可兼容规则及不规则映射的SCMA用户传输方法

可兼容规则及不规则映射的scma用户传输方法
技术领域
1.本发明属于通信技术领域，尤其是涉及scma(sparse code multiple access, 稀疏码分多址接入)用户传输方法，具体是可兼容规则及不规则映射的scma 用户传输方法，是一种即可以满足规则又可以满足不规则映射的scma用户传输方法。


背景技术：

2.scma是当前比较热门的5g移动通信多址接入方式，其由低密度信号演进而来，将稀疏扩频和高维调制融合在一起，链路中的比特流直接映射到预先设定好的码本中的多维码字上，从而解决大量用户接入的过载问题，提高频谱利用率。然而，稀疏扩频能应对的用户数有限，在海量连接场景下，链接的数量将增加到10倍或100倍，并在很大范围内动态变化。然而，传统scma用户传输机制中每个用户占用的资源块数一样，当用户数无法满足规则映射接入系统时，则不能很好地适应这种海量的连接，限制了其应用。因此急需设计一种可适应不规则映射scma用户传输方法，这将会对改进scma系统适用性和提高应用范围有重大影响意义。


技术实现要素：

3.可兼容规则及不规则映射的scma用户传输方法，针对传统scma用户传输只能适应规则映射的问题，结合过载公式、ldpc(low density parity checkcode，低密度奇偶校验码)及度分布理论，构建因子矩阵和映射矩阵，建立适应规则及不规则映射的scma用户传输机制，且适用于多种接入用户数的星座矩阵。本方法不仅可提高scma系统的适用性，可应用于海量连接场景下的5g 移动通信，而且提高了scma系统性能。
4.采用的技术方案是：
5.首先，根据scma系统过载条件，建立兼容映射机制，得到scma系统分配用户信息所需参数。
6.然后，依据ldpc和度分布理论重新设计因子图矩阵，将用户信息分配到设定的资源块上。
7.其次，将设计的因子图矩阵拆分表示每个用户的映射机制，计算出映射矩阵。
8.最后，建立子星座选取机制，在因子图矩阵的基础上，设计出星座矩阵，将用户信息稀疏映射到复数域。
9.其优点在于：
10.可兼容规则及不规则映射的scma用户传输方法，针对传统scma用户传输只能适应规则映射的问题，结合过载公式、ldpc及度分布理论，构建因子矩阵和映射矩阵，建立适应规则及不规则映射的scma用户传输机制，且适用于多种接入用户数的星座矩阵。本方法不仅可提高scma系统的适用性，可应用于海量连接场景下的5g移动通信，而且提高了scma系统性能。本研究适用于采用scma技术的5g移动通信系统。
附图说明
11.图1是本发明可兼容规则及不规则映射的scma用户传输方法流程图。
12.图2是实施例中的因子图矩阵f对应的用户与资源块之间关系。
具体实施方式
13.步骤1：兼容映射机制建立；根据用户需求，将给定的用户数设为j，将给定的正交资源块数设为k。scma发送端将j个用户传输的信息以稀疏扩频码的形式扩展到这k个资源块上进行数据传输。在数据传输过程中让每个用户同时在n个资源块上传输信息，每个资源块上叠加传输df个用户的信息，使得用户数j大于k，从而提升系统容量和资源利用率，其过程被称为scma系统的过载。
14.由上述scma系统过载条件可知，参数j、k、n和df满足式(1):
15.jn＝kdf，j》k
ꢀꢀ
(1)。
16.其中，n表示每个用户传输信息所用资源块数，为保证传输质量，需要每个用户最少有两个传输节点来进行信息交换，通常设n＝2。传统scma系统中 n是一个固定值，因此导致了现有的scma系统接入用户数有局限。
