基于V‑BLAST编码方式的MIMO‑SCMA系统上行链路构架方法，属于多收多发信息传输系统构架领域。本发明克服了原有SCMA系统多用户间非正交性和软解码方式的限制，而将SCMA与MIMO技术相互融合的方法。本发明设定MIMO‑SCMA系统中每个用户有两根发射天线，将要发送的信息比特序列串并转换为两路，然后分别进行1/2码率的卷积码编码，之后进行交织；根据SCMA码本进行SCMA映射，得到每个用户要发送的信息，按映射矩阵F将所有用户发送的信息调制到子载波上，完成调制编码；信息由天线发送，经过信道后，由基站的两根天线接收并通过最小均方误差方法进行检测。本发明具有信息传输速率高、频谱效率高的优点。
1.基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路构架方法，其特征在于：所述构架方法通过以下步骤实现：步骤一、设定MIMO-SCMA系统具有J个用户，每个用户具有两根发射天线，将每个用户要发送的信息比特序列串并转换为两路，其过程为，采用V-BLAST编码方式，MIMO-SCMA系统中第j个用户的信息比特序列经过串并转换为： 和 其中，0≤j≤J-1，J表示用户总数； 和 表示信息向量中的元素，其中1≤P≤N，P用来区分向量中的元素；j表示不同的用户；N表示串并转换之后序列的长度；
步骤二、将每个用户的两路信息比特序列分别进行1/2码率的卷积码编码，之后进行交织；
步骤三、根据SCMA码本，对发送信息比特进行SCMA映射，得到每个用户要发送的信息，然后按照映射矩阵F将所有用户发送的信息调制到子载波上，完成调制编码，其过程为，步骤三一、依据：g: 将QAM调制方式的星座点扩展到多维，完成码本的设计；其中，K表示系统的资源数，即SCMA的子载波数；表示发送信息的二进制集合；C为有理数集合； 表示基础调制的星座点集， 包含16个星座点；
步骤三二、设 W＝M/S，交织后的第j个用户的两路比特序列分别通过公式和 获得经SCMA映射后的两路复用信号： 和 0≤w≤W-1；其中， 和 分别表示
经SCMA调制前的第Sw+e个数据比特，e为整数且0≤e≤S-1；上标T表示转置运算； 和分别表示 和 中调制到第K个子载波上的符号；
步骤三三、步骤二交织后的两路比特序列分别进入SCMA编码器，之后在QAM调制方式下，依据步骤三一设计的码本映射到子载波上，则用户j的两路信号 和 被分散到不同子载波上，用户j的两路信号 和 中，特定用户只占有少量子载波；且映射矩阵F每一行表示一个子载波，每一列表示一个用户；当子载波被一个用户占用时，在映射矩阵F中的相应位置为1，否则为0；
所述用户j的两路信号 和 被分散到不同子载波上，用户j的两路信号 和 中，特定用户只占有少量子载波，所述子载波的资源分配情况利用映射矩阵F表示为：其中，映射矩阵F中，子载波的个数为4个，每个用户都将信息调制到4个子载波中的2个子载波上，每个子载波上调制3个用户的信息，且3个用户发送的信息对应的码本中，每两个相邻码本的平面矩阵在顺时针方向上具有15°的角度差；
步骤四、每个用户的信息经步骤三调制编码后由两根天线发送，经过信道之后的信息由基站的两根天线接收，并通过最小均方误差方法对接收到的信息进行检测，其过程为，步骤四一、步骤三中SCMA编码器中调制编码完成后，每个用户发送的两路信息经由两个天线发射，在信道中所有用户发送的信息经过衰减后叠加起来，在基站处和噪声一起被接收，设占用的子载波资源数为T，则过载系数r＝J/T，接收到的信号表示为：其中， s取1或2，t取1、2、3或4，H表示信道矩阵，表明信息传输过程中的衰减，且在上行链路中不同用户的信道矩阵互不相同；n表示随机噪声，遵从复数域上的高斯分布；
步骤四二、基站的两根天线接收到信号后，采用最小均方误差检测方法进行信号检测从而确定所发送的数据流：(一)、在最小均方误差检测方法的准则下求最佳线性变化G，使得均方误差代价函数最小；其中，均方误差代价函数为：HJ(G)＝E[(X-GY)T(X-GY)]；
此时发送信号记为X，接收信号记为Y，误差向量的协方差矩阵为：
cov(X-GY)＝E[(X-GY)(X-GY)T]；
(二)、令 则求得满足最小均方误差检测方法准则的线性算子：
其中， 表示噪声方差，I为单位矩阵；HH表示H的共轭转置；
(三)、对线性算子表达式做线性变换得到发送信号X的估计值：
