一种基于SCMA系统的DMPA译码方法及译码器架构与流程

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种基于SCMA系统的DMPA译码方法及译码器架构。

背景技术：

近年来，随着无线通信技术在各领域的广泛应用，社会通信需求呈现快速激增态势，传统通信技术日益无法满足社会发展需要。据主要运营商和权威咨询机构的预测，移动宽带业务流量将在未来10年增长1000倍之多。为应对即将到来的巨大通信压力，5G作为全新的移动通信技术应运而生。其中，“Gbps用户体验速率”将是5G的最关键技术指标。为实现这一超高速传输速率，5G将运用到大规模天线阵列、新型多址、超密集组网、新型网络架构、全频谱接入等重要技术。而新型多址技术作为5G实现的关键技术之一，将在整个系统中扮演至关重要的角色。新型多址技术将对发送信号进行高效叠加传输以使系统的接入能力得到进一步提升，从而保证5G网络的大规模设备连接需求。

回溯多址技术，其自产生以来，经历了相当长时间的演进和变革，在现代无线通信中有着无法替代的重要地位。传统的多址技术包括频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等，而4G技术中所使用的则是正交频分多址(OFDMA)。多有这些多址技术都是正交层面上的多址技术，受到资源数量的极大限制。相比之下，在非正交多址技术中，接入用户则可以成倍大于资源数，从而有效解决这一瓶颈。

稀疏码分多址技术(SCMA)正是5G通信中期待使用的新型多址技术，并具备着重要的非正交特性。理论分析表明SCMA有着极其出色的过载承受能力以及资源复用能力，与传统多址技术相比，其接入量可至少提升50％，并随着系统内部往来互联数目的增加可进一步提升。在关于SCMA的相关文献中，针对译码提出了基于最大后验概率的译码策略，使用该译码策略的SCMA系统在保证高水平接入量的同时仍可维持较优的误码率水平，但是在其实现上有着极高的复杂度。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于SCMA系统的DMPA译码方法，可以极大的降低SCMA系统的译码复杂度，极大降低了硬件消耗，提高了硬件使用效 率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于SCMA系统的DMPA译码方法，包括如下步骤：

(1)初始化；设(K,N)SCMA系统，SCMA码维度为K，星座维度为N，则该系统的最大用户层数为其中，(K,N)SCMA系统为(4,2)，最大用户数为6；

这里y_k代表接收信号的第k位比特，x_k,1,x_k,2,x_k,3分别代表与第k个资源节点相连的3个用户层在此节点上相互重叠的3个比特，N_0,k表示的即为第k个资源节点对应的环境中高斯噪声的功率密度；

(2)资源节点更新；

其中，R_k代表的是第k个资源节点，m₁,m₂,m₃＝1,...,M代表与此资源节点相连的三个用户层各自不同的发射符号；代表从与资源节点相连的那些用户层传递给该资源节点的置信值，则代表从与用户层相连的那些资源节点传递给该用户层的置信值，是一种相反的传递方向；

(3)层节点更新；

其中，m＝1,...,M代表发送符号集中不同的符号；步骤(3)结束后，返回步骤(2)，并由此构成一次迭代；迭代次数的设置与实际的信道环境相关，当迭代次数满足置信值 的收敛条件后，由步骤(3)进入步骤(4)；具体的收敛条件为：根据目标误码率水平，设定阈值a(通常设置为a≤10^-5)；设第n-1次的资源节点更新置信值和层节点更新置信值分别为和第n次分别为和若所有的置信值满足则判定为收敛，迭代结束；此时的迭代次数为n，针对不同的信道环境n的数值不同，且信道环境恶劣时，n的数值往往较大；

(4)概率计算与符号判决；

其中，L_j代表第j个用户层；挑选出各用户层具有最大概率值的符号，即为最终估计出的原始发送符号。

一种基于SCMA系统的DMPA译码器架构，包括用于初始化的初始化单元、用于资源节点更新的资源节点更新单元、用于层节点更新的层节点更新单元和用于概率计算与符号判决的概率计算单元；初始化单元与资源节点更新节点相连，资源节点更新单元与层节点更新单元相连，层节点更新单元与概率计算单元相连；译码器输入为y、H和N0，输出为

优选的，原始架构是以“步”的形式进行数据迭代更新，对“步”进行细化，得到更小的计算单位“阶段”，在当前“步”没有全部计算完的情况下即可跳入下一个“步”，使各个“步”的硬件模块在同一时间都处于运转状态；在得到“阶段级”时序后，采用折叠技术进行资源复用上的优化。

