本發(fā)明屬于無線通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種基于最大化星座點(diǎn)和距離的SCMA碼本設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：在移動通信中，多址接入技術(shù)是用來解決多用戶多接入問題的技術(shù)。從1G到4G，每一代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展都伴隨著多址接入技術(shù)的演進(jìn)。其中，只能提供模擬語音業(yè)務(wù)的第一代移動通信系統(tǒng)(1G)采用的是頻分多址(FrequencyDivisionMultipleAccess，F(xiàn)DMA)；第二代移動通信系統(tǒng)(2G)采用的是時分多址(TimeDivisionMultipleAccess，TDMA)；能支持?jǐn)?shù)字語音業(yè)務(wù)和低速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；第三代移動通信系統(tǒng)(3G)以碼分多址來實(shí)現(xiàn)多用戶接入，用戶峰值速率可以達(dá)到幾十Mbps；第四代移動通信系統(tǒng)(4G)以正交頻分多址(OrthogonalDivisionMultipleAccess，OFDM)技術(shù)為核心，能大幅度提升數(shù)據(jù)速率。這四種多址技術(shù)分別在頻域、時域、碼域和時頻域?qū)崿F(xiàn)對資源的正交復(fù)用，從而避免多用戶間的干擾。隨著互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，未來5G相比于現(xiàn)有的4G而言，頻譜效率需提高5～15倍，連接數(shù)密度需提高10倍以上，此外，部分場景的時延要求需達(dá)到毫秒量級，同時，需接近100％可靠通信。正交多址方式(OrthogonalMultipleAccess，OMA)由于其接入用戶數(shù)嚴(yán)格受限于可用的正交資源，因此無法滿足5G大容量、海量連接、低時延接入等的需求。為了解決這些難題，非正交多址接入(Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA)技術(shù)被認(rèn)為是5G中候選技術(shù)之一。為了在未來5G移動領(lǐng)域某得一席之地，包括我國在內(nèi)的全球多國多家公司正在積極研發(fā)能滿足5G業(yè)務(wù)需求的多址接入技術(shù)，其中，具有代表性的4種非正交的多址接入技術(shù)分別為日本DoCoMo公司提出的的非正交多址接入技術(shù)(NonOrthogonalMultipleAccess，NOMA)，中興公司提出的多用戶共享接入技術(shù)(Multi-UserSharedAccess，MUSA)，大唐電信公司提出的圖樣分割多址接入技術(shù)(PatternDivisionMultipleAccess，PDMA)，和華為公司提出的稀疏碼多址接入技術(shù)(SparseCodeMultipleAccess，SCMA)。其中NOMA技術(shù)是功率域的非正交多址接入技術(shù)，MUSA和SCMA屬于碼域的非正交多址接入技術(shù)，而PDMA是一種可以在功率域、碼域、時域和頻域同時或選擇性應(yīng)用的非正交多址接入技術(shù)。在功率域的NOMA技術(shù)中，發(fā)射端根據(jù)用戶的信道條件對不同用戶進(jìn)行功率分配，各用戶共享時頻資源，接收端根據(jù)各用戶的信干噪比利用串行干擾消除(SuccessiveInterferenceCancellation，SIC)進(jìn)行多用戶檢測(Multi-userDetection)，從而恢復(fù)不同用戶的信息。功率域的NOMA技術(shù)中，高效的功率分配機(jī)制和高魯棒性的SIC接收機(jī)設(shè)計(jì)對技術(shù)的要求最高。PDMA技術(shù)在相同的時頻域資源內(nèi)，將多個用戶的信號進(jìn)行功率域、空域或碼域的單獨(dú)或聯(lián)合編碼傳輸，在接收端采用SIC進(jìn)行多用戶檢測，可達(dá)到系統(tǒng)整體性能最優(yōu)。MUSA技術(shù)充分利用用戶因距基站遠(yuǎn)近而引起的發(fā)射功率的差異，在發(fā)射端使用非正交復(fù)數(shù)擴(kuò)頻序列編碼對用戶的信息進(jìn)行調(diào)制，在接收端使用SIC技術(shù)消除多用戶干擾，從而恢復(fù)每個用戶的通信信息。