高斯信道下scma简易码本设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信系统技术领域，设及一种高斯信道下SCMA简易码本设计方法。
【背景技术】
[0002] 移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，因此，未来移动终 端的数量将呈现爆发式增长，5G必须要满足海量连接的特点。每一代移动通信的更新换代 都会伴随着多址技术的演变，现有通信系统都是采用正交的多址接入方式，即多个用户通 过在不同维度上(频分，时分，码分等化交划分的资源来接入。例如4G系统中采用的OFDMA 将传输带宽划分成正交的一系列子载波集，再将不同的子载波集分配给不同的用户实现多 址。正交多址接入由于其接入用户数和正交资源成正比，不能满足5G海量连接的需求。近年 来支持过载连接的非正交多址接入被提出作为5G的候选多址接入技术。
[0003] 稀疏码分多址（sparsecodemultiple access,SCMA)，也是一种非正交多址接入方 式。在SCMA编码中，每个用户都有其专用的码本(codebook，CB)，编码比特直接映射到SCMA 码本中的一个多维码字上，替代了原始码分多址中的调制和扩频，且多个用户的码字在资 源块上叠加传输，可W成倍增加用户数量，从而更好的提升系统整体容量。SCMA码本设计直 接关系到最后接收机的复杂度，系统的误码率，W及系统的过载率。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高斯信道下SCMA简易码本设计方法，具体 技术方案如下：
[0005] -种高斯信道下SCMA简易码本设计方法，该方法中将网格编码调制子集分割法应 用于码本设计，具体包括W下步骤：
[0006] SI:设计资源块上总的星座图，采用PSK，QAM等星座图产生，星座点总数为2W.df; 设计资源块上总的星座图的目的是保证叠加在资源块上的用户任意星座点间的欧式距离 尽可能大;资源块上总的星座采用现有成熟的PSK，QAM等星座产生，各资源块上有效用户的 星座通过对资源块上的总星座进行子集分割产生，设计方法简单且性能较好；
[0007] S2:对总星座进行子集分割生成各用户星座图；
[000引 S3:构造映射矩阵；
[0009] S4:结合映射矩阵和用户对应的子集星座，生成用户与资源块对应的星座矩阵；
[0010] S5:由星座矩阵生成码本，并将运种方案设计的码本称为TCM码本。
[0011] 进一步，在步骤S2中，采用TCM子集分割法从资源块上总的星座图生成资源块上有 效用户的星座图，每个用户在各资源块上占据的星座点数均为2W;TCM子集分割法能够保证 同一资源块上用户间星座点间最小欧式距离最大化的同时，保证用户自身星座点间最小欧 式距离最大化。
[0012] 本发明的有益效果在于:本发明不仅保证了用户之间的星座点间最小欧式距离最 大化，同时保证了用户自身星座点间最小欧式距离最大化。因此，应用本发明，系统的误比 特率(bit error rate,邸R)低，且在高过载率条件下，系统性能也表现良好。
【附图说明】
[0013] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0014] 图1为SCMA编码原理图；
[0015] 图2为本发明实施流程图；
[0016] 图3为16QAM子集分割图；
[0017] 图4为12PSK子集分割图；
[0018] 图5为用户与资源块对应的星座矩阵；
[0019] 图6所提方案设计的码本与5G竞赛公布码本的性能对比图；
[0020] 图7所提方案设计的码本在不同过载率条件下的性能仿真曲线。
【具体实施方式】
[0021] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0022] 用N表示码字的长度，也就是传输数据的资源块总数。用R表示码字中的非零元素 个数，也就是每个用户实际传输过程中占用的有效资源块数。用户每次传输的比特数为W， 由此可W确定，采用SCMA编码的最大用户数为：
[0024]每个资源块上实际传输的用户数为：
[00%]用户的过载率为：
[0028] SCMA编码中，每个用户对应一个独一无二的码本，每个用户码本是一个NX2W的复 数矩阵。每个用户每次传输W bit信息，包含2"种可能的值，分别对应2"个码字。
[0029] 图1为SCMA编码原理图，假设6个用户在4个资源块上同时发送信息，每个用户实际 占用的资源数为2,每个用户每次传输化it信息。即J = 6，N=4，R=2，W=2，假设用户发送的 二进制比特为00~11时分别对应用户码本的第1~4列。用户1~用户6分别传输11，10,10， 00，Ol，11，各用户对应码本的第4，3，3，1，2，4列码字被挑选出来，叠加在4个资源块上传输。 对于每一个码字而言，包含零项和非零项，零项表示用户在该资源块上不传输信号，非零项 表示用户在该资源块上传输信号，且信号的强度为非零项的值。为了表示的方便，本实施例 采用映射矩阵F来表示运样一种结构，图1对应的F矩阵如下所示：
[0031] F4-6表示F矩阵对应6个用户在4个资源块上传输时的映射矩阵，Fn,k表示F矩阵中的 第n行第k列，Sn,读示用户k在资源块n上传输的信号值。例如，F矩阵第I列表示用户I实际上 只在资源块1和资源块2上传输信号，第1行表示实际上在资源块1上传输信号的是用户1，用 户3和用户5。
[0032]从F矩阵中可知，每个资源块上实际叠加的有效用户数为3,因此，对于资源块n上 的信号，经过高斯信道传输后的接收信号可W表示为：
[003；3] yn = hn,lCl,n(mi)+hn,2C2,n(m2)+hn,3C3,n^3)+Zn
[0034] 其中，hn,读示资源块n上用户k的信道系数。本文只考虑理想信道的情况，即hn,k = Iofflk表示用户k选择的码字，Ck,n(mk)表示用户k采用Hik对应的码字时，该码字第n个值。Zn表 示资源块n上的白噪声功率。
[0035] 图2所示为本发明实施流程图，具体包括如下步骤：
[0036] 步骤201，设计资源块上总的星座图。可W采用PSK，QAM等星座图产生，星座点总数 为2" . df。为了保证每个资源块上实际传输的用户之间能够相互区分，则要求在同一个资源 块上的用户对应的星座点不能重合。设用户每次传输的比特数为W，则用户需要占用的星座 点数为：
[0037] 1 = 2町
[0038] 由此可计算出，每个资源块上对应的星座点数为：
[0039] L=M ? df
[0040] 步骤202,采用TCM子集分割法从资源块上总的星座图生成资源块上有效用户的星 座图。TCM子集分割方案如图3所示，运里W对16QAM星座图进行子集分割来说明。假设16QAM 星座图中相邻星座点的欧式距离为1，第一步，将16QAM信号集分割为两个一阶子集Bo和Bi, 每个子集含有8个信号点，保证各子集星座点间的最小欧式距离最大，运里，一阶子集星座 点间的最小欧式距离为1.414。第二步，将一阶子集再分成经过二个二阶子集Co, Cl和C2，C3， 每个二阶子集含有4个星座点，分割后二阶子集星座点间的最小欧式距离为2"TCM子集分割 过程中，每次分割后的子集内星座点间的最小欧式距离将不断增加。
[0041 ]采用子集分割后，资源块上的总星座将产生df个子集，每个子集上由M个星座符号 组成，对应资源块上有效用户的星座图。各个子集星座点集合分别表示为Sl,n，S2,n，…， Sdf,n。运里，用户间的最小欧式距离等于总星座上任意两点间的最小欧式距离，用户内的最 小欧式距离等于子集星座内任意两点间的最小欧式距离。因此，采用TCM子集分割法保证了 用户之间的星座点间最小欧式距离最大化的同时，保证了用户自身星座点间最小欧