技术领域
[0001] 本
发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种用于MIMO-SCMA系统的低复杂度高译码性能的方法。
背景技术
[0002] 多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)MIMO技术在通信系统的收发端均采用多根天线，在提升系统容量、提高
频谱效率、增强抗衰落能
力等方面具有明显优势，因而在第四代移动通信系统(4G)、无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)等领域有着广泛的应用。稀疏码多址(Sparse Code Multiple Access,SCMA)SCMA技术是一种面向5G的新型多址技术，将信源信息经过高维调制、稀疏扩频处理后，可以实现不同用户的码字在相同的资源
块上非
正交叠加，特别适用于5G通信中的热点高容量、海量连接、低延时接入等应用场景。
[0003] MIMO技术与SCMA技术的结合，是作为一种新的传输方案(MIMO-SCMA)。MIMO-SCMA系统不仅能够实现更高的频谱效率，在高吞吐量和海量连接应用场景中也具有明显的优势，但是由于引入了多天线技术，导致MIMO-SCMA系统的多用户检测
算法的复杂度极高，会随用户码本大小M，接入用户数J以及多天线数目N呈指数形式的增加，
硬件实现困难。
[0004] 现阶段正对MIMO-SCMA系统的检测方案有两类，一类是传统的独立检测方案，例如ZF-MPA、MMSE-MPA等，首先通过均衡解决多天线干扰问题，再对各天线上的各用户数据进行检测译码。但是，此类检测算法以牺牲系统误码率性能为代价来降低接收端检测复杂度，虽然检测复杂度低，但译码性能较差。第二类译码方案，将MIMO检测与SCMA检测结合，通过联合因子图进行联合检测译码。这类检测算法误码率性能好，但检测复杂度较高。
发明内容
[0005] 本发明的一个目的是要提供一种用于MIMO-SCMA系统的低复杂度高译码性能的方法，在显著降低检测算法复杂度的同时，保证了系统优异的译码性能。
[0006] 特别地，本发明提供了一种用于MIMO-SCMA系统的低复杂度高译码性能的方法，定义用户码本大小为M，接入用户数为J、发射天线数目为NT、接收天线数目为NR，包括：
[0007] 联合球形译码消息传递算法，用于降低系统译码的复杂度；
[0008] 基于STBC编码的MIMO-SCMA系统结构，用于保证译码的性能；
[0010] 步骤1：用户j将符号流 直接映射到K维复数域的稀疏码字 上，其中，j＝1,2…J，n＝1,2,…；
[0011] 步骤2：在基站端，第Nt个发射天线上，将所有J个用户选择的码字叠加起来，得到该天线需要发送的码字：
[0012]
[0013] 其中，t＝1,2…T；
[0014] 步骤3：在第一个
采样时间，通过STBC编码技术将相邻的调制符号x1，x2映射到发射天线端口上；在随后的采样时间中，交换符号并取共轭-[x2]*，[x1]*映射到发射天线端口上，以进行传输；
[0015] 步骤4：在接收端，用户j在接收天线Nr上的接收信号可以表示为：
[0016]
[0017] 其中，r＝1,2…R， 为用户j在接收天线Nr上的噪声向量，为发射天线Nt上的发射信号向量；
[0018] 步骤5：用STBC
解码器将用户j接收到的NT个天线上的数据进行合并，再将合并后的信息yj传输到SCMA解码器中，用联合球形译码消息传递算法进行译码，得出用户j的发送码字
[0019] 优选的，联合因子图对应的MIMO-SCMA系统的联合矩阵为：
[0020]
[0021] 其中，FNt表示发射天线Nt上的因子矩阵。
[0022] 优选的，在步骤4中，用户j在接收天线Nr上的接收信号还可以表示为：
[0023]
[0024] 其中，
[0025] 优选的，所述联合球形译码消息传递算法的译码步骤为：
[0026] 步骤6：设定一个半径为R的球，将合成
星座图上的星座点划分为位于球内
置信度高的第一部分和位于球外置信度低的第二部分，其中，虚拟资源
节点k′上的合成码字数目为 k′＝1L Kv；