SCMA技術(shù)通過給不同用戶設(shè)計(jì)不同的碼本，將來自一個或多個用戶的多個數(shù)據(jù)層的比特?cái)?shù)據(jù)流直接映射為對應(yīng)碼本中的高維稀疏碼字，通過高維調(diào)制和稀疏擴(kuò)頻的方法將用戶的信息非正交疊加在同一時頻資源上進(jìn)行傳輸，接收端利用消息傳遞算法(Messagepassingalgorithm，MPA)進(jìn)行迭代譯碼，從而恢復(fù)用戶的信息。SCMA技術(shù)中，碼本設(shè)計(jì)直接影響多址技術(shù)的性能以及接收端MPA譯碼的復(fù)雜度，因此，碼本設(shè)計(jì)是SCMA技術(shù)中重要的環(huán)節(jié)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于最大化星座點(diǎn)和距離的SCMA碼本設(shè)計(jì)方法，包括以下技術(shù)方案：一種基于最大化星座點(diǎn)和距離的SCMA碼本設(shè)計(jì)方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：S1：將QPSK星座旋轉(zhuǎn)角度限定形成旋轉(zhuǎn)后的星座C，將C投影到相互正交的兩個坐標(biāo)軸上，根據(jù)單個坐標(biāo)軸上的4個投影點(diǎn)的位置，構(gòu)造投影點(diǎn)和距離函數(shù)通過最大化得到優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)角度將旋轉(zhuǎn)角度為的星座C作歸一化后的星座為母星座C+；S2：將母星座C+在X軸上的投影，分別旋轉(zhuǎn)角度α,β,γ，構(gòu)造單個資源塊上疊加的3個用戶的星座圖，固定角度α，使單個資源塊上疊加的3個用戶的星座點(diǎn)間的和距離函數(shù)f(α,β,γ)最大化，得到優(yōu)化后的角度β,γ；S3：根據(jù)角度α及對應(yīng)的優(yōu)化后的角度β,γ，設(shè)計(jì)操作因子矩陣Δj，并結(jié)合對應(yīng)的映射矩陣Vj，將二維四點(diǎn)母星座C+映射成適用于6個用戶的稀疏碼本Uj，j＝1,2,...6。進(jìn)一步，在步驟S1中，QPSK星座包含兩種形式，用矩陣表示為：QPSK1=22-22-22222222-22-22]]>QPSK2=0-10110-10]]>其中，上述矩陣的第一行表示QPSK星座的星座點(diǎn)的橫坐標(biāo)，第二行表示QPSK星座的星座點(diǎn)的縱坐標(biāo)；QPSK1星座的四個星座點(diǎn)的相位分別為45°,135°,225°,315°，QPSK2星座的相位分別為：0°,90°,180°,270°；本發(fā)明利用的QPSK星座為QPSK1星座，但需要說明的是第二種QPSK2星座也同樣適用于該發(fā)明。其中，QPSK星座圖中有4個星座點(diǎn)，且4個星座點(diǎn)位于同一個圓上，4個星座點(diǎn)中相鄰兩個星座點(diǎn)分別與原點(diǎn)連線的夾角為90°，星座點(diǎn)和原點(diǎn)的距離表示調(diào)制后的信號的幅值，信號點(diǎn)與原點(diǎn)間連線與X軸正半軸夾角表示調(diào)制后信號的相位，本發(fā)明用到的QPSK星座的4個點(diǎn)的幅值都為1，即功率為1，即每個星座點(diǎn)到原點(diǎn)的距離都為1。進(jìn)一步，在步驟S1中，旋轉(zhuǎn)角度后的QPSK星座C用矩陣表示為：由于QPSK星座的正交性和對稱性，在對QPSK星座進(jìn)行逆時針旋轉(zhuǎn)的過程中，其分別在兩個正交坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)間的距離隨旋轉(zhuǎn)角度的變化方式都相同，即C在兩個正交的坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)的和距離函數(shù)相同，因此，只需計(jì)算一個坐標(biāo)軸上投影點(diǎn)的和距離函數(shù)即可；此外，在QPSK星座旋轉(zhuǎn)過程中，其在兩個相互正交的坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)間的和距離函數(shù)都隨著旋轉(zhuǎn)角度以為周期變化，單個周期內(nèi)的距離變化特征足夠表征整個區(qū)間距離變化特征，即可限定的范圍為正如此，最大化每個坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)在區(qū)間內(nèi)的和距離函數(shù)就轉(zhuǎn)化為最大化單個坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)在區(qū)間內(nèi)的和距離函數(shù)；求出C在單個坐標(biāo)軸