CN110048985A - 次优的低复杂度scma码本设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属通信领域，为提出良好误比特性能的SCMA码本设计方法，既能保证误码率性能不差，又能极大的降低码本设计的复杂度，本发明，次优的低复杂度SCMA码本设计方法，步骤如下：步骤1：将稀疏编码多址SCMA码本优化问题分成k个子问题，在每个问题维度上，约束子码字的平均功率，同时最大化子叠加码字之间的最小欧式距离；步骤2：将第k维子码字向量化，将SCMA码本优化问题表示成二次约束二次规划问题；步骤3：利用半正定松弛方法求解该二次约束二次规划问题，得到第k维子码字；步骤4：根据映射矩阵，将所有k个维度的子码字分配给对应的用户，得到完整的SCMA码本。本发明主要应用于SCMA码本设计场合。

Description

次优的低复杂度SCMA码本设计方法

技术领域

本发明属通信领域，稀疏码分多址接入(SCMA)技术，具体涉及次优的低复杂度SCMA码本设计方法。

背景技术

在移动互联网服务和物联网业务快速增长的驱动下，第五代移动通信***不仅要大幅度提高***频谱利用率，还要能够支持海量设备连接，这些需求推动了非正交技术发展。SCMA作为一种新型的非正交多址接入技术(NOMA)，将***用户的信息叠加到相互正交物理层资源上传输，用户之间的信息存在非正交干扰，在接收端需要通过先进的接收算法分离出每个用户的信息，这样不仅提高了频谱效率，还使得***的接入容量成倍增长。主流的几大非正交多址接入技术有稀疏编码多址(SCMA)技术、多用户共享接入(MUSA)、图样分割多址接入(PDMA)以及功率域的非正交多址接入技术(PD-NOMA)。其中SCMA技术是码域的非正交多址技术，和其他非正交多址接入技术相比，频谱效率接近最优化，还可以利用盲检测技术以及SCMA对码字碰撞不敏感的特性，实现免调度随机竞争接入。

SCMA技术是由华为公司所提出的第二个第五代移动通信网络全新空口核心技术，引入稀疏编码对照簿，通过实现多个用户在码域的多址接入来实现无线频谱资源利用效率的提升。SCMA***的关键问题是码本设计。码本设计将低密度扩频和高维QAM调制结合起来，通过共轭、置换、相位旋转等操作选出具有最佳性能的码本集合，不同用户采用不同的码本进行信息传输。码本具有稀疏性是由于采用了低密度扩频方式，从而实现更有效的用户资源分配及更高的频谱利用；码本所采用的高维调制通过幅度和相位调制将星座点的欧式距离拉得更远，保证多用户占有资源的情况下利于接收端解调并且保证非正交复用用户之间的抗干扰能力。

文献[1]首次给出了SCMA码本的设计准则，并提出了基于格点星座图设计准则的码本设计方案，文献[2]提出了一种基于星座图旋转算子的码本设计方法。文献[3]提出了一种基于Star-QAM的星座图设计方法。但是这些方法不能够明确的求解出码本，关于如何设置旋转角度并未指明。文献[4]提出了一种基于星座图和映射矩阵联合优化的码本设计方案，但该方案复杂度很高，当用户数量或者调制阶数较大时不能实现。

[1]H.Nikopour and H.Baligh,"Sparse code multiple access,"2013 IEEE24th Annual International Symposium on Personal,Indoor,and Mobile RadioCommunications(PIMRC),London,2013,pp.332-336.

[2]Y.Zhou,Q.Yu,W.Meng and C.Li,"SCMA codebook design based onconstellation rotation,"2017 IEEE International Conference on Communications(ICC),Paris,2017,pp.1-6.GAO C,WANG H,ZHU F,et al.A particle swarmoptimization algorithm for controller placement problemin software definednetwork[C]//International Conference on Algorithms and Architectures forParallel Processing.Springer International Publishing,2015:44-54

[3]T.Metkarunchit,"SCMA codebook design base on circular-QAM,"2017Integrated Communications,Navigation and Surveillance Conference(ICNS),Herndon,VA,2017,pp.3E1-1-3E1-8.

