一种基于置信度稳定性的SCMA多用户检测算法
第46卷 第1期2019年1月
计算机科学COM PU T ER SCIENCE
Vol .46No .1Jan .2019
到稿日期：2017-12-21 返修日期：2018-03-23 本文受国家高技术研究发展计划项目（2015A A 01A 704），上海市自然科学基金（15ZR 1447600），中国科学院重点部署项目（KG FZD -135-18-013，Y T ）资助。
李 茂（1990－），男，硕士生，主要研究方向为稀疏扩频通信，E -mail ：limao 693＠sina .com ；周志刚（1974－），男，博士，研究员，主要研究方向为
毫米波高速通信，E -mail ：zhigang .zhou ＠mail .sim .ac .cn （通信作者）；王 涛（1991－），男，硕士生，主要研究方向为波束赋形。
一种基于置信度稳定性的ＳＣＭＡ多用户检测算法
李 茂
1，2
周志刚1 王 涛
1，2
（中国科学院上海微系统与信息技术研究所 上海200050）1
（中国科学院大学 北京100049）
2
摘 要 稀疏码分多址（即非正交多址）（Sparse Code M ultiple Access ，SCM A ）技术，具有在有限频谱资源下过载通信的特点，能够显著提升频谱利用率。得益于稀疏码分多址码本的稀疏性，消息传递算法（M essage Passing Algorithm ，M PA ）成为经典多用户检测算法。在传统M PA 方法中，尽管与最大似然译码具有相近的误比特率（Bit Error Ratio ，
BER ）性能，但指数运算的复杂度仍然很高。据此，设计一种基于置信度的动态边缘选择更新方法，以减少不必要的节点运算。每次迭代中，利用因子图模型中功能节点到变量节点的置信度稳定性信息，动态判定是否需要节点更新运
算。仿真结果表明，动态边缘选择方案使得算法的复杂度得到显著降低，并且能够与BER 取得良好的均衡。关键词 稀疏码分多址，消息传递算法，动态边缘选择，置信度传播
中图法分类号 T N 929.5 文献标识码 A ＤＯＩ 10.11896／j .issn .1002-137X .2019.01.021
ＭｕｌｔｉｕｓｅｒＤｅｔｅｃｔｉｏｎＳｃｈｅｍｅｆｏｒＳＣＭＡＳｙｓｔｅｍｓＢａｓｅｄｏｎＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＢｅｌｉｅｆＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ
LI Mao 1，2 ZHOU Zhi -g ang 1 WANG Tao 1，
2
（Shanghai Institute of Microsystem and Information T echnology ，Chinese Academy of Sciences ，Shanghai 200050，China ）1
（U niversity of Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100049，China ）2
Ａｂｓｔｒａｃｔ The main feature of sparse code multiple access ，i .e .，non -orthogonal multiple access ，is supported by over -loaded connection with limited resources ，which can greatly improve the spectrum utilization .Thanks to the sparsity of the SCM A codebook sets ，M PA becomes a basic receiver decoding algorithm .Although there exists a similar bit error
ratio （BER ）p erformance between the maximum likelihood （M L ）detection scheme and traditional M AP method ，the
complexity of the exponential calculation is still high .To further reduce the complexity problem ，a novel low -complexity detection algorithm based on dynamic edge selection strategy was proposed to reduce unnecessary node operation .In each iteration ，the belief propagation stability information of the function node to the variable node in the factor graph model is used to dynamically determine whether a node update operation is required .The simulation results show that
the complexity of the dynamic edge selection algorithm is significantly reduced ，and the BER can be well balanced .
