基于容量最大化的稀疏编码多址接入码本设计方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于容量最大化的稀疏编码多址接入码本设计方法，步骤1：确定SCMA码本参数S(J,K,F,M,N)，J表示SCMA能够承载的最大用户数，F代表指示基于资源块和用户生成的SCMA映射矩阵，K表示资源块个数，M表示调制阶数，N表示每个码字中非零元素的个数；步骤2：构建一维基星座集S0，并基于该一维星座集S0计算得到一维复星座点集Sd；步骤3：通过一维复星座点集构造N维复星座集，并选择出最优的组合序列作为基准码字；步骤4：根据基准码字将每个用户的码字进行重排，并将重排后的码字分配到指示矩阵中，生成SCMA复码本。本发明在设计多用户码本的过程中引入叠加编码调制的思想来提高系统的性能，并能够保持N维码字的功率差异特性。
【专利说明】
基于容量最大化的稀疏编码多址接入码本设计方法
技术领域
[0001 ]本发明设及无线通信技术领域，具体地，设及一种基于容量最大化的稀疏编码多 址接入码本设计方法。
【背景技术】
[0002] 随着移动互联网和物联网（Internet of Things，Ι0Τ)的快速发展，下一代无线通 信系统(5G)将会面临急剧膨胀的数据业务，移动通信系统的容量将面临巨大的挑战。为了 应对5G中高频谱效率、海量连接和低等待时延等系统性能上面临的挑战，非正交多址接入 技术(Non-〇;rthogonal Multiple Access,ΝΟΜΑ)已受到人们的认可并被选为5G中空口候选 技术之一。
[0003] 稀疏编码多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA)作为一种典型的非正 交多址接入方式，已经被证明是一种较为有效的多址接入方式。在SCMA编码过程中，多维调 制和低密度扩频被结合在一起来支持海量连接和免授权接入。
[0004] 如图1和图2所示分别为SCMA上行结构和SCMA系统因子图表示。在SCMA上行场景 中，每个用户都被分配了从码本集中挑选的专用码字，比特流被直接映射到多维码字来获 得成形增益。所有用户的码字在共享的正交资源块(如OFDM子载波)上实现多路复用。SCMA 码字的稀疏性使得消息传递算法(Message化ssing Algorithm，MPA)可W被用在接收端来 消除用户间干扰，而且码字的稀疏性使得系统可过载。因此，码本设计对于SCMA系统性能提 升起到了至关重要的作用。
[0005] SCMA系统结构可W表示为图2所示的因子图。每一个圆圈代表一个用户节点，每个 方块代表一个资源节点。图2所示为六个用户四个资源块的SCM场景，系统过载率为150%。
[0006] 现行的SCM系统码本设计方法是基于最小欧氏距离最大化的准则来设计码本。但 是当用户数增长时，该方法的复杂度将随之急剧上升。并且现有方法无法通过精确的理论 计算得出码本，而是采用暴力捜索得出的码本，因此其最优性也不能得到保证。
[0007] 在下一代无线通信系统中，业务流量将会呈千倍增长，连接数将会达到百亿级，等 待时延将会被限制在毫秒级。因此，SCMA被视为一种有效的非正交多址接入方式，在保持现 有资源数不变的情况下提高接入系统中的用户数，提升系统容量。码本设计作为SCMA系统 核屯、技术之一备受业界关注，现有方法因其计算复杂度太高，无法推广到适用于大量用户 的高维码本设计中。其次，由于现有码本未将系统容量作为设计准则，无法很好满足5G系统 中高速增长的业务需求，因此高容量SCMA码本设计是SCMA系统中亟需解决的问题。本发明 提出一种基于容量最大化的稀疏编码多址接入系统码本设计方法，并可扩展到高维码本设 计。
【发明内容】
[000引针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于容量最大化的稀疏编码多 址接入码本设计方法。
[0009] 根据本发明提供的基于容量最大化的稀疏编码多址接入码本设计方法，包括如下 步骤：
[0010] 步骤1:确定SCMA码本参数S(J，K，F，M，N)，其中：J表示SCMA能够承载的最大用户 数，F代表指示基于资源块和用户生成的SCMA映射矩阵，K表示资源块个数，Μ表示调制阶数， Ν表示每个码字中非零元素的个数；