17.对于有些接入用户数j，不能按照传统方式将用户信息规则地分配到每个资源块上。例如：当用户数j＝7，k＝5,n＝2，df＝3时，无法找到能满足式(1) 且符合物理意义的参数n。
18.为此，为解决传统映射机制不能满足灵活映射问题，建立兼容映射机制，将用户信息按新机制分配到每个资源块上，使得资源分配的更加灵活。
19.第j个用户占用的资源块数用nj表示,j∈[1,j]。根据公式(1)可推导出nj计算式如公式(2)所示：
[0020][0021]
结合公式(2)可知，按照新的资源分配方法可将j个用户传输的信息分配到 k个资源块上，使得每个资源块上都叠加传输df个用户的信息，如式(3)所示。
[0022][0023]
步骤2：设计因子图矩阵f；为了具体将用户分配到特定资源块上，并使该系统在传输信息时能够使用ldpc-scma联合译码策略提高scma系统误码性能，通过ldpc和度分布理论设计因子图矩阵f，表示各个用户与资源块的关系。
[0024]
因子图矩阵f有k行j列，每列有nj个元素1、每行有df个元素1，当用户在资源块上传输数据时，令因子图矩阵中第k行第j列的元素f
k,j
＝1；当用户在该资源块上不传输数据时，
令f
k,j
＝0。矩阵f的行重等于资源块叠加符号数df，列重等于第j个用户占用的资源块数nj。
[0025]
将f按列拆分成列向量，单独表示每个用户的资源分配情况：
[0026]
f＝[f1,f2...,fj...,fj]
ꢀꢀ
(4)。
[0027]
其中，fj为第j个列向量，表示第j个用户的资源分配情况。
[0028]
例1：根据上述示例使用参数j＝7，k＝5，df＝3，n1＝3， n2＝n3＝n4＝n5＝n6＝n7＝2。
[0029]
根据ldpc和度分布理论建立的因子图矩阵f为：
[0030][0031]
将因子图矩阵f对应的用户与资源块之间关系具体表示如图2：
[0032]
步骤3：设计映射矩阵vj；在设计因子图矩阵f的基础上，为了将系统中每个用户传输的信息映射成用户码本，设计映射矩阵vj进行用户传输信息映射方式的表示，在矩阵中用元素1表示有信息传输，0表示无信息传输。
[0033]
将因子图矩阵f按照公式(4)拆分，得到第j个用户资源分配情况fj，再对 fj进行如下处理即可得到映射矩阵：
[0034]vj
＝diag(f1)
ꢀꢀ
(5)。
[0035]vj
是一个k行nj列的矩阵，是由主对角线元素全为1的nj阶对角阵中插入k-nj个全零行形成的，这些全零行的位置对应用户j在哪些资源块上不传输信息。
[0036]
由于映射矩阵vj和因子图矩阵f展现的是相同的映射关系，因此它们之间可相互转换，如式(6)所示：
[0037][0038]
例1：根据上述示例中的因子图矩阵f，找到f的第j列，将元素为1的行扩充为nj维的单位矩阵，将元素为0的行补充n
j-1个0元素扩充为全零行向量。
[0039]
得到各用户的映射矩阵分别为：
[0040][0041]
[0042]
根据映射矩阵v1元素1的位置可知用户1的信息在第二个资源块、第四个资源块及第五个资源块上进行传输，同理，根据映射矩阵v2可知用户2的信息在第一个资源块和第三个资源块上进行传输。总体来看，每行对应的资源块上都有3个用户进行信息传输。
[0043]
步骤4：设计星座矩阵mc；在scma系统中，各用户的发送信号叠加在相同的资源块上传输，这些信号之间的功率差异越大，则接收端越易将它们分离。因此，在scma码本设计时常常会将每个资源块上传输信息时用到的星座点划分为df个不同的子星座，映射传输df个用户的信息，为此，需要在因子图矩阵f的基础上，建立星座矩阵mc，从而说明用户选用的子星座。