[4]J.Peng,W.Chen,B.Bai,X.Guo and C.Sun,"Joint Optimization ofConstellation With Mapping Matrix for SCMA Codebook Design,"in IEEE SignalProcessing Letters,vol.24,no.3,pp.264-268,March2017。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出良好误比特性能的SCMA码本设计方法，既能保证误码率性能不差，又能极大的降低码本设计的复杂度。为此，本发明采取的技术方案是，次优的低复杂度SCMA码本设计方法，步骤如下：

步骤1：将稀疏编码多址SCMA码本优化问题分成k个子问题，在每个问题维度上，约束子码字的平均功率，同时最大化子叠加码字之间的最小欧式距离；

步骤2：将第k维子码字向量化，将SCMA码本优化问题表示成二次约束二次规划问题；

步骤3：利用半正定松弛方法求解该二次约束二次规划问题，得到第k维子码字；

步骤4：根据映射矩阵，将所有k个维度的子码字分配给对应的用户，得到完整的SCMA码本。

进一步具体地：

采用模型的正交资源块数K＝4，用户数量J＝6，每个用户的码本包含M＝4个码字，并且每个码字实际占用的资源块数N＝2，叠加码字的所有可能结果为M^J个，映射矩阵F表征了每个用户的码本对资源的占用情况，也表示了在同一个资源块上，有哪些用户的信息相互冲突，在每个资源上冲突的用户数为df＝3，映射矩阵表示为：

假设v_m和v_n是任意两个叠加码字，且均为K维向量，则二者之间的欧式距离d表示为：

d＝||v_m-v_n||₂,m≠n,m,n∈(1,M^J)

其中，||·||₂表示2-范数，上述距离取平方，并进一步展开为：

其中p(v_m,k)＝v_m(k)表示v_m的第k维的值，将任意两个K维的叠加码字的欧式距离分离成K维，然后分别在每个维度上最大化这一层的子叠加码字最小欧式距离，在第k个维度上的问题描述为：

其中，d²表示该维子叠加码字之间的最小欧式距离的平方，w_k表示所有占用第k个资源的用户在第k维上的所有子码字，w_j,k表示第j个用户在第k个维度上的子码字，P表示子码字的平均功率；

为方便求解，将变量w_k向量化为并加入一维d，表示欧式距离，

其中vec(·)表示向量化函数，通过变量代换，上述问题重新描述为：

其中，R、D_i、E_j是Mdf+1维半正定埃尔米特矩阵，表示二项式系数。

上述问题是一个NP hard问题，通过半正定松弛(SDR)得到近似解。用同样的方法将k个维度的子码字都得到以后，根据映射矩阵将其分配给对应的用户即可得到最终的SCMA码本。

本发明的特点及有益效果是：

本发明基于SCMA码本设计问题，对现有的码本设计方法的弊端做了对比总结，提出了一种降低复杂度的次优码本设计方法。该方法得到的码本在误码率性能方面逼近现***本，但是在算法复杂度上大大低于现有方法，节约了算法的运行时间，能够解决较大尺度的用户数量或者调制阶数的问题。

附图说明：

图1误码率性能对比图。

图2复杂度对比图。

图3本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明属通信领域，稀疏码分多址接入(SCMA)技术是一种非正交的多址接入技术，不仅能够大幅提高用户接入数量，还能提高频谱利用率，是未来5G候选技术之一。次优的低复杂度SCMA码本设计方法能够大幅度降低算法实现的时间复杂度，大大节约了程序运行时间，同时能够实现较好的误码率性能。

为有效解决电磁环境的频谱拥堵问题，国内外研究者提出了MIMO，毫米波通信，超密集组网以及非正交多址接入等创新性技术。其中的非正交多址接入技术通过引入可控的干扰可实现一定程度的用户过载，进而可提升移动通信***的吞吐量和用户接入数量，因此，通过设计具有良好误比特性能的SCMA码本可以提升频谱利用率，有效缓解频谱拥堵问题。目前存在的较多的基于星座算子的码本设计方法虽然能够较好的进行码本设计，但一些参数设置并不明确；还有一些***化方法虽然能完成码本设计，但复杂度很高，难以实现。本发明提出了一种降维的次优码本设计方法，既保证了误码率性能不差，又极大的降低了码本设计的复杂度。

由理论可知，最大化通信发射信号之间的最小欧几里得距离有益于得到较好的误码率性能，因此本发明在约束码字平均功率的条件下，通过最大化SCMA发射的叠加码字之间的最小欧式距离实现SCMA码本设计。在本发明中，假设采用模型的正交资源块数K＝4，用户数量J＝6，每个用户的码本包含M＝4个码字，并且每个码字实际占用的资源块数N＝2，叠加码字的所有可能结果为M^J个。映射矩阵F表征了每个用户的码本对资源的占用情况，也表示了在同一个资源块上，有哪些用户的信息相互冲突，设在每个资源上冲突的用户数为df＝3，本发明采用的映射矩阵可表示为：

