CN105721106A - 基于串行策略的scma上行通信***多用户检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于串行策略的SCMA上行通信***多用户检测方法，属于无线通信***的信号检测领域。本发明将传统的SCMA因子图中的节点分为J组(J为用户节点的个数)，每组为一个用户节点及其与该用户节点相连的所有资源节点，在每次迭代过程中，依次对每一组的所有节点(一个用户节点与其相连的所有资源节点)进行更新。本发明在每次迭代过程中均利用了已更新的节点消息，可有效提高已更新节点消息的利用率；在迭代次数较少的情况下，本发明BER性能远优于背景技术方法的BER性能；在BER性能几乎没有损失的条件下，本发明的计算复杂度远低于背景技术方法的计算复杂度。

Description

基于串行策略的SCMA上行通信***多用户检测方法

技术领域

本发明属于无线通信***的信号检测领域，涉及一种收敛速度快、复杂度低的稀疏码多址接入(SCMA)上行通信***多用户检测方法，具体为一种基于串行策略的MPA检测方法，用于解决5G(第五代移动通信)移动通信备选多址接入技术的多用户检测问题。

背景技术

多址接入是无线通信物理层的核心技术之一，它使基站能区分并同时服务多个终端用户。为了满足5G(第五代移动通信)大容量、海量连接、低延时接入等需求，在申请号为201380059380.X的发明专利“用户稀疏码多址接入的***和方法”中提出了一种SCMA(Sparsecodemultipleaccess，稀疏码多址接入)技术，图1是SCMA上行通信***模型，SCMA扩频码字中有一部分零元素，每个用户的基带数据仅在少量的码片上进行非零位扩频调制，而每位扩频码片也仅仅被少量用户进行非零位扩频调制，SCMA编码器在预定义的码本集合中为每个数据层或用户选择一个码本，然后基于所选择的码本将数据比特直接映射到相应的码字中，最后将多个数据层或用户的码字进行非正交叠加，接收端对接收信号进行基于置信度传播算法的多用户检测技术，即并行MPA检测方法，附图2为该方法的SCMA因子图，并行MPA检测方法在每次迭代过程中，首先更新所有的资源节点，接着更新所有的用户节点。

在发明专利“用户稀疏码多址接入的***和方法”中提出了一种基于并行策略的MPA检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1、初始化：迭代开始时，用户没有先验信息，因此用户节点u_j到资源节点c_k的消息为:j＝1,2,...,J，k＝1,2,...,K，u_j为第j个用户节点，c_k为第k个资源节点，M为码本的码字数目，为迭代开始时用户节点u_j到资源节点c_k的消息；

步骤2、设定最大迭代次数为t_max；

步骤3、在第t次迭代过程中，资源节点和用户节点的消息并行更新，即首先更新所有的资源节点c_k到用户节点u_j的消息 $M_{c_k\→u_j}^t\left(x_j\right)=\underset{~x_j}{\mathrm{\Σ}}\left\{\exp \left(-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}^2}\left|\right|y_k-\underset{i\∈{\mathrm{\ϵ}}_k}{\mathrm{\Σ}}{h}_{k,i}{x}_{k,i}|{|}^2\×\underset{l\∈{\mathrm{\ϵ}}_k\backslash j}{\mathrm{\Π}}{M}_{u_l\→c_k}^{t-1}\left(x_l\right)\right)\right\},\∀j,\∀k;$ t＝1,2,...,t_max为第t(t＝1,2,...,t_max)次迭代过程中计算得到的资源节点c_k到用户节点u_j的消息，x_j＝(x_1,j,...,x_K,j)^Τ为第j个用户的SCMA码字，x_l＝(x_1,l,...,x_K,l)^Τ为第l个用户的SCMA码字，y_k为接收信号y中第k个资源处接收到的信号，(F为发射机SCMA编码器的稀疏扩频矩阵)为连接到资源节点c_k的用户节点集；x_k,i表示第i个用户的码字的第k个资源，h_k,i为h_i＝(h_1,i,h_2,i,...,h_K,i)^Τ中的第k个元素，h_i为第i个用户的信道向量；然后更新所有的用户节点u_j到资源节点c_k的消息：一次迭代完成；为连接到用户节点u_j的资源节点集；