上投影點(diǎn)的和距離函數(shù)為：從而，步驟S1中的優(yōu)化問題等價描述為：由上述優(yōu)化式可以求出最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角將代入C中得到：C=-0.9486-0.31620.31620.94860.3162-0.94860.9486-0.3162]]>將C作歸一化后得到母星座C+為：C+=-0.7746-0.25820.25820.77460.2582-0.77460.7746-0.2582]]>其中，歸一化是指使得母星座C+在每個坐標(biāo)軸上的4個投影點(diǎn)的平均功率為即使得單個資源塊上疊加的3個用戶的平均功率之和為1。進(jìn)一步，在步驟S2中，單個資源塊上疊加的3個用戶的星座圖是由母星座某個坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)分別旋轉(zhuǎn)α，β，γ得到，求出單個資源塊上疊加的3個用戶星座點(diǎn)間的和距離函數(shù)為：f(α,β,γ)=Σl=13Σi=14Σj=14||xli-ylj||2]]>由于QPSK星座在坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)關(guān)于坐標(biāo)原點(diǎn)對稱，因此，限定旋轉(zhuǎn)角度α,β,γ的范圍為0＜α,β,γ＜π，則步驟S2的優(yōu)化問題等價為：argmaxα,β,γ∈(0,π)f(α,β,γ)=argmaxα,β,γ∈(0,π)Σl=13Σi=14Σj=14||xli-ylj||2=argmaxα,β,γ∈(0,π)(f(α,β)+f(α,γ)+f(β,γ))]]>其中f(α,β,γ)＝f(α,β)+f(α,γ)+f(β,γ)，l表示在3個用戶中選取2個用戶計(jì)算和距離的3種選取方式，i，j分別表示在第l種選取方式中來自于所選取的2個用戶的兩個星座點(diǎn)的索引值，xli表示第l種選取方式中選取的2個用戶的中的某一個用戶的第i個星座點(diǎn)，xlj表示第l種選取方式中選取的另一個用戶的第j個星座點(diǎn)；f(α,β)為旋轉(zhuǎn)角度為α與旋轉(zhuǎn)角度為β的兩戶星座點(diǎn)間的和距離函數(shù)，f(β,γ)為旋轉(zhuǎn)角度為β與旋轉(zhuǎn)角度為γ的兩戶星座點(diǎn)間的和距離函數(shù)，f(α,γ)為旋轉(zhuǎn)角度為α與旋轉(zhuǎn)角度為γ的兩戶星座點(diǎn)間的和距離函數(shù)；固定角度α，由上述優(yōu)化式可以得到對應(yīng)的兩組最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)角(β1,γ1)和(β2,γ2)；當(dāng)α在區(qū)間(0,π)變化取值，且當(dāng)總的和距離函數(shù)f(α,β,γ)取得最大值fmax(α,β,γ)時，f(α,β)，f(β,γ)，f(α,γ)都為固定值，令f(α,β)＝a，f(α,γ)＝b，其中，a和b為固定常數(shù)，則β1，β2為方程f(α,β)＝a的兩個解，γ1,γ2為方程f(α,γ)＝b的兩個解，即β,γ可以被α表出。進(jìn)一步，在步驟S3中，不同用戶的碼本Uj(j＝1,2,...6)是將二維四點(diǎn)母星座C+通過映射矩陣Vj和操作因子矩陣Δj映射到四個資源塊得到，從而表示為：Uj＝VjΔjC+其中映射矩陣Vj為4×2的稀疏矩陣，Vj為由單位陣I2中添加全零行得到，4行中添加兩行全零行共有中方式；操作因子矩陣Δj為2維對角矩陣或反對角矩陣，主對角線上或負(fù)對角線上的元素為對母星座的操作因子，映射矩陣為：V1=10010000,V2=10000100,V3=10000001,V4=00100100,V5=00100001,V6=00001001]]>操作因子矩陣為：Δ1=ejγ100ejγ2,Δ2=0ejβ2ejα0,Δ3=0ejβ1ejγ10,Δ4=ejα00ejγ2,Δ5=ejβ200ejα,Δ6=ejα00ejβ1]]>其中操作因子矩陣的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是使得每個資源塊上疊加的3個用戶的用戶間星座點(diǎn)和距離最大化；當(dāng)α的取值為0°時，6個用戶的碼本為：U1=0.6968-0.3382i0.2323-0.1127i-0.2323+0.1127i-0.6968+0.3382i-0.0578+0.2516i0.1735-0.7549i-0.1735+0.7549i0.0578-0.2516i00000000]]>U2=0.2582-0.77460.7746-0.25820000-0.6968-0.3382i-0.2323-0.1127i0.2323+0.1