用于VLC-SCMA通信系统中，所述装置包括：
码本参数确定模块，用于获取过载率目标值，并根据所述过载率目标值确定对应的码本参数，所述码本参数至少包括正交资源块数量、码字中非零元素数量、码本大小、SCMA系统所能承载的第一用户数量、各正交资源块上所占的第二用户数量以及因子矩阵；
母星座结构设计模块，用于根据所述码本大小，确定母星座维度，并根据所述母星座维度设计具有叠加星座特点的母星座结构，其中，所述码本大小为偶数，所述母星座结构由不同种类的码字组成，且所述母星座结构中包括至少两种码字，所述码本大小与码字种类数量的关系可以表示为：
Figure 719372DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，M表示为所述码本大小，n表示为所述码字种类数量，
Figure 88036DEST_PATH_IMAGE002
为取商运算；
码字确定模块，用于根据所述各正交资源块上所占的第二用户数量，确定用户的分配功率，并基于母星座旋转得到各所述用户的码字，各所述用户的码字用于组成初始码本；
初始码本优化模块，用于获取初始码本，并根据目标函数以及所述码字种类数量，以各正交资源块上叠加星座点的最小欧式距离为优化目标，对所述初始码本的码本参数进行优化，得到优化码本参数，其中，所述目标函数可以表示为：
Figure 247622DEST_PATH_IMAGE011
其中，MED1表示为第1个正交资源块的最小欧式距离，argmin表示为求函数的最小值，P表示为用户分配功率的向量，Ei表示为第i个用户的功率，
Figure 18132DEST_PATH_IMAGE004
表示为所述母星座结构的旋转角度，
Figure 113127DEST_PATH_IMAGE005
表示为所述母星座结构中第i个用户所做的旋转角度，W表示所述母星座结构中不同类别的码字，M表示为码本大小，J表示为SCMA系统所能承载的第一用户数量，MJ表示为SCMA码本的总能量，K表示为正交资源块数量，df表示为各正交资源块上所占的第二用户数量；
目标码本确定模块，用于根据所述优化码本参数，确定各所述用户的优化码本，并根据所述因子矩阵，将各所述优化码本进行分配，得到各所述用户的目标码本。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计方法及装置，该方法通过根据实际的通信场景需求，即对过载率的要求，进而设定用户码本的码本参数，再根据码本参数的设定设计一种总叠加星座图等于每个正交资源块叠加星座图的码本结构，并根据码本总能量为每个用户分配功率，并基于母星座旋转得到各用户的码字，各用户的码字用于组成初始码本，而后根据目标函数，对初始码本的码本参数进行优化，通过得到的优化码本参数确定优化码本，并将优化码本根据因子矩阵进行分配，最终得到各用户的目标码本，具体的，由于改进后的星座设计具有叠加的特点，使得该码本优化方法在计算量上可以实现大幅度减少，具有复杂度低以及优化码本误码率性能好的优点，从而可以解决高维码本难以设计以及高过载系统码本难以优化的问题。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的一种基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计方法的实现流程图；
图2为过载率150%情况下，现有码本和本发明实施一生成的码本的误码率性能对比图；
图3为M=4，K=5，J=10时，VLC-SCMA系统叠加星座图；
图4为M=4，K=5，J=10时，传统码本生成的叠加星座图；
图5为本发明实施例二提供的一种基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计装置的结构示意图。
以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例一
请参阅图1，图1示出了本发明第一实施例提供的一种基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计方法的实现流程图，所述方法具体包括步骤S01至步骤S05。
步骤S01，获取过载率目标值，并根据所述过载率目标值确定对应的码本参数，所述码本参数至少包括正交资源块数量、码字中非零元素数量、码本大小、SCMA系统所能承载的第一用户数量、各正交资源块上所占的第二用户数量以及因子矩阵。