[0044]
由于本方法对于接入用户数j的选择范围进行了扩展，资源块数n也随之增加，而传统的星座矩阵设计方法针对每个资源块都设计了不同的子星座，这导致了传统星座矩阵设计时需要针对每个用户在不同资源块上选用的不同子星座，还要保证每个资源块上星座点间欧氏距离都要小，即需要设计出个星座点，kdf个子星座，设计过程较为复杂，并不适用于不规则scma系统。因此，星座矩阵mc在不同资源块上使用相同的资源块星座图，即只需设计出个星座点，码本复杂度大幅度降低。
[0045]
星座矩阵mc设计机理为：每个资源块上选用df种不同子星座进行叠加，即对应星座矩阵mc中每一行元素不能重复；同时，为了增加用户的译码可靠性，同一用户在不同资源块上传输信息时应使用不同子星座。
[0046]
根据上述机理，得到用户在资源块上传输信息选用子星座范围的集合，用γ
m,n
表示，其中m表示用户在资源块上叠加的次序，n表示用户传输信息选用资源块的次序，设每个资源块上搭载的df个用户选取的子星座分别为每个用户在nj个资源块上传输信息选取的子星座分别为
[0047]
根据资源块限制条件，得到子星座取值集合，用表示：
[0048][0049]
根据资用户限制条件，得到子星座取值集合，用表示：
[0050][0051]
根据公式(7)和公式(8)计算出子星座范围集合γ
m,n
＝
ⅰ
m,n
∩
m,n
，结合因子图矩阵推导出星座矩阵mc如公式(9)所示。其中，γ
m,n
表示某资源块上传输信息的第m个用户在第n个资源块上选用子星座的范围集合。
[0052][0053]
按照上述步骤得到表示映射机制的星座矩阵mc后，用户可根据需求自选所需的用户子星座，进而利用本方法的星座矩阵mc，将j个用户的信息映射到k 个资源块上，得到所需的具体码本。
[0054]
例1，根据上述示例使用参数j＝7，k＝5，df＝3，n1＝3，n2＝n3＝n4＝n5＝n6＝n7＝2。设用户1在资源块2,资源块4,资源块5上分别选用子星座s1,s3,s2，用户2在资源块1,资源块3上分别选用子星座s2,s3；根据公式(6)和公式(7)可知，用户3在资源块1上选择子星座的范围γ
2,1
＝{1,3}，设选取了s1，则用户3在资源块2上选择子星座的范围γ
2,2
＝{2,3}。同理可得用户4在资源块3上选择s2，在资源块4上选择s1；用户5在资源块1上选择s3，资源块4上选择s2；用户6在资源块2上选择s3，在资源块5上选择s1；用户7在资源块3上选择s1，在资源块5上选择s3。
[0055]
结合公式(6)产生的因子图矩阵，建立星座矩阵mc为：
[0056][0057]
基于此，用户可利用自选的用户子星座，利用本方法的mc映射产生对应码本。以m＝4时交织码子星座为例，设子星座为：
[0058]
s1＝{3.0000+3.0000i 1.0000+1.0000i
ꢀ‑
1.0000-1.0000i
ꢀ‑
3.0000-3.0000i}
[0059]
s2＝{-0.7071-1.2247i 2.1213+3.6742i
ꢀ‑
2.1213-3.6742i 0.70710+1.2247i}
[0060]
s3＝{1.0980+4.0980i 0.3660+1.3660i
ꢀ‑
0.36602-1.3660i
ꢀ‑
1.0980-4.0980i}
[0061]
根据星座矩阵mc，并结合映射矩阵vj可以得到用户码本为：
[0062][0063][0064][0065][0066][0067][0068]

