CN113765555B - 基于资源块星座距离的非正交多址接入***码本设计方法 - Google Patents

基于资源块星座距离的非正交多址接入***码本设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于资源块星座距离的非正交多址接入***码本设计方法，包括以下步骤：先根据用户需求确定SCMA码本中的参数J、M、N、K；再根据拉丁准则，确定码本中关联用户和资源块映射矩阵
Figure DDA0003274421490000011
；构建能量归一化的N维基星座S0；通过粒子群PSO算法根据最大化资源块星座点间码字距离之和的准则计算得到最佳的元素的系数和最佳的旋转角度：最后最佳的元素的系数和最佳的旋转角度确定最佳用户星座函数，将最佳用户星座函数对应的用户星座集进行码字重排，重排前后的码字分配到映射矩阵
Figure DDA0003274421490000012
上，从而得到SCMA的多用户码本。本发明能获得更大的整型增益，提升SCMA***在高斯信道下的抗噪性能。

Description

基于资源块星座距离的非正交多址接入***码本设计方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，具体地，涉及一种基于码本资源块能量归一化情况下，最大化资源块星座点间欧式距离平方和的非正交多址接入***码本设计方案。
背景技术
随着移动互联网业务和物联网业务应用的飞速发展，移动互联网和物联网将成为未来移动通信发展的主要驱动力，第五代(5G)移动通信***对用户连接数、体验速率、***容量以及时延指标都提出了更高的要求，对现有的以OFDMA为代表的OMA方案形成了严峻的挑战，以叠加传输为代表的新型非正交多址接入(NOMA)技术方案成为了 5G移动通信中的关键技术之一。
稀疏码分多址(Sparse Code Multiple Access,SCMA)在增强频谱效率、提升用户连接能力以及降低空口传输时延等方面相比OMA技术具有明显的优势，可以适用于5G不同的典型应用场景在NOMA方案中，通过多用户信息的叠加传输，在相同的时频资源上可以支持更多的用户连接，可以有效地满足物联网海量设备连接的指标要求。此外， SCMA技术，可以实现免调度传输，相比于正交传输可以有效地简化信令流程，大幅度降低空口传输时延，有助于实现1ms的空口传输时延指标。最后，SCMA技术还可以利用多维调制以及码域扩展以获得更高的频谱效率。因此，通过引入非正交多址接入技术，可以获得更高的***容量、更低的时延以及支持更多的用户连接数。
SCMA码本设计在SCMA***中至关重要，因为SCMA编码过程可以看作是多维调制和稀疏扩频的联合优化，码本中的码字数量，扩频长度以及非零码字个数等等，都是影响SCMA***性能的重要原因。
华为公司最早提出了SCMA码本设计方案，并在2015年的亚洲创新设计大赛上公开了一个码本，但是其码本实现方式未知。
以下SCMA码本优化方案主要以距离为基础提升算法的可靠性。Taherzadeh.M、Nikopour.H等人提出了一种基于栅格星座的设计方法，该方法是首次提出的SCMA码本设计方法，分为三个步骤，第一步是设计映射矩阵，映射矩阵决定了在每个资源节点上复用的层数，从而决定了MPA检测的复杂性，码字越稀疏，MPA检测就越简单。其次就是星座点和多维母星座，具体操作方式是构造一个最大化最小欧式距离的多维星座，通过旋转等方法在保证距离不变的情况下得到较小投影数目的母星座，相应的MPA检测器的复杂度也随之降低。最后基于母星座点进行相位旋转和功率偏移等星座运算，得到不同用户的码本，以上这些构造方法作为引导，SCMA码本设计问题的思路变得清晰，但其实现的复杂度高，并且不适用于高维度星座。Cai等人通过对QAM星座的某一子集进行旋转和交织，得到多维母星座，再根据Taherzadeh论文中星座运算方法的旋转母星座点，通过矩阵映射得到多用户码本。L.Yu等人通过star-QAM星座生成多维母星座，再使用Taherzadeh论文中星座运算的方法得到多用户码本，其码本性能超越 Taherzadeh论文的码本。以上三种码本设计方法，其设计主要是对多维母星座的构建和星座运算的确定，它属于非凸二次约束二次规划(QCQP)问题，非凸QCQP是NP-hard 问题，解决一个QCQP通常是困难的，即使对于少量的约束。M.Beko等人提出了对该 QCQP问题的次优解，通过将问题一个凸二阶锥规划(SOCP)问题，可以通过CVX工具箱求解。
梁燕等人在高斯信道下，在Cai论文中QAM的基础上，用QAM的星座图设计每个资源块上所有用户的总星座图，再使用网格编码调制TCM的子集分割法，生成用户码本。郭鸣坤等人以最大化用户星座距离谱最小元素为准则，把Taherzadeh论文中多维码本星座的设计转化为简单的码本参数的确定过程，避免求解QCQP问题，该方法在降低参数选择的复杂度下能得到误比特性能优异的码本。上述两种算法都是以星座点距离为基础展开研究。
