面向大规模机器类型通信的无标识多址接入方法

本发明属于通信，具体涉及一种面向大规模机器类型通信的无标识多址接入方法。

背景技术：

1、海量机器类型通信(massive machine-type communications,mmtc)是3gpp定义的第五代移动通信系统(5g)三大应用场景之一。在mmtc场景中有几个值得注意的特性。例如，1)零星通信：在某一传输时隙，只有一小部分设备处于活跃状态，其他设备为非活跃。2)短包传输：通常，每个活跃设备只传输一小部分数据。基于以上特性，为了减少传输时延和信令开销，在mmtc场景中，我们经常采用无授权(grant-free,gf)接入方案，即活跃设备可以直接传输数据而无需事先请求和批准。由于省略了设备与基站之间的交互过程，基站无法获知活跃设备的具体信息。因此在传统的gf接入方案中，存在以下两个问题：1)每个用户需要分配独特的导频序列，针对海量设备，需要设计较大的码本来支持导频序列分配，造成了大量的资源浪费。2)在接收端需要做活跃性检测识别活跃设备的身份。

2、由于mmtc场景对大规模连接和低延迟的要求，随机接入方案的设计受到了广泛关注，在传统的无授权随机接入方案中，活跃用户在没有授权许可的情况下直接将导频和数据传输到基站(base station,bs)，由于高密度和大量的连接，这种随机接入方案并不适用于mmtc场景。2017年，polyanskiy在"a perspective on massive random-access"提出了一种新的随机接入方案，称为无标识随机接入。在该场景下，活跃用户数量比较少，传输数据包小，并且基站只关心恢复发送消息的集合，不需要识别活跃用户的身份。

3、针对mmtc场景中传统接入方案存在的问题，无标识多址接入场景的研究逐渐兴起，由于其在接收端不需要识别信息来自哪个用户的显著特点，近几年学者们提出了各种方案接近可达界，v.k.amalladinne和a.fengler等人在"a coded compressed sensingscheme for unsourced multiple access"和"sparcs for unsourced random access"中提出消息分割编码方案，每个活跃用户将其消息划分为子块，这些子块单独编码、传输和恢复，然后使用基于树的算法拼接在一起。a.k.pradhan等人在"sparse idma:a jointgraph-based coding scheme for unsourced random access"中提出将数据作为一个整体进行编码，利用编码和扩展的级联，将每个活跃用户的消息分为两部分。第一部分用来确定一个扩展序列，使用该序列对编码后的第二部分进行发送。z.han等人在"sparsekronecker-product coding for unsourced multiple access"中采用咬尾卷积码(cc)稀疏传播方案，该方案通过双线性广义近似消息传递(big-amp)来恢复消息。进一步，a.k.pradhan在"ldpc codes with soft interference cancellation foruncoordinated unsourced multiple access"中采用具有随机扩散的低密度奇偶校验码(low density parity check code,ldpc)，使用密度进化来匹配迭代过程，在接收机采用mmse检测，该方案目前性能最优，但由于mmse存在矩阵逆运算因此该方案复杂度较高。

4、以现有方案中性能最好的方案为例：在"ldpc codes with soft interferencecancellation for uncoordinated unsourced multiple access"中，作者提出了低密度奇偶校验码级联密集扩频的方案。每个活跃用户的信息被分为两部分，一部分用来确定一个扩频序列，另一部分经过ldpc编码后依据扩展序列进行传输，其中ldpc代码的设计使用密度进化来匹配迭代过程。在接收端第一阶段，由于使用了密集扩频，该方案采用了最小均方误差(minimum mean-squared error,mmse)检测扩频序列，继而恢复第一部分信息。在第二阶段，本发明采用了软输入软输出(soft input soft output,siso)迭代多用户检测和译码算法恢复第二部分信息。该方案是现有方案中性能最好的方案，相比于以往方案中性能最优的方案，该方案在活跃设备数为25-275时均下降大约0.4db，但是当活跃用户数较多时，该方案与可达界的差距仍在2db以上，而且mmse检测需要矩阵求逆操作，具有较高的复杂度。当前方案中，具有活跃用户较多时性能较差、复杂度较高的问题。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的是提供一种面向大规模机器类型通信的无标识多址接入方法，解决了当前方案中译码复杂度较高以及活跃用户较多时性能较差的问题。

