一种稀疏码分多址接入的码书生成方法技术

本发明专利技术公开了一种稀疏码分多址接入的码书生成方法，首先根据子载波数K和用户数J，以及预设的单位矩阵的维数L，构建因子矩阵；然后根据每个子载波实际传输的用户数选择QAM母星座图，以最大化星座点间的最小欧氏距离为目标优化QAM母星座图，采用将星座点等分的方法分割QAM母星座图得到设定数量的子星座图；最后将因子矩阵中非零元素随机替换为不同的子星座图，生成星座矩阵，并根据星座矩阵和子星座图中星座点的坐标，生成码书。本发明专利技术可用于生成SCMA码书，使用户对应星座图中星座点间最小欧氏距离最大化，从而使应用该码书的传输系统在无线传输条件下误码率得到降低，从而具有较高无线通信应用价值。

A codebook generation method for sparse code division multiple access

The invention discloses a code book generation method for sparse code division multiple access (SCDMA). Firstly, the factor matrix is constructed according to the number of subcarriers K and the number of users J, and the dimension L of the preset unit matrix. Then, the QAM master constellation is selected according to the number of users actually transmitted by each subcarrier to maximize the minimum Euclidean distance between constellation points. Aim To optimize the QAM parent constellation, divide the QAM parent constellation into a set number of sub-constellations by dividing the constellation points into equal parts. Finally, the non-zero elements of the factor matrix are randomly replaced by different sub-constellation graphs to generate the constellation matrix, and the codebook is generated according to the constellation matrix and the coordinates of the constellation points in the sub-constellation graphs. The invention can be used to generate a SCMA codebook, maximizing the minimum Euclidean distance between constellation points in the corresponding constellation diagram, thereby reducing the bit error rate of the transmission system using the codebook under the condition of wireless transmission, and thus having a higher wireless communication application value.