除了基于星座点距离外，还有站在其他角度的码本优化方法，例如降低峰值平均功率比(peak to average power ratio,PAPR)、码字资源分配、能量消耗、因子图矩阵等。例如，X.Ma等人提出了一种降低PAPR的优化方法，其重新分配大功率的星座点以初步降低PAPR，再旋转联合优化的用户码本以继续降低PAPR。Z.Li等人提出了基于信道容量最大化准则的优化方法，其动态分配用户码字和能量，消除了码字中非零元素的互相影响。S.Yang等人提出了一种公平的速率、功率和用户码字的分配方法，其基于协作博弈准则，能够再增加速率和功率的情况下，保证用户的公平性。A.Bayesteh等人提出了一种在接收端减少MPA算法复杂度的码本优化方法，其设计理念是让某些星座点在一个维度上重叠，减少有效的星座点数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种将码本能量归一化，同时基于最大化资源块星座点间欧式距离平方和来确定码本参数的方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，基于资源块星座距离的非正交多址接入***码本设计方法，包括以下步骤：
1)根据用户需求确定SCMA码本中的参数J、M、N、K；J为用户数、M、N分别表示星座函数
Figure RE-GDA0003333276970000031
生成的星座集为M阶N维，K为资源块个数；
2)根据拉丁准则，确定码本中关联用户和资源块映射矩阵
Figure RE-GDA0003333276970000032
3)构建能量归一化的N维基星座S0；
Figure RE-GDA0003333276970000033
r1代表基星座的基元素，
Figure RE-GDA0003333276970000034
代表第
Figure RE-GDA0003333276970000035
个元素的系数，满足
Figure RE-GDA0003333276970000036
df代表每个资源块上叠加用户的个数；
4)对基星座S0进行星座点的旋转，分别旋转角度
Figure RE-GDA0003333276970000037
得到df个用户星座集
Figure RE-GDA0003333276970000038
Figure RE-GDA0003333276970000039
5)确定对用户星座集
Figure RE-GDA00033332769700000310
进行码字重排得到
Figure RE-GDA00033332769700000311
的码字重排规则；
6)通过粒子群PSO算法根据最大化资源块星座点间码字距离之和的准则计算得到最佳的元素的系数
Figure RE-GDA00033332769700000312
最佳的旋转角度
Figure RE-GDA00033332769700000313
Figure RE-GDA00033332769700000314
Figure RE-GDA00033332769700000315
Figure RE-GDA00033332769700000316
ssum,i,ssum,j∈Ssum
其中，Ssum为df个用户叠加后的星座集，
Figure RE-GDA00033332769700000317
ssum,i,ssum,j，i≠j，分别表示用户叠加后的星座集中第i个与j个星座点，
Figure RE-GDA00033332769700000318
为用户叠加后的星座集中星座点总数；E{||Sk||2}表示求第k个用户星座集Sk的能量；码字重排只是改变了码字的顺序，在Ssum中的
Figure RE-GDA00033332769700000319
个元素是不变的；
7)最佳的元素的系数
Figure RE-GDA00033332769700000320
最佳的旋转角度
Figure RE-GDA00033332769700000321
确定最佳用户星座函数
Figure RE-GDA00033332769700000322
将最佳用户星座函数
Figure RE-GDA00033332769700000323
对应的用户星座集进行码字重排，重排前后的码字分配到映射矩阵
Figure RE-GDA00033332769700000324
上，从而得到SCMA的多用户码本。
本发明采取的方法与郭鸣坤论文中类似，区别是本文将码本能量归一化，同时最大化资源块星座点间欧式距离平方和，而郭鸣坤论文中最大化最小用户星座点间最小距离。将SCMA码本设计从母星座的构建和星座运算的层面转到优化部分码本参数，使用 PSO算法得到满足码本设计准则的优化参数，能够避免求解非凸二次约束二次规划 QCQP问题，减少了码本设计的复杂度。
本发明的有益效果是，基于资源块上星座距离，通过约束旋转角度，能够在最小星座点间距离较大的情况下，最大化星座点间欧式距离平方和，能获得更大的整型增益，还能提升SCMA***在高斯信道下的抗噪性能。
附图说明
图1为六个用户、四个资源块下，码本资源分配示意图；
图2为实施例SCMA码本设计流程图；
图3为本码本与其他码本的不同信噪比下误比特率对比(加性高斯白噪声信道， J＝6,K＝4,M＝4,N＝2)；
图4为六个用户、四个资源块下，该码本的各用户、资源块的星座图。
具体实施方式
SCMA码本设计问题可以转换为通过求最大化设计准则时的映射矩阵
