一种基于stbc的mimo-scma系统下行链路设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及下行链路设计方法，特别设及一种基于STBC的MIMO-SCMA系统下行链 路设计方法。
【背景技术】
[0002] 稀疏码多址接入(SCMA)是一种新型的非正交多址接入方式，是华为针对高频谱利 用效率而提出的一种高速传输技术，该空口技术已被列为5G移动通信候选标准，相比于传 统的多址接入技术，它具有容量高时延小传输速率快等优点，抗多径能力强，同时也克服了 CDMA远近效应的不足。SCMA与OFDM相比，频谱效率有了很大的提升，但由于星座点更为密 集，从而造成了一定程度上的误码率的下降。而且SCMA系统难W利用空域资源，从而限制了 系统性能的提升。
[0003] MIMO技术能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，在不增加频谱资源 和天线发射功率的情况下，可W成倍地提高系统信道容量和性能，显示出了明显的优势、同 时也是4G移动通信的核屯、技术之一。但MIMO-OFDM系统虽然相比于前几代移动通信系统已 经能够较好地提升频谱利用率，但依旧难W满足5G对于传输速率的要求，而能够突破OFDM 频谱利用率瓶颈的非正交多址接入技术作为5G的候选技术正逐渐升溫。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了解决SCMA技术造成误码率的下降W及MIMO-OFDM技术难W满 足5G对于传输速率的要求的问题，而提出的一种基于STBC的MIMO-SCMA系统下行链路设计 方法。
[0005] 上述的发明目的是通过W下技术方案实现的：
[0006] 步骤一、利用基站接收上行链路发送的信息;，，并根据编码矩阵G对上行链路 片 发送的信息进行STBC编码;得到编码后的上行链路接收的信息Tw和T'w;利用基站的两个天 线发射Tw和T'w;其中，J为用户个数；j为用户序号；下角标W为用户发送信息的长度；乂朵为 第j个用户的上行链路发送的长度为W的信息；
[0007] 步骤二、在信道中将Tw和T'W经过衰落和相互叠加后转化为Sw和S'W，利用用户终端 接收信号Sw和S'W;
[000引步骤S、将每个用户终端接收信号Sw和S'w进行STBC解码后得到解码信号为Yw = [XwlXw2…XwK]T;其中，XwK为上行链路发送的长度为W占用的子载波为K的信息；
[0009] 步骤四、根据J个用户，占用K个子载波，过载系数为J/KW及配置矩阵F确定因子 图；
[0010] 步骤五、确定因子图之后，发现因子图中有环，根据有环的因子图利用迭代算法一 消息传递算法对Yw进行多用户检测，得到每个用户发送信息的概率值；
[0011] 步骤六、根据步骤五中得到的每个用户发送信息的概率值依次进行判决、解调、解 交织和信道解码后获得信息比特。
[0012]发明效果
[OOU]本发明克服了 SCMA中多用户的非正交性W及软解码方式所带来的限制，将MIMO技 术和SCMA技术结合起来，设计了基于STBC编码技术的全新MIMO-SCMA物理层下行系统架构。
[0014] 本发明提出的基于STBC编码（空时分组编码）的MIMO-SCMA (多天线稀疏码多址接 入）系统下行链路设计完全具有SCMA系统高频谱利用率的特性，在过载系数为1.5的情况 下，相比于OFDM系统频谱利用率提升了 1.5倍，此外全新的MIMO-SCMA系统相对于原有的 SCM系统的误码率性能有了很大的提升。误码率性能仿真曲线如图3;
[0015] 仿真中MIMO天线数为2 X 2,编码方式采用Alamouti STBC，从仿真图也可W看出， 引入STBC编码后，在不牺牲频谱利用率的情况下，很大程度上改善了原SCMA系统的误码率 性能，也使得SCMA因提升频谱利用率而带来的负面影响得W缓解，能够充分利用空域资源 的MIMO-SCMA系统相对于其他5G技术而言也更加具有竞争力。
【附图说明】
[0016] 图1为【具体实施方式】一提出的多天线稀疏码多址接入系统下行链路架构图；
[0017] 图2为【具体实施方式】一提出的稀疏码多址接入系统因子图；
[0018] 图3为【具体实施方式】一提出的单天线与多天线稀疏码多址接入系统下行链路误码 率性能对比图；其中，纵坐标肥R为误码率，横坐标化/No为信噪比，Tx是发射天线数，fcc为接 收天线数。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0019] 一:本实施方式的一种基于STBC的MIMO-SCMA系统下行链路设计方 法，具体是按照W下步骤制备的：
[0020] 步骤一、MIMO-SCMA(多天线稀疏码多址接入)发射机的结构如图1所示，利用基站 接收上行链路发送的信息不，并根据编码矩阵G对上行链路发送的信息进行STBC编码 J=I (空时分组编码）即Alamouti空时分组编码;得到编码后的上行链路接收的信息Tw和T'w;利 用基站的两个天线发射Tw和T'w;其中，J为用户个数;j为用户序号;下角标W为用户发送信息 的长度；#为第j个用户的上行链路发送的长度为W的信息；
[0021] 步骤二、在信道中将Tw和T'w经过衰落和相互叠加后转化为細和S'w，利用用户终端 接收信号Sw和S'W;
