一种联合发送端和接收端的SCMA编译码方法

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种联合发送端和接收端的scma编译码方法。

背景技术：

随着移动互联网和物联网技术的快速发展，第五代移动通信技术（5g）受到了国内外广泛关注。5g通信的三大应用场景，即增强型移动宽带（embb）、海量机器类通信（mmtc）和超高可靠超低时延通信（urllc），对现有的频谱效率、连接密度和可靠性提出了巨大挑战。

稀疏码分多址接入技术（scma）作为一种多用户共享频率资源的非正交多址技术方案被提出，相比正交多址接入技术，在相同的频谱资源情况下，允许更多的用户接入，有效提升系统的频谱利用率。scma系统将用户比特流数据映射和扩频相结合，基于用户的码本传输数据，发送端输入的比特数据直接被码本映射成具有稀疏和成型增益的多维码字，在时频资源块上叠加复用，用户码字信息在资源块上叠加传输。接收端采用消息传递算法（mpa）实现多用户检测，消息传递算法可以有效接近最佳的最大后验概率算法（map）译码性能，并且大幅度降低译码复杂度。

随着接入用户数目的不断增多，接收端的消息传递算法具有较高计算复杂度，传统的正交多址接入方案不能满足类型繁多的物联网业务和海量的设备接入，因而探索高效的译码算法是scma系统中急需解决的问题。在scma上行链路系统中，由于码本与资源块之间的关联性，可以将码本看作信道化的码本资源，一旦确定了用户使用的码本，用户占用的信道资源也被确定。在实际衰落信道中，每个用户对应资源块的信道增益都不同，发送端传统的随机码本分配方案直接按照固定顺序将码本分配给不同用户，并没有考虑到接收端用户解码策略和信道状态信息的变化。所以有必要针对接收端不同的用户业务需求和不断变化的信道环境，联合发送端和接收端进行scma的编译码。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种联合发送端和接收端的scma编译码方法，可以有效提升系统性能，降低译码复杂度。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种联合发送端和接收端的scma编译码方法。

scma系统包括发送端、传输信道和接收端；所述发送端完成用户原始数据的编码、调制和扩频，使用户原始数据信息适合在信道中传输；所述接收端将非正交的用户数据区分出来，并调制、译码得到用户原始数据信息。

在scma系统中，假设用户总数目为j、时频资源总块数为k；非正交条件下，用户总数目j要大于时频资源总块数k，j、k均为正整数，则系统过载率为：λ=j⁄k。

用户多路复用信号经过同步之后，接收到的信号可以表示为：

其中，表示用户j的码字向量，表示以向量为对角元素构造的对角矩阵，表示用户j的信道增益向量，表示高斯噪声且。

在联合的scma编译码方案中，默认接收端已知信道状态信息，通过联合scma发送端系统，同时考虑到解码策略和信道状态信息，从而影响发送端的因子图矩阵的设计，其中scma编码因子图矩阵反映用户和资源块之间的连接关系，通过改变因子图矩阵的设计，可以改变不同用户传输占用的信道资源，本发明所述方法包括：

步骤1：scma系统发送端初始化因子图矩阵，并根据因子图矩阵为用户分配码本，完成编码，将编码完成后得到的混合信号发送至接收端；

步骤2：scma系统接收端根据用户业务时延需求得到用户解码优先级顺序，并利用分层迭代解码算法得到用户解码策略，通过消息传递算法对接收到的混合信号进行多用户检测，完成解码，得到原始信息；

步骤3：scma系统接收端根据用户解码策略和信道状态信息，利用因子图矩阵优化算法动态生成优化后的因子图矩阵，并反馈至scma系统发送端；

步骤4：scma系统发送端根据接收端反馈的优化后的因子图矩阵为用户分配码本，完成编码，将编码完成后得到的混合信号发送至接收端；

步骤5：scma系统接收端根据用户业务时延需求得到用户解码优先级顺序，并利用分层迭代解码算法得到用户解码策略，通过消息传递算法对接收到的混合信号进行多用户检测，完成解码，得到原始信息；

步骤6，scma系统接收端判断用户解码策略以及信道状态信息中是否至少一个发生变化，若判断结果为是，则利用因子图矩阵优化算法动态生成优化的因子图矩阵，并反馈至scma系统发送端；若判断结果为否，则保留上一次使用的因子图矩阵；

步骤7：scma系统发送端根据接收端反馈的优化后的因子图矩阵或者上一次使用的因子图矩阵为用户分配码本，完成编码，将编码完成后得到的混合信号发送至接收端；返回步骤5。