Figure RE-GDA0003333276970000041
与星座函数
Figure RE-GDA0003333276970000042
来得到最佳映射矩阵
Figure RE-GDA0003333276970000043
与星座函数
Figure RE-GDA0003333276970000044
Figure RE-GDA0003333276970000045
其中,m为设计准则；
Figure RE-GDA0003333276970000046
代表码本的结构；
Figure RE-GDA0003333276970000047
代表映射矩阵，是用户对应列向量Vj的集合；
Figure RE-GDA0003333276970000048
代表星座函数，是用户星座函数gj的集合；星座函数
Figure RE-GDA0003333276970000049
生成Mj阶Nj维的星座集；J代表编码器独立的层数，也代表用户数； M、N分别表示星座函数
Figure RE-GDA00033332769700000410
生成的星座集为M阶N维，K为资源块个数。
实施例步骤如图2所示：
步骤1：根据所需码本的用户数、资源数、星座维数，确定SCMA码本设计问题里的参数J、M、N、K；
优选地：
Figure RE-GDA00033332769700000411
Figure RE-GDA00033332769700000412
***过载率
Figure RE-GDA0003333276970000051
max(0,2N-K)≤l≤N-1，l代表映射矩阵中任何列向量交叠元素的个数；
实施例设置J、M、N、K＝6,4,2,4。
步骤2：根据拉丁准则，确定码本的映射矩阵
Figure RE-GDA00033332769700000516
当J、M、N、K＝6,4,2,4时，根据映射矩阵
Figure RE-GDA00033332769700000517
得到的因子图如图1所示。
步骤3：构建带参数的N维基星座S0，该星座能量归一化；
具体的，
Figure RE-GDA0003333276970000052
r1代表基星座的基元素，
Figure RE-GDA0003333276970000053
代表第
Figure RE-GDA0003333276970000054
个元素的系数，要满足码本资源块能量归一化原则需要
Figure RE-GDA0003333276970000055
E{||S0||2}表示求基星座S0的能量，即满足
Figure RE-GDA0003333276970000056
df代表每个资源块上叠加用户的个数；
步骤4：对N维基星座S0进行星座点的旋转，分别旋转
Figure RE-GDA0003333276970000057
限制旋转角度以满足最小欧式距离较大，得到df个用户星座
Figure RE-GDA0003333276970000058
df代表每个资源块上叠加用户的个数；
实施例中
Figure RE-GDA0003333276970000059
Figure RE-GDA00033332769700000510
本领域技术人员可以通过
Figure RE-GDA00033332769700000511
的其他变形方式确定用户星座。
步骤5：确定对用户星座集
Figure RE-GDA00033332769700000512
进行码字重排得到
Figure RE-GDA00033332769700000513
的码字重排规则；
以J＝6,M＝4为例，码字重排的原则是将[v1,v2,v3,v4]分配为[-v3,v4,v1,-v2]。
即：
Figure RE-GDA00033332769700000514
Figure RE-GDA00033332769700000515
步骤6：根据最大化资源块星座点间码字距离之和最大的准则，通过PSO算法求出基星座S0和最佳旋转角度；
步骤6中码本设计准则：
通过粒子群PSO算法根据最大化资源块星座点间码字距离之和的准则计算得到最佳的元素的系数
Figure RE-GDA0003333276970000061
最佳的旋转角度
Figure RE-GDA0003333276970000062
Figure RE-GDA0003333276970000063
Figure RE-GDA0003333276970000064
Figure RE-GDA0003333276970000065
ssum,i,ssum,j∈Ssum
其中，Ssum为df个用户叠加后的星座集，
Figure RE-GDA0003333276970000066
ssum,i,ssum,j，i≠j，分别表示码本集合中第 i个与j个星座点，
Figure RE-GDA0003333276970000067
为码本集合中星座点总数；E{||Sk||2}表示求第k个用户星座集Sk的能量；
通过最佳的元素的系数
Figure RE-GDA0003333276970000068
最佳的旋转角度
Figure RE-GDA0003333276970000069
来确定最佳用户星座函数
Figure RE-GDA00033332769700000610