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Sparse code multiple access ，Message passing algorithm ，Dynamic edge -selection ，Belief propagation
1 前言
随着移动和物联网（Internet of Things ，IoT ）设备数量呈指数型增长，未来5G 蜂窝网需要具备大规模连接、超密度及低延迟的特性，以完成对不同应用场景的支持［1］。现阶段4G 通信主要通过OFDM 与M IM O 联合调制的方式提高频谱利用率，但OFDM 本身的正交性及M IMO 天线技术在空间分集、复用和波束赋形3种模式的冲突，使其不具备过载通信的能力［2-3］。作为编码域非正交技术，稀疏码分多址在大规模连接和过载通信方面表现出巨大的优势，成为5G 空口技术的主要候选者之一［4］。
低密度签名（Low Density Signature ，LDS ）作为一种非正交技术，是CDM A 系统在增加低密度扩频序列后的演进技术，使过载率达到200％以上，并且使用迭代多用户检测方式来降低算法复杂度［5］。SCM A 的本质是基于LDS 和QAM 调制技术的联合改进，综合了LDS 的过载通信能力和QAM
的抗噪声性能［4，6］
。与LDS 技术的不同之处在于，SCM A 能
够将二进制比特流根据预定义码本直接编码映射至多维复数域［6］。将QAM 调制和LDS 扩频矩阵组合成多维星座码本的形式，使得SCM A 还能够提供额外的星座整型和编码增益，同时也为构建小尺寸星座图提供可能［7］。因此，参考LDS 稀疏矩阵解码方式，将消息传递算法作为多用户检测基
万方数据
一种基于置信度稳定性的SCMA多用户检测算法
第46卷 第1期2019年1月 计算机科学COM PU T ER SCIENCE Vol .46No .1Jan .2019 到稿日期：2017-12-21 返修日期：2018-03-23 本文受国家高技术研究发展计划项目（2015A A 01A 704），上海市自然科学基金（15ZR 1447600），中国科学院重点部署项目（KG FZD -135-18-013，Y T ）资助。 李 茂（1990－），男，硕士生，主要研究方向为稀疏扩频通信，E -mail ：limao 693＠sina .com ；周志刚（1974－），男，博士，研究员，主要研究方向为 毫米波高速通信，E -mail ：zhigang .zhou ＠mail .sim .ac .cn （通信作者）；王 涛（1991－），男，硕士生，主要研究方向为波束赋形。 一种基于置信度稳定性的ＳＣＭＡ多用户检测算法 李 茂 1，2 周志刚1 王 涛 1，2 （中国科学院上海微系统与信息技术研究所 上海200050）1 （中国科学院大学 北京100049） 2 摘 要 稀疏码分多址（即非正交多址）（Sparse Code M ultiple Access ，SCM A ）技术，具有在有限频谱资源下过载通信的特点，能够显著提升频谱利用率。得益于稀疏码分多址码本的稀疏性，消息传递算法（M essage Passing Algorithm ，M PA ）成为经典多用户检测算法。在传统M PA 方法中，尽管与最大似然译码具有相近的误比特率（Bit Error Ratio ， BER ）性能，但指数运算的复杂度仍然很高。据此，设计一种基于置信度的动态边缘选择更新方法，以减少不必要的节点运算。每次迭代中，利用因子图模型中功能节点到变量节点的置信度稳定性信息，动态判定是否需要节点更新运 算。仿真结果表明，动态边缘选择方案使得算法的复杂度得到显著降低，并且能够与BER 取得良好的均衡。关键词 稀疏码分多址，消息传递算法，动态边缘选择，置信度传播 中图法分类号 T N 929.5 文献标识码 A ＤＯＩ 10.11896／j .issn .1002-137X .2019.01.021 ＭｕｌｔｉｕｓｅｒＤｅｔｅｃｔｉｏｎＳｃｈｅｍｅｆｏｒＳＣＭＡＳｙｓｔｅｍｓＢａｓｅｄｏｎＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＢｅｌｉｅｆＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ LI Mao 1，2 ZHOU Zhi -g ang 1 WANG Tao 1， 2 （Shanghai Institute of Microsystem and Information T echnology ，Chinese Academy of Sciences ，Shanghai 200050，China ）1 （U niversity of Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100049，China ）2 Ａｂｓｔｒａｃｔ The main feature of sparse code multiple access ，i .e .