(四)、再经并串转换，恢复出经过SCMA编码器调制编码后的数据 和至此，完成基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路架构设计过程。
2.根据权利要求1所述基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路构架方法，其特征在于：步骤二所述将每个用户的两路信息比特序列分别进行1/2码率的卷积码编码，之后进行交织的过程为，步骤二一、每个用户的两路信息比特序列首先通过卷积码编码操作得到序列：和 即通过添加冗余的方式来纠正信号传输过程中产生的
随机错误；其中， 和 分别表示序列bj和bj′中的第m个比特，m为整数且1≤m≤M；
步骤二二、然后通过对编码后的信息比特序列进行交织来对抗传输过程中产生的突发性错误；其中，交织后的比特序列分别表示为： 和 其中，和 分别为序列cj和cj′中的第m个比特，m为整数且1≤m≤M；
3.根据权利要求1或2所述基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路构架方法，其特征在于：所述子载波为正交子载波。
基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路构架方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路构架方法。
背景技术
[0002] SCMA，SCMA(Sparse Code Multiple Access)稀疏码多址接入技术，是一种新型的非正交多址接入方式，是华为针对高频谱利用效率而提出的一种高速传输技术，该空口技术已被列为5G移动通信候选标准，相比于传统的多址接入技术，它具有容量高时延小传输速率快等优点，抗多径能力强，同时也克服了CDMA远近效应的不足。SCMA与OFDM相比，频谱效率有了很大的提升，但由于星座点更为密集，从而造成了一定程度上的误码率的下降。而且SCMA系统难以利用空域资源，从而限制了系统性能的提升。
[0003] MIMO技术是4G移动通信的核心技术之一，但MIMO-OFDM系统虽然相比于前几代移动通信系统已经能够较好地提升频谱利用率，但依旧难以满足5G对于传输速率的要求。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为了解决现有稀疏码多址接入系统传输速率低、频谱效率低的问题，而提出一种基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路构架方法。
[0005] 一种基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路构架方法，所述构架方法通过以下步骤实现：
[0006] 步骤一、设定MIMO-SCMA系统具有J个用户，每个用户具有两根发射天线，将每个用户要发送的信息比特序列串并转换为两路；
[0007] 步骤二、将每个用户的两路信息比特序列分别进行1/2码率的卷积码编码，之后进行交织；
[0008] 步骤三、根据SCMA码本，对发送信息比特进行SCMA映射，得到每个用户要发送的信息，然后按照映射矩阵F将所有用户发送的信息调制到子载波上，完成调制编码；
[0009] 步骤四、每个用户的信息经步骤三调制编码后由两根天线发送，经过信道之后的信息由基站的两根天线接收，并通过最小均方误差方法对接收到的信息进行检测；
[0010] 至此，完成基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路架构设计过程。
[0011] 本发明的有益效果为：
[0012] 本发明中提出的MIMO-SCMA系统，首先将要发送的数据信息串并转换为两路，从而达到同时发送两路信息的复用的效果，再将每个用户的两路数据分别进行1/2码率的卷积码编码，之后进行交织。采用16QAM调制方式，按照映射矩阵将用户发送的信息调制到子载波上，最后由两根天线发送，经过信道之后的信息由基站的两根天线接收，并通过最小均方误差方法对接收到的信息进行检测。克服了SCMA中多用户的非正交性以及软解码方式所带来的限制，将MIMO技术和SCMA技术结合起来，设计了基于V-BLAST编码技术的全新MIMO-SCMA物理层上行系统架构，在负载系数是1.5倍并且同时采用两根天线复用发射信息的情况下，能将误码率保持在允许的范围内，相对于原有OFDM系统频谱效率提升3倍左右。充分地利用了空间资源，并成倍地提高了系统传输速率和信道容量，突出其优越的传输优势。