需要说明的是，在SCMA系统当中，正交资源块的数量和SCMA系统所能承载的第一用户数量是密切相关的，在一个能够承载大量用户同时满足通信的SCMA系统当中，它所需要的正交资源块数量也是大量的，为了能够满足未来通信大量用户的同时又尽可能的使用较少的频谱资源，在大规模接入场景中时，由于接入用户多，而正交资源块少，则必然导致过载率高，基于此，根据实际应用场景中涉及的第一用户数量和正交资源块数量，从而具体设定过载率。
在本实施例当中，正交资源块数量用K表示，码字中非零元素数量用N表示，码本大小用M表示，SCMA系统所能承载的第一用户数量用J表示，各正交资源块上所占的第二用户数量用df表示，因子矩阵用
Figure 110033DEST_PATH_IMAGE010
表示，其中，因子矩阵用于表征数据层或用户与资源块的映射关系，需要说明的是，过载率=J/K=df/N。
步骤S02，根据所述码本大小，确定母星座维度，并根据所述母星座维度设计具有叠加星座特点的母星座结构。
具体的，码本大小为偶数，母星座结构由不同种类的码字组成，且母星座结构中包括至少两种码字，码本大小与码字种类数量的关系可以表示为：
Figure 683097DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，M表示为码本大小，n表示为码字种类数量，
Figure 573692DEST_PATH_IMAGE002
为取商运算，以M=4为例，将M=4带入公式
Figure 964222DEST_PATH_IMAGE001
中，得到n=2，此时码字种类数量为2，母星座结构为：
Figure 307479DEST_PATH_IMAGE012
，可以理解的，A和B为两种码字种类，且A和B分别表示码字符号的大小，具体的，当A=0时，母星座结构为：
Figure 323714DEST_PATH_IMAGE013
；当B=-A时，母星座结构为：
Figure 68816DEST_PATH_IMAGE014
，以上母星座结构均符合[A A B B]的结构，具有本发明要求的母星座结构的特征，由于母星座结构内相异点数较少，则其映射点数较少，从而能够有效减少对应资源块上叠加的码字，进一步的，可以减少其对应资源块上可能的叠加码字组合，从而降低叠加星座图的峰均比。
在其它一些可选实施例当中，还可以给出更高维度的扩展设计，例如当M=16时，将M=16带入公式
Figure 505614DEST_PATH_IMAGE001
中，得到n=4，此时码字种类数量为4，则母星座结构设计为：
Figure 195221DEST_PATH_IMAGE015
，以上仅针对N=2时，母星座结构的设计。当N=3，M=8时，将M=8带入公式
Figure 375667DEST_PATH_IMAGE016
中，因为
Figure 850642DEST_PATH_IMAGE002
为取商运算，即n=21，n=2，此时码字种类数量为2，其母星座结构设计为：
Figure 723920DEST_PATH_IMAGE017
。
步骤S03，根据所述各正交资源块上所占的第二用户数量，确定用户的分配功率，并基于母星座旋转得到各所述用户的码字，各所述用户的码字用于组成初始码本。
其中，假设M=4，J=6，K=4，df=3，N=2时，母星座结构为：
Figure 776189DEST_PATH_IMAGE018
，根据母星座结构的功率的公式可以获取每个用户分配的功率，并母星座结构旋转相乘，得到各用户的码字，即初始码本，具体的，母星座结构的功率的公式为：
Figure 884960DEST_PATH_IMAGE008
；
其中，M表示为码本大小，J表示为SCMA系统所能承载的第一用户数量，MJ表示为SCMA码本的总能量，K表示为正交资源块数量，df表示为各正交资源块上所占的第二用户数量，码字的公式为：
Figure 339075DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，Ci表示为第i个用户的码字，1≤i≤第二用户数量，MC表示为母星座结构，E表示为母星座结构的功率，Ei表示为第i个用户的功率，
Figure 491576DEST_PATH_IMAGE019
表示为母星座结构为区分不同用户所做的旋转角度，
Figure 296721DEST_PATH_IMAGE007
表示为相位旋转，
Figure 818969DEST_PATH_IMAGE020
，在本实施例当中，为了便于与传统码本比较，将码字的平均能量归一化为1。
步骤S04，获取初始码本，并根据目标函数，对所述初始码本的所述码本参数进行优化，得到优化码本参数。
具体的，获取初始码本的公式为：
Figure 517804DEST_PATH_IMAGE021
；
其中，CBi表示为第i个用户的码本，
