一種動(dòng)態(tài)消息調(diào)度的scma通信系統(tǒng)多用戶檢測方法
【專利摘要】一種動(dòng)態(tài)消息調(diào)度的SCMA通信系統(tǒng)多用戶檢測方法，屬于無線通信系統(tǒng)的信號(hào)檢測領(lǐng)域。本發(fā)明采用動(dòng)態(tài)調(diào)度策略，利用殘差(一個(gè)消息更新前后的差異程度)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，在第2～tmax的每一次迭代過程中，首先根據(jù)上一次迭代中計(jì)算的所有用戶節(jié)點(diǎn)到資源節(jié)點(diǎn)的殘差值選出最大殘差值所對(duì)應(yīng)的用戶節(jié)點(diǎn)ujmax和資源節(jié)點(diǎn)ckmax，更新該資源節(jié)點(diǎn)ckmax到對(duì)應(yīng)的所有用戶節(jié)點(diǎn)中除了ujmax的用戶節(jié)點(diǎn)ua的消息，然后更新用戶節(jié)點(diǎn)ua到對(duì)應(yīng)的所有資源節(jié)點(diǎn)中除了ckmax的資源節(jié)點(diǎn)cb的消息。本發(fā)明動(dòng)態(tài)調(diào)度方法優(yōu)先更新迭代中未收斂的節(jié)點(diǎn)消息，可加快整個(gè)碼字的迭代譯碼收斂速率；在每次迭代中實(shí)時(shí)利用了已更新的節(jié)點(diǎn)消息，可有效提高已更新節(jié)點(diǎn)的利用率；且計(jì)算復(fù)雜度低，BER性能優(yōu)良。
【專利說明】
一種動(dòng)態(tài)消息調(diào)度的SCMA通信系統(tǒng)多用戶檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信系統(tǒng)的信號(hào)檢測領(lǐng)域，涉及一種收斂速度快的稀疏碼多址接 入(SCMA)上行通信系統(tǒng)多用戶檢測方法，具體涉及一種動(dòng)態(tài)消息調(diào)度的多用戶檢測方法， 用于解決未來5G(第五代移動(dòng)通信)移動(dòng)通信備選多址接入技術(shù)的多用戶檢測問題。
【背景技術(shù)】
[0002] 多址接入是無線通信物理層的核心技術(shù)之一，它使基站能區(qū)分并同時(shí)服務(wù)多個(gè)終 端用戶。為了滿足5G(第五代移動(dòng)通信)大容量、海量連接、低延時(shí)接入等需求，在申請?zhí)枮?201380059380.X的發(fā)明專利"用于稀疏碼多址接入的系統(tǒng)和方法"中提出了一種SCMA (Sparse code multiple access，稀疏碼多址接入)技術(shù)，圖1是SCMA上行通信系統(tǒng)模型， SCMA擴(kuò)頻碼字中有一部分零元素，每個(gè)用戶的基帶數(shù)據(jù)僅在少量的碼片上進(jìn)行非零位擴(kuò)頻 調(diào)制，而每位擴(kuò)頻碼片也僅僅被少量用戶進(jìn)行非零位擴(kuò)頻調(diào)制，SCMA編碼器在預(yù)定義的碼 本集合中為每個(gè)數(shù)據(jù)層或用戶選擇一個(gè)碼本，然后基于所選擇的碼本將數(shù)據(jù)比特直接映射 到相應(yīng)的碼字中，最后將多個(gè)數(shù)據(jù)層或用戶的碼字進(jìn)行非正交疊加，接收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn) 行基于置信度傳播算法的多用戶檢測技術(shù)，即并行MPA檢測方法，附圖2為該方法的SCMA因 子圖，并行MPA檢測方法在每次迭代過程中，首先更新所有的資源節(jié)點(diǎn)，接著更新所有的用 戶節(jié)點(diǎn)。
[0003] 在發(fā)明專利"用于稀疏碼多址接入的系統(tǒng)和方法"中提出了一種基于并行策略的 MPA檢測方法，具體包括以下步驟：