[0022] 步骤S、将每个用户终端接收信号Sw和S'w进行STBC解码后得到解码信号为Yw = [XwlXw2…XwK]T;同时获得分集增益;其中，XwK为上行链路发送的长度为W占用的子载波为K的 信息；
[0023] 步骤四、将因子图应用到多用户检测中，根据J个用户，占用K个子载波，过载系数 为J/KW及配置矩阵F，因子图中每一个圆圈代表一个用户(变量节点），每一个方块代表一 个子载波(函数节点），该系统的因子图表示如图2确定因子图；
[0024] 步骤五、确定因子图之后，发现因子图中有环，根据有环的因子图利用迭代算法一 消息传递算法(MPA)对Yw进行多用户检测，得到每个用户发送信息的概率值；
[0025]步骤六、根据步骤五中得到的每个用户发送信息的概率值依次进行判决、解调、解 交织和信道解码后获得信息比特。
[00%] 本实施方式效果：
[0027] 本实施方式克服了SCMA中多用户的非正交性W及软解码方式所带来的限制，将 MIMO技术和SCMA技术结合起来，设计了基于STBC编码技术的全新MIMO-SCMA物理层下行系 统架构。
[0028] 本实施方式提出的基于STBC编码的MIMO-SCMA系统下行链路设计完全具有SCMA系 统高频谱利用率的特性，在过载系数为1.5的情况下，相比于OFDM系统频谱利用率提升了 1.5倍，此外全新的MIMO-SCMA系统相对于原有的SCMA系统的误码率性能有了很大的提升。 误码率性能仿真曲线如图3;
[00巧]仿真中MIMO天线数为2 X 2,编码方式采用Alamouti STBC，从仿真图也可W看出， 引入STBC编码后，在不牺牲频谱利用率的情况下，很大程度上改善了原SCMA系统的误码率 性能，也使得SCMA因提升频谱利用率而带来的负面影响得W缓解，能够充分利用空域资源 的MIMO-SCMA系统相对于其他5G技术而言也更加具有竞争力。
[0030]
【具体实施方式】二：本实施方式与【具体实施方式】一不同的是：步骤一中 广 -jj 掏H诚沾…碱」，
[0031] 其中，为第j个用户的上行链路发送的长度为W占用的子载波为K的信息；下角 标K为用户发送的信息占用的子载波。其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
【具体实施方式】 [0032] 本实施方式与一或二不同的是：步骤二中在信道 中将Tw和T'W经过衰落和相互叠加后转化为Sw和S ' W具体为：
[0033] 在信道中经过衰落和相互叠加后被用户终端接收;接收信号表示为：
(I)
[0035] 其中，H为下行链路信道矩阵，n是随机噪声，遵从复数域上的高斯分布。其它步骤 及参数与【具体实施方式】一或二相同。
【具体实施方式】 [0036] 四：本实施方式与一至=之一不同的是：步骤五中根 据有环的因子图利用迭代算法一消息传递算法(MPA)对村进行多用户检测，得到每个用户 发送信息的概率值具体过程：
[0037] 对解码信号的最优检测可W通过基于最大后验概率(MAP)的检测算法得到，具体 表不为：
[003引 乂二 argm弓K" ) (2) A占
[0039]事实上，上式的概率值并不容易计算，它需要进一步转化为边缘概率分布值，表示 如下：
餅
[OOW 为了检测勒，总共要计算项概率值，瓜{是基础调制的星座点集，|乂1|为星座 点个数，然后相应的概率值进行相加，运种计算量非常大，尤其在下行链路中，当用户数量 很多时，对于接收机来讲往往是难W实现的。
[0042] 确定因子图之后，发现因子图中有环，因此我们不能使用传统的和积算法，因为环 中的每一条边都不能先被计算，因此利用近似的迭代算法一消息传递算法(MPA)计算有环 的因子图；通过信息在变量节点和函数节点之间相互迭代，就可W近似得到边缘概率分布 斬=arg巧严完叫為，斬…為片,)； '告口'挪均
[0043] 其中，利用近似的迭代算法一消息传递算法(MPA)计算有环的因子图的具体计算 过程为：
[0044] 假定每个子载波上的用户数为df，也就是多址干扰的数量，MPA算法的复杂度为 的量级。由于系统的稀疏编码特性，即df<<J，从而保证了检测的低复杂度。
[0045] 下面就应用MPA算法来简化SCMA的多用户检测来进行说明，运里假设发射没有先 验信息，也就是所有符号出现的概率均等。
[0046] (1)、对有环的因子图中的变量节点Xi传递到因子图中的函数节点的信息即变量 节点的输出一./；进行初始化，即取从,一乃.U.=义",)=1 / ，|人^|为变量节点Xi取 星座点的总个数，e 为星座点集合；
[0047] (2)、更新函数节点，每一个函数节点都收到了df个变量节点发来的信息，那么也 相应计算df个函数节点的输出(4二Jfw )，如下式所示：
(4)
[0049]其中，L为迭代次数，t为与函数节点。相连的变量节点的序号；为与函数节点 。相连的第df个变量节点；Xt是与函数节点f油连的变量节点，* = 1，2,3，...，(1。~^1}为 不等于Xi;
[0化0] ( 3 )、利用函数节点的输出(疋二义J更新变量节点的输出 (不=义",)，如下式所示：
间
[0052]其中，r为与变量节点Xi相连的函数节点的序号；
[0化3] (4)、将变量节点的输出(X,=义",)进行归一化，即：
[0化5] ( 5 )、若归一化后的和都未趋近于收敛，则将归一化后的 U.=义《)带入到步骤(2)中，若归一化后的/(61/