127i0.6968+0.3382i0000]]>U3=0.0578+0.2516i-0.1735-0.7549i,0.1735+0.7549i-0.0578-0.2516i000000000.6968-0.3382i0.2323-0.1127i-0.2323+0.1127i-0.6968+0.3382i]]>U4=0000-0.7746-0.25820.25820.7746-0.0578+0.2516i0.1735-0.7549i-0.1735+0.7549i0.0578-0.2516i0000]]>U5=0000-0.6968-0.3382i-0.2323-0.1127i0.2323+0.1127i0.6968+0.3382i00000.2582-0.77460.7746-0.2582]]>U6=00000000-0.7746-0.25820.25820.77460.0578+0.2516i-0.1735-0.7549i0.1735+0.7549i-0.0578-0.2516i.]]>本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明通過兩次優(yōu)化計(jì)算，分別最大化了每個用戶4個星座點(diǎn)間的和距離和每個資源塊上疊加的3個用戶的星座間點(diǎn)的和距離，從而提升了系統(tǒng)誤比特率性能，仿真結(jié)果表明，在高斯信道條件下，其誤比特率在10-3時性能比“1st5GAlgorithmInnovationCompetition-SCMA”公開的碼本提升約0.8dB。附圖說明為了使本發(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)行說明：圖1為本發(fā)明專利的SCMA碼本設(shè)計(jì)的總體流程圖；圖2為SCMA編碼端系統(tǒng)模型；圖3為將QPSK星座進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，求取母星座C+的星座圖；圖4為一個資源塊上疊加3個用戶的星座圖；圖5為由母星座C+結(jié)合映射矩陣和操作因子矩陣設(shè)計(jì)不同用戶碼本的流程圖；具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1給出本發(fā)明專利SCMA碼本設(shè)計(jì)的總體流程。本發(fā)明首先通過最大化旋轉(zhuǎn)后的QPSK星座在坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)間的和距離，來選擇最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角度并將旋轉(zhuǎn)角度為的QPSK星座經(jīng)歸一化處理后的星座作為母星座C+；進(jìn)而將母星座C+在X軸上的投影分別旋轉(zhuǎn)角度α,β,γ，構(gòu)造單個資源塊疊加3個用戶的星座圖；接著，在保持α固定的基礎(chǔ)上，以最大化單個資源塊上疊加的3個用戶的星座點(diǎn)間的和距離函數(shù)f(α,β,γ)，得到優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)角β,γ；最后，根據(jù)α及對應(yīng)的優(yōu)化角度β,γ設(shè)計(jì)的操作因子矩陣Δj，并結(jié)合映射矩陣Vj，將二維母星座C+經(jīng)過映射得到6個用戶的碼本Uj,j＝1,2,...,6。一種最大化星座點(diǎn)和距離的SCMA碼本設(shè)計(jì)方法，其系統(tǒng)場景設(shè)置為：資源塊個數(shù)K＝4個，用戶數(shù)J＝6個，每個用戶的數(shù)據(jù)通過高維調(diào)制和稀疏擴(kuò)頻疊加在4個資源塊中的2個，不同用戶疊加的2個資源塊不完全相同，每個資源塊上疊加了3個用戶的信息，過載因子為λ＝150％。本方案主要步驟如下：步驟一：將QPSK星座旋轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)后的QPSK星座C為：由于QPSK星座的正交性和對稱性，在對QPSK星座進(jìn)行逆時針旋轉(zhuǎn)的過程中，其分別在兩個正交坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)間的距離隨旋轉(zhuǎn)角度的變化方式都相同，即C在兩個正交的坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)的和距離函數(shù)相同，都為因此，只需計(jì)算一個坐標(biāo)軸上投影點(diǎn)的和距離函數(shù)即可。