，non -orthogonal multiple access ，is supported by over -loaded connection with limited resources ，which can greatly improve the spectrum utilization .Thanks to the sparsity of the SCM A codebook sets ，M PA becomes a basic receiver decoding algorithm .Although there exists a similar bit error ratio （BER ）p erformance between the maximum likelihood （M L ）detection scheme and traditional M AP method ，the complexity of the exponential calculation is still high .To further reduce the complexity problem ，a novel low -complexity detection algorithm based on dynamic edge selection strategy was proposed to reduce unnecessary node operation .In each iteration ，the belief propagation stability information of the function node to the variable node in the factor graph model is used to dynamically determine whether a node update operation is required .The simulation results show that the complexity of the dynamic edge selection algorithm is significantly reduced ，and the BER can be well balanced . Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Sparse code multiple access ，Message passing algorithm ，Dynamic edge -selection ，Belief propagation 1 前言 随着移动和物联网（Internet of Things ，IoT ）设备数量呈指数型增长，未来5G 蜂窝网需要具备大规模连接、超密度及低延迟的特性，以完成对不同应用场景的支持［1］。现阶段4G 通信主要通过OFDM 与M IM O 联合调制的方式提高频谱利用率，但OFDM 本身的正交性及M IMO 天线技术在空间分集、复用和波束赋形3种模式的冲突，使其不具备过载通信的能力［2-3］。作为编码域非正交技术，稀疏码分多址在大规模连接和过载通信方面表现出巨大的优势，成为5G 空口技术的主要候选者之一［4］。 低密度签名（Low Density Signature ，LDS ）作为一种非正交技术，是CDM A 系统在增加低密度扩频序列后的演进技术，使过载率达到200％以上，并且使用迭代多用户检测方式来降低算法复杂度［5］。SCM A 的本质是基于LDS 和QAM 调制技术的联合改进，综合了LDS 的过载通信能力和QAM 的抗噪声性能［4，6］ 。与LDS 技术的不同之处在于，SCM A 能 够将二进制比特流根据预定义码本直接编码映射至多维复数域［6］。将QAM 调制和LDS 扩频矩阵组合成多维星座码本的形式，使得SCM A 还能够提供额外的星座整型和编码增益，同时也为构建小尺寸星座图提供可能［7］。因此，参考LDS 稀疏矩阵解码方式，将消息传递算法作为多用户检测基 万方数据
SCMA系统多用户检测算法研究.doc