步骤4、判断t＞t_max是否成立，若成立，执行步骤5；若不成立，则令t＝t+1，返回步骤3，进行下一次迭代；

步骤5、经过t_max次迭代后退出循环，计算码字消息：

$Q\left(x_j\right)=\underset{q\∈{\mathrm{\ζ}}_j}{\mathrm{\Π}}{M}_{c_q\→u_j}\left(x_j\right);$

步骤6、计算得到数据比特的软信息

${\mathrm{LLR}}_j=\log \frac{P\left(b_j=1\right)}{P\left(b_j=0\right)}=\log \frac{\underset{b_j=1}{\mathrm{\Σ}}Q\left(x_j\right)}{\underset{b_j=0}{\mathrm{\Σ}}Q\left(x_j\right)};$

b_j为第j个用户的数据比特；

步骤7、数据比特的判决(硬判决) $\widehat{U_j}=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{LLR}}_j>0\\ 0& {\mathrm{LLR}}_j\≤0\end{array}\right..$

上述基于并行策略的MPA检测方法中，检测正确率与最大迭代次数t_max以及消息传播方式有关。然而，在实际工程应用中，随着迭代次数的增加，通信***的硬件计算复杂度越来越高，因此对硬件的要求也越来越高；且该方法中所有资源节点到用户节点消息的更新是基于第t-1次迭代获取的用户节点到资源节点的消息所有用户节点到资源节点消息的更新是基于当前次迭代已更新的虽然很好的利用了当前迭代更新的但是基于上一次迭代生成的没有利用当前迭代中用户节点到资源节点更新的消息，导致其收敛速率较低。综上，上述并行MPA检测方法虽然能有效提高正确译码的概率，但由于其计算复杂度较高及收敛速率较低，不能满足5G对高速、高效的需求。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于串行策略的SCMA上行通信***多用户检测方法。本发明将传统的SCMA因子图中的节点分为J组(J为用户节点的个数)，每组为一个用户节点及其与该用户节点相连的所有资源节点，在每次迭代过程中，依次对每一组的所有节点(一个用户节点与其相连的所有资源节点)进行更新；本发明在每次迭代过程中均利用了已更新的节点消息，可有效提高已更新节点消息的利用率，且计算复杂度低，BER性能优良。

本发明的技术方案如下：

一种基于串行策略的SCMA上行通信***多用户检测方法，包括初始化、资源节点和用户节点消息的更新、数据比特软信息的计算、数据比特的判决步骤；其特征在于，所述资源节点和用户节点消息的更新是多次迭代完成的，每一次迭代过程中，将一个用户节点及其与该用户节点相连的所有资源节点作为一组，将用户节点和资源节点分为J组，J为用户节点的个数；然后依次对每一组中所有的资源节点到用户节点的消息以及用户节点到资源节点的消息进行更新，即完成一次迭代的过程。

一种基于串行策略的SCMA上行通信***多用户检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1、初始化：SCMA在迭代开始时，用户没有先验信息，因此用户节点u_j到资源节点c_k的消息为:j＝1,2,...,J，k＝1,2,...,K，u_j为第j个用户节点，c_k为第k个资源节点，M为码本的码字数目，为迭代开始时用户节点u_j到资源节点c_k的消息；