进一步地，所述scma系统接收端根据用户业务时延需求得到用户解码优先级顺序，并利用分层迭代解码算法得到用户解码策略，方法如下：

步骤2.1：分别对不同用户业务时延需求进行判断，并根据业务时延需求从高到低，对用户进行排序，初步确定用户解码优先级顺序；

步骤2.2：按照初步确定好的用户解码优先级顺序对用户进行分层；方法如下：

设置用户解码分层数目n，根据消息传递算法最大迭代次数计算每层迭代次数v，同时计算每层解码用户的数目w；则每w个用户为一组，依次分为n个用户组；

其中每层迭代次数v的计算公式如下：

每层解码用户数目w的计算公式如下：

式中，j表示用户总数目；

步骤2.3：利用分层迭代解码算法对用户进行分层解码；其中每迭代完成一次，就对当前高优先级的w个用户进行解码，直至全部用户均被解码；在当前迭代后，完成解码的用户不参加下一次的迭代过程。

进一步地，所述scma系统接收端根据用户解码策略和信道状态信息，利用因子图矩阵优化算法动态生成优化后的因子图矩阵，方法如下：

步骤3.1：scma系统接收端通过发射导频信号进行信道估计，利用最小二乘法得到信道增益矩阵h：

其中，表示在资源块k上用户j的信道增益值，k=1,…,k，k表示时频资源块总数目；j=1,…,j，j表示用户总数目；

步骤3.2：scma系统接收端根据信道增益矩阵，利用因子图矩阵优化算法，生成优化后的因子图矩阵，包括：

根据scma系统设计要求，设置每个用户占用资源块的数目；

根据信道增益矩阵，得到每个用户在每个资源块上的信道增益值；

按照用户解码优先级顺序，依次为每一个用户选择使其信道增益最大的个资源块进行匹配，直至所有用户均与资源块匹配完成；在匹配过程中，当某个资源块被匹配次后，则该资源块不参与下一个用户的资源块匹配过程；

当用户与资源块得到匹配时，则因子图矩阵中对应位置的元素置为1，否则因子图矩阵中对应位置的元素置为0；其中，因子图矩阵如下：

其中，f表示因子图矩阵；表示资源块k与用户j的匹配情况所对应的元素值。

进一步地，所述通过消息传递算法对接收到的混合信号进行多用户检测，完成解码，得到原始信息；其中，消息传递算法在迭代中传递的消息为概率信息。

消息传递算法为scma系统中经典的多用户检测算法，消息传递算法的具体迭代过程如下：

首先，初始化先验概率，设定用户发送码字的概率相等，都为：

式中，表示资源节点k，表示用户节点j；表示用户节点j的码字向量；0表示初始迭代状态；

然后，资源节点到用户节点的更新，所有资源节点以相连用户节点的信息作为先验概率，更新资源节点到用户节点的消息：

式中，表示与资源节点k相连的用户节点集合，表示除用户节点j之外与资源节点k相连的用户节点集合；表示接收端接收到的混合信号，表示用户j在资源块k上的码字向量，表示用户节点l；t表示迭代次数；

最后，用户节点到资源节点的更新，所有用户节点合并资源节点传递的信息，更新用户节点到资源节点的消息：

式中，表示除节点k之外与用户节点相连的资源节点集合。

有益效果：与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益技术效果：

本发明提出了一种联合发送端和接收端的scma编译码方法，根据不同用户的时延要求高低情况划分用户解码优先级，针对不同的用户优先级进行分层解码，使得部分用户不必执行全部的迭代过程，提前完成信息解码。根据接收端不同的用户解码策略，利用信道增益矩阵为优先解码用户选择合适的资源块传输码字，通过因子图矩阵优化算法学习用户解码策略和信道状态信息动态生成适合接收端解码的因子图矩阵，将优化的因子图矩阵反馈给发送端，发送端通过优化的因子图矩阵为用户分配对应的码本，接收端采用最有利于用户消息解码的码本进行解码。本发明提出的联合发送端接收端的scma编译码方案可以有效提升系统的误码率性能，同时降低接收端的译码复杂度。

附图说明

图1是一种实施例下scma通信系统模型图；

图2是一种实施例下scma码字叠加原理图；

图3是一种实施例下分层迭代解码算法示意图；

图4是一种实施例下因子图矩阵优化流程图；

图5是一种实施例下scma联合编译码示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的一种联合发送端和接收端的scma编译码方法，参考图1，scma系统包括发送端、传输信道和接收端；所述发送端完成用户原始数据的编码、调制和扩频，使之适合在信道中传输；所述接收端将非正交的用户数据区分出来，并调制、译码得到用户原始数据信息。

