多維Star-QAM星座優(yōu)化的SCMA碼本

張 麗

（西華大學(xué)理學(xué)院，成都 610039）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和大規(guī)模機(jī)式通信（mMTC）設(shè)備［1］應(yīng)用的快速擴(kuò)展，支持依賴于第四代（4G）長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）［2］繼承的物理層解決方案的通信設(shè)備具有挑戰(zhàn)性。由于第5 代（5G）和第6 代（6G）通信中頻譜稀少且擁擠，正交多址（OMA）可能不適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求。為了實(shí)現(xiàn)更高層次的連通性和頻譜效率［3］，非正交多址技術(shù)（NOMA）被認(rèn)為是一種很有前途的技術(shù)。因此，提出了非正交多址技術(shù)之一的稀疏碼多址（SCMA）［4］。

與通過(guò)預(yù)先分配的資源元素（REs）重復(fù)傳輸特定星座的低密度簽名（LDS）方案相比，SCMA方案將信息位映射到在預(yù)先分配的REs［5］上的多維星座，以最大限度地提高碼字對(duì)的最小歐氏距離。因此，SCMA 具有更好的符號(hào)映射多樣性增益［6］。同時(shí)，受益于組合調(diào)制和擴(kuò)展過(guò)程［7］，SCMA以更高的系統(tǒng)復(fù)雜度為代價(jià)，獲得了比其他的CD-NOMA 技術(shù)更好的誤差性能，因此SCMA碼本的設(shè)計(jì)尤為重要。

如今，碼本的設(shè)計(jì)仍然是一個(gè)開放性的問(wèn)題，目前已經(jīng)有多種次優(yōu)碼本的設(shè)計(jì)，但是并未有最優(yōu)的碼本。Liu 等［8］提出了一種將上行無(wú)線通信的稀疏碼多交調(diào)幅（QAM）劃分為多個(gè)子集，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化后的稀疏碼多址（SCMA）碼本的優(yōu)化設(shè)計(jì)。Mheich 等［9］使用黃金角調(diào)制（GAM）點(diǎn)來(lái)構(gòu)造上行和下行稀疏碼多址（SCMA）系統(tǒng)的碼本，在下行鏈路中，使用GAM 的點(diǎn)集為SCMA碼本構(gòu)建一個(gè)多維母星座，而在上行鏈路中，GAM 的點(diǎn)集被直接映射到用戶碼本。Zhang等［10］提出了一種構(gòu)造下行稀疏碼多址（SCMA）系統(tǒng)碼本的方法，每個(gè)子信道的碼本都是基于最常用的QAM 調(diào)制的，同時(shí)用低誤差概率準(zhǔn)則來(lái)衡量信道在高斯信道和瑞利衰落信道中的SCMA碼本性能。Li 等［11］提出了一種新的 SCMA 碼本，它展示了不同用戶之間的功率不平衡的下行傳輸，基于Star-QAM 母星座結(jié)構(gòu)，并借助遺傳算法，對(duì)所提出的碼本的最小歐氏距離（MED）和最小乘積距離（MPD）進(jìn)行了優(yōu)化。Yu 等［12］提出了一種基于星形正交振幅調(diào)制（Star-QAM）信號(hào)星座的SCMA碼本設(shè)計(jì)方法。基于四環(huán)Star-QAM信號(hào)星座的MC 設(shè)計(jì)方案，驗(yàn)證當(dāng)內(nèi)半徑之比為0.63且內(nèi)外半徑之比為1/3時(shí)，碼本性能最優(yōu)。

本文在四環(huán)Star-QAM 信號(hào)星座上，再增加了一組內(nèi)外圓環(huán)，同時(shí)將三組內(nèi)外半徑比設(shè)置為1/3，外部半徑加入旋轉(zhuǎn)參數(shù)，三組內(nèi)半徑為尺寸優(yōu)化參數(shù)，利用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法（MOPSO）［13］，最大化最小歐氏距離（MED）和最小乘積距離（MPD），從而求解出相關(guān)參數(shù)構(gòu)造用戶碼本。仿真結(jié)果表明該碼本較之前碼本相比誤碼率得到一定控制。

1 SCMA系統(tǒng)介紹與碼本設(shè)計(jì)

1.1 SSCCMMAA系統(tǒng)介紹

考慮一個(gè)下行鏈路SCMA 系統(tǒng)，其中基站發(fā)射機(jī)同時(shí)與共享K個(gè)資源節(jié)點(diǎn)的J個(gè)用戶進(jìn)行通信，定義系統(tǒng)的過(guò)載因子λ=(JK) ＞ 1。不同于低密度簽名（LDS），映射器和擴(kuò)展程序在SCMA 中被合并在一起，一個(gè)SCMA 編碼器直接將輸入的log2M位比特流映射到一個(gè)大小為M的K維復(fù)數(shù)星座X，然后疊加J個(gè)用戶的碼字進(jìn)行傳輸。在接收端接收到的信號(hào)向量y=(y1,y2,…,yK)T可以表示為

其中：h=(h1,h2,…,hK)T表示發(fā)射機(jī)到用戶的信道向量，且滿足hk～CN(0,1)，diag(.)表示對(duì)角化向量，xj=(x1,j,x2,j,…,xK,j)T表示從碼本Xj中選擇的用戶j的K維復(fù)數(shù)碼字，其中1 ≤j≤J。n=(n1,n2,…,nK)T表示均值為零和方差為δ2IK加性高斯白噪聲（AWGN）向量［14］。

圖1 SCMA下行鏈路模型圖

1.2 碼本設(shè)計(jì)