步骤2、设定最大迭代次数为t_max；

步骤3、在第t次迭代过程中，首先将第j个用户节点以及与第j个用户节点相连的所有资源节点作为一组，将用户节点和资源节点分为J组，j＝1,2,...,J，J组节点分别标记为γ₁,γ₂,...,γ_J组；然后，计算第γ₁组的所有的资源节点到用户节点的消息 $M_{c_k\&RightArrow;u_j}^t\left(x_j\right)=\underset{~x_j}{\mathrm{\&Sigma;}}\left\{\exp \left(-\frac{1}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}\left|\right|y_k-\underset{i\&Element;{\mathrm{\&epsiv;}}_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_{k,i}{x}_{k,i}|{|}^2\right)\&times;\underset{l<j}{\underset{l\&Element;{\mathrm{\&epsiv;}}_k\backslash j}{\mathrm{\&Pi;}}}{M}_{u_l\&RightArrow;c_k}^t\left(x_l\right)\underset{l>j}{\underset{l\&Element;{\mathrm{\&epsiv;}}_k\backslash j}{\mathrm{\&Pi;}}}{M}_{u_l\&RightArrow;c_k}^{t-1}\left(x_l\right)\right\}$ 和用户节点到资源节点的消息然后依次计算γ₂,...,γ_J组的资源节点到用户节点的消息以及用户节点到资源节点的消息，一次迭代完成；x_j＝(x_1,j,...,x_K,j)^Τ为第j个用户的SCMA码字，x_l＝(x_1,l,...,x_K,l)^Τ为第l个用户的SCMA码字，y_k为接收信号y中第k个资源处接收到的信号，(F为发射机SCMA编码器的稀疏扩频矩阵)为连接到资源节点c_k的用户节点集；x_k,i表示第i个用户的码字的第k个资源，h_k,i∈h_i＝(h_1,i,h_2,i,...,h_K,i)^Τ，hi为用户i的信道向量，为连接到用户节点u_j的资源节点集；

步骤4、判断t＞t_max是否成立，若成立，执行步骤5；若不成立，则令t＝t+1，返回步骤3，进行下一次迭代；

步骤5、经过t_max次迭代后退出循环，计算码字消息：

$Q\left(x_j\right)=\underset{q\&Element;{\mathrm{\&zeta;}}_j}{\mathrm{\&Pi;}}{M}_{c_q\&RightArrow;u_j}\left(x_j\right);$

步骤6、计算数据比特的软信息

${\mathrm{LLR}}_j=\log \frac{P\left(b_j=1\right)}{P\left(b_j=0\right)}=\log \frac{\underset{b_j=1}{\mathrm{\&Sigma;}}Q\left(x_j\right)}{\underset{b_j=0}{\mathrm{\&Sigma;}}Q\left(x_j\right)};$

b_j为第j个用户的数据比特；

步骤7、数据比特的判决(硬判决) $\widehat{U_j}=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{LLR}}_j>0\\ 0& {\mathrm{LLR}}_j\&le;0\end{array}\right..$

本发明的有益效果为：对于资源节点与用户节点消息来说，更新的消息越不相关，其可靠性越强，基于此思想本发明提出了一种基于串行策略的SCMA上行通信***多用户检测方法，在每次迭代过程中，将所有节点按照每一个用户节点以及与该用户节点相连的所有资源节点作为一组的方式进行分组，共分为J组，依次对每一组中的节点的消息进行更新。本发明在每次迭代过程中均利用了已更新的节点消息，可有效提高已更新节点消息的利用率；在迭代次数较少的情况下，本发明BER性能远优于背景技术方法的BER性能；在BER性能几乎没有损失的条件下，本发明的计算复杂度远低于背景技术方法的计算复杂度。

附图说明

图1为背景技术提出的SCMA上行通信***模型；

图2为背景技术中SCMA上行***的因子图；

图3为本发明中SCMA上行***的因子图；

图4为本发明方法与背景技术方法的BER性能对比图；

图5为本发明方法与背景技术方法的计算复杂度对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

根据传输条件及检测过程的程序，初始化设置以下参数：

用户节点的个数J＝6，码本的码字个数M＝4，码字长度K＝4，***过载率信道模型为AWGN(高斯白噪声)信道，稀疏扩频矩阵为 $F=\left[\begin{array}{cccccc}0& 1& 1& 0& 1& 0\\ 1& 0& 1& 0& 0& 1\\ 0& 1& 0& 1& 0& 1\\ 1& 0& 0& 1& 1& 0\end{array}\right];$ 用户信息比特经过SCMA编码器映射为相应的码字x，所有用户码字叠加后经过信道进行传输，接收端的接收信号x_j＝(x_1,j,x_2,j,...,x_K,j)^Τ是用户j的SCMA码字，h_j＝(h_1,j,h_2,j,...,h_K,j)^Τ为用户j的信道向量，n～CN(0,σ²Ι)为高斯噪声；接收信号y的第k个资源处接收到的信号y_k表示为：其中k＝1,2,...,K，j＝1,2,...,J。