[0011] 步骤2:构建一维基星座集《，并基于该一维星座集為计算得到一维复星座点集
[0012] 步骤3:通过一维复星座点集构造 Ν维复星座集，并选择出最优的组合序列作为基 准码字；
[0013] 步骤4:根据基准码字将每个用户的码字进行重排，并将重排后的码字分配到指示 矩阵中，生成SCMA复码本。
[0014] 优选地，所述步骤1中，
[001引式中：df表示一个资源块上复用的用户数，λ表示系统过载因子； 表示组合运算。
[0019] 优选地，所述步骤2包括：
[0020] 步骤2.1:假设在一个SCMA系统中，每个资源块上叠加有df个用户L'.v巧，、化(·η、 化化.....化巧,.，，每个用户都被分配一个一维复星座点集&，其中：
[0025] 其中：Y〇 = s〇+No;
[0026] 式中：0d表示第d个一维复星座点集的旋转角度/f表示基星座集中第^个符号， ? λ ri表示基星座集中第1个符号，ri表示基星座集中第i个符号，Υο表示只发So时资源块上叠加 噪声后的接收信号，I (Υο; So)表示发送端发送So接收端收到Υο时的互信息，No表示加性高斯 白噪声，
[0027] 则在资源块上接收到的信号Y的计算公式如下：
[002引
[0029] 则可达速率的计算公式如下：
[0030]
[003。 式中：P表示发射信号的功率，Z~0Λ/·(0，Λ/")服从正态分布…，'、,-1)表 示发送端发送S0，Si，. . .，&/_1接收端收到Y时的互信息
表示接收 端在So，Si，. . .，Sd-i已知的情况下发送端发送Sd接收端收到Y时的互信息，并求所有df种情 况的总互信息运算；
[0032] 步骤2.2:计算出各用户星座集之间的最优角度；
[0033] df个用户组合后的星座集的计算公式如下：
[0034]
[0035] 则映射准则f如下：
[0036]
[0037] 式中：so表示一维基星座集，叫-1表示一个资源块上复用的第df个用户的码字，X 表示笛卡尔积表示映射运算符；
[0038] 当f是双射时，接收机就能够对组合后的星座集<5胃进行唯一解码，则可达速率的 计算公式如下：
[0039]
[0040] 式中：/(7成,,,,)表示為""和￥之间的互信息，H(Ssum)表示Ssum的信息量，P(y，Ss?,i)表 示ssum,i和y的联合概率，Md嗦示求和运算的所有可能结果，壯个用户的Μ阶调制因此有Mdf种 情况，P (y)表示接收信号y的概率；
[0041] 由于叫^;&，&，...，而,_1)的大小与&间的角度是独立的，则设计如下的优化问题：
[0044] 式中：谭表示优化问题求解出来的第一个星座集的最优旋转角度，巧^,表示优化问 题求解出来的第壯个最优角度，
[0045] 采用互信息的下界II来近似计算互信息，计算公式如下：
[004引式中：Ssum,康示Ssum中的第i项，Ss皿，康示Ssum中的第j项，I I · II表示求范数运算。 [0049]优选地，所述步骤3包括:於隹师介复星座集^^；由一维复星座点集构成，^*^是第占'个 用户的码字，其结构与上文中所述相同，y:/是从用户维度定义的码字，&,维度定义的码 字，两者结构和实质相同；
[0化0] ^^，/ = 1，，..，</,是於隹复星座在每一个复平面上的投影，通过对6.进行重新组合，得 到的Μ阶星座集去，其中组合的方式T=(M!)W-i>种。
[0051] 优选地，所述步骤4包括：采用拉下准则来分配J个用户的码本，按照拉下矩形准 贝1J，矩阵F中的每一行和每一列的元素都不重复出现。
[0052] 根据本发明提供的基于容量最大化的稀疏编码多址接入码本的通信方法，具体 地，使用了上述的基于容量最大化的稀疏编码多址接入码本设计方法所设计的码本。
[0053] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0054] 1、将叠加编码的思想引入到SCMA码本设计中：SCMA系统中，单个资源块上多用户 码字的叠加可看成是一种叠加调制编码。在多用户通信系统中，叠加编码调制可W获得成 型增益，因此本发明在设计多用户码本的过程中引入叠加编码调制的思想来提高系统的性 能。
[0055] 2、本发明W单个资源块容量最大为目标，通过求解最优化问题计算出基星座点 瑪;在求解N维星座时，仍W容量最大为目标，通过求解容量互信息的下界，得出星座投影间 最优角度砰，€，…·，％，最后通过计算A =6^%5。得出腺隹星座集合A。