[0027] 步骤7：每个虚拟资源节点k′只需搜索所述第一部分的球内合成星座点所对应的Φ(k′)个合成码字。
[0028] 优选的，由用户j在天线Nt下的信道增益 和传输符号 可得到虚拟用户j′的虚拟码本，表示如下：
[0029]
[0030] 虚拟资源节点k′处的接收信号表示为：
[0031]
[0032] 其中， 表示与虚拟资源节点k′相连的 个码字集合，Nk′为均值为0，方差为σ2的高斯白噪声；
[0033] 由式(5)和(6)可知，虚拟接收信号yk′与第m个码字星座点之间的欧氏距离不为0，表示如下：
[0034]
[0035] 优选的，在联合消息传递算法的
基础上利用半径R选择置信度高的码字信息进行
迭代译码，得到联合球形译码消息传递算法，所述联合球形译码消息传递算法中的消息更新公式如下：
[0036] 更新一：虚拟资源节点消息更新:
[0037]
[0038]
[0039] 其中，ψk′→j′表示虚拟资源k′向虚拟用户j′传递的消息；γp′→k′表示虚拟用户节点p′向虚拟资源节点k′传递的消息；t表示迭代次数；
[0040] 更新二：虚拟用户节点信息更新：
[0041]
[0042] 其中， 表示所有与虚拟资源节点k′相连的虚拟用户节点的集合； 表示所有与虚拟用户节点j′相连的虚拟资源节点的集合。
[0043] 优选的，算法达到预先设定的最大迭代次数tmax后，每个用户各自的码字输出概率可由下式得到：
[0044]
[0045] 根据本发明的另一个方面，基于STBC编码的MIMO-SCMA系统结构包括：
[0046] 多个码本M，其分别对应于不同用户；
[0047] 基站端，用于在第Nt个发射天线上，将所有J个用户选择的码字叠加起来，得到该天线需要发送的码字，其中，t＝1,2…T,j＝1,2…J；
[0048] STBC
编码器，用于在第一个采样时间，通过STBC编码技术将相邻的调制符号x1，x2映射到发射天线端口上；在随后的采样时间中，交换符号并取共轭-[x2]*，[x1]*映射到发射天线端口上，以进行传输；
[0049] 接收端，用于得到用户j在接收天线Nr上的接收信号，r＝1,2…R；
[0050] STBC解码器，用于将用户j接收到的NT个天线上的数据进行合并，再将合并后的信息yj传输到SCMA解码器中；
[0051] SCMA解码器，用联合球形译码消息传递算法进行译码，得出用户j的发送码字[0052] 本发明的方法由于结合了联合球形译码检测算法和基于STBC编码的MIMO-SCMA系统结构，因此在联合球形译码检测算法显著降低译码复杂度的同时，基于STBC编码的MIMO-SCMA系统结构，能够使系统的译码性得到保证，实现了信号的可靠传输。本发明在显著降低算法译码复杂度的同时，保证了系统优异的译码性能。
[0053] 原虚拟资源节点上的码字组合数为 联合球形译码消息传递算法，利用高斯分布原理，设置一个球形半径R，译码球内的置信度高的 个码字信
息，降低了译码的复杂度。当SNR＝6dB时，R＝2σ的联合球形译码消息传递算法的加法器运算器数目与联合消息传递算法相比约降低了7×10^6，乘法器数目约减少了3.5×10^6。R＝σ的联合球形译码消息传递算法与JMPA相比，加法器数目大约减少了10×10^6，乘法器数目降低了6.5×10^6。
[0054] 基于STBC编码的下行链路的MIMO-SCMA系统，利用空时编码的分集增益，补偿联合球形译码消息传递算法在系统性能上的损失。引入了STBC编码，使该系统保持优异的误码率性能。
信噪比相同的情况下，在引入STBC编码的系统中，联合球形译码消息传递算法的误码率要比未引入STBC编码的系统中的误码率更低。引入STBC编码使系统获得了分集增益，降低了通信系统的差错概率，很大程度上补偿了联合球形译码消息传递算法由于引入半径R而造成的性能上的损失。
[0055] 根据下文结合
附图对本发明具体
实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
[0056] 后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