SCMA系统多用户检测算法研究 稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA),作为一个前景广阔的5G无线空口技术,是一种基于码本的频谱效率较优的非正交多址接入技术,现有的SCMA多用户检测算法主要是消息传递算法(Message Passing Algorithm,MPA),MPA算法是一种接近最优的最大后验概率检测算法性能的次优的多用户检测算法,该算法在迭代过程中,函数节点与变量节点的消息在因子图中并行传递,即首先更新函数节点消息,然后更新变量节点消息,本质上该算法是基于并行策略的思想。本文针对现有的SCMA系统接收端基于并行传递的MPA算法(Parallel MPA,PMPA)存在信息收敛不理想以及算法复杂度过高的问题,从提升误比特率(Bit Error Ratio,BER)性能和降低算法复杂度两个角度改进PMPA 算法,得到两类改进算法,即基于串行策略的MPA算法(Serial MPA,SMPA)和基于残差的动态消息调度策略的MPA算法(Residual Dynamic MPA,R-DMPA)。SMPA算法以函数节点或变量节点为序,具体地提出基于函数节点串行更新的MPA算法(Function Node Serial MPA,FN-SMPA)和基于变量节点串行更新的MPA算法(Variable Node Serial MPA,VN-SMPA),SMPA算法按串行方式进行消息更新与传递,保证更新消息能够立即进入当前迭代过程,改善了消息传递的收敛速 率;R-DMPA算法引入了残差的概念对节点更新的顺序进行排序,优先更新残差值大的节点消息,相较于PMPA和SMPA算法,R-DMPA算法的收敛速率更快,已更新的消息能够更快地融入到当前迭代过程。 仿真结果验证了EXIT图分析的正确性。最后通过外信息转移图(Extrinsic Information Transfer,EXIT)这一数学工具从理论上分析MPA算法的收敛特性。首先将SCMA接收机检测器分为函数节点译码器和变量节点译码器,然后给出译
DS_CDMA中经典多用户检测算法
信息科学 DS-CDMA中经典多用户检测算法 丁文秋 （南京信息职业技术学院，江苏南京210046） 引言 CDMA是在第三代移动通信系统中被广泛应用的一种多址技术，其最早是在军事通信领域为了抗干扰而诞生并且得到广泛研究的，它的主要原理是利用信号的正交性原理，通过相互正交或准正交的扩频码（Spreading Code），以及不同形状的码片（CHIPS）构建相互正交或准正交的特征信号（Sig-nature Waveform），用来作为各个用户数字信息的载体。CDMA信号中不同用户的信息相互叠加，占据相同的信号带宽。如果用户扩频码之间不能严格正交，则会引起用户间相互干扰，即“多址干扰MAI”，这也是CDMA系统的自干扰特性[1]。随着用户数增多，MAI将增大，接收机的误码率性能也会随之变差。多用户检测是一种从接收端设计入手的干扰抑制方法，主要作用是从各个用户信息相互叠加的信号中可靠地解调出部分或全部用户的信息。多用户检测技术是消除多址干扰，提高系统性能的有效方法。 1CDM A信号的模型 在对CDMA信号的研究中，通常用到离散CDMA信号模型，如下所示[1] (1) 式中，为每个码片持续时间T c内的信号构成的信号向量（N×1），S 为扩频码集矩阵（N×K）A为幅度对角矩阵diag （K×K）, 为系统中K个用户在同一比特持续时间内要传送的比特信息构成的向量(K×1)，为零均值，方差为的高斯随机向量（N×1）。 2最优多用户检测算法（ML） 不确定性最优多用户检测算法是1986年Verdu提出的最大似然（ML）多用户检测算法[1]。对于同步CDM A系统，接收信号的最佳解调向量如下表示: (2) 对于CDMA系统中同时传送信息的K个用户来说，每个用户传送信息b k的取值有＋1和－1两种可能，向量的组合有2k种，这种算法的目的就是要从2k种组合的用户信息向量中找出一种使似然函数最大的输出信息向量。使用该算法时，用户每发送一个比特信息，该算法的复杂度为。实际的CDMA系统具有相当庞大的活动用户数量，该算法的复杂度随用户数量的增加呈指数上涨，实际的系统中该算法运算的复杂度会使得系统难以忍受。 3解相关多用户检测算法(DEC) 多址干扰是由于不同用户的扩频码不能完全正交引起的[2]。抑制多址干扰的影响，去除所有用户扩频码之间的相关性，是解相关检测的基本思想。 考虑离散CDMA信号模型： 第一步，用转置后的扩频码集矩阵S左乘信 号Y得到匹配信号Z (3) 其中，叫做相关矩阵，第一步的处理实 质上就是对每个用户进行匹配的单用户检测。 第二步，对相关矩阵R求逆，得到R-1。 第三步，用R-1左乘第一步中得到的匹配信号 Z，并对结果进行判决： (4) (5) 由于需要计算相关矩阵的逆矩阵，使得解相 关多用户检测算法的计算复杂度达到了[3]。 