一种基于联合界的SCMA码本设计方法技术

本发明专利技术涉及移动通信中的码本设计，具体涉及一种基于联合界的SCMA码本设计方法，解决了现有码本设计方法不能保证SCMA系统的整体性能，或者耗费时间长、计算量大的技术问题。本发明专利技术提供的码本设计方法采用由多个BPSK星座复合而成的一维复星座，并且将码本BER性能的联合界作为遗传算法的目标函数，计算复杂度低，很好地反映SCMA系统的迭代检测性能，进一步提升码本BER性能。本发明专利技术采用有约束的个体向量结构减少优化参数，再在所得码本的基础上利用无约束的个体向量结构进一步优化其性能，并将Latin矩阵作为优化参数加入优化设计中、产生置换阵对星座标号进行优化，可降低计算复杂度，减少计算量，提升码本BER性能。提升码本BER性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于联合界的SCMA码本设计方法


[0001]本专利技术涉及移动通信中的码本设计，具体涉及一种基于联合界的SCMA码本设计方法。

技术介绍

[0002]鉴于未来移动通信系统的严苛要求，如超低时延和超高系统容量等，目前常规的正交多址技术已经远不能满足用户需求。正是在这样的应用需求的驱动下，非正交多址技术凭借其优异的性能，特别是支持海量用户的特性，获得了广泛的关注。目前，在工业界和学术界的共同努力之下，已经涌现出一系列性能优异的非正交多址技术，包括低密度扩频技术、低密度扩频正交频分复用技术、多用户共享接入技术、交织多址接入、稀疏码多址接入等。
[0003]2013年，H.Nikopour和H.Baligh在低密度扩频(Low Density Signature,LDS)技术的基础上提出了一种新型非正交多址技术，称为稀疏码多址接入技术(Sparse Code Multiple Access,SCMA)。与LDS相比，SCMA技术一方面保留了LDS接收机原有的迭代检测算法从而保证了接收机的低实现复杂度，另一方面，SCMA进一步将扩频和调制作为整体进行考虑，为系统设计带来了更大的优化空间，从而获得了更大的星座成型增益和编码增益，提升了系统整体性能。
[0004]在SCMA系统设计当中，码本的设计起到了至关重要的作用。码本性能的好坏主导了该系统在接收端的检测性能、检测复杂度，以及系统的峰值平均功率比等关键指标。因此，如何优化设计SCMA码本是非常值得关注研究课题。目前已有一些文献讨论了SCMA码本的设计，在码本设计过程中，现有文献尝试了不同的设计指标，如一维星座的数量和容量，或者仿真获得的误码率(symbol error rate,SER)，或者叠加码字之间的最小欧式距离。
[0005]但是，仅仅通过最大化叠加码字之间的最小欧式距离不一定能够确保SER性能；欧式距离的分布，特别是小的欧式距离以及其相应系数对码本的整体性能有很大的影响。通过仿真得到的SER作为设计指标，并通过差分进化算法来优化SCMA码本，虽然SER性能可以精确地反映系统的真实性能，但是通过仿真来获得精确的SER性能需要耗费大量的仿真时间。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决现有的码本设计方法不能保证SCMA系统的整体性能，或者耗费时间长、计算量大的技术问题，而提供一种基于联合界的SCMA码本设计方法。
[0007]本专利技术的设计思路是：
[0008]上行SCMA系统具有J个用户，J个用户复用K个正交资源块。假设每个资源块上叠加的用户数目相同，均为d
f
，在上行SCMA系统中，每个用户都有特定的码本，每个用户的码本含有N个非零分量，而每个资源块上有来自d
f
个用户的信息叠加在一起。这种稀疏的连接关系可以用一个稀疏矩阵来表示，称为因子图矩阵(factorgraph matrix)。
[0009]利用系统的稀疏特性，上行SCMA系统的接收机可以通过消息传递算法实现。在资源节点和用户节点之间相互传递消息可以使得局部消息逐步扩散到整体中，这样一来通过多次迭代可以使变量节点收集到足够多的消息时更有希望实现正确检测。
[0010]SCMA系统的码本设计是一个复杂的多维优化问题，不但每个用户的码本设计是一个多维设计问题，而且多个用户码本需要联合优化设计才能使得系统性能达到最佳。
[0011]用户的码本设计涉及两方面因素：
[0012]1)从K个资源块中选择N个作为非零分量；
[0013]2)为每个非零分量设计一个复星座，共有N个复星座。
[0014]具体地说，SCMA系统的码本设计其实就是寻找J个K维复星座(其中只有N个非零分量)，且每个非零分量对应的复星座中含有M个星座点。SCMA码本的设计问题可以定义如下：
[0015][0016]其中，函数m(.)代表某种设计准则。上述公式表明SCMA码本的设计其实是多个映射矩阵V和多维星座G的联合优化设计。
[0017]因此，SCMA码本设计问题是一个多维优化问题，其最优解一般很难求解。为了降低设计复杂度，通常采用次优的多级优化策略，即首先优化设计映射矩阵，或者等价地优化因子图矩阵，然后再优化设计多维星座。设计指标和一维复星座的选择是影响码本性能的主要因素。