优选的，将折叠操作在每个“步”内进行，“步”内的折叠过程可以描述为四个主要步骤：确定折叠集、求取折叠方程、寿命分析以及寄存器分配；在确定折叠集步骤中，首先规定架构需要进行折叠的折叠阶数以及折叠集个数，然后依据各“步”的原始数据流图DFG对图中各类运算元件进行分组标号，将标号在集合内合理排列，以满足DFG折叠后路径上延时非负的要求；在求取折叠方程步骤中，则根据折叠集和原始DFG路径中的延时个数，按照折叠复用公式计算出折叠后DFG各路径上的延时单元数目；在寿命分析步骤中，根据折叠集和折叠方程确定数据的输入时刻以及最终的消亡时刻从而确定出其在系统中的存在时间长度以分析出系统所需要的最小寄存器个数并通过寿命 表和寿命图的方式加以展示；在寄存器分配过程中，利用前向-后向的寄存器分配策略来达到前一步骤中确定的最小寄存器数目，该策略在数据分配时先就近分配给第一个未被占用的寄存器，并在接下来的每一个时钟周期中由前向后依次分配给紧随其后的下一个寄存器直至达到最后一个寄存器或者数据已经消亡，对于达到最后一个寄存器的情况，数据又由后向前分配给第一个未被占用的寄存器，并在下一个时钟周期再次由前向后分配给后一个寄存器，如此反复，直至全部分配完成。

本发明的有益效果为：利用MPA解码原理在稀疏系统中低复杂度的性质提出DMPA算法，极大降低了SCMA系统的译码复杂度，并针对DMPA算法的硬件架构作出时序和资源复用上的系列优化，得到极为简单的低复杂度译码器架构，使得在处理速度允许的范围内，极大降低了硬件消耗，并提高了硬件使用效率。

附图说明

图1为本发明DMPA译码方法的块误码率的性能曲线。

图2为本发明DMPA译码方法的各层比特误码率的性能曲线。

图3为本发明DMPA原始“步”级架构的示意图。

图4为本发明DMPA原始“步”级架构的时序图。

图5为本发明DMPA“阶段”级架构的时序图。

图6为本发明DMPA步骤一待优化部分的数据流图。

图7为本发明DMPA步骤一待优化部分的寿命图。

图8为本发明DMPA步骤一待优化部分的寄存器分配过程示意图。

图9为本发明DMPA“阶段”级时序的最终低复杂度架构。

具体实施方式

如图1和2所示，一种基于SCMA系统的DMPA译码方法，包括如下步骤：

(1)初始化；设(K,N)SCMA系统，SCMA码维度为K，星座维度为N，则该系统的最大用户层数为其中，(K,N)SCMA系统为(4,2)，最大用户数为6；

这里y_k代表接收信号的第k位比特，x_k,1,x_k,2,x_k,3分别代表与第k个资源节点相连的3个用户层在此节点上相互重叠的3个比特，N_0,k表示的即为第k个资源节点对应 的环境中高斯噪声的功率密度；

(2)资源节点更新；

其中，R_k代表的是第k个资源节点，m₁,m₂,m₃＝1,...,M代表与此资源节点相连的三个用户层各自不同的发射符号；代表从与资源节点相连的那些用户层传递给该资源节点的置信值，则代表从与用户层相连的那些资源节点传递给该用户层的置信值，是一种相反的传递方向；

(3)层节点更新；

其中，m＝1,...,M代表发送符号集中不同的符号；步骤(3)结束后，返回步骤(2)，并由此构成一次迭代；迭代次数的设置与实际的信道环境相关，当迭代次数满足置信值的收敛条件后，由步骤(3)进入步骤(4)；具体的收敛条件为：根据目标误码率水平，设定阈值a(通常设置为a≤10^-5)；设第n-1次的资源节点更新置信值和层节点更新置信值分别为和第n次分别为和若所有的置信值满足和则判定为收敛，迭代结束；此时的迭代次数为n，针对不同的信道环境n的数值不同，且信道环境恶劣时，n的数值往往较大；

(4)概率计算与符号判决；

其中，L_j代表第j个用户层；挑选出各用户层具有最大概率值的符号，即为最终估计出 的原始发送符号。

在初始化步骤中，基于SCMA的内部节点互联网络，通过诸如环境噪声、信道状况和接收信号等外界信息计算出初始所需的符号条件概率，为接下来迭代译码中的置信值互传做好前期准备工作；在资源节点更新步骤中，资源节点更新公式表达为和积的形式，以完成对边缘概率求取的逼近和近似；在层节点更新步骤中，主要进行归一化操作，将前一步骤中计算出的置信值限制在区间[0，1]内，以方便算法在硬件中的实现；概率计算与符号判决步骤中，通过由经过一定迭代次数后得到的收敛置信值，输出可靠软信息，并依据软信息计算出各用户层各个符号的发送概率，挑选出各用户层具有最大概率值的符号作为最终估计出的原始发送符号。

如图3所示，基于上述的译码流程，得到基本的译码器架构，包括用于初始化的初始化单元、用于资源节点更新的资源节点更新单元、用于层节点更新的层节点更新单元和用于概率计算与符号判决的概率计算单元；初始化单元与资源节点更新节点相连，资源节点更新单元与层节点更新单元相连，层节点更新单元与概率计算单元相连；译码器