此外，在QPSK星座旋轉(zhuǎn)過程中，其在兩個相互正交的坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)間的和距離函數(shù)都隨著旋轉(zhuǎn)角度以為周期變化，單個周期內(nèi)的距離變化特征足夠表征整個區(qū)間距離變化特征，即可限定的范圍為因此，將旋轉(zhuǎn)角度位于(0,2π)區(qū)間內(nèi)，以最大化每個坐標(biāo)軸上投影點(diǎn)間和距離函數(shù)的問題轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)角度位于區(qū)間內(nèi)，以最大化單個坐標(biāo)軸上投影點(diǎn)間和距離函數(shù)的問題。于是，單個坐標(biāo)軸上投影點(diǎn)的和距離函數(shù)為從而，步驟一中的優(yōu)化問題等價描述為：由上述優(yōu)化式可以求出最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角將代入C中得到：C=-0.9486-0.31620.31620.94860.3162-0.94860.9486-0.3162]]>將C作歸一化后得到母星座C+為：C+=-0.7746-0.25820.25820.77460.2582-0.77460.7746-0.2582]]>其中，歸一化是指使得母星座C+在每個坐標(biāo)軸上的4個投影點(diǎn)的平均功率為即使得單個資源塊上疊加的3個用戶的平均功率之和為1。步驟二：將母星座C+在某一坐標(biāo)軸上的投影，分別旋轉(zhuǎn)角度α,β,γ，構(gòu)造單個資源塊上疊加的3個用戶的星座圖。固定角度α，優(yōu)化角度β,γ，構(gòu)造3個用戶的星座點(diǎn)間的和距離函數(shù)f(α,β,γ)為：f(α,β,γ)=Σl=13Σi=14Σj=14||xli-ylj||2]]>由于母星座C+在坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)關(guān)于原點(diǎn)對稱，因此限定旋轉(zhuǎn)角度α,β,γ的范圍為0＜α,β,γ＜π，從而，最大化該和距離函數(shù)的優(yōu)化問題可以描述為：argmaxα,β,γ∈(0,π)f(α,β,γ)=argmaxα,β,γ∈(0,π)Σl=13Σi=14Σj=14||xli-ylj||2=argmaxα,β,γ∈(0,π)(f(α,β)+f(α,γ)+f(β,γ))]]>其中f(α,β,γ)＝f(α,β)+f(α,γ)+f(β,γ)，l表示在3個用戶中選取2個用戶的星座點(diǎn)計(jì)算和距離的3種選取方式，i，j分別表示在第l種選取方式中來自于所選取的2個用戶的兩個星座點(diǎn)的索引值，xli表示第l種選取方式中選取的2個用戶的中的某一個用戶的第i個星座點(diǎn)，xlj表示第l種選取方式中選取的另一個用戶的中的某l個用戶的第j個星座點(diǎn)。其中f(α,β)為旋轉(zhuǎn)角度為α與旋轉(zhuǎn)角度為β的兩戶星座點(diǎn)間的和距離函數(shù)，f(β,γ)為旋轉(zhuǎn)角度為β與旋轉(zhuǎn)角度為γ的兩戶星座點(diǎn)間的和距離函數(shù)，f(α,γ)為旋轉(zhuǎn)角度為α與旋轉(zhuǎn)角度為γ的兩戶星座點(diǎn)間的和距離函數(shù)。固定角度α，由上述優(yōu)化式可以得到對應(yīng)的兩組最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)角(β1,γ1)和(β2,γ2)。當(dāng)α變動時，且當(dāng)總的和距離函數(shù)f(α,β,γ)取得最大值fmax(α,β,γ)時，此時，f(α,β)，f(β,γ)，f(α,γ)都為固定值，f(α,β)＝a，f(α,γ)＝b，其中，a和b為固定常數(shù)，β1，β2為方程f(α,β)＝a的兩個解，γ1,γ2為方程f(α,γ)＝b的兩個解，即β,γ可以被α表出。步驟三：將二維四點(diǎn)母星座C+通過映射矩陣Vj和操作因子矩陣Δj映射為6個用戶的稀疏碼本Uj，j＝1,2,...6。a.設(shè)計(jì)映射矩陣。映射矩陣Vj為2×4稀疏矩陣，其作用是將2維母星座C+映射到四維空間，Vj由2階單位矩陣I2中添加全零行得到，4行中添加兩行全零行共有種方式。其中Vj非零元素所在的行就是將母星座C+映射到高維星座所在的維度，即對應(yīng)于碼本中的碼字符號疊加所在的資源塊。本發(fā)明所用到的映射矩陣為：V1=10010000,V2=10000100,V3=10000001,V4=00100100,V5=00100001,V6=00001001]]>b.設(shè)計(jì)操作因子矩陣。