[0018]每个用户都有自己特定的映射矩阵，它决定了一个用户分享哪些资源块。因此，映射矩阵的设计等价于因子图矩阵的设计。一个占用K个资源块的SCMA系统，假设每个用户分享K个资源块中的N个，为了降低检测的复杂度，一般在设计过程中会避免让两个不同用户分享同一组资源块。
[0019]当映射矩阵设计好后，SCMA码本的优化问题简化为多个多维星座的联合优化问题，具体说，需要寻找J个K维复星座，每个K维复星座中只有N个非零分量。其中，每个复星座包含M个星座点。
[0020]本专利技术采用由多个BPSK星座复合而成的一维复星座。一维复星座中含有M个星座点，M为2的幂次方。将因子图矩阵中的每一个非元素替换为一个一维复星座，使因子图矩阵中的每行/列都没有重复的元素。
[0021]本专利技术中，采用SCMA系统BER(比特出错概率)性能的联合界作为多个多维星座联合优化的设计指标，联合界在高信噪比区域的结果和仿真结果基本一致，因此，联合界相较叠加码字间的最小欧式距离更适合作为设计指标。此外，联合界的计算复杂度远低于仿真获得SER的计算复杂度，并且能够很好的反映SCMA系统的迭代检测性能。
[0022]本专利技术采用遗传算法来优化设计SCMA码本，遗传算法是一种借鉴生物遗传和进化过程而得到的全局优化搜索算法。遗传算法通过选择、遗传和变异等机制，逐步提高对各个个体对环境的适应性，并经过多轮迭代后来逼近全局最佳解。采用遗传算法优化SCMA码本时，每个个体的向量结构通过指定d
f
个一维复星座、Latin矩阵(拉丁矩阵)结构和标号规则确定。根据遗传算法参数，按个体向量结构产生初始种群，并采用遗传算法以SCMA系统BER性能的联合界为目标对初始种群进行优化设计，获得最优码本。
[0023]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0024]一种基于联合界的SCMA码本设计方法，包括以下步骤：
[0025]步骤1、根据SCMA系统参数确定因子图矩阵，并产生L个候选Latin矩阵和T个长度为M的置换阵，其中，L、M、T均为正整数，T≤M！，M为星座点个数，M等于2的幂次方；
[0026]所述SCMA系统参数包括用户数J、资源块数K、多维星座维数N、每个资源块上叠加的用户数d
f
，其中，J、K、N、d
f
均为正整数；
[0027]所述多维星座维数N是指多维星座包括N个非零向量；每个非零向量对应一个一维复星座，所述一维复星座为mBPSK星座，mBPSK星座由多个BPSK星座复合而成，每个一维复星座含有M个星座点；
[0028]步骤2、确定个体向量结构，具体为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于联合界的SCMA码本设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据SCMA系统参数确定因子图矩阵，并产生L个候选Latin矩阵和T个长度为M的置换阵，其中，L、M、T均为正整数，T≤M！，M为星座点个数，M等于2的幂次方；所述SCMA系统参数包括用户数J、资源块数K、多维星座维数N、每个资源块上叠加的用户数d
f
，其中，J、K、N、d
f
均为正整数；所述多维星座维数N是指多维星座包括N个非零向量；每个非零向量对应一个一维复星座，所述一维复星座为mBPSK星座，mBPSK星座由多个BPSK星座复合而成，每个一维复星座含有M个星座点；步骤2、确定个体向量结构，具体为：其中，表示第i个BPSK星座的两个参数，α
i
为第i个BPSK星座的幅度参数，为第i个BPSK星座的相位参数，i为正整数；La为Latin矩阵指标，用于在L个候选Latin矩阵中选择一个特定的Latin矩阵；int
j
为置换阵指标，用于指定BPSK星座标号的置换形式，从步骤1产生的T个置换阵中选择一个置换阵，j为正整数；步骤3、将码本BER性能的联合界确定为遗传算法目标函数，并设定遗传算法参数；所述遗传算法参数包括种群大小、精英数目、交叉概率和进化代数；步骤4、根据步骤3确定的遗传算法参数，按步骤2中得到的个体向量结构产生初始种群；步骤5、根据步骤3确定的遗传算法目标函数，采用遗传算法对步骤4得到的初始种群进行优化，获得最优SCMA码本。2.根据权利要求1所述的基于联合界的SCMA码本设计方法，其特征在于，还包括步骤6：步骤6、在步骤5获得的最优SCMA码本的基础上，采用遗传算法进行全局优化，获得进一步优化的最优SCMA码本，具体为：6.1、确定全局优化的个体向量结构，具体为：6.2、确定遗传算法参数，并将最优SCMA码本BER性能的联合界确定为遗传算法目标函数；6.3、根据步骤6.2确定的遗传算法参数，按照步骤6.1中确定的全局优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑慧娟，张双舵，童胜，江帆，
申请(专利权)人：西安邮电大学，
类型：发明
国别省市：