[0057] 图1是本发明基于STBC的下行链路MIMO-SCMA系统
框图；
[0058] 图2是本发明MIMO-SCMA接收机联合因子图，图中用r1…r8表示虚拟资源节点，u1…u12表示虚拟用户节点；
[0059] 图3是本发明一个实施例中，联合球形译码消息传递算法的球形半径R＝2σ的合成星座图；
[0060] 图4是算法误码率-信噪比性能曲线；
[0061] 图5是三种算法的收敛速率对比；
[0062] 图6是两种算法的复杂度对比，两种算法分别为联合球形译码消息传递算法、联合消息传递算法。
具体实施方式
[0063] 如图1所示，为了解决MIMO-SCMA系统译码器复杂度较高的问题，本发明将球形译码消息传递算法算法和基于STBC编码的MIMO-SCMA系统结构相结合。其中，联合球形译码消息传递算法用于降低系统译码的复杂度；基于STBC编码的MIMO-SCMA系统结构，用于保证译码的性能。
[0064] 基于STBC编码的MIMO-SCMA系统结构包括：多个码本M、基站端、STBC编码器、接收端、STBC解码器以及SCMA解码器。
[0065] 定义用户码本大小为M，接入用户数为J、发射天线数目为NT、接收天线数目为NR。基站配置NT个发射天线，每个用户配置NR个接收天线。在本实施例中，假定用户数J＝6，时频资源K＝4，码本大小M＝4，NT＝NR＝2。因此，用于MIMO-SCMA系统的低复杂度高译码性能的方法的
信号传输过程，具体为：
[0066] 步骤1：用户j(j＝1,2…J)将符号流 直接映射到K维复数域的稀疏码字 上。
[0067] 步骤2：在基站端，第Nt(t＝1,2…T)个发射天线上，将所有J个用户选择的码字叠加起来，得到该天线需要发送的码字：
[0068]
[0069] 步骤3：在第一个采样时间，通过STBC编码技术将相邻的调制符号x1，x2映射到发射天线端口上；在随后的采样时间中，交换符号并取共轭-[x2]*，[x1]*映射到发射天线端口上，以进行传输。由于在本实施例中NT＝NR＝2，因此，调制符号映射到两个发射天线端口上，而交换符号并取共轭后同样映射到两个发射天线端口上进行传输。
[0070] 步骤4：在接收端，用户j在接收天线Nr上的接收信号可以表示为：
[0071]
[0072] 其中，r＝1,2…R， 为用户j在接收天线Nr上的噪声向量，为发射天线Nt上的发射信号向量；
[0073] 步骤5：用STBC解码器将用户j接收到的NT个天线上的数据进行合并，再将合并后的信息yj传输到SCMA解码器中，用联合球形译码消息传递算法进行译码，得出用户j的发送码字 由于在本实施例中n取1、2，因此，得出用户j的发送码字
[0074] 图2为MIMO-SCMA接收机联合因子图，也称为接收端译码因子图，图中用r1…r8表示虚拟资源节点，u1…u12表示虚拟用户节点。FNt表示发射天线Nt上的因子矩阵，联合因子图对应的MIMO-SCMA系统的联合矩阵为：
[0075]
[0076] 其中，FNt表示发射天线Nt上的因子矩阵。
[0077] 在步骤4中，用户j在接收天线Nr上的接收信号还可以表示为：
[0078]
[0079] 其中，
[0080] 由用户j在天线Nt下的信道增益 和传输符号 可得到虚拟用户j′的虚拟码本，表示如下：
[0081]
[0082] 虚拟资源节点k′处的接收信号表示为：
[0083]
[0084] 其中， 表示与虚拟资源节点k′相连的 个码字集合，Nk′为均值为0，方差为σ2的高斯白噪声；
[0085] 由式(5)和(6)可知，虚拟接收信号yk′与第m个码字星座点之间的欧氏距离不为0，表示如下：
[0086]
[0087] 结合图3所示的合成星座图，所述联合球形译码消息传递算法的译码步骤为：
[0088] 步骤6：设定一个半径为R的球，将合成星座图上的星座点划分为位于球内置信度高的第一部分和位于球外置信度低的第二部分，其中，虚拟资源节点k′上的合成码字数目为 k′＝1L Kv；
[0089] 步骤7：每个虚拟资源节点k′只需搜索所述第一部分的球内合成星座点所对应的Φ(k′)个合成码字。
