本发明涉及通信系统技术领域，尤其涉及一种动态稀疏码分多址通信系统及其方法。
背景技术：
随着移动互联网以及物联网的蓬勃发展，下一代无线移动通信系统将面临着海量用户连接请求的挑战。为提升无线通信系统的容量及可承载的用户数，相关研究机构提出了各种解决方案。
2013年ieee著名学术会议personalindoorandmobileradiocommunications上，由nikopour和baligh等人首次系统性提出稀疏码分多址(sparsecodemultipleaccess,scma)技术，并对scma的码本设计算法及其性能进行了详细的分析。随后，scma技术作为下一代移动通信系统的关键技术，吸引了大量研究人员的关注。
基于scma的通信系统可在有限的无线频谱约束下，提供比正交多址接入系统更多的系统容量，并可根据用户的服务质量需求，采用灵活的调制编码方式，以进一步降低多用户干扰。但经典的scma通信系统也存在着明显的缺点：scma采用固定的因子图，即多用户与资源块之间的映射关系是固定的。由于最优化的scma码本对应的因子图通常是以小数表示，上述设计只能将因子图整数化处理，显然并不能达到最优的系统性能。
技术实现要素：
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种动态稀疏码分多址通信系统及其方法，通过对稀疏码分多址通信系统的因子图的动态设计，能进一步逼近最优化设计的理论容量。
为实现上述目的，本发明提供了一种动态稀疏码分多址通信系统，包括：
小数数值码本设计模块，用于求解小数数值的映射系数与最优功率分配系数；
码本系数量化模块，用于将小数数值映射系数转换为定点整数；
整数数值码本映射模块，用于在最优功率分配系数以及整数化映射系数约束下，求解最优化的整数数值映射系数；
其中，小数数值码本设计模块输出小数数值映射系数以及最优功率分配系数；上述小数数值映射系数作为码本系数量化模块的输入值；最优功率分配系数作为整数数值码本映射模块的输入值。
一种动态稀疏码分多址通信方法，包括：
s1、小数数值码本设计模块中的最优化目标函数，为多用户总速率；小数数值码本设计模块中的求解方法可以是搜索法及采用凸优化求解；输出结果为小数数值映射系数及最优功率分配系数；
s2、码本系数量化模块中采用的量化基数一般可采用2的幂次方；量化基数同时也是码本映射图的变化周期；将上述小数数值映射系数进行量化，得到量化映射系数；
s3、整数数值码本映射模块在上述量化映射系数及最优功率分配系数约束下，采用目标函数为变化周期内平均的多用户总速率，进行整数优化求解，求解方法可采用直接搜索法，输出最终的动态码本映射系数。
上述的一种动态稀疏码分多址通信方法，所述步骤1具体为：
上式中，n0表示接收机端的高斯白噪声；
同时，系统优化设计中，还需要满足如下约束条件：
每个用户的发射功率受限，最大为pm，即
同时假定每个用户最多映射到dv个资源块，且每个资源块最多由df个用户共享，即
最优化问题整理为：
s.t.(2)(3)(4)(5)
对上述最优化问题，可采用搜索法或者凸优化法进行求解。
上述的一种动态稀疏码分多址通信方法，所述步骤3具体为：
设步骤1求出的最优化结果为σj，k*和pj，k*，设使用的信道实现长度为l,首先将最优化小数映射值σj，k*进行量化取整，即：
对每个信道实现计数为l,l＝1,2,…,l.定义每个信道实现的整数映射关系为σj,k[l]∈{0,1}，则此时在长度为l的信道实现中平均速率可定义为：
同时满足以下约束：
以及平均映射关系约束：
最优化问题整理为：
s.t.(7)(8)(9)(10)(11)
上述整数优化问题，可直接使用搜索法进行求解，即可得到最终最优解。
本发明的有益效果是：
传统的scma优化设计过程中，映射关系只能取值0或1，而不能取其他小数数值，使得在系统容量最优化过程中，不能得到理论上最优解。本发明采用小数数值的映射关系进行最优化求解，再初步求解基础上，通过多次信道实现采用不同映射关系的方法，使用整数映射关系来逼近小数数值映射关系，最终使系统容量更加贴近于理论上的最优容量。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明的流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种动态稀疏码分多址通信系统，包括：
小数数值码本设计模块，用于求解小数数值的映射系数与最优功率分配系数；
码本系数量化模块，用于将小数数值映射系数转换为定点整数；
整数数值码本映射模块，用于在最优功率分配系数以及整数化映射系数约束下，求解最优化的整数数值映射系数；
其中，小数数值码本设计模块输出小数数值映射系数以及最优功率分配系数；上述小数数值映射系数作为码本系数量化模块的输入值；最优功率分配系数作为整数数值码本映射模块的输入值。
如图2所示，一种动态稀疏码分多址通信方法，包括：
s1、小数数值码本设计模块中的最优化目标函数，为多用户总速率；小数数值码本设计模块中的求解方法可以是搜索法及采用凸优化求解；输出结果为小数数值映射系数及最优功率分配系数；
s2、码本系数量化模块中采用的量化基数一般可采用2的幂次方；量化基数同时也是码本映射图的变化周期；将上述小数数值映射系数进行量化，得到量化映射系数；
s3、整数数值码本映射模块在上述量化映射系数及最优功率分配系数约束下，采用目标函数为变化周期内平均的多用户总速率，进行整数优化求解，求解方法可采用直接搜索法，输出最终的动态码本映射系数。
在上行scma系统中，共有j个用户分享k个无线资源块,假设信道在l个数据块中保持恒定。定义hj,k表示第j个用户到第k个资源块的信道衰落系数，pj,k,表示第j个用户分配给第k个资源块的功率,σj,k∈[0,1]表示第j个用户到第k个资源块的映射关系，若为1表示，第j个用户占用第k个资源块；否则表示不占用。
传统的scma优化设计过程中，映射关系只能取值0或1，而不能取其他小数数值，使得在系统容量最优化过程中，不能得到理论上最优解。本发明采用小数数值的映射关系进行最优化求解，再初步求解基础上，通过多次信道实现采用不同映射关系的方法，使用整数映射关系来逼近小数数值映射关系，最终使系统容量更加贴近于理论上的最优容量。
根据上行多址接入信道容量公式，所有k个资源块的总速率可表示为：
上式中，n0表示接收机端的高斯白噪声；
同时，系统优化设计中，还需要满足如下约束条件：
每个用户的发射功率受限，最大为pm，即
同时假定每个用户最多映射到dv个资源块，且每个资源块最多由df个用户共享，即
最优化问题整理为：
s.t.(2)(3)(4)(5)
对上述最优化问题，可采用搜索法或者凸优化法进行求解。
设步骤1求出的最优化结果为σj，k*和pj，k*，由于在真实的映射关系实现时，只能取值0或1，而不能直接实现小数形式的映射值，本发明采用多次信道实现取平均的方法来实现小数映射值。
设使用的信道实现长度为l,首先将最优化小数映射值σj，k*进行量化取整，即：
对每个信道实现计数为l,l＝1,2,…,l.定义每个信道实现的整数映射关系为σj,k[l]∈{0,1}，则此时在长度为l的信道实现中平均速率可定义为：
同时满足以下约束：
以及平均映射关系约束：
最优化问题整理为：
s.t.(7)(8)(9)(10)(11)
上述整数优化问题，可直接使用搜索法进行求解，即可得到最终最优解。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。