[0004] 步驟P-1、初始化:迭代開始時(shí)，用戶沒有先驗(yàn)信息，因此用戶節(jié)點(diǎn)到資源節(jié)點(diǎn)Ck 的消息為
W，放；J，U，._2:，…，.，uj為第j個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，ck為第 k個(gè)資源節(jié)點(diǎn)，Μ為碼本的碼字?jǐn)?shù)目，(xj為迭代開始時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)叫到資源節(jié)點(diǎn)ck的消 息；
[0005] 步驟P-2、設(shè)定最大迭代次數(shù)為tmax;
[0006] 步驟P-3、在第t次迭代過程中，資源節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)的消息并行更新，即首先更新 所有的資源節(jié)點(diǎn)ck到用戶節(jié)點(diǎn)的消息

具4' (X/)，卜1?2,第t (t = 1，2，· · ·，t臆)次迭代過程 中計(jì)算得到的資源節(jié)點(diǎn)ck到用戶節(jié)點(diǎn)Uj的消息，xj=(xi,j，. . .，XK,j)T為第j個(gè)用戶的SCMA碼 字，χι = (χι,ι,. . . ,χκ,ι) T為第1個(gè)用戶的SCMA碼字，yk為接收信號(hào)y中第k個(gè)資源處接收到的 信號(hào)，& =丨7_|?, =l，Y/j(F為發(fā)射機(jī)SCMA編碼器的稀疏擴(kuò)頻矩陣)為連接到資源節(jié)點(diǎn)(^的 用戶節(jié)點(diǎn)集;Xk,i表示第i個(gè)用戶的碼字的第k個(gè)資源，hk,i為hi= (hi,i，h2,i，. . .，hK,i) τ中的 第k個(gè)元素，lu為第i個(gè)用戶的信道向量;然后更新所有的用戶節(jié)點(diǎn)到資源節(jié)點(diǎn)ck的消息：
'一次迭代完成·為連接到用戶節(jié)點(diǎn)W 的資源節(jié)點(diǎn)集；
[0007] 步驟P-4、判斷t>tmax是否成立，若成立，執(zhí)行步驟P-5;若不成立，則令t = t+l，返 回步驟P-3,進(jìn)行下一次迭代；
[0008] 步驟P-5、經(jīng)過tmax次迭代后退出循環(huán)，計(jì)算碼字消息：
[0010]步驟P-6、計(jì)算得到數(shù)據(jù)比特的軟信息
[0012]匕為第j個(gè)用戶的數(shù)據(jù)比特；
[0013 ]步驟P-7、數(shù)據(jù)比特的判決(硬判決）
[0014] 上述基于并行策略的MPA檢測方法中，檢測正確率與最大迭代次數(shù)tmax以及消息傳 播方式有關(guān)。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，隨著迭代次數(shù)的增加，通信系統(tǒng)的硬件計(jì)算復(fù)雜度 越來越高，因此對(duì)硬件的要求也越來越高;且該方法中所有資源節(jié)點(diǎn)到用戶節(jié)點(diǎn)消息的更 新是基于第t-ι次迭代獲取的用戶節(jié)點(diǎn)到資源節(jié)點(diǎn)的消息M,丨?χ)，所有用戶節(jié)點(diǎn) 到資源節(jié)點(diǎn)消息的更新是基于當(dāng)前次迭代已更新的雖然很好 的利用了當(dāng)前迭代更新的但是基于上一次迭代生成的從二,?，沒有充 分利用當(dāng)前迭代中用戶節(jié)點(diǎn)到資源節(jié)點(diǎn)更新的消息，導(dǎo)致其收斂速率較低。綜上，上述并行 MPA檢測方法雖然能有效提高正確譯碼的概率，但由于其計(jì)算復(fù)雜度較高及收斂速率較低， 不能滿足5G對(duì)高速、高效的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 本發(fā)明針對(duì)【背景技術(shù)】存在的缺陷，提出了一種動(dòng)態(tài)消息調(diào)度的SCMA通信系統(tǒng)多用 戶檢測方法，采用動(dòng)態(tài)調(diào)度策略，利用殘差(一個(gè)消息更新前后的差異程度)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)， 優(yōu)先更新殘差最大的消息。