附图说明
[0013] 图1为本发明的流程图；
[0014] 图2为本发明涉及的MIMO-SCMA系统上行链路构架图；
[0015] 图3为本发明实施例1涉及的第一组码本角度差示意图；
[0016] 图4为本发明实施例1涉及的第二组码本角度差示意图；
[0017] 图5为本发明仿真实验涉及的MIMO-OFDM、SCMA、MIMO-SCMA技术误码率性能对比示意图；
具体实施方式
[0018] 具体实施方式一：
[0019] 本实施方式的基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路构架方法，结合图1所示，所述构架方法通过以下步骤实现：
[0020] 步骤一、设定MIMO-SCMA系统具有J个用户，每个用户具有两根发射天线，将每个用户要发送的信息比特序列串并转换为两路，从而达到由一路信息变成两路信息的复用效果；其中，MIMO-SCMA系统即多天线稀疏码多址接入系统；
[0021] 步骤二、将每个用户的两路信息比特序列分别进行1/2码率的卷积码编码，之后对编码后的信息比特序列进行交织；
[0022] 步骤三、根据SCMA码本，对发送信息比特进行SCMA映射，得到每个用户要发送的信息，然后按照映射矩阵F将所有用户发送的信息调制到子载波上，完成调制编码；
[0023] 步骤四、每个用户的信息经步骤三调制编码后由两根天线发送，经过信道之后的信息由基站的两根天线接收，并通过最小均方误差方法对接收到的信息进行检测；
[0024] 至此，完成基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路架构设计过程；其中，V-BLAST编码方式即为垂直分层空时码编码方式；MIMO-SCMA系统表示多天线稀疏码多址接入。
[0025] 在对接收到的信息进行检测过程涉及的检测方法有最大似然检测方法、迫零检测方法和最小均方误差方法，最大似然检测方法性能最优但运算量过大，迫零检测方法虽然简单但没有考虑背景噪声，从而检测的同时放大了噪声，因此采用性能和复杂度较均衡的最小均方误差方法进行信号检测。
[0026] 具体实施方式二：
[0027] 与具体实施方式一不同的是，本实施方式的基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路构架方法，步骤一所述将每个用户要发送的信息比特序列串并转换为两路的过程为，采用V-BLAST编码方式，MIMO-SCMA系统中第j个用户的信息比特序列经过串并转换为： 和 这两路信息分别通过两根天线发送，从而实现由一路信息变为两路信息的复用效果；其中，0≤j≤J-1，J表示用户总数； 和 表示信息向量中的元素，其中1≤j≤N；j表示不同的用户；N表示帧长，用来区分向量中的元素。
[0028] 具体实施方式三：
[0029] 与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路构架方法，步骤二所述将每个用户的两路信息比特序列分别进行1/2码率的卷积码编码，之后对编码后的信息比特序列进行交织的过程为，
[0030] 步骤二一、每个用户的两路信息比特序列首先通过卷积码编码操作得到：和 即通过添加冗余的方式来纠正信号传输过程中产生的
随机错误；其中，FEC信道编码即为前向纠错码编码操作；其中， 和 分别表示序列bj和bj′中的第m个比特，m为整数且1≤m≤M；M表示帧长；
[0031] 步骤二二、然后通过对编码后的信息比特序列进行交织来对抗传输过程中产生的突发性错误；其中，交织后的比特序列分别表示为： 和 其中， 和 分别为序列cj和cj′中的第m个比特，m为整数且1≤m≤M；M表示帧长；
[0032] 其中，M表示编码序列长度，且码率R＝M/N。
[0033] 具体实施方式四：
[0034] 与具体实施方式三不同的是，本实施方式的基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路构架方法，步骤三所述按照映射矩阵F将所有用户发送的信息调制到子载波上的过程为，
[0035] 步骤三一、依据： 将QAM调制方式的星座点扩展到多维以获得最大的编码增益，完成码本的设计；其中，K表示系统的资源数，即SCMA的子载波数； 表示发送信息的二进制集合；C为有理数集合； 表示基础调制的星座点集，对于16QAM调制来说，包含16个星座点；