操作因子矩陣Δj為二維對角矩陣或反對角矩陣，主對角線上或負(fù)對角線上的元素為對母星座某種或多種操作，在SCMA碼本設(shè)計(jì)過程中，操作因子包括置換操作相位旋轉(zhuǎn)操作"ο"以及共軛操作"*"，假設(shè)Z為一母星座矩陣，操作因子的作用釋義如下：(⊗:E)Z=EZ]]>其中Ε為一初等矩陣，左乘表示對矩陣Z的行進(jìn)行的置換操作，即交換Z中某兩行。(ο:φ)Z＝ejφZ其中φ表示對Z的元素的相位進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，不同的維度可以對應(yīng)不同的相位操作。其中τ＝0時，不對母星座進(jìn)行共軛處理，τ＝1時，對母星座進(jìn)行共軛處理。因此，操作因子為這三種操作因子的集合：本發(fā)明用到的操作因子為置換操作和相位旋轉(zhuǎn)操作"ο"兩種，操作矩陣的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是使得每個資源塊上疊加的3個用戶的用戶間星座點(diǎn)和距離最大化。在步驟二中通過優(yōu)化計(jì)算求出最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角α,β,γ后，本發(fā)明使用的操作因子矩陣為：Δ1=ejγ100ejγ2,Δ2=0ejβ210,Δ3=0ejβ1ejγ10,Δ4=100ejγ2,Δ5=ejβ2001,Δ6=100ejβ1]]>c.設(shè)計(jì)稀疏碼本。將二維四點(diǎn)母星座C+通過映射矩陣Vj和操作因子矩陣Δj映射，得到6個用戶的碼本Uj,j＝1,2,...,6，其表達(dá)式為：Uj＝VjΔjC+當(dāng)α的取值為0°時，本發(fā)明設(shè)計(jì)的6個用戶SCMA碼本為：U1=0.6968-0.3382i0.2323-0.1127i-0.2323+0.1127i-0.6968+0.3382i-0.0578+0.2516i0.1735-0.7549i-0.1735+0.7549i0.0578-0.2516i00000000]]>U2=0.2582-0.77460.7746-0.25820000-0.6968-0.3382i-0.2323-0.1127i0.2323+0.1127i0.6968+0.3382i0000]]>U3=0.0578+0.2516i-0.1735-0.7549i,0.1735+0.7549i-0.0578-0.2516i000000000.6968-0.3382i0.2323-0.1127i-0.2323+0.1127i-0.6968+0.3382i]]>U4=0000-0.7746-0.25820.25820.7746-0.0578+0.2516i0.1735-0.7549i-0.1735+0.7549i0.0578-0.2516i0000]]>U5=0000-0.6968-0.3382i-0.2323-0.1127i0.2323+0.1127i0.6968+0.3382i00000.2582-0.77460.7746-0.2582]]>U6=00000000-0.7746-0.25820.25820.77460.0578+0.2516i-0.1735-0.7549i0.1735+0.7549i-0.0578-0.2516i.]]>實(shí)施例：本發(fā)明中基于最大化星座點(diǎn)和距離的SCMA碼本設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)模型如圖2所示，資源塊個數(shù)為K＝4個，用戶數(shù)為J＝6個，過載因子為每個用戶的數(shù)據(jù)疊加到dv＝2個資源塊上，不同的用戶疊加數(shù)據(jù)的2個資源塊不完全相同，每個資源塊上疊加了df＝3個用戶的信息，如圖所示，Uj(j＝1,2...,6)表示6個用戶的碼本，其中陰影格表示該用戶有數(shù)據(jù)疊加在對應(yīng)資源塊上，白色格表示無數(shù)據(jù)疊加。圖2中，用戶發(fā)送的未編碼的比特流d0d1…經(jīng)信道編碼后得到編碼后的比特流bj1bj2…，編碼后的比特流經(jīng)碼本映射后直接映射為碼本中的碼字符號，經(jīng)信道傳輸后被接收端接收，信道模型為：y=Σj=16diag(hj)xj+n]]>其中y＝[y1,y2,y3,y4]T，yk表示第k個資源塊上的接收信號，k＝1,2,3,4，hj＝[h1j,h2j...,h4j]T為第j個用戶的信道衰落系數(shù)矢量，xj＝[x1j,x2j,x3j,x4j]T為第j個用戶的發(fā)射碼字，n為均值為0，方差為1的n×1加性高斯白噪聲矢量。則第k個資源塊上的接收信號為yk=Σj=16hkjxkj+nk]]>其中k＝1,2,3,4。由于碼字的稀疏性，因此每個資源塊只疊加了三個用戶的數(shù)據(jù)。