本發(fā)明動(dòng)態(tài)調(diào)度方法優(yōu)先更新迭代中未收斂的節(jié)點(diǎn)消息，可加 快整個(gè)碼字的迭代譯碼收斂速率;在每次迭代中實(shí)時(shí)利用了已更新的節(jié)點(diǎn)消息，可有效提 高已更新節(jié)點(diǎn)的利用率;且計(jì)算復(fù)雜度低，BER性能優(yōu)良。
[0016] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0017] -種動(dòng)態(tài)消息調(diào)度的SCMA通信系統(tǒng)多用戶檢測方法，包括初始化、資源節(jié)點(diǎn)和用 戶節(jié)點(diǎn)消息的更新、數(shù)據(jù)比特軟信息的計(jì)算、數(shù)據(jù)比特的判決步驟;其特征在于，所述資源 節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)消息的更新是多次迭代完成的，在第2~t max的每一次迭代過程中，首先根 據(jù)上一次迭代中計(jì)算的所有用戶節(jié)點(diǎn)到資源節(jié)點(diǎn)的殘差值選出最大殘差值所對(duì)應(yīng)的用戶 節(jié)點(diǎn)U jmax和資源節(jié)點(diǎn)Ckmax，更新該資源節(jié)點(diǎn)CkmajlJ對(duì)應(yīng)的所有用戶節(jié)點(diǎn)中除了 U jmax的用戶 節(jié)點(diǎn)Ua的消息，然后更新用戶節(jié)點(diǎn)udij對(duì)應(yīng)的所有資源節(jié)點(diǎn)中除了 Ckmax的資源節(jié)點(diǎn)Cb的消 息，其中，tmax代表最大迭代次數(shù)。
[0018] -種動(dòng)態(tài)消息調(diào)度的SCMA通信系統(tǒng)多用戶檢測方法，具體包括以下步驟：
[0019] 步驟R-1、初始化:SCMA在迭代開始時(shí)，用戶沒有先驗(yàn)信息，因此用戶節(jié)點(diǎn)叫到資源 節(jié)點(diǎn)Ck的消息為：，Uj為第j個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)， Ck為第k個(gè)資源節(jié)點(diǎn)，Μ為碼本的碼字?jǐn)?shù)目，
(X,；)為迭代開始時(shí)用戶節(jié)點(diǎn)叫到資源節(jié)點(diǎn) Ck的消息；
[0020] 步驟R-2、設(shè)定最大迭代次數(shù)tmax;
[0021] 步驟R-3、在第一次迭代過程中，資源節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)的消息并行更新，即首先更新 所有的資源節(jié)點(diǎn)ck到用戶節(jié)點(diǎn)的消息

，然后更新所有的用戶節(jié)點(diǎn)到資源節(jié)點(diǎn)c k的消息：
一次迭代完成;計(jì)算一次迭代后所有用戶節(jié)點(diǎn)叫到資源節(jié)點(diǎn)
，對(duì)W，·得到殘 差集合R，x為SCMA碼的碼本，Xj為第j個(gè)用戶SCMA碼的碼本，且|xj | =M;
[0022] 步驟R-4、從第二次迭代開始，在第t次迭代過程中，其中t = 2,3, . . .，tmax，選取殘 差集合R中的最大殘差值，得到最大殘差值
所對(duì)應(yīng)的因子 圖中的資源節(jié)點(diǎn)ctaax和用戶節(jié)點(diǎn)
