一種基於門限的低複雜度MPA算法的製作方法

2023-05-18 18:37:56 1

本發明涉及無線通信技術領域，特別涉及一種基於門限的低複雜度mpa算法。。

背景技術：

隨著4glte系統投入商用，面對不斷增長的用戶數量、無處不在的網絡接入以及更高的通信質量需求，人們開始了對5g的研究。稀疏碼分多址(scma)系統因為其優於lte系統的鏈路傳輸質量和成倍的系統容量而成為新的研究熱點。

scma技術作為一種新型的非正交多址技術，由於碼字具有稀疏特性，即碼字中非零元個數遠小於碼字長度，接收機可以利用消息傳遞算法(mpa)進行多用戶聯合解碼。

mpa算法是一種基於因子圖求邊緣概率分布的迭代算法，該算法中外信息在變量節點(vn)和函數節點(fn)之間不斷的傳遞，最後獲得一個穩定的概率分布作為判決量，最終最優的判決量對應的碼字即為判決輸出結果。相對於聯合最優最大後驗概率(map)檢測算法，mpa是一種次優的方法，但是mpa利用了碼本的稀疏性，極大地降低了多用戶檢測的複雜度。

雖然mpa算法的複雜度相對於最優的map有所降低，但是在系統嚴重過載或碼本尺寸過大的情況下，硬體實現仍然很困難。事實上，在迭代過程中用戶碼字的收斂速度存在差異，收斂快的碼字不需要迭代到最大迭代步數就可以解碼，同時對於一些置信度極低的碼字可以在迭代過程中捨棄。然而，在原始mpa的迭代過程中所有的碼字都被同等對待，每次迭代都需要更新所有的節點消息，直到迭代到最大迭代步數後才對所有的用戶進行解碼，這種不顧碼字置信度的迭代解碼方式導致很多冗餘的計算複雜度。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種基於門限的低複雜度mpa算法，該算法通過設置置信度門限來及時對可靠的碼字進行解碼，或對發送概率極低的碼字進行捨棄，從而有效地降低了原始mpa算法的複雜度。

一種基於門限的低複雜度mpa算法，具體步驟如下：

s1、輸入基帶信號；

s2、初始化變量節點消息，具體為：其中，表示第t次迭代中用戶j在頻點k上傳輸碼字χ的概率，表示用戶j的碼本中第m個碼字，m表示碼本尺寸，j表示所有的用戶數，表示用戶j佔用的頻點集合，j＝1,...,j,m＝1,...,m，t為不為零的自然數；

s3、根據公式更新函數節點和變量節點消息，其中，yk表示第k個頻點的觀測值，表示合成碼字第k維的取值，表示頻點k上疊加的用戶集合，表示從集合中除去用戶j，表示在第t次迭代中在頻點k上檢測到用戶j傳輸碼字χ的概率，normalize(·)表示歸一化，為傳輸條件下接受到yk的條件概率；

s4、根據公式計算各碼字的置信度，其中，表示第t次迭代完成後用戶j傳輸第m個碼字的概率；

s5、判斷s4所述碼字置信度是否滿足門限，確定對碼字進行解碼、捨棄還是繼續迭代，具體如下：

s51、判斷置信度最高的碼字是否滿足第一門限，若是則直接將該碼字作為解碼結果輸出，反之，則進入s52，其中，所述第一門限為經驗設定；

s52、判斷置信度最低的碼字是否滿足第二門限，若否則進入步驟s6，若是則捨棄該碼字並進入s53，其中，所述第二門限為經驗設定，第一門限與第二門限不相等；

s53、判斷捨棄一個置信度最低的碼字後剩餘的碼字個數是否為1，若是則將剩下的碼字作為解碼結果輸出，反之則進入步驟s3，且迭代步數加1；

s6、當s5完成後若存在未被解碼的用戶，則判斷是否達到最大迭代步數，若達到最大迭代步數則對用戶進行解碼，反之，則回到步驟s3，且迭代步數加1。

進一步地，s3所述計算方式為

其中，σ2表示噪聲方差，hj,k表示第j個用戶的第k個分量經歷的信道衰落係數，xj,k表示第j個用戶發送碼字的第k維取值。

本發明的有益效果是：

利用門限將迭代過程中的置信度足夠高的碼字挑選出來進行解碼，從而減少同一頻點上疊加的用戶數；同時，對置信度足夠低的碼字進行捨棄，可以縮小後續迭代過程中消息更新所需的搜素範圍，有效地降低算法複雜度。