Figure 467306DEST_PATH_IMAGE010
表示为因子矩阵，假设优化得到C1=[a a bb]，C2=[c c d d]和C3=[e e f f]，当J=6时，用户码本结构如下所示：
Figure 494167DEST_PATH_IMAGE022
具体的，由于MED是误码性能的关键指标，因此，最大化叠加码字之间的MED是码本设计的核心问题。传统的，对于J=6，M=4的VLC-SCMA系统来说，6个用户的叠加码字共有4096种，假设ci表示第i种K维叠加码字，cki表示第i种K维叠加码字的第k个码字，则叠加码字ci和cj间的欧氏距离dij定义为：
Figure 695473DEST_PATH_IMAGE023
；
共需要计算
Figure 124180DEST_PATH_IMAGE024
次欧式距离，MED可以表示为：
Figure 369217DEST_PATH_IMAGE025
；
其中，dij表示第i个叠加码字与第j个叠加码字之间的距离，另外，码字cki和ckj之间的欧氏距离可以表示为：
Figure 148954DEST_PATH_IMAGE026
；
其中，dkij表示在资源块k上第i个叠加码字与第j个叠加码字之间的距离。
根据所述欧氏距离，以及所述用户码本结构特点，在本实施例当中，根据新的码本产生的叠加星座点有重叠的特点，同时与每个资源块产生的叠加星座点相同，对目标函数进行简化，具体的，根据一维叠加星座进行优化，在计算量上从
Figure 13005DEST_PATH_IMAGE027
明显下降，同时这种复杂度降低不会降低优化码本的性能，进一步的，可通过母星座矩阵对母星座结构进行描述，由于根据母星座矩阵组成每个用户4个码字中只有2种不同可能的码字，每个资源块叠加星座点共有23种，需要说明的是，以MEDk表示第k个资源块的最小欧式距离，共需要计算
Figure 410400DEST_PATH_IMAGE028
种可能的欧式距离，其中，MEDk表示为：
Figure 232862DEST_PATH_IMAGE029
；
根据母星座矩阵设计的码本具有总的叠加星座图与每个资源块叠加星座图相同的特点，进而得出，根据单资源块进行优化的结果等于对总资源块优化的结果，可以对传统MED进行如下改进：
Figure 93371DEST_PATH_IMAGE030
；
进一步的，将最大化MED简化为最大化MED1，只需要对23组叠加码字的欧式距离进行优化，可以理解的，在传统MED的基础上复杂度明显下降，同时其优化结果得到的码本性能不会损失，目标函数可以进一步详细描述为：
Figure 761113DEST_PATH_IMAGE011
其中，MED1表示为第1个正交资源块的最小欧式距离，argmin表示为求函数的最小值，P表示为用户分配功率的向量，Ei表示为第i个用户的功率，
Figure 898833DEST_PATH_IMAGE004
表示为所述母星座结构的旋转角度，
Figure 767563DEST_PATH_IMAGE005
表示为所述母星座结构中第i个用户所做的旋转角度，W表示所述母星座结构中不同类别的码字，M表示为码本大小，J表示为SCMA系统所能承载的第一用户数量，MJ表示为SCMA码本的总能量，K表示为正交资源块数量，df表示为各正交资源块上所占的第二用户数量，在本实施例当中，根据码本特点，针对更高过载率的系统的码本优化进行归纳，每个资源块叠加星座点数为：
Figure 725155DEST_PATH_IMAGE031
其中，
Figure 462167DEST_PATH_IMAGE032
，n表示为码字种类数量，需要优化的叠加星座点数量为
Figure 579027DEST_PATH_IMAGE033
，具体的，当N=2，df=3时，过载率=df/N，为150%；当N=2，df=4时，过载率=df/N，为200%；当N=2，df=6时，过载率=df/N，为300%。
需要说明的是，根据该目标函数，使用MATLAB遗传算法工具箱，设置码本参数的种群大小，迭代次数以及优化参数的约束范围，其他参数默认，另外，在具体的优化过程中，需要基于最大化最小欧式距离准则对目标函数进行适应度计算，以获取最小欧氏距离最大时对应的变量，即为优化后的变量，同时由于对目标函数进行改进，使得计算量变小，有利于降低计算复杂度，同时便于大码本的优化。
步骤S05，根据所述优化码本参数，确定各所述用户的优化码本，并根据所述因子矩阵，将各所述优化码本进行分配，得到各所述用户的目标码本。
其中，根据df个用户中第i个用户的码字Ci，设定初始因子矩阵F的非零元素，具体的，根据拉丁准则，即每行每列非零元素不重复，设计初始因子矩阵F，以M=4，K=4，J=6为例：