【技术实现步骤摘要】
一种稀疏码分多址接入的码书生成方法
本专利技术属于数字通信
，尤其涉及一种稀疏码分多址接入(SparseCodeMultipleAccess，SCMA)的码书生成方法。
技术介绍
随着移动通信技术的发展，移动数据流量将出现爆炸式增长。预计到2020年全球移动数据流量增长将超过200倍。移动互联网和物联网作为未来移动通信发展的两大主力，为第五代移动通信(5G)提供了广阔的应用前景。海量设备的连接需求为5G系统的生成带来了挑战。且现有的通信所采用的多址接入方式均是正交的，即多个用户通过在时分、频分、码分等不同维度上正交划分资源来接入。但正交多址接入的用户接入数和正交资源成正比，无法达到5G支持海量连接的要求。因此非正交多址接入应运而生，作为能够支持过载连接的非正交多址接入，越来越受到关注。稀疏码分多址，是一种非正交多址接入方式，也是非正交技术的杰出代表。它在码分多址(CodeDivisionMultipleAccess,CDMA)的基础上，并利用CDMA的一种低密度扩频序列(LowDensitySignature,LDS)的稀疏性，将CDMA的比特流的调制映射模块和扩频模块结合在一起，直接将比特流映射到多维码字上，由此获得增益。SCMA技术有诸多优点，首先，SCMA技术支持过载，可以极大提升接入终端的数目。其次，码字的稀疏性使得SCMA可以使用消息传递算法(MessagePassingAlgorithm,MPA)以较低的复杂度来逼近最大后验概率检测器性能。最后，多维码字可以增加成形增益和频谱效率。因此，SCMA技术是5G中竞争力很强的多址技术。大多SCMA码书生成均先生成多维星座图，再结合星座旋转和低密度扩频序列生成得到码书。该法的母星座图在一条直线上，其他用户码书通过相位运算得到。缺点是面对高阶调制需求时，用户对应星座图中星座点的欧氏距离必定很小，译码时误码率较高。而传统利用网格编码调制中的子集分割得到各用户星座，最后结合低密度扩频序列得到码书，误码率会随着过载的增加而增加。针对上述问题，寻求合适的码书生成法一直是SCMA技术研究的热点。
技术实现思路
本专利技术针对现在快速发展的无线通信，提供一种稀疏码分多址接入的码书生成方法，用以提高信息在信道中传输的准确性和译码时的精确度，以便SCMA技术能在下一代无线通信系统中取得一席之地。为了实现上述目的，本专利技术技术方案如下：一种稀疏码分多址接入的码书生成方法，所述稀疏码分多址接入的码书生成方法，包括：根据子载波数K和用户数J，以及预设的单位矩阵的维数L，构建因子矩阵；根据每个子载波实际传输的用户数选择QAM母星座图，以最大化星座点间的最小欧氏距离为目标优化QAM母星座图，采用将星座点等分的方法分割QAM母星座图得到设定数量的子星座图；将因子矩阵中非零元素随机替换为不同的子星座图，生成星座矩阵，最后根据星座矩阵和子星座图中星座点的坐标，生成码书。进一步地，所述根据子载波数K和用户数J，以及预设的单位矩阵的维数L，构建因子矩阵，包括：在L维单位矩阵中的任意行上下位置随机插入1×L的全零行向量，共K-L个，生成K×L维映射矩阵，获取J个映射矩阵，且每个映射矩阵不相等；分别将J个映射矩阵中每个映射矩阵与其对应的转置矩阵相乘，取相乘后矩阵的对角线元素构成因子矩阵。进一步地，所述根据每个子载波实际传输的用户数选择QAM母星座图，包括：根据用户数J、预设单位矩阵的维度L、子载波数K，按照如下公式计算每个子载波上实际传输的用户数U：为了避免译码混乱，要求分割所得子星座图数df满足以下关系式：df≥U；根据要求分割得到的子星座图数df，以及单个用户在每个子载波上的星座点数，选取QAM母星座图。进一步地，所述以最大化星座点间的最小欧氏距离为目标优化QAM母星座图，包括：将QAM母星座图中星座点按单个用户在每个子载波上的星座点数等分到与圆心距离为Ri的圆环上，Ri表示与圆心距离由近及远的第i个圆环的半径，并保证第一象限星座点可以与第三象限星座点连成一条过圆点的直线，且剩下的星座点分布在横坐标轴上。进一步地，所述单个用户在每个子载波上的星座点数根据如下公式计算：M＝2a其中，M表示单个用户在每个子载波上的星座点数，a表示单个用户每次传输的比特数。本专利技术通过对SCMA系统原理入手，分析了传统码书生成方法的优劣性质，采用QAM调制优化分割母星座图，以最大化星座点间的最小欧氏距离为分割目标，构造出了一种可用于无线通信的稀疏码多址接入码书生成方法。本专利技术方法实现复杂度较低且译码准确性高，具有较高应用价值。针对现有生成方法存在的前述技术问题，本专利技术基于QAM调制优化分割的码书生成方法，对QAM圆形星座图开展了合理优化，其不但增加了星座点间的最小欧氏距离，还降低了后续传输过程中码字发生碰撞的概率。另外，以最大化星座点间的最小欧氏距离为原则，按点数等分母星座图得到子星座图，分割过程简单，且子星座图数量与实际用户数有关，灵活性大。故其在无线通信领域有重要应用价值。附图说明图1为本专利技术一种稀疏码分多址接入的码书生成方法流程框图。图2为本专利技术实施例SCMA系统框图。图3为本专利技术实施例SCMA因子表示图。图4为本专利技术实施例16QAM母星座图优化前后对比示意图。图5为本专利技术实施例子星座图的分解示意图。图6为本专利技术实施例星座矩阵示意图。图7为本专利技术实施例不同QAM优化参数α及信噪比(SNR)和误码率(BER)性能的关系图。图8为本专利技术实施例不同QAM优化参数β及信噪比(SNR)和误码率(BER)性能的关系图。具体实施方式以下通过具体实施例并结合附图对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术的总体思路是：利用已有SCMA系统，在单位矩阵中随机插入全零行向量，生成映射矩阵，对映射矩阵进行置换和乘法计算，得到因子矩阵。利用已有正交振幅调制QAM方法，以最大化星座点间最小欧氏距离为优化目标，将星座点按点数等分到与圆点距离为Ri的圆环上。并保证第一象限星座点可以与第三象限星座点连成一条过圆点的直线，且剩下的星座点分布在横坐标轴上，第一象限星座点与正半轴的夹角为θ。得到优化后的QAM星座图，计算此时各星座点间的欧氏距离。分割的主要目标也是最大化星座点间的最小欧氏距离，点数为Q的母星座图经过一次分割可得2个点数为Q/2的次级子星座图，为得到与各子载波上实际传输用户数匹配的子星座图数量，需要对次级子星座图进一步分割。最后结合映射矩阵和因子矩阵，确定各个子星座图的位置，最终得出SCMA码书。由实验仿真结果知：本专利技术方法在无线通信中有较好的应用前景，为非正交多址接入的SCMA技术提供了一种可行且误码性能优异的码书生成方法。如图1所示，本实施例一种稀疏码分多址接入的码书生成方法，包括：步骤S1、根据子载波数K和用户数J，以及预设的单位矩阵的维数L，构建因子矩阵。本实施例对于待设计的SCMA系统，该系统子载波数K、用户数J、单个用户每次传输的比特数a都是预先定义的。子载波数K取大于L的整数，此外预设的单位矩阵的维数L也表示码字中非零行的个数，本实施例L选取大于等于2的正整数。单个用户每次传输的比特数a选取为正整数。码书是由对应不同用户的码字所构成，且码字是K×M维的复矩阵(即码字中的元素是复数)，M为单个用户在每个子载波上的星座点数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稀疏码分多址接入的码书生成方法，其特征在于，所述稀疏码分多址接入的码书生成方法，包括：根据子载波数K和用户数J，以及预设的单位矩阵的维数L，构建因子矩阵；根据每个子载波实际传输的用户数选择QAM母星座图，以最大化星座点间的最小欧氏距离为目标优化QAM母星座图，采用将星座点等分的方法分割QAM母星座图得到设定数量的子星座图；将因子矩阵中非零元素随机替换为不同的子星座图，生成星座矩阵，最后根据星座矩阵和子星座图中星座点的坐标，生成码书。

【技术特征摘要】
1.一种稀疏码分多址接入的码书生成方法，其特征在于，所述稀疏码分多址接入的码书生成方法，包括：根据子载波数K和用户数J，以及预设的单位矩阵的维数L，构建因子矩阵；根据每个子载波实际传输的用户数选择QAM母星座图，以最大化星座点间的最小欧氏距离为目标优化QAM母星座图，采用将星座点等分的方法分割QAM母星座图得到设定数量的子星座图；将因子矩阵中非零元素随机替换为不同的子星座图，生成星座矩阵，最后根据星座矩阵和子星座图中星座点的坐标，生成码书。2.如权利要求1所述的稀疏码分多址接入的码书生成方法，其特征在于，所述根据子载波数K和用户数J，以及预设的单位矩阵的维数L，构建因子矩阵，包括：在L维单位矩阵中的任意行上下位置随机插入1×L的全零行向量，共K-L个，生成K×L维映射矩阵，获取J个映射矩阵，且每个映射矩阵不相等；分别将J个映射矩阵中每个映射矩阵与其对应的转置矩阵相乘，取相乘后矩阵的对角线元素构成因子矩阵。3.如权利要求1所述的稀疏码分多址接入的码书生成方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘顺兰，王静，包建荣，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33