在scma系统中，假设用户总数目为j、这些用户共享k个时频资源块；非正交条件下，用户数总数目j要大于时频资源总块数k，j、k均为正整数，则系统过载率为：

λ=j⁄k。

参考图2，所述scma系统接收端将用户原始比特流数据映射为此用户码本中系数scma码字；相同资源块经过不同用户复用，用户多路复用信号经过同步之后，接收端接收到的信号是各用户码字经过信道后的叠加信号，表示为：

其中，表示用户j的码字向量，表示用户j的信道增益向量，表示以向量为对角元素构造的对角矩阵，表示高斯噪声且。

在默认scma系统接收端已知信道状态信息，同时考虑到用户解码策略，对因子图矩阵进行优化设计后反馈至发送端；发送端根据接收到的因子图矩阵为用户分配码本，进而发送端的编码方案会随着接收端的用户解码策略和信道传输环境的改变而发生改变，实现了scma系统发送端和接收端的联合编译码。

scma编码因子图矩阵反映用户和资源块之间的连接关系，通过改变因子图矩阵的设计，可以改变不同用户传输占用的信道资源；参考图5，本发明所述方法具体包括如下步骤：

步骤1：scma系统接收端根据业务时延需求对用户进行排序，初步确定用户解码优先级排序，即当用户时延需求越高，优先级越高；

scma接收端系统按照初步确定好的用户解码优先级顺序，利用消息传递算法进行多用户检测，并根据分层解码的思想，针对不同的用户优先级进行分层解码；所述分层解码算法的步骤为：

首先将消息传递算法按照最大迭代次数进行分层，假设用户的解码层数为n层，则得到每层的迭代次数为次，scma系统接入用户数目为j，当每层迭代完成后，都对高优先级个用户提前进行解码；

直到n层解码完成后，所有用户均被解码。

在迭代过程中解码完成的用户节点不再继续进行消息更新，使得部分用户不必执行全部的迭代过程，提前完成信息解码，可以有效降低检测复杂度。

步骤2：考虑到不同用户解码顺序和信道状态信息的影响，scma系统接收端发送导频信号，利用最小二乘法进行信道估计，得到信道增益矩阵；

由于不同用户对应的资源块上信道增益值不同，为了选择最优的信道资源，根据得到的信道增益矩阵，利用因子图矩阵优化算法生成优化的因子图矩阵，确定用户和资源块之间的占用关系，具体方法为：

因子图矩阵优化算法按照接收端初步确定的用户解码优先级，依次为用户选择各自对应的个最大信道增益的资源块传输数据；当所有用户和资源块匹配完成后，生成优化后的因子图矩阵并反馈至发送端；

其中因子图矩阵中的非零元素代表用户和资源块的连接关系，零元素表示用户和资源块没有占用关系。当用户选择对应资源块时，即将因子矩阵中对应位置的元素置为1；否则将因子矩阵中对应位置的元素置为0。

步骤3：发送端接收到反馈信息后，利用因子图矩阵对scma的编码策略进行调整，具体为：

发送端通过接收端反馈信息中的因子图矩阵可以进行用户码本的分配，发送比特数据经分配后的用户码本映射成对应码字，码字信息叠加在信道中进行传输。因子矩阵优化算法使解码高优先级用户在最好的信道资源上传输信息，在接收端采用最有利于解码的用户码本进行解码；

其中scma接收端利用因子图矩阵进行编码，由于码本与资源块的关联性，确定了资源块的占用关系，也就是确定了用户使用的码本，用户选择不同的资源块就是选择不同的码本，所以用户码本的分配可以利用因子图矩阵得到。

步骤4：在scma联合编译码过程中，发送端编码策略会随着接收端解码策略的改变而改变；当判断接收端的用户解码策略或信道传输环境至少一个发生变化时，则接收端通过因子图矩阵优化算法重新优化因子图矩阵；由于信道状态和接收端用户解码顺序是动态变化的，所以通过因子图矩阵优化算法可以动态生成因子图矩阵，实现scma发送端对用户码本的动态分配。