步骤7：将最佳用户星座函数
Figure RE-GDA00033332769700000611
对应的用户星座集进行码字重排，重排前后的码字分配到映射矩阵
Figure RE-GDA00033332769700000612
上，从而得到SCMA的多用户码本。
以J＝6,M＝4为例，一种映射矩阵为：
Figure RE-GDA00033332769700000613
SCMA码本的具体形式如下：
Figure RE-GDA00033332769700000614
Figure RE-GDA00033332769700000615
Figure RE-GDA0003333276970000071
Figure RE-GDA0003333276970000072
Figure RE-GDA0003333276970000073
Figure RE-GDA0003333276970000074
确定最佳参数后，当M＝4，元素的系数只有
Figure RE-GDA0003333276970000075
确定的SCMA码本如下：
Figure RE-GDA0003333276970000076
Figure RE-GDA0003333276970000077
Figure RE-GDA0003333276970000078
Figure RE-GDA0003333276970000079
Figure RE-GDA0003333276970000081
Figure RE-GDA0003333276970000082
该码本与其他码本的不同信噪比下误比特率对比(加性高斯白噪声信道， J＝6,K＝4,M＝4,N＝2)如图3所示；该码本的各用户、资源块的星座图如图4所示。

Claims (2)

1.基于资源块星座距离的非正交多址接入***码本设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据用户需求确定SCMA码本中的参数J、M、N、K；J为用户数、M、N分别表示星座函数
Figure FDA0003574478860000011
生成的星座集为M阶N维，K为资源块个数；
2)根据拉丁准则，确定码本中关联用户和资源块映射矩阵
Figure FDA0003574478860000012
3)构建能量归一化的N维基星座S0；
Figure FDA0003574478860000013
r1代表基星座的基元素，
Figure FDA0003574478860000014
代表第
Figure FDA0003574478860000015
个元素的系数，满足
Figure FDA0003574478860000016
df代表每个资源块上叠加用户的个数；
4)对基星座S0进行星座点的旋转，分别旋转角度
Figure FDA0003574478860000017
得到df个用户星座集
Figure FDA0003574478860000018
Figure FDA0003574478860000019
5)确定对用户星座集
Figure FDA00035744788600000110
进行码字重排得到
Figure FDA00035744788600000111
的码字重排规则；
6)通过粒子群PSO算法根据最大化资源块星座点间码字距离之和的准则计算得到最佳的元素的系数
Figure FDA00035744788600000112
最佳的旋转角度
Figure FDA00035744788600000113
Figure FDA00035744788600000114
Figure FDA00035744788600000115
Figure FDA00035744788600000116
ssum,i,ssum,j∈Ssum
其中，Ssum为df个用户叠加后的星座集，
Figure FDA00035744788600000117
ssum,i,ssum,j，i≠j，分别表示用户叠加后的星座集中第i个与j个星座点，
Figure FDA00035744788600000118
为用户叠加后的星座集中星座点总数；E{||Sk||2}表示求第k个用户星座集Sk的能量；
7)最佳的元素的系数
Figure FDA00035744788600000119
最佳的旋转角度
Figure FDA00035744788600000120
确定最佳用户星座函数
Figure FDA00035744788600000121
将最佳用户星座函数
Figure FDA00035744788600000122
对应的用户星座集进行码字重排，重排前后的码字分配到映射矩阵
Figure FDA00035744788600000123
上，从而得到SCMA的多用户码本。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤1)中SCMA码本中的参数J、M、N、K满足：
Figure FDA0003574478860000021
Figure FDA0003574478860000022
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