在SCMA 信號(hào)的發(fā)送端，SCMA 編碼器執(zhí)行將q=log2M編碼位的信息映射為大小為M的K維復(fù)數(shù)碼本，該定義為

其中：b表示輸入信道編碼比特，x∈X?Ck是一個(gè)K維復(fù)數(shù)碼字的稀疏向量，其中||X||=M。

本文通過(guò)直接構(gòu)造子星座來(lái)獲得SCMA 用戶碼本，具體步驟如下：

（1）構(gòu)造子星座S1,S2,S3,大小均為1 ×M；

（2）根據(jù)因子圖矩陣FK×J將S1,S2,S3分配到因子圖矩陣的非零元素位置，將大小與子星座相同的零向量分配到因子圖的零元素位置，從而獲得用戶碼本。

1.3 最小歐氏距離和最小乘積距離

在SCMA 系統(tǒng)中，J個(gè)用戶的碼本在K個(gè)資源塊上同時(shí)傳輸形成疊加碼字，構(gòu)成有MJ個(gè)疊加碼字的疊加星座V。最小歐氏距離Emin是MJ個(gè)疊加碼字之間MJ(MJ-1)種距離中的最小值，它是高斯信道下誤碼率性能的關(guān)鍵指標(biāo)，可表示為

其中第n個(gè)疊加碼字x(n)表示為

在瑞利衰落信道下，最小乘積距離Pmin是主要的性能指標(biāo)。計(jì)算包含所有J個(gè)用戶碼本的Pmin如下：

2 下行瑞利衰落信道下SCMA 的碼本設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 SSCCMMAA碼本設(shè)計(jì)

在本文中，首先參照文獻(xiàn)［12］中的結(jié)論，將三組內(nèi)外環(huán)半徑比值設(shè)置為13，構(gòu)造三個(gè)子向量a1=(-3*R1,-R1,R1,3*R1)，a2=(-3*R2,-R2,R2,3*R2)，a3=(-3,-1,1,3)。其次對(duì)三個(gè)子向量的外環(huán)引入旋轉(zhuǎn)參數(shù)，增加自由度，三個(gè)子向量表示為A1=(-3*R1*b0,-R1,3*R1*b0)，A2=(-3*R2*b0,-R2,R2,3*R2*b0)，A3=(-3*b0,-1,1,3*b0)，其 中b0=ei*2*π*α。再 對(duì)A1,A2,A3各自進(jìn)行整體的旋轉(zhuǎn)操作形成三個(gè)子星座S1=b1*A1，S2=b2*A2，S3=b3*A3，其 中b1=最后，根據(jù)因子圖矩陣F確定非零向量和零向量的位置，根據(jù)簽名矩陣S確定三個(gè)子星座的分配，本文的因子圖矩陣F、簽名矩陣S和文獻(xiàn)［11］中的因子圖矩陣、簽名矩陣相同。為了降低碼本的平均峰值功率比（PAPR），對(duì)用戶碼本按照文獻(xiàn)［15］的規(guī)則進(jìn)行交織操作。本文的資源塊數(shù)量為4，用戶數(shù)量為6，用戶碼本大小為4 × 4，則用戶1的碼本可表示為

類似地，我們能獲得其余的用戶碼本。

2.2 下行瑞利衰落信道下碼本優(yōu)化

在下行瑞利衰落信道下，以最大化最小歐氏距離Emin和最小乘積距離Pmin為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化函數(shù)如下：

最終根據(jù)多目標(biāo)的粒子群優(yōu)化算法得出結(jié)果，如圖2所示。

圖2 下行瑞利信道下粒子群算法優(yōu)化圖

通過(guò)圖2 可知，經(jīng)過(guò)100 次迭代之后，精英庫(kù)中有兩組帕累托（Pareto）解［13］。這兩組解則構(gòu)成全局最優(yōu)解集，最優(yōu)解有相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值。

3 仿真結(jié)果

本文對(duì)多維星形正交振幅調(diào)制星座優(yōu)化的SCMA 碼本進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，將其命名為Prop 碼本。將 Prop 碼本與 Star-QAM 碼本［12］、DEMC 碼本［16］進(jìn)行比較，為了便于比較，將三種碼本的平均能量都定為1，具體情況見表1。考慮多維圓環(huán)半徑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，Pareto 解2 的半徑參數(shù)太過(guò)于接近，不符合設(shè)計(jì)要求，因此舍去，最終選取 Pareto 解 1（R1=1.35,R2=1.50,θ1=0.30,θ2=0.58,θ3=0.85,α=0.03）作為目標(biāo)解。

表1 不同碼本比較

在高斯信道和下行瑞利衰落信道下，對(duì)Prop 碼本與 Star-QAM 碼本、DEMC 碼本進(jìn)行BER 性能優(yōu)劣比較，相關(guān)的仿真參數(shù)見表2。根據(jù)圖3 的仿真結(jié)果所示，在高斯信道下，當(dāng)BER=1e-4 時(shí)，Prop碼本相比 Star-QAM碼本有1 db 性能增益，相比于DEMC 碼本有3 db 性能增益。在下行瑞利衰落信道下，當(dāng)BER=1e-3 時(shí)，Prop 碼本相比 Star-QAM 碼本、DEMC碼本分別有0.5 db和5 db的性能增益。

表2 碼本仿真參數(shù)

圖3 碼本誤碼率比較

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的多維Star-QAM 星座SCMA 碼本設(shè)計(jì)，通過(guò)引入新的半徑參數(shù)、外環(huán)旋轉(zhuǎn)算子參數(shù)以及子向量的旋轉(zhuǎn)算子參數(shù)，增加自由度。再以最大化最小歐式距離和最小乘積距離為目標(biāo)函數(shù)，在多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法的幫助下，找出符合要求的目標(biāo)解，從而求出用戶碼本。仿真結(jié)果顯示，本文構(gòu)造的碼本在誤碼率性能上相比之前的碼本有所提高。