发送端各用户的码本为：

用户1的码本为 $CB1=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ -0.1815-0.1318i& -0.6351-0.4615i& 0.6351+0.4615i& 0.1815+0.1318i\\ 0& 0& 0& 0\\ 0.7851& -0.2243& 0.2243& -0.7851\end{array}\right],$ 用户2的码本为 $CB2=\left[\begin{array}{cccc}0.7851& -0.2243& 0.2243& -0.7851\\ 0& 0& 0& 0\\ -0.1815-0.1318i& -0.6351-0.4615i& 0.6351+0.4615i& 0.1815+0.1318i\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$ ，用户3的码本为 $CB3=\left[\begin{array}{cccc}-0.6351+0.4615i& 0.1815-0.1318i& -0.1815+0.1318i& 0.6351-0.4615i\\ 0.1392-0.1759i& 0.4873-0.6156i& -0.4873+0.6156i& -0.1392+0.1759i\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$ ，用户4的码本为 $CB4=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 0.7851& -0.2243& 0.2243& -0.7851\\ -0.0055-0.2242i& -0.0193-0.7848i& 0.0193+0.7848i& 0.0055+0.2242i\end{array}\right]$ ，用户5的码本为 $CB5=\left[\begin{array}{cccc}-0.0055-0.2242i& -0.0193-0.7848i& 0.0193+0.7848i& 0.0055+0.2242i\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ -0.6351+0.4615i& 0.1815-0.1318i& -0.1815+0.1318i& 0.6351-0.4615i\end{array}\right]$ ，用户6的码本为 $CB6=\left[\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 0.7851& -0.2243& 0.2243& -0.7851\\ 0.1392-0.1759i& 0.4873-0.6156i& -0.4873+0.6156i& -0.1392+0.1759i\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right]$

图3为本发明基于串行策略的SCMA上行通信***多用户检测方法的SCMA因子图，与背景技术方法因子图的区别在于：以每一个用户节点以及与该用户节点相连的所有资源节点分为一组，可将所有资源节点和用户节点分为J组，分别标记为γ₁,γ₂,...,γ_J组，在每一次的迭代过程中，依次更新γ₁,γ₂,...,γ_J组中的所有节点(即每一个用户节点以及与该用户节点相连的所有资源节点)。

接收机处基于串行策略的SCMA上行通信***多用户检测方法，包括以下步骤：

步骤1.迭代检测开始，没有先验的用户消息，因此每个用户在相应的码本中获取任一码字的概率是相同的，则用户节点的信息为

步骤2.进入迭代循环，参见图3基于串行策略的MPA检测方法的因子图，将所有的资源节点和用户节点分为J组，标记好每一组的序号为γ₁,γ₂,...,γ_J；

步骤3.更新第一组γ₁中所有的资源节点和用户节点；然后判断是否更新完所有J组的节点，若更新完，执行步骤4，否则，继续更新下一组的节点；

步骤4.判断t＞t_max是否成立，若成立，执行步骤5；若不成立，则令t＝t+1，返回步骤2，进行下一次迭代；

步骤5.根据迭代输出的资源节点计算码字消息 $Q\left(x_j\right)=\underset{q\&Element;{\mathrm{\&zeta;}}_j}{\mathrm{\&Pi;}}{M}_{c_q\&RightArrow;u_j}\left(x_j\right);$

步骤6.根据步骤5得到的码字消息，计算原始数据比特的似然值

${\mathrm{LLR}}_j=\log \frac{P\left(b_j=1\right)}{P\left(b_j=0\right)}=\log \frac{\underset{b_j=1}{\mathrm{\&Sigma;}}Q\left(x_j\right)}{\underset{b_j=0}{\mathrm{\&Sigma;}}Q\left(x_j\right)};$