Figure 477713DEST_PATH_IMAGE034
；
由于N=2，即码字中非零元素数量为2，可以发现初始因子矩阵F中每一列四个元素中，“1”的数量为2，分配后，
Figure 562081DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 837205DEST_PATH_IMAGE036
表示为用户目标码本的因子矩阵，其中，每个用户的目标码本可通过
Figure 683938DEST_PATH_IMAGE037
得到。
请参阅图2，所示为过载率150%情况下，现有码本和本发明实施一生成的码本的误码率性能对比图，其中Star-QAM对应的是现有码本的误码率性能曲线，本发明码本对应的是本实施例提供的码本的误码率性能曲线，从图2可以明显看出，本实施例一提供的码本的误码率性能优于现有码本，同时本发明实施例一具有对初始码本的优化过程的复杂度远远小于现有码本的优势。
请参阅图3和图4，图3所示为M=4，K=5，J=10时，VLC-SCMA系统叠加星座图，即本发明码本生成的叠加星座图，图4所示为M=4，K=5，J=10时，传统码本生成的叠加星座图，具体的，在传统码本生成的叠加星座图中，为了准确地解码重叠点的信息，需要分离码字在不同频率上的重叠星座，则映射星座点较多，星座点间较分散，相差距离较小，称为分离的星座池（叠加星座），即如图4中的分散星座点，分散星座点表示两两星座点不重叠，每个星座点间存在差异，从而将星座点分散，总之，传统码本生成的叠加星座图的星座点数较多，且较为分散，而在本发明码本生成的叠加星座图中，为具有重叠点的星座池，即发射数据重复的映射到某个频点上，但在不同频率资源上用户映射星座点不重复，相互正交，利于检测，因此发射数据集中到某个频点上映射，映射的频点少，且不同频点相差距离较大，可以发现，本发明提供的码本的星座图与传统码本的叠加星座图相异，同时生成的码本表现出优越的误码率性能，使本发明为以后码本设计提供了一个新思路，同时，由于其叠加星座点少的特点，使得本发明在针对高阶码本的设计和优化的复杂度远远低于现有码本的。
综上，本发明上述实施例当中的一种基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计方法，该方法通过根据实际的通信场景需求，即对过载率的要求，进而设定用户码本的码本参数，再根据码本参数的设定设计一种总叠加星座图等于每个正交资源块叠加星座图的码本结构，并根据码本总能量为每个用户分配功率，并基于母星座旋转得到各用户的码字，各用户的码字用于组成初始码本，而后根据目标函数，对初始码本的码本参数进行优化，通过得到的优化码本参数确定优化码本，并将优化码本根据因子矩阵进行分配，最终得到各用户的目标码本，具体的，由于改进后的星座设计具有叠加的特点，使得该码本优化方法在计算量上可以实现大幅度减少，具有复杂度低以及优化码本误码率性能好的优点，从而可以解决高维码本难以设计以及高过载系统码本难以优化的问题。
实施例二
如图5所示，为本发明实施例二提供的一种基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计装置的结构示意图，本发明实施例另一方面提供了一种基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计装置，应用于VLC-SCMA通信系统中，所述基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计装置200包括：
码本参数确定模块21，用于获取过载率目标值，并根据所述过载率目标值确定对应的码本参数，所述码本参数至少包括正交资源块数量、码字中非零元素数量、码本大小、SCMA系统所能承载的第一用户数量、各正交资源块上所占的第二用户数量以及因子矩阵；
母星座结构设计模块22，用于根据所述码本大小，确定母星座维度，并根据所述母星座维度设计具有叠加星座特点的母星座结构，其中，所述码本大小为偶数，所述母星座结构由不同种类的码字组成，且所述母星座结构中包括至少两种码字，所述码本大小与码字种类数量的关系可以表示为：
Figure 143738DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，M表示为所述码本大小，n表示为所述码字种类数量，
Figure 75922DEST_PATH_IMAGE002
为取商运算；
