本發(fā)明涉及scma碼本設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種scma編碼本設(shè)計(jì)方法、scma編碼器以及scma系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

稀疏碼多址scma(sparsecodemultipleaccess)是5g通信系統(tǒng)中的一個(gè)多址技術(shù)，同時(shí)兼具基帶調(diào)制的作用，scma技術(shù)的核心就是設(shè)計(jì)scma編碼本。scma在低密度擴(kuò)頻多址接入(lowdensitysignaturemultipleaccess,lds-ma)的基礎(chǔ)上利用碼本，也就是多維星座調(diào)制和稀疏擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)載，使多用戶數(shù)大于資源數(shù)，極大的提高了頻譜利用率。良好的多維星座的設(shè)計(jì)，可降低遠(yuǎn)近效應(yīng)，并且降低檢測(cè)復(fù)雜度，而稀疏擴(kuò)頻技術(shù)使多用戶在同一資源快上的碰撞減小，致使scma技術(shù)性能優(yōu)越。

scma加入了碼本設(shè)計(jì)，從而獲得了一定的編碼增益，但與此同時(shí)，與傳統(tǒng)的單一星座點(diǎn)設(shè)計(jì)所不同的是，scma系統(tǒng)需要通過(guò)多個(gè)資源上的碼本進(jìn)行聯(lián)合解碼得到信息，因此若想取得較好的性能，相應(yīng)地在發(fā)射端scma系統(tǒng)也需要對(duì)多個(gè)資源上的碼本進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，難度大，目前尚未提出最優(yōu)化的碼本設(shè)計(jì)方法，因此如何設(shè)計(jì)出性能更好的碼本已成為scma面臨的巨大挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種scma編碼本設(shè)計(jì)方法、scma編碼器以及scma系統(tǒng)，解決scma對(duì)編碼本的設(shè)計(jì)復(fù)雜度高，難度大的問(wèn)題，同時(shí)，基于scma編碼器在信道發(fā)射端產(chǎn)生的分量交織器和信道接收端產(chǎn)生的分量解交織器，使5g通信系統(tǒng)下行鏈路物理層在rayleigh衰落信道下誤碼率降低，較好的起到了抵抗通信信道衰落的作用。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下：

一種scma編碼本設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

(1)固定最小歐氏距離，同時(shí)最小化母星座圖的基本容積，生成母星座圖；

(2)對(duì)母星座圖以最小乘積距離為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化，得到最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度；

(3)將母星座圖分解為三個(gè)子向量，以得到的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度對(duì)三個(gè)子向量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到母星座圖的旋轉(zhuǎn)子向量；

(4)對(duì)旋轉(zhuǎn)子向量進(jìn)行坐標(biāo)重排，得到適用于6個(gè)用戶的scma編碼本。

本發(fā)明的有益效果是：旋轉(zhuǎn)的星座圖能夠在衰落信道中獲得良好的誤碼率性能，因此該方法能夠有助于系統(tǒng)獲得良好的誤碼率性能,同時(shí)按照層級(jí)劃分的scma編碼本設(shè)計(jì)方法能夠使得整個(gè)scma編碼本的生成過(guò)程簡(jiǎn)化。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。

進(jìn)一步，所述步驟(2)的目標(biāo)函數(shù)為:

其中，dp^(l)(x,y)²為兩個(gè)星座圖之間的l階乘積距離，θmax為最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度,x,y為旋轉(zhuǎn)后星座圖中的任意不相同的兩點(diǎn)，xi和yi為星座圖中兩個(gè)不同的星座圖點(diǎn)，e為星座圖的平均能量，n為星座圖的維度；

該旋轉(zhuǎn)后星座圖的生成矩陣為grotate：

其中，g為母星座圖的生成矩陣，

利用生成矩陣grotate可以得到星座圖中任意兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，將兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)帶入目標(biāo)函數(shù)中，經(jīng)過(guò)運(yùn)算即可得到最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度。