[0036] 步骤三二、设 W＝M/S，交织后的第j个用户的两路比特序列分别通过公式 和 获得经SCMA映射后的两路复用信号： 和 其中， 和 分
别表示经SCMA调制前的第Sw+e个数据比特，e为整数且0≤e≤S-1；上标T表示转置运算；
和 分别表示 和 中调制到第K个子载波上的符号；
[0037] 步骤三三、步骤二交织后的两路比特序列分别进入SCMA编码器，之后在QAM调制方式下，依据步骤三一设计的码本映射到子载波上，则用户j的两路信号 和 被分散到不同子载波上，根据系统的稀疏性，用户j的两路信号 和 中，一部分符号为0；特定用户只占有少量子载波；且映射矩阵F是一个SCMA系统的示例，映射矩阵F每一行表示一个子载波，每一列表示一个用户；当子载波被一个用户占用时，在映射矩阵F中的相应位置为1，否则为0，如这个例子中用户1占用前两个子载波，而用户2占用第一个和第三个子载波。另外，码本的设计决定了相应的子载波上传输的符号序列。
[0038] 具体实施方式五：
[0039] 与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路构架方法，步骤四所述每个用户的信息经步骤三调制编码后由两根天线发送，经过信道之后的信息由基站的两根天线接收，并通过最小均方误差方法对接收到的信息进行检测的过程为，
[0040] 步骤四一、步骤三中SCMA编码器中调制编码完成后，每个用户发送的两路信息经由两个天线发射，在信道中所有用户发送的信息经过衰减后叠加起来，在基站处和噪声一起被接收，设占用的子载波资源数为T，则过载系数r＝J/T，接收到的信号表示为：
[0041]
[0042]
[0043] 其中， s取1或2，t取1、2、3或4，H表示信道矩阵，表明信息传输过程中的衰减，且在上行链路中不同用户的信道矩阵互不相同；n表示随机噪声，遵从复数域上的高斯分布；
[0044] 步骤四二、基站的两根天线接收到信号后，采用最小均方误差检测方法进行信号检测从而确定所发送的数据流：
[0045] (一)、在最小均方误差检测方法的准则下求最佳线性变化G，使得均方误差代价函数最小；其中，均方误差代价函数为：
[0046] HJ(G)＝E[(X-GY)T(X-GY)]；
[0047] 此时发送信号记为X，接收信号记为Y，误差向量的协方差矩阵为：
[0048] cov(X-GY)＝E[(X-GY)(X-GY)T]；
[0049] (二)、令 则求得满足最小均方误差检测方法准则的线性算子：
[0050]
[0051] 其中， 表示噪声方差，I为单位矩阵；HH表示H的共轭转置；
[0052] (三)、对线性算子表达式做线性变换得到发送信号X的估计值：
[0053]
[0054] (四)、再经并串转换，恢复出经过SCMA编码器调制编码后的数据 和[0055] 具体实施方式六：
[0056] 与具体实施方式五不同的是，本实施方式的基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路构架方法，步骤三三所述用户j的两路信号 和 被分散到不同子载波上，由于系统的稀疏性，用户j的两路信号 和 中一部分符号为0，特定用户只占有少量子载波，所述子载波的资源分配情况利用映射矩阵F表示为：
[0057]
[0058] 其中，映射矩阵F中，子载波的个数为4个，每个用户都将信息调制到4个子载波中的2个子载波上，每个子载波上调制3个用户的信息，且3个用户发送的信息对应的码本中，每两个相邻码本的平面矩阵在顺时针方向上具有15°的角度差，以更好地区分不同用户发送的信息。
[0059] 具体实施方式七：
[0060] 与具体实施方式一、二、四或六不同的是，本实施方式的基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路构架方法，所述子载波为正交子载波。
[0061] 实施例1：
[0062] MIMO-SCMA发射机的结构如图2所示，
[0063] 步骤一、设定MIMO-SCMA系统具有6个用户，每个用户具有两根发射天线，采用V-BLAST编码方式，MIMO-SCMA系统中第j个用户的信息比特序列经过串并转换为两路：和 这两路信息分别通过两根天线发送，从而实现由一路
信息变为两路信息的复用效果；其中，0≤j≤J-1，J表示用户总数； 和 表示信息向量中的元素；j表示不同的用户；N表示帧长，用来区分向量中的元素；