进一步地，参考图3，本实施例以6个用户、4个资源块的scma系统为例进行详细说明：

假设分层迭代算法将迭代过程分3层，即n=3；消息传递算法的默认条件下最大迭代次数次，则根据分层算法计算得到每层的迭代次数次；每层解码个用户；接收端通过用户业务时延需求来区分用户组合的优先级，假设用户2对时延要求最高，接下来依次是用户3、用户4、用户5、用户1，而用户6对时延要求最低，依次得到用户解码顺序为，即需要第一步解码用户2，依次对用户3、用户4、用户5、用户1进行解码，最后解码用户6；

利用分层迭代的思想，将2个用户合并为一组，为一个解码集合，每层迭代完成后对解码集合的用户进行解码，由上述用户解码顺序可以得到用户分层解码集合为：，即第一层解码用户2和用户3，第二层解码用户4和用户5，第三层解码用户1和用户6；

在迭代过程中解码完成的用户节点不再继续进行消息更新，使得部分用户不必执行全部的迭代过程，提前完成信息解码，可以有效降低检测复杂度。

进一步地，在scma上行链路传输过程中，每个用户距离基站的位置不同，用户在资源块上经历不同的信道衰落；在发送功率相等情况下，由于经历的信道衰落情况不同，用户接收信号的信噪比也不同。考虑到迭代过程中用户信息的可靠程度不同，所以不同的用户解码顺序也会影响系统性能。随机选择用户的解码方式会导致较多的系统性能损失，如果可以优先选择较可靠的用户解码，就能在降低复杂度的同时减少系统性能损失。实际衰落信道条件下，用户在不同资源块之间的信道状态差异很大，存在部分高信噪比的用户信号在接收混合信号中占据明显的解码优势。

消息传递算法基于因子图模型计算概率推理问题，概率信息沿着因子图分支进行传递，在迭代过程中，主要分为两个部分，资源节点的更新和用户节点的更新，更新过程中信道增益高的用户传递的信息值更加可靠，此用户信息迭代更加准确，可以优先解码出该用户的码字信息。

进一步地，scma系统接收端通过发射导频信号进行信道估计，利用最小二乘法得到信道增益矩阵h，本实施例下得到的信道增益矩阵如下：

其中，表示用户1在资源块1上的信道增益值；表示用户5在资源块3上的信道增益值；同样的，信道增益矩阵h中的元素表示用户j在资源块k上的信道增益值。

进一步地，参考图4，scma系统接收端已知用户在不同资源块上信道增益值，利用因子图矩阵优化算法，生成优化后的因子图矩阵并反馈至发送端；其中，因子图矩阵优化算法采用最优的资源块匹配策略，具体为：

按照接收端初步确定的用户解码优先级顺序为用户匹配资源块，本实施例下，用户2获得资源块匹配的优先级最高，即为最先解码的用户；则接下来依次是用户3、用户4、用户5、用户1，用户6资源块匹配的优先级最低；

然后根据用户的资源块匹配优先级，依次为用户进行资源块匹配，具体为：根据用户在每一个资源块上信道增益值的大小，依次为用户选择各自对应的个最大信道增益的资源块。当用户选择对应资源块时，即将因子矩阵中对应位置的元素置为1，其余位置的元素置为0；在匹配过程中由于scma系统的负载规则，每个资源块最多被个用户共用；因此没有选择最优资源块组合的用户只能退而求其次选择次优的资源块组合进行匹配；依次执行上述操作直到所有用户组与资源块匹配完成。在资源块匹配过程中，相比而言，高优先级用户组选择的资源块具有高性能增益，优先级低的用户组只能被迫选择剩余资源块，往往性能增益较低。即最先解码的用户的性能增益最高，以保证解码过程的系统误码率性能。

本实施例下，在4*6的因子图矩阵中，初始因子图矩阵如下：

每个资源块上承载3个用户，每个用户占用2个资源块传输码字信息；以代表用户j所连接的资源块集合，随机码本分配方式对应因子图矩阵的资源块连接用户集合分别为：。

仅上述分析可知，随机码本分配方式中因子图矩阵的用户和资源块之间的匹配关系固定不变的，即用户1固定占用资源块2和4、用户2固定占用资源块1和3、用户3固定占用资源块1和2、用户4固定占用资源块3和4、用户5固定占用资源块1和4、用户6固定占用资源块2和3。

在本实施例下，scma系统接收端通过因子图矩阵优化算法优化后，得到优化后的因子图矩阵，则scma系统发送端通过该优化后的因子图矩阵重新对用户和资源块之间的匹配关系进行动态调整；其中，优化后的因子图矩阵f如下：

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