ujmax;選取與資源節(jié)點(diǎn)ctaax對(duì)應(yīng)的所有用戶節(jié)點(diǎn)中除了 Ujmax的用戶節(jié)點(diǎn){N(CkmaX)\UjmaX}，N(Ckmax)表示與Ckmax對(duì)應(yīng)的所有用戶節(jié)點(diǎn)，計(jì)算
，其中，113遍歷集合 {N( Ckmax) \lljmax}
_其中 Cb遍歷集合(N(Ua)\ckmax)，N(Ua)表 示與應(yīng)的所有資源節(jié)點(diǎn)'為連接到用戶節(jié)點(diǎn)~的資源節(jié)點(diǎn)集;最 后令上述選取的最大殘差
，并根據(jù)更新后的消息重新計(jì)算殘差
，得到新的殘差集合；
[0023] 步驟R-5、重復(fù)步驟R-4的過程
·次最大殘差值的選取和殘 差集合的更新，其中，J為用戶數(shù)量，d為每一個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的度；
[0024] 步驟R-6、判斷t>tmax是否成立，若成立，進(jìn)入步驟R-7;若不成立，則令t = t + l，返 回步驟R-4;
[0025] 步驟R-7、經(jīng)過tmax次迭代后退出循環(huán)，計(jì)算碼字消息：
[0027]匕為第j個(gè)用戶的數(shù)據(jù)比特；
[0028]步驟R-8、計(jì)算數(shù)據(jù)比特的軟信息：
[0031]本發(fā)明的有益效果為：
[0032] 本發(fā)明SCMA通信系統(tǒng)多用戶檢測方法采用動(dòng)態(tài)調(diào)度策略，利用殘差(一個(gè)消息更 新前后的差異程度)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)先更新殘差最大的消息。本發(fā)明動(dòng)態(tài)調(diào)度方法優(yōu)先更 新迭代中未收斂的節(jié)點(diǎn)消息，可加快整個(gè)碼字的迭代譯碼收斂速率;在每次迭代中實(shí)時(shí)利 用了已更新的節(jié)點(diǎn)消息，可有效提高已更新節(jié)點(diǎn)的利用率，提高迭代檢測的收斂速率;且計(jì) 算復(fù)雜度低，BER性能優(yōu)良。
【附圖說明】
[0033] 圖1為【背景技術(shù)】提出的SCMA上行通信系統(tǒng)模型；
[0034] 圖2為【背景技術(shù)】與本發(fā)明實(shí)施例中SCMA上行系統(tǒng)的因子圖；
[0035] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例多用戶檢測方法中消息的更新方式示意圖；
[0036] 圖4為本發(fā)明方法與【背景技術(shù)】方法的BER性能對(duì)比圖；
[0037] 圖5為本發(fā)明方法與【背景技術(shù)】方法的計(jì)算復(fù)雜度對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0039] 實(shí)施例
[0040]根據(jù)傳輸條件及檢測過程的程序，初始化設(shè)置以下參數(shù)：
[0041 ]用戶節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)J = 6，碼本的碼字個(gè)數(shù)Μ = 4,碼字長度K = 4,系統(tǒng)過載率 ，信道模型為A W G Ν (高斯白噪聲）信道，稀疏擴(kuò)頻矩陣為
;用戶信息比特經(jīng)過SCMA編碼器映射為相應(yīng)的碼字x，所有用戶碼 字疊加后經(jīng)過信道進(jìn)行傳輸，接收端的接收信號(hào)
，y = (Xl>J， x2,j，. . .，XK,j)T是用戶j的SCMA碼字，hj^huhu，. . .，hK,j)T為用戶j的信道有效向量，η ~CN(0，〇21)為高斯噪聲；接收信號(hào)y的第k個(gè)資源處接收到的信號(hào)yk表示為
，其中k=l，2，...，K，j = l，2，...，J。
[0042] 發(fā)送端各用戶的碼本為：