2、本发明所采用的第一个技术方案是，面向大规模机器类型通信的无标识多址接入方法，具体如下：

3、步骤1、确定活跃用户的编码方案：在发送端，对总用户数量为ktot中活跃用户发送的信息进行编码；步骤2、确定活跃用户的译码方案：在接收端，提出了一种两阶段迭代算法来联合恢复用户数据。

4、本发明的特征还在于，

5、步骤1具体如下：

6、步骤1.1、发送端总用户数量为ktot，每个用户都可以是活跃或非活跃的；定义sk∈{0，1}，k＝1，...，ktot作为用户的活跃性索引，当sk＝1表示用户k是活跃的，sk＝0表示用户k是非活跃的；假设接收端已知活跃用户k的总数，定义为ka，ka＜＜ktot，每个活跃用户k在n次传输中共传输b bit信息；用户k活跃时，其编码过程如图1所示。将长度为b的信息uk＝(uks，ukc)划分为uks和ukc两部分，长度分别为bs和bc＝b-bs；

7、步骤1.2、随机生成一个二元正则稀疏矩阵作为开关模式码本，其中，开关模式码本行和列的汉明权重分别为nc和将信息uk＝(uks，ukc)的第一部分uks转化为十进制数m，通过索引调制选择a的第m行作为用户k的开关模式码本am；

8、步骤1.3、将第二部分信息ukc通过信道编码生成码字该编码的码率为bc/nc；码字vk经过bpsk调制后得到wk，j＝1-2vk，j∈{-1，1}；

9、步骤1.4、将nc个码字在开关模式码本am确定的nc个信道中进行传输，其余n-nc个信道为空余信道，其中am＝(am，1，am，2，…，am，n)，am，j∈{0，1}当am，j＝1表示第j个信道用来传输信息，最终生成传输信号xk进行传输。

10、步骤2具体如下：

11、步骤2.1、在接收端，提出了一种两阶段迭代算法来联合恢复步骤1中编码后的数据；在第一阶段基于接收信号y，将编码后的数据视为随机变量来检测开关模式从而恢复用户的第一部分消息uks，k∈d；

12、步骤2.2、在第二阶段，基于第一阶段检测的开关模式，设计了联合迭代多用户译码方案来恢复用户的第二部分消息ukc，k∈d，并将译码输出信息传递至第一阶段进行迭代；

13、步骤2.3、对于两阶段的联合迭代过程，依据第二阶段输出信息逐步更新第一阶段得到开关模式进而实现两阶段迭代过程，当所有用户数据全部恢复或达到最大迭代次数时终止迭代。

14、步骤2.1中，在第一阶段开关模式检测中，如果多个活跃用户选择了相同的开关模式，则译码失败，因此只考虑活跃用户所选的开关模式均不同的情况，将接收信号y表示为：

15、

16、其中，bi∈{0，1}为开关模式指示，当bi＝1表示该开关模式是活跃的，即被活跃用户选择，bi＝0表示该开关模式是非活跃的，此时认为传递全零信号由于的未知性，可将其视为相互独立的随机变量，利用贝叶斯规则，可将bi的对数似然比(log-likelihood ratio,llr)表示如下：

17、

18、为方便式(2)的计算，将式(1)表示为：

19、

20、根据中心极限定理，ξi,j可视为均值为e(ξi,j)，方差为var(ξi,j)的高斯变量，得到：

21、

22、其中，m＝0，1，q＝0，±1。在初次迭代中的第一阶段，e[ξi,j]＝0，var[ξi,j]＝ka+σ2并在迭代中不断更新上述值。选取l(bi)中最大的ka个可得到估计的活跃开关模式集合

23、步骤2.2中，在第二阶段，设计了联合迭代多用户译码方案来恢复信息，联合迭代多用户译码方案具体为：根据第一阶段得到的活跃开关模式集进行多用户译码。对活跃用户k进行信息传输的第j个信道，即当ak,j＝1时，信道节点依据接收信号yj进行多用户检测并传递llr给变量节点xk,j,j∈{j|ak,j＝1,j＝1,...,n}；

24、e(ξi,j)和var(ξi,j)由第一阶段得到，将作为输入，通过译码后得到输出

25、

26、本发明的有益效果是：

27、本发明方法针对传统方案译码复杂度较高的问题，采用开关多址模式的超稀疏特性实现了译码的低复杂度；针对传统方案活跃用户较多时性能较差的问题，利用并行消息的软干扰消除技术提高了译码的可靠性，从而改善在活跃用户数较大时的检测性能，提高了系统的可靠性。