高斯信道下scma簡(jiǎn)易碼本設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種高斯信道下SCMA簡(jiǎn)易碼本設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)移動(dòng)通信發(fā)展的兩大主要驅(qū)動(dòng)力，因此，未來(lái)移動(dòng)終 端的數(shù)量將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，5G必須要滿足海量連接的特點(diǎn)。每一代移動(dòng)通信的更新?lián)Q代 都會(huì)伴隨著多址技術(shù)的演變，現(xiàn)有通信系統(tǒng)都是采用正交的多址接入方式，即多個(gè)用戶通 過(guò)在不同維度上(頻分，時(shí)分，碼分等化交劃分的資源來(lái)接入。例如4G系統(tǒng)中采用的OFDMA 將傳輸帶寬劃分成正交的一系列子載波集，再將不同的子載波集分配給不同的用戶實(shí)現(xiàn)多 址。正交多址接入由于其接入用戶數(shù)和正交資源成正比，不能滿足5G海量連接的需求。近年 來(lái)支持過(guò)載連接的非正交多址接入被提出作為5G的候選多址接入技術(shù)。
[0003] 稀疏碼分多址（sparsecodemultiple access,SCMA)，也是一種非正交多址接入方 式。在SCMA編碼中，每個(gè)用戶都有其專用的碼本(codebook，CB)，編碼比特直接映射到SCMA 碼本中的一個(gè)多維碼字上，替代了原始碼分多址中的調(diào)制和擴(kuò)頻，且多個(gè)用戶的碼字在資 源塊上疊加傳輸，可W成倍增加用戶數(shù)量，從而更好的提升系統(tǒng)整體容量。SCMA碼本設(shè)計(jì)直 接關(guān)系到最后接收機(jī)的復(fù)雜度，系統(tǒng)的誤碼率，W及系統(tǒng)的過(guò)載率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種高斯信道下SCMA簡(jiǎn)易碼本設(shè)計(jì)方法，具體 技術(shù)方案如下：
[0005] -種高斯信道下SCMA簡(jiǎn)易碼本設(shè)計(jì)方法，該方法中將網(wǎng)格編碼調(diào)制子集分割法應(yīng) 用于碼本設(shè)計(jì)，具體包括W下步驟：
[0006] SI:設(shè)計(jì)資源塊上總的星座圖，采用PSK，QAM等星座圖產(chǎn)生，星座點(diǎn)總數(shù)為2W.df; 設(shè)計(jì)資源塊上總的星座圖的目的是保證疊加在資源塊上的用戶任意星座點(diǎn)間的歐式距離 盡可能大;資源塊上總的星座采用現(xiàn)有成熟的PSK，QAM等星座產(chǎn)生，各資源塊上有效用戶的 星座通過(guò)對(duì)資源塊上的總星座進(jìn)行子集分割產(chǎn)生，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單且性能較好；
[0007] S2:對(duì)總星座進(jìn)行子集分割生成各用戶星座圖；
[000引 S3:構(gòu)造映射矩陣；
[0009] S4:結(jié)合映射矩陣和用戶對(duì)應(yīng)的子集星座，生成用戶與資源塊對(duì)應(yīng)的星座矩陣；
[0010] S5:由星座矩陣生成碼本，并將運(yùn)種方案設(shè)計(jì)的碼本稱為TCM碼本。
[0011] 進(jìn)一步，在步驟S2中，采用TCM子集分割法從資源塊上總的星座圖生成資源塊上有 效用戶的星座圖，每個(gè)用戶在各資源塊上占據(jù)的星座點(diǎn)數(shù)均為2W;TCM子集分割法能夠保證 同一資源塊上用戶間星座點(diǎn)間最小歐式距離最大化的同時(shí)，保證用戶自身星座點(diǎn)間最小歐 式距離最大化。
[0012] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明不僅保證了用戶之間的星座點(diǎn)間最小歐式距離最 大化，同時(shí)保證了用戶自身星座點(diǎn)間最小歐式距離最大化。因此，應(yīng)用本發(fā)明，系統(tǒng)的誤比 特率(bit error rate,邸R)低，且在高過(guò)載率條件下，系統(tǒng)性能也表現(xiàn)良好。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行 說(shuō)明：
[0014] 圖1為SCMA編碼原理圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明實(shí)施流程圖；
[0016] 圖3為16QAM子集分割圖；
[0017] 圖4為12PSK子集分割圖；
[0018] 圖5為用戶與資源塊對(duì)應(yīng)的星座矩陣；
[0019] 圖6所提方案設(shè)計(jì)的碼本與5G競(jìng)賽公布碼本的性能對(duì)比圖；
[0020] 圖7所提方案設(shè)計(jì)的碼本在不同過(guò)載率條件下的性能仿真曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0022] 用N表示碼字的長(zhǎng)度，也就是傳輸數(shù)據(jù)的資源塊總數(shù)。用R表示碼字中的非零元素 個(gè)數(shù)，也就是每個(gè)用戶實(shí)際傳輸過(guò)程中占用的有效資源塊數(shù)。用戶每次傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)為W， 由此可W確定，采用SCMA編碼的最大用戶數(shù)為：