输入为y、H和N0，输出为原始架构是以“步”的形式进行数据迭代更新的，具体时序示意图如4所示。按照以“步”为单位的方式的最大的问题在于当运行当前“步”时，其他“步”的硬件模块处于空闲状态，使得整个系统的硬件使用效率并不高。于是对“步”进行细化，得到更小的计算单位“阶段”，从而方便深度流水线在系统中的引入，在当前“步”没有全部计算完的情况下即可跳入下一个“步”，使各个“步”的硬件模块在同一时间都处于运转状态，相应的优化后的“阶段”级时序图如图5所示。各个“步”的计算都已细化为更小的运算时隙，使深度流水线的穿插成为可能。

在得到“阶段级”时序后，其相应的硬件架构依然非常复杂，进一步采用折叠技术进行资源复用上的优化。由于整体的结构相当复杂庞大，很难从整体层面进行复用优化，因此将折叠操作在每个“步”内进行，从而成为一种分块的折叠策略，既达到了复用的目的又极大降低了设计复杂度。“步”内的折叠过程可以描述为四个主要步骤：确定折叠集、求取折叠方程、寿命分析以及寄存器分配。在确定折叠集步骤中，首先规定架构需要进行折叠的折叠阶数以及折叠集个数，然后依据各“步”的原始数据流图(DFG)对图中各类运算元件进行分组标号，将标号在集合内合理排列，以满足DFG折叠后路径上延时非负的要求；在求取折叠方程步骤中，则根据折叠集和原始DFG路径中的延 时个数，按照折叠复用公式计算出折叠后DFG各路径上的延时单元数目；在寿命分析步骤中，根据折叠集和折叠方程确定数据的输入时刻以及最终的消亡时刻从而确定出其在系统中的存在时间长度以分析出系统所需要的最小寄存器个数并通过寿命表和寿命图的方式加以展示；在寄存器分配过程中，利用前向-后向的寄存器分配策略来达到前一步骤中确定的最小寄存器数目，该策略在数据分配时先就近分配给第一个未被占用的寄存器，并在接下来的每一个时钟周期中由前向后依次分配给紧随其后的下一个寄存器直至达到最后一个寄存器或者数据已经消亡，对于达到最后一个寄存器的情况，数据又由后向前分配给第一个未被占用的寄存器，并在下一个时钟周期再次由前向后分配给后一个寄存器，如此反复，直至全部分配完成。通过以上的折叠技术，对每个“步”对应的模块进行“步”内折叠，则可得到最终的“阶段”级低复杂度架构。

DMPA“阶段”级时序低复杂度架构的“步”内分块折叠复用将以步骤一初始化步骤的原始架构为例进行说明。步骤一待优化部分的数据流图如图6所示。

首先，如图4所示，原始架构中共有2个输入端，7个加法器以及3个乘法器，于是确定折叠集个数为3，类型分别为输入端折叠集、加法器折叠集以及乘法器折叠集，并规定折叠阶数为7。按照图4的方式对各运算元件进行分类标号，将同一类型的标号放在同一折叠集中，并对这些标号在折叠集内进行合理的位置安排以满足折叠后DFG各路径上的延时个数非负。最终得到的折叠集描述为：

接着，结合折叠集和原始DFG中各路径上的延时数目，利用折叠计算公式求取各折叠方程。折叠计算公式为：

其中D_F(U→V)为折叠后路径U→V上的延时个数，N为折叠阶数，P_U为节点U的流水线阶数，v和u分别为节点U和V在相应折叠集中的折叠序数。由此公式得到的步骤一待优化部分的折叠方程为：

在得到折叠集和折叠方程后，就可以进一步对折叠架构进行寿命分析，确定出各数据的输入时刻以及消亡时刻从而得出数据在系统中的存在时间。通过对系统中同一时刻存在数据个数即“激活数”的统计找出同时存在的数据的最大个数，由此获取折叠架构实现所需的最小寄存器个数。依照此原理，得到相应的寿命表和寿命图已分别示于表1和图7中，并确定出架构所需的最小寄存器个数为8。

表1.DMPA步骤一待优化部分的寿命表。

最后，利用前向-后向的寄存器分配技术以达到上述步骤中确定的最小寄存器个数。分配过程中，数据从前向后选择第一个未被占用的寄存器，并在接下来的时钟周期中依次分配至后一个寄存器直至达到末端寄存器或者数据已经消亡，若寄存器达到末端寄存器但是寿命仍为结束，则由后向前非配给紧邻的第一个未被占用寄存器，并在下一个时钟周期再次由前向后分配给下一个寄存器，如此往复，直至将所有数据分配完成。依照此原理，步骤一待优化部分的寄存器分配示意图如图8所示。

完成上述步骤后即可得到步骤一最终的“步”内折叠架构，依照同样的原理可对步骤二、三、四进行相应的折叠复用。在完成各“步”的折叠操作后，就得到了图9中所示的DMPA“阶段”级时序的低复杂度架构。因此，本发明极大简化了SCMA系统译码器的复杂度，并使硬件使用效率得到提高。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。