[0056] 3、本发明应用拉下准则将星座分配给J个用户：按照拉下矩形准则，矩阵F中的每 一行和每一列的元素都不能重复出现，W保持腺隹码字的功率差异特性。
【附图说明】
[0057] 通过阅读参照W下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0化引图1为SCMA上行结构示意图；
[0化9] 图2为SCMA系统因子图；
[0060]图3为df个用户在一个资源块上的星座叠加示意图；
[0061 ]图4为N个一维投影平面组合成一个腺隹星座集示意图。
【具体实施方式】
[0062] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。W下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不W任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可W做出若干变化和改进。运些都属于本发明 的保护范围。
[0063] 根据本发明提供的基于容量最大化的稀疏编码多址接入码本设计方法，具体地，如 图3所示，在一个规则的SCMA系统中，每个资源块上叠加有df个用户1?所、、 热巧、…、化巧，每个用户都被分配一个一维复星座<5/巧中d=0，...，df-i，如图3所示。在 资源块上接收到的信号Y可W表示为
，其中Z~W。:)服从正态分布。按 照链式法则，叠加符号的可达速率可表示为：
[0064] df个用户组合后的星座集可表示为：
[0065] &""=柄 + A +…+ J 1 e《/'一}.映射准贝ijf可表示为；
[0066] A X X…X -1 ^ 其中X表示笛卡尔积。如果f是双射，接收机就可W对组合 后的星座集&进行唯一解码。如果星座集合(為為，是可唯一解码的，可达速率的 表达式可转化为：
[0067]
由于每个用户的星座都是一维的，接收端接收的叠加信号的唯一解码性可由用户星座旋转 得到。另一方面，互信息乃^;5。备...4,,--1)的大小与4间的角度是独立的。因此，为了使互 信息的值最大化，本发明通过求解W下优化问题计算出各用户星座集之间的最优角度，
[0070] 由于上述优化问题中包含积分，无法得出闭式解。因此，本发明采用互信息的下界 II来近似计算互信息，
[0071] 上述优化问题可转换为：
[0074] 从中可W看出采用近似表达式的优化问题相较于原问题求解复杂度更低，特别是 对于较大df的情况。
[0075] 一维星座集是由一系列Μ阶脉冲振幅调制(PAM)点构成的一维基星座集苟组成 的，一维基星座集<5。可W表示为
在本发明中，给出一种基 于给定星座容量的一维基星座集為的设计准则，数学上可表示为W下优化问题：
[007引 其中，Y0 = s0+No.
[0079] 当M = 4时，瑪={-&，-巧:,乃,?}.，Ssum = S〇+Si+S2，其中Γ2 = μ：Γ?，μ表示ri和Γ2之间的半 径比。
[0080] 更进一步地，如图4所示，N维Μ阶复星座集馬是由一维复星座点集构成的。 马，/ = 1，...，式·是腺隹复星座在每一个复平面上的投影。通过对5,进行重新组合，可W得到性能 优良的Μ阶星座集，如图4所示。当只有少数或者单用户通信时，N个不同的一维星座集的重 新组合对于系统性能有极其重要的影响。总的组合方式有Τ=(Μ!)(μ-ι>种，因此，捜索复杂度 随着Ν呈指数增长。
[0081 ]得到Ν维复星座集后，下一步要将已有的Ν维复星座分配给不同的用户。本发明中 将采用拉下准则来分配J个用户的码本，按照拉下矩形准则，矩阵F中的每一行和每一列的 元素都不能重复出现，W保持腺隹码字的功率差异特性。
[0082] 当1 = 4时，不同SNR和μ下最优角度如表1所示：
[0083] 表1不同SNR和μ下最优角度
[0092] W6个资源块、15个用户为例，生成如下的码本：
[0108] W上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可W在权利要求的范围内做出各种变化或修改，运并不影 响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可W任意相 互组合。