圖3為將QPSK星座旋轉(zhuǎn)構(gòu)建母星座示意圖，詳細(xì)描述如下：其中QPSK星座點(diǎn)用虛線表示，旋轉(zhuǎn)后的QPSK星座用實(shí)線表示，旋轉(zhuǎn)后的QPSK星座為旋轉(zhuǎn)后的QPSK星座C如圖3中的(1)實(shí)線所示，圖3中的(2)為旋轉(zhuǎn)后的QPSK星座C在正交的兩坐標(biāo)軸上的投影，從圖中可以看出，由于QPSK星座的正交性和對稱性，在對QPSK調(diào)制星座進(jìn)行逆時針旋轉(zhuǎn)的過程中，其分別在兩個正交坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)間的距離隨旋轉(zhuǎn)角度的變化方式都相同，即C在兩個正交的坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)的和距離函數(shù)相同，都為因此，只需計(jì)算C在一個坐標(biāo)軸上投影點(diǎn)的和距離函數(shù)即可。此外，在QPSK調(diào)制星座旋轉(zhuǎn)過程中，其在兩個相互正交的坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)間的和距離函數(shù)都隨著旋轉(zhuǎn)角度以為周期變化，單個周期內(nèi)的距離變化特征足夠表征整個區(qū)間距離變化特征，即可限定的范圍為因此，將旋轉(zhuǎn)角度位于(0,2π)區(qū)間內(nèi)，以最大化每個坐標(biāo)軸上投影點(diǎn)間和距離函數(shù)的問題轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)角度位于區(qū)間內(nèi)，以最大化單個坐標(biāo)軸上投影點(diǎn)間和距離函數(shù)的問題。于是，單個坐標(biāo)軸上投影點(diǎn)的和距離函數(shù)可表示為從而，步驟一中的優(yōu)化問題可等價描述為對上式進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角將代入C中得到：C=-0.9486-0.31620.31620.94860.3162-0.94860.9486-0.3162]]>將C作歸一化后得到母星座C+為：C+=-0.7746-0.25820.25820.77460.2582-0.77460.7746-0.2582]]>其中歸一化是指使得母星座C+在每個坐標(biāo)軸上的4個投影點(diǎn)的平均功率為即使得單個資源塊上疊加的3個用戶的平均功率之和為1。圖4為將母星座C+在單個資源塊上的投影旋轉(zhuǎn)α,β,γ后疊加在一個資源塊上的星座圖，其實(shí)質(zhì)為單個資源塊上疊加了3個用戶的星座圖，詳細(xì)描述如下：本發(fā)明考慮的是6個用戶疊加在4個資源塊上的場景，過載因子為15000，因此每個資源塊上疊加的用戶數(shù)為3個，3個用戶在某個資源塊上的疊加的數(shù)據(jù)是由母星座C+在單個坐標(biāo)軸上的投影旋轉(zhuǎn)不同的角度α,β,γ得到，計(jì)算每個用戶的星座點(diǎn)同其它用戶的星座點(diǎn)間的和距離，構(gòu)造和距離函數(shù)f(α,β,γ)=Σl=13Σi=14Σj=14||xli-ylj||2]]>由于C+在坐標(biāo)軸上的投影點(diǎn)關(guān)于原點(diǎn)對稱，因此可限定α，β，γ的范圍為0＜α,β,γ＜π，從而，優(yōu)化問題可等價描述為argmaxα,β,γ∈(0,π)f(α,β,γ)=argmaxα,β,γ∈(0,π)Σl=13Σi=14Σj=14||xli-ylj||2=argmaxα,β,γ∈(0,π)(f(α,β)+f(α,γ)+f(β,γ))]]>其中f(α,β,γ)＝f(α,β)+f(α,γ)+f(β,γ)，l表示在3個用戶中選取2個用戶的星座點(diǎn)計(jì)算和距離的3種選取方式，i，j分別表示在第l種選取方式中來自于所選取的2個用戶的兩個星座點(diǎn)的索引值，xli表示第l種選取方式中選取的2個用戶的中的某一個用戶的第i個星座點(diǎn)，xlj表示第l種選取方式中選取的另一個用戶的中的某l個用戶的第j個星座點(diǎn)。其中f(α,β)為旋轉(zhuǎn)角度為α與旋轉(zhuǎn)角度為β的兩戶星座點(diǎn)間的和距離函數(shù)，f(β,γ)為旋轉(zhuǎn)角度為β與旋轉(zhuǎn)角度為γ的兩戶星座點(diǎn)間的和距離函數(shù)，f(α,γ)為旋轉(zhuǎn)角度為α與旋轉(zhuǎn)角度為γ的兩戶星座點(diǎn)間的和距離函數(shù)。固定角度α，由上述優(yōu)化式可以得到對應(yīng)的兩組最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角(β1,γ1)和(β2,γ2)。