技术特征：
1.可兼容规则及不规则映射的scma用户传输方法，其特征在于包括下列步骤：scma系统中根据用户需求，将给定的用户数设为j，将给定的正交资源块数设为k；scma发送端将j个用户传输的信息以稀疏扩频码的形式扩展到这k个资源块上进行数据传输；在数据传输过程中让每个用户同时在n个资源块上传输信息，每个资源块上叠加传输d
f
个用户的信息，使得用户数j大于k，参数j、k、n和d
f
满足式[1]：jn＝kd
f
，j>k
ꢀꢀ
[1]；其中，n表示每个用户传输信息所用资源块数，为保证传输质量，需要每个用户最少有两个传输节点来进行信息交换；方法具体实施过程为：步骤1：兼容映射机制建立；将用户信息按本机制分配到每个资源块上；第j个用户占用的资源块数用n
j
表示,j∈[1,j]；根据公式[1]推导出n
j
计算式如公式[2]所示：结合公式[2]可知，按照本资源分配方法可将j个用户传输的信息分配到k个资源块上，使得每个资源块上都叠加传输d
f
个用户的信息，如式[3]所示；步骤2：设计因子图矩阵f；通过ldpc和度分布理论设计因子图矩阵f，表示各个用户与资源块的关系；因子图矩阵f有k行j列，每列有n
j
个元素1、每行有d
f
个元素1，当用户在资源块上传输数据时，令因子图矩阵中第k行第j列的元素f
k,j
＝1；当用户在该资源块上不传输数据时，令f
k,j
＝0；矩阵f的行重等于资源块叠加符号数d
f
，列重等于第j个用户占用的资源块数n
j
；将f按列拆分成列向量，单独表示每个用户的资源分配情况：f＝[f1,f2...,f
j
...,f
j
]
ꢀꢀ
[4]；其中，f
j
为第j个列向量，表示第j个用户的资源分配情况；步骤3：设计映射矩阵v
j
；在设计因子图矩阵f的基础上，设计映射矩阵v
j
进行用户传输信息映射方式的表示，在矩阵中用元素1表示有信息传输，0表示无信息传输；将因子图矩阵f按照公式[4]拆分，得到第j个用户资源分配情况f
j
，再对f
j
进行如下处理即可得到映射矩阵：v
j
＝diag(f1)
ꢀꢀ
[5]；v
j
是一个k行n
j
列的矩阵，是由主对角线元素全为1的n
j
阶对角阵中插入k-n
j
个全零行形成的，这些全零行的位置对应用户j在哪些资源块上不传输信息；
映射矩阵v
j
和因子图矩阵f展现的是相同的映射关系，将v
j
和f相互转换，如式[6]所示：步骤4：设计星座矩阵mc；在scma码本设计时将每个资源块上传输信息时用到的星座点划分为d
f
个不同的子星座，映射传输d
f
个用户的信息，则在因子图矩阵f的基础上，建立星座矩阵，需设计出个星座点：每个资源块上选用d
f
种不同子星座进行叠加，同时，同一用户在不同资源块上传输信息时应使用不同子星座；根据上述机理，得到用户在资源块上传输信息选用子星座范围的集合，用γ
m,n
表示，其中m表示用户在资源块上叠加的次序，n表示用户传输信息选用资源块的次序，设每个资源块上搭载的d
f
个用户选取的子星座分别为每个用户在n
j
个资源块上传输信息选取的子星座分别为根据资源块限制条件，得到子星座取值集合，用表示：根据资用户限制条件，得到子星座取值集合，用表示：根据公式[7]和公式[8]计算出子星座范围集合γ
m,n
＝
ⅰ
m,n
∩
m,n
，结合因子图矩阵推导出星座矩阵mc如公式[9]所示；其中，γ
m,n
表示某资源块上传输信息的第m个用户在第n个资源块上选用子星座的范围集合；按照上述步骤得到表示映射机制的星座矩阵mc后，用户可根据需求自选所需的用户子星座，将j个用户的信息映射到k个资源块上，得到所需的具体码本。

技术总结
可兼容规则及不规则映射的SCMA用户传输方法，属于通信技术领域，传统SCMA用户传输机制中每个用户占用的资源块数一样，当用户数无法满足规则映射接入系统时，则不能很好地适应这种海量的连接，本发明是可兼容规则及不规则映射的SCMA用户传输方法，针对传统SCMA用户传输只能适应规则映射的问题，结合过载公式、LDPC及度分布理论，构建因子矩阵、映射矩阵，建立适应规则及不规则映射的SCMA用户传输机制，且适用于多种接入用户数的星座矩阵。本方法不仅可提高SCMA系统的适用性，可应用于海量连接场景下的5G移动通信，而且提高了SCMA系统性能。本研究适用于采用SCMA技术的5G移动通信系统。统。统。


技术研发人员：刘芳 李昶
受保护的技术使用者：沈阳理工大学
技术研发日：2022.06.07
技术公布日：2022/11/1