[0090] 在联合消息传递算法的基础上利用半径R选择置信度高的码字信息进行迭代译码，得到联合球形译码消息传递算法，所述联合球形译码消息传递算法中的消息更新公式如下：
[0091] 更新一：虚拟资源节点消息更新:
[0092]
[0093]
[0094] 其中，ψk′→j′表示虚拟资源k′向虚拟用户j′传递的消息；γp′→k′表示虚拟用户节点p′向虚拟资源节点k′传递的消息；t表示迭代次数；
[0095] 更新二：虚拟用户节点信息更新：
[0096]
[0097] 其中， 表示所有与虚拟资源节点k′相连的虚拟用户节点的集合； 表示所有与虚拟用户节点j′相连的虚拟资源节点的集合。算法达到预先设定的最大迭代次数tmax后，每个用户各自的码字输出概率可由下式得到：
[0098]
[0099] 本发明的译码复杂度以算法涉及到的加法器和乘法器数目可以用公式(11)到(14)来评估。相关算法包括原始联合JMPA算法以及本文提出的基于STBC编码系统中的S-JMPA，这两种算法的复杂度表达式如下：
[0100]
[0101]
[0102]
[0103]
[0104] 根据复杂度的公式，联合球形译码消息传递算法，利用高斯分布原理，设置一个球形半径R，译码球内的置信度高的 个码字信息，降低了译码的复杂度。当SNR＝6dB时，R＝2σ的联合球形译码消息传递算法的加法器运算器数目与联合消息传递算法相比约降低了7×10^6，乘法器数目约减少了3.5×10^6。R＝σ的联合球形译码消息传递算法与JMPA相比，加法器数目大约减少了10×10^6，乘法器数目降低了6.5×10^6。
[0105] 基于STBC编码的下行链路的MIMO-SCMA系统，利用空时编码的分集增益，补偿联合球形译码消息传递算法在系统性能上的损失。引入了STBC编码，使该系统保持优异的误码率性能。信噪比相同的情况下，在引入STBC编码的系统中，联合球形译码消息传递算法的误码率要比未引入STBC编码的系统中的误码率更低。引入STBC编码使系统获得了分集增益，降低了通信系统的差错概率，很大程度上补偿了联合球形译码消息传递算法由于引入半径R而造成的性能上的损失。
[0106] 为了验证S-JMPA算法降低复杂度的能力以及在基于STBC编码的MIMO-SCMA系统中误码率性能上的提升，在matlab平台上进行了仿真实验，得到表1的仿真参数和图4、5、6的性能比较。
[0107] 表1仿真参数
[0108]
[0109]
[0110] 如图4的算法误码率-信噪比性能曲线所示，在参数R不变，信噪比相同的情况下，在引入STBC编码的系统中，联合球形译码消息传递算法的误码率要比未引入STBC编码的系统中的误码率更低。引入STBC编码使系统获得了分集增益，降低了通信系统的差错概率，很大程度上补偿了联合球形译码消息传递算法由于引入半径R而造成的性能上的损失。
[0111] 如图5的三种算法的收敛速率对比所示，当MIMO-SCMA系统引入STBC编码后，算法的收敛速度不受影响，均在迭代5次以后达到收敛，即本文提出联合球形译码消息传递算法需要的最佳迭代次数与原始联合消息传递算法的相同，保持了系统良好的收敛性能。
[0112] 如图6的联合球形译码消息传递算法、联合消息传递算法的复杂度对比所示，当SNR＝6dB时，R＝2σ的联合球形译码消息传递算法的加法器运算器数目与联合消息传递算法相比约降低了7×10^6，乘法器数目约减少了3.5×10^6，R＝σ的联合球形译码消息传递算法与联合消息传递算法相比，加法器数目大约减少了10×10^6，乘法器数目降低了6.5×10^6。半径R越小，联合球形译码消息传递算法的复杂度降低得越明显。
[0113] 综上，本发明的方法由于结合了联合球形译码检测算法和基于STBC编码的MIMO-SCMA系统结构，因此在联合球形译码检测算法显著降低译码复杂度的同时，基于STBC编码的MIMO-SCMA系统结构，能够使系统的译码性得到保证，实现了信号的可靠传输。
[0114] 至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或
修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为
覆盖了所有这些其他变型或修改。