附圖說明

圖1為本發明的算法流程圖。

圖2為原始mpa算法流程圖。

圖3為上行scma系統模型圖。

圖4為scma編碼器工作原理圖。

圖5為scma因子圖。

具體實施方式

下面將結合實施例和附圖，對本發明方法進行進一步說明。

本實施例在matlab仿真平臺進行實驗，實施例中的系統參數如表1所示，碼本如表2所示，其系統模型如圖3所示。在awgn信道下對6個用戶共享4個頻率資源，過載率為150％的scma系統進行仿真，包括發送端處理過程和接收端處理過程。

表1仿真系統參數

表2所用碼本

發送端處理流程包括以下步驟：

s101：隨機生成6組長度為2的二進位比特流；

s102：利用scma編碼器進行編碼，將各用戶數據中的2個比特映射為一個碼字，分別獲得碼字x1,x2,...,x6，編碼器工作原理圖如圖4所示；

s103：經過編碼後的碼字經歷不同的信道衰落後疊加在一起發送到接收端；

接收端處理流程包括以下步驟：

s201：接收到長度為4的向量y，其表達式如下：

其中xj＝(xj,1,xj,2,···,xj,4)t表示第j個用戶發送的碼字，hj＝(hj,1,hj,2,...,hj,4)t表示第j個用戶經歷的信道衰落，n＝(n1,n2,...,n4)表示白高斯噪聲向量，且n服從均值為零，方差為σ2i的復高斯分布。

s202：將y輸入到本發明的解碼器中進行解碼，如圖1所示，具體包括以下步驟：

s2021：初始化變量節點消息；

其中表示第t次迭代中用戶j在頻點k上傳輸碼字χ的概率，表示用戶j的碼本中第m個碼字，表示用戶j佔用的頻點集合。

s2022：更新函數節點和變量節點消息，消息沿著如圖5所示的因子圖的邊傳遞；

其中yk表示第k個頻點的觀測值，表示合成碼字第k維的取值，表示頻點k上疊加的用戶集合，表示從集合中除去用戶j，表示在第t次迭代中在頻點k上檢測到用戶j傳輸碼字χ的概率，normalize(·)表示歸一化，為傳輸條件下接受到yk的條件概率，其計算方式如下：

其中σ2表示噪聲方差，hj,k表示第j個用戶的第k個分量經歷的信道衰落係數，xj,k表示第j個用戶發送碼字的第k維取值。

s2023：計算各碼字的置信度；

其中表示第t次迭代完成後用戶j傳輸第m個碼字的概率。

s2024：判斷碼字置信度是否滿足門限，來決定對碼字進行解碼、捨棄還是繼續迭代，具體包括以下步驟：

s20241：判斷置信度最高的碼字是否滿足第一門限th1，若是則直接將該碼字作為解碼結果輸出，反之，則進入下一步；

s20242：判斷置信度最低的碼字是否滿足第二門限th2，若否則進入步驟s2022，反之，則捨棄該碼字並進入下一步；

s20243：判斷捨棄一個置信度最低的碼字後剩餘的碼字個數是否為1，若是則將剩下的碼字作為解碼結果輸出，反之則進入步驟s3，且迭代步數加1；

s2025：當s2024完成後若存在未被解碼的用戶，則判斷是否達到最大迭代步數，若是則對剩下的所有用戶進行解碼，反之，則回到步驟s2022；且迭代步數加1；

本發明在接收端利用基於門限的mpa算法進行多用戶聯合解碼，能夠及時解碼置信度高的碼字，同時也能及時捨棄置信度低的碼字，從而避免了原始mpa中不管碼字置信度造成的多餘的消息更新，如圖2所示，有效地降低了算法複雜度。