采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，該方案有助于獲得一個(gè)最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)角度，該角度用于后續(xù)的用戶編碼本生成過(guò)程。

另外，本發(fā)明還提供了一種scma編碼器，該scma編碼器基于上述scma編碼本設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的編碼本。

另外，本發(fā)明還提供了一種scma系統(tǒng)，包括：

scma編碼器：用于將各用戶輸入的n比特?cái)?shù)據(jù)映射成為對(duì)應(yīng)用戶編碼本中的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)是一個(gè)4維列向量；

合并器：用于將各scma編碼器形成的4維列向量相加，得到一個(gè)4維向量，該4維向量的每一維數(shù)值用一個(gè)子載波進(jìn)行傳輸；

分量交織器：用于將所述4個(gè)子載波分為兩組，將每組中的兩個(gè)子載波的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部進(jìn)行交換，得到交換了實(shí)部和虛部順序的4個(gè)子載波；

無(wú)線信道：用于發(fā)送交換了實(shí)部和虛部順序的4個(gè)子載波，所述信道是瑞利衰落信道；

分量解交織器：用于將從無(wú)線信道接收的4個(gè)子載波分為兩組，將每組中的兩個(gè)子載波的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部進(jìn)行交換，得到交換了實(shí)部和虛部順序的4個(gè)子載波；

解碼器：用于處理分量解交織器產(chǎn)生的4個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)，利用已知信道衰落系數(shù)以及mpa解調(diào)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于原始數(shù)據(jù)的解碼。

采用上述方案的有益效果是：基于scma編碼器在信道發(fā)射端產(chǎn)生的分量交織器和信道接收端產(chǎn)生的分量解交織器，使5g通信系統(tǒng)下行鏈路物理層在rayleigh衰落信道下誤碼率降低，較好的起到了抵抗通信信道衰落的作用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明未旋轉(zhuǎn)母星座圖的空間格型圖；

圖3為本發(fā)明母星座圖旋轉(zhuǎn)最優(yōu)角度之后的格型星座圖；

圖4為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)與未旋轉(zhuǎn)六角格星座圖誤碼率對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

為了改善原有技術(shù)的缺點(diǎn)，本方案從系統(tǒng)的角度出發(fā)，將星座圖旋轉(zhuǎn)技術(shù)應(yīng)用到編碼本的設(shè)計(jì)中，并且結(jié)合交織器，使得scma系統(tǒng)整體的性能達(dá)到優(yōu)化其中，如圖1所示，本發(fā)明只針對(duì)傳統(tǒng)的6用戶4載波scma系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此后面的所有實(shí)施步驟都隱含了這樣一個(gè)基本背景。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，scma編碼本設(shè)計(jì)方法為：

(1)固定最小歐氏距離及最小化母星座圖的基本容積，生成母星座圖，該星座圖是一個(gè)64點(diǎn)的六角格星座圖，如圖2所示；

(2)對(duì)母星座圖以最小乘積距離為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化，得到最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度；具體計(jì)算步驟如下所示：

a.假設(shè)母星座圖的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度為θmax，該參數(shù)是最大化最小乘積距離得到的，首先寫出最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù):

化簡(jiǎn)目標(biāo)函數(shù)，定義乘積距離如下：

其中，表示兩個(gè)星座圖之間的l階乘積距離，xi和yi表示星座圖中兩個(gè)不同的星座圖點(diǎn)，e表示星座圖的平均能量，n表示星座圖的維度，在該案例中，星座圖的維度是2，x,y是旋轉(zhuǎn)后星座圖中的點(diǎn)，該旋轉(zhuǎn)星座圖的生成矩陣為grotate：