當(dāng)α變動時，且當(dāng)總的和距離函數(shù)f(α,β,γ)取得最大值fmax(α,β,γ)時，此時，f(α,β)，f(β,γ)，f(α,γ)都為固定值，f(α,β)＝a，f(α,γ)＝b，其中，a和b為固定常數(shù)，β1，β2為方程f(α,β)＝a的兩個解，γ1,γ2為方程f(α,γ)＝b的兩個解，即β,γ可以被α表出。圖5為由母星座C+設(shè)計(jì)6用戶碼本Uj的流程圖：詳細(xì)描述如下：步驟51：設(shè)計(jì)映射矩陣Vj。映射矩陣Vj為2×4稀疏矩陣，其作用是將二維母星座C+映射到四維空間，Vj由2階單位矩陣I2中添加全零行得到，4行中添加兩行全零行共有種方式。其中非零行所在的行就是將母星座C+映射到高維星座(碼本)的所在維度，即對應(yīng)于碼本中的碼字疊加所在的資源塊，用戶與資源塊的對應(yīng)關(guān)系可以用矩陣F表示：F=111000100110010101001011]]>其中行表示資源塊，列表示用戶，“1”代表用戶在對應(yīng)的資源塊上有數(shù)據(jù)疊加，“0”代表用戶數(shù)據(jù)沒有疊加在對應(yīng)的資源塊上。本發(fā)明設(shè)計(jì)的映射矩陣為：V1=10010000,V2=10000100,V3=10000001,V4=00100100,V5=00100001,V6=00001001]]>步驟52：設(shè)計(jì)操作因子矩陣。操作因子矩陣Δj為2維對角矩陣或反對角矩陣，主對角線上或負(fù)對角線上的元素為對母星座某種或多種操作，在SCMA碼本設(shè)計(jì)過程中，操作因子包括置換操作相位旋轉(zhuǎn)操作"ο"以及共軛操作"*"，假設(shè)Z為一母星座矩陣，操作因子的作用釋義如下：(⊗:E)Z=EZ]]>其中Ε為一初等矩陣，左乘表示對矩陣Z進(jìn)行的置換操作，即交換Z的某兩行。(ο:φ)Z＝ejφZ其中φ表示對Z的元素的相位進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，不同的維度上可以進(jìn)行不同的相位操作。其中τ＝0時，不對母星座進(jìn)行共軛處理，τ＝1時，對母星座進(jìn)行共軛處理。因此，操作因子為這三種操作因子的集合：本發(fā)明用到的操作因子為和相位旋轉(zhuǎn)操作"ο"兩種，操作矩陣的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是使得每個資源塊上疊加的三個用戶的調(diào)制相位不同，在步驟二中通過優(yōu)化計(jì)算求出兩組最優(yōu)旋轉(zhuǎn)角(β1,γ1),(β2,γ2)后，本發(fā)明使用的操作因子矩陣為：Δ1=ejγ100ejγ2,Δ2=0ejβ210,Δ3=0ejβ1ejγ10,Δ4=100ejγ2,Δ5=ejβ2001,Δ6=100ejβ1]]>步驟53：設(shè)計(jì)稀疏碼本。不同用戶的碼本Uj＝(j＝1,2,...6)為是將二維四點(diǎn)母星座C+通過映射矩陣Vj和操作因子矩陣Δj映射到四個資源塊上，其表達(dá)式為：Uj＝VjΔjC+當(dāng)α的取值為0°時，本發(fā)明設(shè)計(jì)的6個用戶SCMA碼本為：U1=0.6968-0.3382i0.2323-0.1127i-0.2323+0.1127i-0.6968+0.3382i-0.0578+0.2516i0.1735-0.7549i-0.1735+0.7549i0.0578-0.2516i00000000]]>U2=0.2582-0.77460.7746-0.25820000-0.6968-0.3382i-0.2323-0.1127i0.2323+0.1127i0.6968+0.3382i0000]]>U3=0.0578+0.2516i-0.1735-0.7549i,0.1735+0.7549i-0.0578-0.2516i000000000.6968-0.3382i0.2323-0.1127i-0.2323+0.1127i-0.6968+0.3382i]]>U4=0000-0.7746-0.25820.25820.7746-0.0578+0.2516i0.1735-0.7549i-0.1735+0.7549i0.0578-0.2516i0000]]>U5=0000-0.6968-0.3382i-0.2323-0.1127i0.2323+0.1127i0.6968+0.3382i00000.2582-0.77460.7746-0.2582]]>U6=00000000-0.7746-0.25820.25820.77460.0578+0.2516i-0.1735-0.7549i0.1735+0.7549i-0.0578-0.2516i.]]>最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3