[发明专利]基于资源块星座距离的非正交多址接入系统码本设计方法

说明书

本发明提供一种基于资源块星座距离的非正交多址接入系统码本设计方法，包括以下步骤：先根据用户需求确定SCMA码本中的参数J、M、N、K；再根据拉丁准则，确定码本中关联用户和资源块映射矩阵；构建能量归一化的N维基星座S₀；通过粒子群PSO算法根据最大化资源块星座点间码字距离之和的准则计算得到最佳的元素的系数和最佳的旋转角度：最后最佳的元素的系数和最佳的旋转角度确定最佳用户星座函数，将最佳用户星座函数对应的用户星座集进行码字重排，重排前后的码字分配到映射矩阵上，从而得到SCMA的多用户码本。本发明能获得更大的整型增益，提升SCMA系统在高斯信道下的抗噪性能。

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体地，涉及一种基于码本资源块能量归一化情况下，最大化资源块星座点间欧式距离平方和的非正交多址接入系统码本设计方案。

背景技术

随着移动互联网业务和物联网业务应用的飞速发展，移动互联网和物联网将成为未来移动通信发展的主要驱动力，第五代(5G)移动通信系统对用户连接数、体验速率、系统容量以及时延指标都提出了更高的要求，对现有的以OFDMA为代表的OMA方案形成了严峻的挑战，以叠加传输为代表的新型非正交多址接入(NOMA)技术方案成为了 5G移动通信中的关键技术之一。

稀疏码分多址(Sparse Code Multiple Access,SCMA)在增强频谱效率、提升用户连接能力以及降低空口传输时延等方面相比OMA技术具有明显的优势，可以适用于5G不同的典型应用场景在NOMA方案中，通过多用户信息的叠加传输，在相同的时频资源上可以支持更多的用户连接，可以有效地满足物联网海量设备连接的指标要求。此外， SCMA技术，可以实现免调度传输，相比于正交传输可以有效地简化信令流程，大幅度降低空口传输时延，有助于实现1ms的空口传输时延指标。最后，SCMA技术还可以利用多维调制以及码域扩展以获得更高的频谱效率。因此，通过引入非正交多址接入技术，可以获得更高的系统容量、更低的时延以及支持更多的用户连接数。

SCMA码本设计在SCMA系统中至关重要，因为SCMA编码过程可以看作是多维调制和稀疏扩频的联合优化，码本中的码字数量，扩频长度以及非零码字个数等等，都是影响SCMA系统性能的重要原因。

华为公司最早提出了SCMA码本设计方案，并在2015年的亚洲创新设计大赛上公开了一个码本，但是其码本实现方式未知。

以下SCMA码本优化方案主要以距离为基础提升算法的可靠性。Taherzadeh.M、Nikopour.H等人提出了一种基于栅格星座的设计方法，该方法是首次提出的SCMA码本设计方法，分为三个步骤，第一步是设计映射矩阵，映射矩阵决定了在每个资源节点上复用的层数，从而决定了MPA检测的复杂性，码字越稀疏，MPA检测就越简单。其次就是星座点和多维母星座，具体操作方式是构造一个最大化最小欧式距离的多维星座，通过旋转等方法在保证距离不变的情况下得到较小投影数目的母星座，相应的MPA检测器的复杂度也随之降低。最后基于母星座点进行相位旋转和功率偏移等星座运算，得到不同用户的码本，以上这些构造方法作为引导，SCMA码本设计问题的思路变得清晰，但其实现的复杂度高，并且不适用于高维度星座。Cai等人通过对QAM星座的某一子集进行旋转和交织，得到多维母星座，再根据Taherzadeh论文中星座运算方法的旋转母星座点，通过矩阵映射得到多用户码本。L.Yu等人通过star-QAM星座生成多维母星座，再使用Taherzadeh论文中星座运算的方法得到多用户码本，其码本性能超越 Taherzadeh论文的码本。以上三种码本设计方法，其设计主要是对多维母星座的构建和星座运算的确定，它属于非凸二次约束二次规划(QCQP)问题，非凸QCQP是NP-hard 问题，解决一个QCQP通常是困难的，即使对于少量的约束。M.Beko等人提出了对该 QCQP问题的次优解，通过将问题一个凸二阶锥规划(SOCP)问题，可以通过CVX工具箱求解。