假设v_m和v_n是任意两个叠加码字，且均为K维向量，则二者之间的欧式距离d可表示为：

d＝||v_m-v_n||₂,m≠n,m,n∈(1,M^J)

其中，||·||₂表示2-范数。上述距离可进一步展开为：

其中p(v_m,k)＝v_m(k)表示v_m的第k维。由于直接最大化所有可能叠加码字之间的最小欧式距离复杂度非常高，因为一共有M^J种叠加码字的可能。通过上式对欧式距离的展开，可采用一种次优的方案来实现码本的设计，即，将K维叠加码字的欧式距离分离成K维，然后分别在每个维度上最大化这一层的子叠加码字最小欧式距离。由于每个资源只有df个用户占用，所以在每一个维度上子叠加码字的数量仅有M^df个。在第k个维度上的问题可描述为：

其中，d²表示该维子叠加码字之间的最小欧式距离的平方，w_k表示所有占用第k个资源的用户在第k维上的所有子码字，w_j,k表示第j个用户在第k个维度上的子码字。P表示子码字的平均功率。

为方便求解，将变量w_k向量化为并加入一维d，表示欧式距离，

其中vec(·)表示向量化函数。通过变量代换，上述问题可重新描述为：

其中，R、D_i、E_j是Mdf+1维半正定埃尔米特矩阵，表示二项式系数。

上述问题是一个NP hard问题，可通过半正定松弛(SDR)得到近似解。用同样的方法将k个维度的子码字都得到以后，根据映射矩阵将其分配给对应的用户即可得到最终的SCMA码本。仿真得到的误码率性能和算法的复杂度对比图如图1所示。

步骤1：将SCMA码本优化问题分成k个子问题，在每个问题维度上，约束子码字的平均功率，同时最大化子叠加码字之间的最小欧式距离。

步骤2：将第k维子码字向量化，将SCMA码本优化问题表示成二次约束二次规划问题。

步骤3：利用半正定松弛方法求解该二次约束二次规划问题，得到第k维子码字。

步骤4：根据映射矩阵，将所有k个维度的子码字分配给对应的用户，得到完整的SCMA码本。

Claims (2)

1.一种次优的低复杂度SCMA码本设计方法，其特征是，步骤如下：

步骤1：将稀疏编码多址SCMA码本优化问题分成k个子问题，在每个问题维度上，约束子码字的平均功率，同时最大化子叠加码字之间的最小欧式距离；

步骤2：将第k维子码字向量化，将SCMA码本优化问题表示成二次约束二次规划问题；

步骤3：利用半正定松弛方法求解该二次约束二次规划问题，得到第k维子码字；

步骤4：根据映射矩阵，将所有k个维度的子码字分配给对应的用户，得到完整的SCMA码本。

2.如权利要求1所述的次优的低复杂度SCMA码本设计方法，其特征是，进一步具体地：采用模型的正交资源块数K＝4，用户数量J＝6，每个用户的码本包含M＝4个码字，并且每个码字实际占用的资源块数N＝2，叠加码字的所有可能结果为M^J个，映射矩阵F表征了每个用户的码本对资源的占用情况，也表示了在同一个资源块上，有哪些用户的信息相互冲突，在每个资源上冲突的用户数为df＝3，映射矩阵表示为：

假设v_m和v_n是任意两个叠加码字，且均为K维向量，则二者之间的欧式距离d表示为：

d＝||v_m-v_n||₂,m≠n,m,n∈(1,…M^J)

其中，||·||₂表示2-范数，上述距离取平方，并进一步展开为：

其中p(v_m,k)＝v_m(k)表示v_m的第k维的值，将任意两个K维的叠加码字的欧式距离分离成K维，然后分别在每个维度上最大化这一层的子叠加码字最小欧式距离，在第k个维度上的问题描述为：

其中，d²表示该维子叠加码字之间的最小欧式距离的平方，w_k表示所有占用第k个资源的用户在第k维上的所有子码字，w_j,k表示第j个用户在第k个维度上的子码字，P表示子码字的平均功率；

为方便求解，将变量w_k向量化为并加入一维d，表示欧式距离，

其中vec(·)表示向量化函数，通过变量代换，上述问题重新描述为：

其中，R、D_i、E_j是Mdf+1维半正定埃尔米特矩阵，表示二项式系数；

上述问题是一个NP hard问题，通过半正定松弛(SDR)得到近似解。用同样的方法将k个维度的子码字都得到以后，根据映射矩阵将其分配给对应的用户即可得到最终的SCMA码本。