【主权项】
1. 一种基于容量最大化的稀疏编码多址接入码本设计方法，其特征在于，包括如下步 骤： 步骤1:确定SCMA码本参数5(几1(^，少），其中：1表示50獻能够承载的最大用户数^代 表指示基于资源块和用户生成的SCMA映射矩阵，K表示资源块个数，Μ表示调制阶数，N表示 每个码字中非零元素的个数； 步骤2:构建一维基星座集尽，并基于该一维星座集4计算得到一维复星座点集& ; 步骤3:通过一维复星座点集构造 N维复星座集，并选择出最优的组合序列作为基准码 字； 步骤4:根据基准码字将每个用户的码字进行重排，并将重排后的码字分配到指示矩阵 中，生成SCMA复码本。2. 根据权利要求1所述的基于容量最大化的稀疏编码多址接入码本设计方法，其特征 在于，所述步骤1中，式中：df表示一个资源块上复用的用户数，λ表示系统过载因子 组合运算。3. 根据权利要求1所述的基于容量最大化的稀疏编码多址接入码本设计方法，其特征 在于，所述步骤2包括： 步骤2 . 1 :假设在一个S C Μ Α系统中，每个资源块上叠加有d f个用户心￡";,、Ok/;、 ?Λ'%、…、，每个用户都被分配一个一维复星座点集為，其中：其中:Yq = Sq+No; 式中：9d表示第d个一维复星座点集的旋转角度，表示基星座集中第_个符号，^表 示基星座集中第1个符号，Γι表示基星座集中第i个符号，Yo表示只发So时资源块上叠加噪声 后的接收信号，I(YQ;So)表示发送端发送So接收端收到Yo时的互信息，No表示加性高斯白噪 声， 则在资源块上接收到的信号Y的计算公式如下：则可达速率的计算公式如下：式中：P表示发射信号的功率，·ζ~ΟΑ/?Ο, 乂服从正态分布夕…^…心-^表示发送 端发送-1接收端收到Υ时的互信息表示接收端在So, Si ... jd-i已知的情况下发送端发送Sd接收端收到Y时的互信息，并求所有df种情况的总互 信息运算； 步骤2.2:计算出各用户星座集之间的最优角度； df个用户组合后的星座集的计算公式如下： Sm? =忙。+ 4 + …+ ~，-1 I e ?S0，…，e i}; 则映射准则f如下： 50. x...x 5rf)-^· Ssum , 式中：so表示一维基星座集，心,-^表示一个资源块上复用的第df个用户的码字，X表示笛 卡尔积，-表示映射运算符； 当f是双射时，接收机就能够对组合后的星座集进行唯一解码，则可达速率的计算 公式如下：式中：/(F;在_)表示和γ之间的互信息，H(Ssum)表示Ssum的信息量，p(y，si)表示 s_,_y的联合概率，Mdf表示求和运算的所有可能结果，df个用户的Μ阶调制因此有Mdf种情 况，P(y)表示接收信号y的概率； 由于的大小与怂间的角度是独立的，则设计如下的优化问题：式中：矸表示优化问题求解出来的第一个星座集的最优旋转角度，表示优化问题求 解出来的第df个最优角度， 采用互信息的下界II来近似计算互信息，计算公式如下：式中：SSUm,i表示Ssiim中的第i项，SSUm,j表示Ssum中的第j项，I I · I I表示求范数运算。4.根据权利要求1所述的基于容量最大化的稀疏编码多址接入码本设计方法，其特征 在于，所述步骤3包括:N维Μ阶复星座集％,由一维复星座点集构成，％是第j个用户的码字， 其结构与上文中所述毛,相同，力是从用户维度定义的码字，見,维度定义的码字，两者结构 和实质相同；4. / = 1,...,4是N维复星座在每一个复平面上的投影，通过对6进行重新组合，得到的Μ 阶星座集去，其中组合的方式T=(M!)(m种。5. 根据权利要求1所述的基于容量最大化的稀疏编码多址接入码本设计方法，其特征 在于，所述步骤4包括:采用拉丁准则来分配J个用户的码本，按照拉丁矩形准则，矩阵F中的 每一行和每一列的元素都不重复出现。6. -种基于容量最大化的稀疏编码多址接入码本的通信方法，其特征在于，使用了权 利要求1至5所述的基于容量最大化的稀疏编码多址接入码本设计方法所设计的码本。
【文档编号】H04L27/34GK106059970SQ201610496181
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月29日
【发明人】肖可鑫, 张书天, 肖柏岑, 陈智勇, 夏斌
【申请人】上海交通大学