码字确定模块23，用于根据所述各正交资源块上所占的第二用户数量，确定用户的分配功率，并基于母星座旋转得到各所述用户的码字，各所述用户的码字用于组成初始码本，其中，所述码字的公式为：
Figure 764524DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，Ci表示为第i个用户的码字，1≤i≤第二用户数量，MC表示为所述母星座结构，E表示为所述母星座结构的功率，Ei表示为第i个用户的功率，
Figure 996922DEST_PATH_IMAGE005
表示为所述母星座结构为区分不同用户所做的旋转角度，
Figure 971831DEST_PATH_IMAGE007
表示为相位旋转，所述母星座结构的功率的公式为：
Figure 47103DEST_PATH_IMAGE008
；
其中，M表示为码本大小，J表示为SCMA系统所能承载的第一用户数量，MJ表示为SCMA码本的总能量，K表示为正交资源块数量，df表示为各正交资源块上所占的第二用户数量；
初始码本优化模块24，用于获取初始码本，并根据目标函数以及所述码字种类数量，以各正交资源块上叠加星座点的最小欧式距离为优化目标，对所述初始码本的码本参数进行优化，得到优化码本参数，所述目标函数可以表示为：
Figure 398450DEST_PATH_IMAGE038
其中，MED1表示为第1个正交资源块的最小欧式距离，argmin表示为求函数的最小值，P表示为用户分配功率的向量，Ei表示为第i个用户的功率，
Figure 485355DEST_PATH_IMAGE004
表示为所述母星座结构的旋转角度，
Figure 5067DEST_PATH_IMAGE019
表示为所述母星座结构中第i个用户所做的旋转角度，W表示所述母星座结构中不同类别的码字，M表示为码本大小，J表示为SCMA系统所能承载的第一用户数量，MJ表示为SCMA码本的总能量，K表示为正交资源块数量，df表示为各正交资源块上所占的第二用户数量，所述获取初始码本的公式为：
Figure 911843DEST_PATH_IMAGE039
；
其中，CBi表示为第i个用户的码本，
Figure 457094DEST_PATH_IMAGE010
表示为因子矩阵；
目标码本确定模块25，用于根据所述优化码本参数，确定各所述用户的优化码本，并根据所述因子矩阵，将各所述优化码本进行分配，得到各所述用户的目标码本，其中，所述因子矩阵中的每行每列非零元素不重复。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计方法，应用于VLC-SCMA通信系统中，其特征在于，所述方法包括：
获取过载率目标值，并根据所述过载率目标值确定对应的码本参数，所述码本参数至少包括正交资源块数量、码字中非零元素数量、码本大小、SCMA系统所能承载的第一用户数量、各正交资源块上所占的第二用户数量以及因子矩阵；
根据所述码本大小，确定母星座维度，并根据所述母星座维度设计具有叠加星座特点的母星座结构，其中，所述码本大小为偶数，所述母星座结构由不同种类的码字组成，且所述母星座结构中包括至少两种码字，所述码本大小与码字种类数量的关系可以表示为：
Figure 501396DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，M表示为所述码本大小，n表示为所述码字种类数量，
Figure 707249DEST_PATH_IMAGE002
为取商运算；
根据所述各正交资源块上所占的第二用户数量，确定用户的分配功率，并基于母星座旋转得到各所述用户的码字，各所述用户的码字用于组成初始码本；
获取初始码本，并根据目标函数以及所述码字种类数量，以各正交资源块上叠加星座点的最小欧式距离为优化目标，对所述初始码本的码本参数进行优化，得到优化码本参数，其中，所述目标函数可以表示为：
Figure 824110DEST_PATH_IMAGE003
其中，MED1表示为第1个正交资源块的最小欧式距离，argmin表示为求函数的最小值，P表示为用户分配功率的向量，Ei表示为第i个用户的功率，
Figure 722796DEST_PATH_IMAGE004
表示为所述母星座结构的旋转角度，
Figure 433263DEST_PATH_IMAGE005
表示为所述母星座结构中第i个用户所做的旋转角度，W表示所述母星座结构中不同类别的码字，M表示为码本大小，J表示为SCMA系统所能承载的第一用户数量，MJ表示为SCMA码本的总能量，K表示为正交资源块数量，df表示为各正交资源块上所占的第二用户数量；
根据所述优化码本参数，确定各所述用户的优化码本，并根据所述因子矩阵，将各所述优化码本进行分配，得到各所述用户的目标码本。