其中，g代表母星座圖的生成矩陣

本發(fā)明中使用計(jì)算機(jī)輔助搜索的技術(shù)來(lái)搜索最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)角度。具體的，我們已知母星座圖的所有坐標(biāo)點(diǎn)，并且把旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)設(shè)置為θ，步長(zhǎng)為δ，θ初始值設(shè)置為0，δ＝0.1，當(dāng)θ遞增到90度的時(shí)候停止迭代。每次迭代，將母星座圖所有坐標(biāo)點(diǎn)乘以θ，然后把旋轉(zhuǎn)之后的坐標(biāo)點(diǎn)帶入上述的兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)中計(jì)算，最后求出來(lái)一個(gè)最大乘積距離，該最大乘積距離對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度即為θmax。

(3)將母星座圖分解為三個(gè)子向量，以得到的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度θmax對(duì)三個(gè)子向量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到母星座圖的旋轉(zhuǎn)子向量，如圖3所示為把母星座圖旋轉(zhuǎn)最優(yōu)角度之后的格型星座圖；

(4)對(duì)旋轉(zhuǎn)子向量進(jìn)行坐標(biāo)重排，得到適用于6個(gè)用戶的scma編碼本。

利用向量重排技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)子向量，使得距離譜達(dá)到最優(yōu)。具體方法如下所示：首先固定每個(gè)用戶的星座圖點(diǎn)能量，然后固定該用戶星座圖的一個(gè)旋轉(zhuǎn)子向量，最后調(diào)整另外一個(gè)旋轉(zhuǎn)子向量的順序，使得與第一個(gè)子向量形成的組合能夠達(dá)到設(shè)定的能量值：

其中，和是經(jīng)過(guò)向量重排之后的向量，v1和v2表示用戶的原始分配的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)子向量。

其中，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，設(shè)計(jì)合并器，將6個(gè)用戶編碼經(jīng)過(guò)合并器，合并器實(shí)際上是一個(gè)加法器，它將6個(gè)用戶的數(shù)據(jù)映射到4個(gè)子載波上，因此每個(gè)子載波上都是6個(gè)用戶重疊的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，最后形成一個(gè)4維列向量d：

mk表示第k個(gè)用戶的編碼本，ik表示從對(duì)應(yīng)的編碼本中選擇第ik列數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

其中，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，設(shè)計(jì)分量交織器，配合旋轉(zhuǎn)后的星座圖能夠達(dá)到較低的誤碼性能，設(shè)計(jì)方法如下：

通過(guò)合并器得到一個(gè)4維的列向量，對(duì)應(yīng)著4個(gè)子載波上實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)值，然后將兩個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)的實(shí)部與虛部分離，并且相互交換，最后將交換實(shí)部和虛部的數(shù)據(jù)發(fā)送到信道中進(jìn)行傳輸。經(jīng)過(guò)合并器得到的4維列向量d,d＝[d1d2d3d4]^t，使用實(shí)部和虛部分離的方法表示數(shù)據(jù)：

dreal＝[d1,reald2,reald3,reald4,real]

dimag＝[d1,imagd2,imagd3,imagd4,imag]

d＝dreal+j*dimag

dreal表示原始數(shù)據(jù)的實(shí)部，dimag表示原始數(shù)據(jù)的虛部。

使用⊙表示分量交織操作：

其中，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，分量解交織器的設(shè)計(jì)，該模塊放在接收端進(jìn)行，具體的設(shè)計(jì)步驟如下：

首先將接收到的數(shù)據(jù)信號(hào)解交織，將接收到的4個(gè)子載波分為兩組，前面兩個(gè)子載波一組，后面兩個(gè)子載波一組；然后分離實(shí)部和虛部，并且相互交換；按照相同的方法將信道估計(jì)模塊的信道增益進(jìn)行分離，將4個(gè)子載波的信道增益分為兩組，前面兩個(gè)子載波增益一組，后面兩個(gè)子載波增益一組；然后分離實(shí)部和虛部，并且相互交換。

在分量解交織之后，可以將分離之后的數(shù)據(jù)以及信道增益?zhèn)魅牒竺娴膕cma解碼器中，進(jìn)行解碼。這一步不詳細(xì)敘述，利用現(xiàn)有技術(shù)能實(shí)現(xiàn)。