[0043] 用戶1的碼本為
用戶2的碼本為

[0048]本發(fā)明采用動(dòng)態(tài)調(diào)度策略，利用殘差(一個(gè)消息更新前后的差異程度)作為衡量標(biāo) 準(zhǔn)，優(yōu)先更新殘差最大的消息。根據(jù)殘差的定義可知，若某位資源節(jié)點(diǎn)或用戶節(jié)點(diǎn)置信消息 的殘差很大，則表明該消息在迭代過程中還未收斂，本發(fā)明動(dòng)態(tài)調(diào)度方法優(yōu)先更新殘差最 大即還未收斂的節(jié)點(diǎn)消息，可有效地加快整個(gè)碼字的迭代譯碼收斂速率。隨著迭代譯碼過 程的不斷進(jìn)行，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在置信傳播中的消息更新前后的差異(殘差)不斷減小，并最終趨 近于〇，本發(fā)明動(dòng)態(tài)消息調(diào)度的MPA檢測方法中，從第二次迭代開始的每次迭代過程中，首先 根據(jù)上一次迭代中計(jì)算的所有用戶節(jié)點(diǎn)到資源節(jié)點(diǎn)的殘差值選出最大殘差值所對(duì)應(yīng)的用 戶節(jié)點(diǎn)ujmax和資源節(jié)點(diǎn)Ckmax，更新該資源節(jié)點(diǎn)Ckma3lj對(duì)應(yīng)的所有用戶節(jié)點(diǎn)中除了 U jmax的用 戶節(jié)點(diǎn)^的消息，然后更新用戶節(jié)點(diǎn)Ujj對(duì)應(yīng)的所有資源節(jié)點(diǎn)中除了 Ckmax的資源節(jié)點(diǎn)(^的 消息，更新完后將該殘差值置零，并采用相同的方法進(jìn)行下一次更新。本發(fā)明在每次迭代過 程中實(shí)時(shí)利用了已更新的節(jié)點(diǎn)消息，可有效提高已更新節(jié)點(diǎn)消息的利用率，且計(jì)算復(fù)雜度 低，BER性能優(yōu)良。
[0049] 如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例多用戶檢測方法中消息的更新方式示意圖。圖3顯示， 若殘差值最大，則更新(：4到對(duì)應(yīng)的所有用戶節(jié)點(diǎn) U1，U4，U5中除了 U1的用戶節(jié)點(diǎn)的 消息，然后更新用戶節(jié)點(diǎn)U4到資源節(jié)點(diǎn)C3的消息，以及用戶節(jié)點(diǎn)1!5到資源節(jié)點(diǎn)(^的消息。
[0050] 利用Matlab對(duì)【背景技術(shù)】的并行MPA方法和本發(fā)明實(shí)施例的動(dòng)態(tài)消息調(diào)度的SCMA通 信系統(tǒng)多用戶檢測方法在AWGN信道中的BER誤碼性能和計(jì)算復(fù)雜度進(jìn)行仿真對(duì)比分析，仿 真結(jié)果如圖4和圖5所示。由圖4可知，在相同的檢測性能的情況下，如BER = 1.0 X 1 0-3，本發(fā) 明2次迭代的BER性能相較于【背景技術(shù)】2次迭代的BER性能有1.7dB的增益;其次，本發(fā)明2次 迭代的BER性能近似于傳統(tǒng)MPA方法6次迭代的性能，由于本發(fā)明與【背景技術(shù)】一次迭代的計(jì) 算復(fù)雜度相同，因此分析本發(fā)明2次迭代的計(jì)算復(fù)雜度和【背景技術(shù)】6次迭代的計(jì)算復(fù)雜度是 有意義的。