步骤7.最后硬判决原始信息比特，若LLR_j＞0，判决数据比特若LLR_j≤0，判决数据比特

利用Matlab对背景技术的并行MPA方法和本发明实施例的基于串行策略的SCMA上行通信***多用户检测方法在AWGN信道中的BER误码性能和计算复杂度进行仿真对比分析，仿真结果如图4和图5所示。由图4可知，在E_b/N₀＝12dB，2次迭代背景技术的BER值为1.2×10^-3，而本发明的BER值为2.5×10^-4，本发明的BER性能提高了一个数量级；其次，本发明方法中2次迭代的BER性能接近背景技术方法6次迭代的性能，表明本发明方法可有效降低译码的复杂度。由于本发明与背景技术一次迭代的计算复杂度相同，因此分析本发明2次迭代的计算复杂度和背景技术6次迭代的计算复杂度是有意义的。图5为BER＝1.2×10^-3的情况下，即本发明方法2次迭代和背景技术6次迭代的检测性能相同的情况下，背景技术方法的计算复杂度为本发明方法的3倍，因此，本发明采用2次迭代过程就可实现背景技术6次迭代的性能，大大降低***的计算复杂度。

Claims (2)

1.一种基于串行策略的SCMA上行通信***多用户检测方法，包括初始化、资源节点和用户节点消息的更新、数据比特软信息的计算、数据比特的判决步骤；其特征在于，所述资源节点和用户节点消息的更新是多次迭代完成的，每一次迭代过程中，将一个用户节点及其与该用户节点相连的所有资源节点作为一组，将用户节点和资源节点分为J组，J为用户节点的个数，然后依次对每一组中所有的资源节点到用户节点的消息以及用户节点到资源节点的消息进行更新，即完成一次迭代的过程。

2.一种基于串行策略的SCMA上行通信***多用户检测方法，包括以下步骤：

步骤1、初始化：迭代开始时，用户没有先验信息，因此用户节点u_j到资源节点c_k的消息为:j＝1,2,...,J，k＝1,2,...,K，u_j为第j个用户节点，c_k为第k个资源节点，M为码本的码字数目；

步骤2、设定最大迭代次数为t_max；

步骤3、在第t次迭代过程中，首先将第j个用户节点以及与第j个用户节点相连的所有资源节点作为一组，将用户节点和资源节点分为J组，j＝1,2,...,J，J组节点分别标记为γ₁,γ₂,...,γ_J组；然后，计算第γ₁组的所有的资源节点到用户节点的消息 $M_{c_k\&RightArrow;u_j}^t\left(x_j\right)=\underset{~x_j}{\mathrm{\&Sigma;}}\left\{\exp (-\frac{1}{2{\mathrm{\&sigma;}}^2}||y_k-\underset{i\&Element;{\mathrm{\&epsiv;}}_k}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_{k,i}{x}_{k,i}|{|}^2)\underset{l<j}{\underset{l\&Element;{\mathrm{\&epsiv;}}_k\backslash j}{\mathrm{\&Pi;}}}{M}_{u_l\&RightArrow;c_k}^t\left(x_l\right)\underset{l>j}{\underset{l\&Element;{\mathrm{\&epsiv;}}_k\backslash j}{\mathrm{\&Pi;}}}{M}_{u_l\&RightArrow;c_k}^{t-1}\left(x_l\right)\right\}$ 和用户节点到资源节点的消息最后依次计算γ₂,...,γ_J组的资源节点到用户节点的消息以及用户节点到资源节点的消息，一次迭代完成；其中，为连接到资源节点c_k的用户节点集，h_k，i∈h_i＝(h_1，i，h_2，i，...，h_k，i)^T，h_i为用户i的信道向量，为连接到用户节点u_j的资源节点集；

步骤4、判断t＞t_max是否成立，若成立，执行步骤5；若不成立，则令t＝t+1，返回步骤3，进行下一次迭代；

步骤5、经过t_max次迭代后退出循环，计算码字消息：

步骤6、计算数据比特的软信息：

${\mathrm{LLR}}_j=\log \frac{P(b_j=1)}{P(b_j=0)}=\log \frac{\underset{b_j=1}{\&Sigma;}Q\left(x_j\right)}{\underset{b_j=0}{\&Sigma;}Q\left(x_j\right)};$

b_j为第j个用户的数据比特；

步骤7、数据比特的判决 $\widehat{U_j}=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{LLR}}_j>0\\ 0& {\mathrm{LLR}}_j\&le;0\end{array}\right..$