基于上述設(shè)計(jì)原理，本發(fā)明提供了一種scma系統(tǒng)，包括：

scma編碼器：用于將各用戶輸入的n比特?cái)?shù)據(jù)映射成為對(duì)應(yīng)用戶編碼本中的數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)是一個(gè)4維列向量；

合并器：用于將各scma編碼器形成的4維列向量相加，得到一個(gè)4維向量，該4維向量的每一維數(shù)值用一個(gè)子載波進(jìn)行傳輸；

分量交織器：用于將所述4個(gè)子載波分為兩組，將每組中的兩個(gè)子載波的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部進(jìn)行交換，得到交換了實(shí)部和虛部順序的4個(gè)子載波；

無(wú)線信道：用于發(fā)送交換了實(shí)部和虛部順序的4個(gè)子載波，所述信道是瑞利衰落信道；

分量解交織器：用于將從無(wú)線信道接收的4個(gè)子載波分為兩組，將每組中的兩個(gè)子載波的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部進(jìn)行交換，得到交換了實(shí)部和虛部順序的4個(gè)子載波；

解碼器：用于處理分量解交織器產(chǎn)生的4個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)，利用已知信道衰落系數(shù)以及mpa解調(diào)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于原始數(shù)據(jù)的解碼。

發(fā)明效果：本發(fā)明的主要目的是通過(guò)一個(gè)新的scma編碼本設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)基于scma編碼器的scma系統(tǒng)，同時(shí)又加入了分量交織模塊與解交織模塊，新的編碼本與分量交織模塊、解交織模塊共同組成了本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)，從而在實(shí)踐中提升了scma系統(tǒng)在衰落信道下的誤碼率性能。

實(shí)施例1

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，針對(duì)于4載波非正交承載6個(gè)用戶數(shù)據(jù)的經(jīng)典scma框架進(jìn)行設(shè)計(jì)；

(1)本發(fā)明使用64點(diǎn)六角格星座圖a2作為母星座圖，下面以64點(diǎn)母星座圖為例；

(2)對(duì)母星座圖a2以最小乘積距離為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化，得到最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度17.6度；

(3)將母星座圖分解為3個(gè)子向量，3個(gè)向量取母星座圖的3個(gè)對(duì)角線，然后以得到的最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度對(duì)3個(gè)子向量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到3個(gè)旋轉(zhuǎn)子向量v1,v2,v3；

(4)在3個(gè)旋轉(zhuǎn)子向量中選擇2個(gè)向量按照下面的矩陣進(jìn)行映射：

映射過(guò)程中，要保證每一行以及每一列不能有同一個(gè)向量映射，矩陣f中的1代表將選擇的向量映射到該位置，0代表不映射。在子向量映射之后，利用向量重排技術(shù)處理，最終得到6個(gè)用戶的編碼本，用矩陣進(jìn)行表示，對(duì)于每一個(gè)用戶，每一列表示兩個(gè)比特映射成為的4維向量，這4維向量對(duì)應(yīng)映射到4個(gè)子載波上，如下所示：

仿真效果圖如圖4所示：利用上述編碼本，得到6個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，映射到4個(gè)子載波上面。經(jīng)過(guò)分量交織器，該交織器將4個(gè)子載波分為兩組，每一組交換兩個(gè)數(shù)據(jù)分量的實(shí)部和虛部，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送到無(wú)線信道之中。接收端中分別對(duì)數(shù)據(jù)以及信道增益進(jìn)行解交織，將解交織之后的數(shù)據(jù)送入scma譯碼器中進(jìn)行譯碼，其中譯碼器的迭代次數(shù)選擇為6次，這個(gè)迭代次數(shù)通常已經(jīng)能夠保證收斂。仿真結(jié)果表明，對(duì)比原始的未經(jīng)旋轉(zhuǎn)的scma編碼本設(shè)計(jì)方案，本發(fā)明提出的方案，能夠使得在瑞利衰落信道下，漸進(jìn)誤碼率性能提升了2db；

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。