2.根据权利要求1所述的基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计方法，其特征在于，所述根据所述各正交资源块上所占的第二用户数量，确定用户的分配功率，并基于母星座旋转得到各所述用户的码字，各所述用户的码字用于组成初始码本的步骤中，所述码字的公式为：
Figure 816709DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，Ci表示为第i个用户的码字，1≤i≤第二用户数量，MC表示为所述母星座结构，E表示为所述母星座结构的功率，Ei表示为第i个用户的功率，
Figure 194600DEST_PATH_IMAGE005
表示为所述母星座结构中第i个用户所做的旋转角度，
Figure 123242DEST_PATH_IMAGE007
表示为相位旋转。
3.根据权利要求2所述的基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计方法，其特征在于，所述母星座结构的功率的公式为：
Figure 321005DEST_PATH_IMAGE008
；
其中，M表示为码本大小，J表示为SCMA系统所能承载的第一用户数量，MJ表示为SCMA码本的总能量，K表示为正交资源块数量，df表示为各正交资源块上所占的第二用户数量。
4.根据权利要求1所述的基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计方法，其特征在于，所述因子矩阵中的每行每列非零元素不重复。
5.根据权利要求1所述的基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计方法，其特征在于，所述获取初始码本的公式为：
Figure 134240DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，CBi表示为第i个用户的码本，
Figure 976426DEST_PATH_IMAGE010
表示为因子矩阵。
6.一种基于叠加星座的VLC-SCMA的码本设计装置，应用于VLC-SCMA通信系统中，其特征在于，所述装置包括：
码本参数确定模块，用于获取过载率目标值，并根据所述过载率目标值确定对应的码本参数，所述码本参数至少包括正交资源块数量、码字中非零元素数量、码本大小、SCMA系统所能承载的第一用户数量、各正交资源块上所占的第二用户数量以及因子矩阵；
母星座结构设计模块，用于根据所述码本大小，确定母星座维度，并根据所述母星座维度设计具有叠加星座特点的母星座结构，其中，所述码本大小为偶数，所述母星座结构由不同种类的码字组成，且所述母星座结构中包括至少两种码字，所述码本大小与码字种类数量的关系可以表示为：
Figure 216914DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，M表示为所述码本大小，n表示为所述码字种类数量，
Figure 26607DEST_PATH_IMAGE002
为取商运算；
码字确定模块，用于根据所述各正交资源块上所占的第二用户数量，确定用户的分配功率，并基于母星座旋转得到各所述用户的码字，各所述用户的码字用于组成初始码本；
初始码本优化模块，用于获取初始码本，并根据目标函数以及所述码字种类数量，以各正交资源块上叠加星座点的最小欧式距离为优化目标，对所述初始码本的码本参数进行优化，得到优化码本参数，其中，所述目标函数可以表示为：
Figure 643533DEST_PATH_IMAGE011
其中，MED1表示为第1个正交资源块的最小欧式距离，argmin表示为求函数的最小值，P表示为用户分配功率的向量，Ei表示为第i个用户的功率，
Figure 464859DEST_PATH_IMAGE004
表示为所述母星座结构的旋转角度，
Figure 250150DEST_PATH_IMAGE005
表示为所述母星座结构中第i个用户所做的旋转角度，W表示所述母星座结构中不同类别的码字，M表示为码本大小，J表示为SCMA系统所能承载的第一用户数量，MJ表示为SCMA码本的总能量，K表示为正交资源块数量，df表示为各正交资源块上所占的第二用户数量；
目标码本确定模块，用于根据所述优化码本参数，确定各所述用户的优化码本，并根据所述因子矩阵，将各所述优化码本进行分配，得到各所述用户的目标码本。
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