[0064] 步骤二、每个用户的两路信息比特序列首先通过FEC信道编码操作，进行1/2码率的卷积码编码，编码比特序列分别表示为： 和 即通过添加冗余的方式来纠正信号传输过程中产生的随机错误生的随机错误；其中，FEC信道编码即为前向纠错码编码操作；然后通过对编码后的信息比特序列进行交织来对抗传输过程中产生的突发性错误，且交织后的码比特序列分别表示为： 和
[0065] 其中，M表示编码序列长度，且码率R＝M/N；
[0066] 步骤三、依据： 将QAM调制方式的星座点扩展到多维以获得最大的编码增益，完成码本的设计；其中，K表示系统的资源数，即OFDMA的正交子载波数；表示发送信息的二进制集合；C为有理数集合； 表示基础调制的星座点集，对于16QAM调制来说， 包含16个星座点；
[0067] 设 W＝M/S，分别通过应用公式 和获得第j个用户的两路复用信号： 和
其中0≤w≤W-1；
[0068] 步骤二交织后的两路比特序列分别进入SCMA编码器，之后在QAM调制方式下，依据设计的码本映射到正交子载波上，则用户j的两路信号 和 被分散到不同正交子载波上，根据系统的稀疏性，用户j的两路信号 和 中，一部分符号为0；特定用户只占有少量正交子载波；所述子载波的资源分配情况利用映射矩阵F表示为：
[0069]
[0070] 其中，映射矩阵F中，子载波的个数为4个，每个用户都将信息调制到4个子载波中的2个子载波上，每个子载波上调制3个用户的信息，且3个用户发送的信息对应的码本中，每两个相邻码本的平面矩阵在顺时针方向上具有15°的角度差，以区分不同用户发送的信息；其中，每个子载波上调制的3个用户的数据对应的码本具体如图3和图4所示；
[0071] 且映射矩阵F是一个SCMA系统的示例，映射矩阵F每一行表示一个正交子载波，每一列表示一个用户；当正交子载波被一个用户占用时，在映射矩阵F中的相应位置为1，否则为0，如这个例子中用户1占用前两个正交子载波，而用户2占用第一个和第三个正交子载波。另外，码本的设计决定了相应的正交子载波上传输的符号序列；
[0072] 步骤四、SCMA编码器中调制编码完成后，每个用户发送的两路信息经由两个天线发射，在信道中所有用户发送的信息经过衰减后叠加起来，在基站处和噪声一起被接收，设占用的正交子载波资源数为T，则过载系数r＝J/T，接收到的信号表示为：
[0073]
[0074]
[0075] 其中， s取1或2，t取1、2、3或4，H表示信道矩阵，表明信息传输过程中的衰减，且在上行链路中不同用户的信道矩阵互不相同；n表示随机噪声，遵从复数域上的高斯分布；
[0076] 基站的两根天线接收到信号后，
[0077] (一)、在最小均方误差检测方法的准则下求最佳线性变化G，使得均方误差代价函数最小；其中，均方误差代价函数为：
[0078] HJ(G)＝E[(X-GY)T(X-GY)]；
[0079] 此时发送信号记为X，接收信号记为Y，误差向量的协方差矩阵为：
[0080] cov(X-GY)＝E[(X-GY)(X-GY)T]；
[0081] (二)、令 则求得满足最小均方误差检测方法准则的线性算子：
[0082]
[0083] 其中， 表示噪声方差，I为单位矩阵；HH表示H的共轭转置；
[0084] (三)、对线性算子表达式做线性变换得到发送信号X的估计值：
[0085]
[0086] (四)、再经并串转换，恢复出经过SCMA编码器调制编码后的数据 和 从而确定所发送的数据流：
[0087] 至此，完成基于V-BLAST编码方式的MIMO-SCMA系统上行链路架构设计过程；其中，V-BLAST编码方式即为垂直分层空时码编码方式。
[0088] 仿真效果：
[0089] 本发明中提出的MIMO-SCMA系统可以有效的提升频谱效率，在负载系数为1.5发射接收天线数为2×4情况下，相对于OFDM系统提升了3倍频谱效率，相对于SCMA系统提升了2倍的频谱效率，只是会在允许的范围内影响误码率性能。在瑞利衰落信道下通过消息传递算法进行解码，得到基站处误码率性能如下：仿真中的MIMO-OFDM和MIMO-SCMA系统采用同样的天线数为2×4的V-BLAST编码方案，由图5所示的仿真结果可以看出，虽然牺牲了部分误码率性能，但相比MIMO-SCMA系统，对频谱效率展现出更大的提升能力，具有极其重大的利用潜力。
[0090] 本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