圖5為BER= 1.0 X 10-3的情況下，即本發(fā)明方法2次迭代和【背景技術(shù)】6次迭代的檢 測性能相同的情況下，【背景技術(shù)】方法的計(jì)算復(fù)雜度為本發(fā)明方法的2倍多，因此，本發(fā)明采 用2次迭代過程就可實(shí)現(xiàn)【背景技術(shù)】6次迭代的性能，大大降低系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種動(dòng)態(tài)消息調(diào)度的SCMA通信系統(tǒng)多用戶檢測方法，包括初始化、資源節(jié)點(diǎn)和用戶 節(jié)點(diǎn)消息的更新、數(shù)據(jù)比特軟信息的計(jì)算、數(shù)據(jù)比特的判決步驟;其特征在于，所述資源節(jié) 點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)消息的更新是多次迭代完成的，在第2~U ax的每一次迭代過程中，首先根據(jù) 上一次迭代中計(jì)算的所有用戶節(jié)點(diǎn)到資源節(jié)點(diǎn)的殘差值選出最大殘差值所對(duì)應(yīng)的用戶節(jié) 點(diǎn)Ujm ax和資源節(jié)點(diǎn)Ckmax，更新該資源節(jié)點(diǎn)Ckmajlj對(duì)應(yīng)的所有用戶節(jié)點(diǎn)中除了 Ujmax的用戶節(jié) 點(diǎn)1^的消息，然后更新用戶節(jié)點(diǎn)Udlj對(duì)應(yīng)的所有資源節(jié)點(diǎn)中除了 Ckmax的資源節(jié)點(diǎn)Cb的消息， 其中，Uax代表最大迭代次數(shù)。2. -種動(dòng)態(tài)消息調(diào)度的SCM通信系統(tǒng)多用戶檢測方法，具體包括以下步驟： 步驟R-I、初始化:SCMA在迭代開始時(shí)，用戶沒有先驗(yàn)信息，因此用戶節(jié)點(diǎn)叫到資源節(jié)點(diǎn) Ck的消息為為第j個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，Ck 為第k個(gè)資源節(jié)點(diǎn)，M為碼本的碼字?jǐn)?shù)目； 步驟R-2、設(shè)定最大迭代次數(shù)Uax; 步驟R-3、在第一次迭代過程中，資源節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)的消息并行更新，即首先更新 所有的資源節(jié)點(diǎn)Ck到用戶節(jié)點(diǎn)Uj的消息V/, Vh然后更新所有的用戶節(jié)點(diǎn)到資源節(jié)點(diǎn)c k的消息：R，x為SCM碼的碼本，Xj為第j個(gè)用戶SCMA碼的碼本，且Ixj I =M;步驟R-4、從第二次迭代開始，在第t次迭代過程中，其中t = 2,3,. . .，tmax，選取殘差集 '用戶節(jié)點(diǎn)Uj到資源節(jié)點(diǎn) 對(duì)V/,VA得到殘差集合 合R中的最大殘差僧，得到最大殘差彳」 ^'斤對(duì)應(yīng)的資源節(jié)點(diǎn) Ckmax和用戶節(jié)點(diǎn)Ujmax ;選取與資源節(jié)點(diǎn)Ckmax對(duì)應(yīng)的所有用戶節(jié)點(diǎn)中除了 Ujmax的用戶節(jié)點(diǎn){ N (Ckmax ) \ll jmax }，T十 J中，113遍歷集合{N(Ckmax)\Ujmax}，Cb 遍歷集合(N(ua)\Ckmax);最后令上述選取的最大殘差ra 許根據(jù)更新后的消息重新計(jì)算殘差 V/：得到新的殘差集合； 量，d為每一個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)的 度； 步驟R-6、判斷t > tmax是否成立，若成立，進(jìn)入步驟R-7 ;若不成立，則令t = t+1，返回步 驟 R-4; 步驟R-7、經(jīng)過Uax次迭代后退出循環(huán)，計(jì)算碼字消息：bj為弟j個(gè)用尸的數(shù)據(jù)比特； 步驟R-8、計(jì)算數(shù)據(jù)比特的軟信息：
【文檔編號(hào)】H04L1/00GK106027203SQ201610344003
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】董彬虹, 王顯俊, 杜洋, 黨冠斌, 高鵬宇
【申請人】電子科技大學(xué)