[0024]每個(gè)資源塊上實(shí)際傳輸?shù)挠脩魯?shù)為：
[00%]用戶的過(guò)載率為：
[0028] SCMA編碼中，每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的碼本，每個(gè)用戶碼本是一個(gè)NX2W的復(fù) 數(shù)矩陣。每個(gè)用戶每次傳輸W bit信息，包含2"種可能的值，分別對(duì)應(yīng)2"個(gè)碼字。
[0029] 圖1為SCMA編碼原理圖，假設(shè)6個(gè)用戶在4個(gè)資源塊上同時(shí)發(fā)送信息，每個(gè)用戶實(shí)際 占用的資源數(shù)為2,每個(gè)用戶每次傳輸化it信息。即J = 6，N=4，R=2，W=2，假設(shè)用戶發(fā)送的 二進(jìn)制比特為00~11時(shí)分別對(duì)應(yīng)用戶碼本的第1~4列。用戶1~用戶6分別傳輸11，10,10， 00，Ol，11，各用戶對(duì)應(yīng)碼本的第4，3，3，1，2，4列碼字被挑選出來(lái)，疊加在4個(gè)資源塊上傳輸。 對(duì)于每一個(gè)碼字而言，包含零項(xiàng)和非零項(xiàng)，零項(xiàng)表示用戶在該資源塊上不傳輸信號(hào)，非零項(xiàng) 表示用戶在該資源塊上傳輸信號(hào)，且信號(hào)的強(qiáng)度為非零項(xiàng)的值。為了表示的方便，本實(shí)施例 采用映射矩陣F來(lái)表示運(yùn)樣一種結(jié)構(gòu)，圖1對(duì)應(yīng)的F矩陣如下所示：
[0031] F4-6表示F矩陣對(duì)應(yīng)6個(gè)用戶在4個(gè)資源塊上傳輸時(shí)的映射矩陣，F(xiàn)n,k表示F矩陣中的 第n行第k列，Sn,讀示用戶k在資源塊n上傳輸?shù)男盘?hào)值。例如，F(xiàn)矩陣第I列表示用戶I實(shí)際上 只在資源塊1和資源塊2上傳輸信號(hào)，第1行表示實(shí)際上在資源塊1上傳輸信號(hào)的是用戶1，用 戶3和用戶5。
[0032]從F矩陣中可知，每個(gè)資源塊上實(shí)際疊加的有效用戶數(shù)為3,因此，對(duì)于資源塊n上 的信號(hào)，經(jīng)過(guò)高斯信道傳輸后的接收信號(hào)可W表示為：
[003；3] yn = hn,lCl,n(mi)+hn,2C2,n(m2)+hn,3C3,n^3)+Zn
[0034] 其中，hn,讀示資源塊n上用戶k的信道系數(shù)。本文只考慮理想信道的情況，即hn,k = Iofflk表示用戶k選擇的碼字，Ck,n(mk)表示用戶k采用Hik對(duì)應(yīng)的碼字時(shí)，該碼字第n個(gè)值。Zn表 示資源塊n上的白噪聲功率。
[0035] 圖2所示為本發(fā)明實(shí)施流程圖，具體包括如下步驟：
[0036] 步驟201，設(shè)計(jì)資源塊上總的星座圖?？蒞采用PSK，QAM等星座圖產(chǎn)生，星座點(diǎn)總數(shù) 為2" . df。為了保證每個(gè)資源塊上實(shí)際傳輸?shù)挠脩糁g能夠相互區(qū)分，則要求在同一個(gè)資源 塊上的用戶對(duì)應(yīng)的星座點(diǎn)不能重合。設(shè)用戶每次傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)為W，則用戶需要占用的星座 點(diǎn)數(shù)為：
[0037] 1 = 2町
[0038] 由此可計(jì)算出，每個(gè)資源塊上對(duì)應(yīng)的星座點(diǎn)數(shù)為：
[0039] L=M ? df
[0040] 步驟202,采用TCM子集分割法從資源塊上總的星座圖生成資源塊上有效用戶的星 座圖。TCM子集分割方案如圖3所示，運(yùn)里W對(duì)16QAM星座圖進(jìn)行子集分割來(lái)說(shuō)明。假設(shè)16QAM 星座圖中相鄰星座點(diǎn)的歐式距離為1，第一步，將16QAM信號(hào)集分割為兩個(gè)一階子集Bo和Bi, 每個(gè)子集含有8個(gè)信號(hào)點(diǎn)，保證各子集星座點(diǎn)間的最小歐式距離最大，運(yùn)里，一階子集星座 點(diǎn)間的最小歐式距離為1.414。第二步，將一階子集再分成經(jīng)過(guò)二個(gè)二階子集Co, Cl和C2，C3， 每個(gè)二階子集含有4個(gè)星座點(diǎn)，分割后二階子集星座點(diǎn)間的最小歐式距離為2"TCM子集分割 過(guò)程中，每次分割后的子集內(nèi)星座點(diǎn)間的最小歐式距離將不斷增加。
[0041 ]采用子集分割后，資源塊上的總星座將產(chǎn)生df個(gè)子集，每個(gè)子集上由M個(gè)星座符號(hào) 組成，對(duì)應(yīng)資源塊上有效用戶的星座圖。各個(gè)子集星座點(diǎn)集合分別表示為Sl,n，S2,n，…， Sdf,n。運(yùn)里，用戶間的最小歐式距離等于總星座上任意兩點(diǎn)間的最小歐式距離，用戶內(nèi)的最 小歐式距離等于子集星座內(nèi)任意兩點(diǎn)間的最小歐式距離。因此，采用TCM子集分割法保證了 用戶之間的星座點(diǎn)間最小歐式距離最大化的同時(shí)，保證了用戶自身星座點(diǎn)間最小歐