4最小均方多用户检测算法(MM SE) 最小均方（M MSE）多用户检测算法同时考虑 了背景噪声和多址干扰，该多用户检测算法的实质 是使发送的信息与检测输出数据的均方误差最小， 即代价函数最小[4]，其检测过程如下： (6) 其中为相关矩阵，A为振幅矩阵， 为高斯白噪声的方差。将线性变换矩阵与匹配 滤波器组输出向量相乘得到最小均方误差检测器 输出，再对此输出进行判决 (7) (8) 和解相关多用户检测一样最小均方多用户检 测算法也需要计算相关矩阵的逆，在运算复杂度上 相对解相关多用户检测算法没有改变。 5连续干扰抵消多用户检测算法(SIC) 在CDM A通信系统中，干扰抵消是一种有效 的次最优抗干扰方法[5]，它属于非线性多用户检测 算法。干扰抵消的基本思路是分别估计每个用户产 生的多址干扰，接着减去所有的多址干扰，其中典 型的一种算法为迫零判决反馈多用户检测算法 （ZF-DF），其主要过程如下： 首先由于系统的相关矩阵R是正定的，对其 做QR分解R=M F，其中M是一个可逆阵，F为一 个下三角阵，对M矩阵求逆，得到M-1，用M-1做为 系统的白化噪声滤波器，过程如下： (9) 由上式的结果，可以看出，因为F是下三角矩 阵，所以第一个用户的比特信息不含多址干扰，可 以直接判决得出；第二个用户比特信息的多址干扰 只来自第一个用户相同时间发送的比特信息，所以 第二个用户只需要根据已判决出来的第一个用户 的比特信息进行串行干扰抵消，进而判决，便可以 得到自己的比特信息。 6并行干扰抵消多用户检测算法（PIC） 与连续干扰抵消多用户检测算法不同，并行 干扰抵消多用户检测算法并行地估计和去除所有 其他用户的多址干扰[6]。算法的基本思想是利用接 收信号的初始值(或前级)判决值，构造所有用户的 干扰信号，然后再同时并行从接收信号中抵消掉所 有用户的干扰。 这种多用户检 测算法通常具 有多级结构。并 行干扰抵消多 用户检测的第 m+1步计算输 出由第m步计 算结果输入而得到，具体计算过程可以用下式表 示： (10) 其中Z为匹配滤波器组的输出向量，R为相 关矩阵，I为单位矩阵。 性能仿真比较 本文对各种经典多用户检测算法进行性能比 较，仿真程序采用MATLAB，扩频码采用Walsh序 列，每个用户传100000个比特的信息，对用户比 特信息进行扩频后采用BPSK调制，然后发送在高 斯白噪声信道上传输，以图1中横坐标为系统中的 比特信噪比，单位为dB，纵坐标为用户1的误比特 率。其中PIC算法采用了2级的结构，SIC算法没 有对用户信号功率进行排序，而ZF-DF算法对用 户信号功率进行了排序，对功率大的信号先进行判 决。MMSE算法和ZF-DF算法中假设对幅度矩阵 A的估计都是准确的。从图1可以看出，对于 DS-CDMA系统若只做单用户匹配解调而不做多 用户检测,用户的误码性能将大大下降(图中最上方 的曲线),各种多用户检测算法均对用户的误码性能 有一定的增益。由于在仿真中MMSE算法假设振 幅估计和噪声功率估计都是准确的所以其性能最 佳,ZF-DF算法的性能稍逊色于MMSE算法。 结论 介绍了几种经典多用户检测算法，并对算法 的性能进行仿真比较，通过比较可以看出多用户检 测算法在误码率性能上比传统的匹配解调算法有 大幅度的提高，多用户检测是一种从接收端设计入 手的干扰抑制算法，是消除多址干扰，缓解远近效 应，提高系统性能的有效方法，在后3G，乃至4G系 统中必将会得到广泛的应用。 参考文献 [1]Verdu S.Multiuser detection[M]．Cambridge University Press,1998. [2]R.Kohno,M.Hatori,H.Imai.Cancellation tech- nique of co-channel interference in asynchronous spread spectrum multiple access systems[J].Elect. And Comma.In Japan,vol.66,1983:20-29. [3]Z.Xie,R.T.Short,C.K.Rushforth.A family of sub- optimum detectors for coherent multi-user com- munications[J].IEEE JSAC,vol.8,May1990: 683-690. [4]A.Klein,G.K.Kaleh,P.W.Baier. 摘要：多址干扰以及远近效应是影响DS-CDMA系统性能的两大关键问题。多用户检测是一种从接收端设计入手的干扰抑制方法，主要作用是从用户信息相互叠加的CDMA信号中可靠地解调出部分或全部用户的信息。多用户检测技术是消除多址干扰，缓解远近效应，提高系统性能的有效方法，本文介绍了几种经典的多用户检测算法，并通过仿真给出了所介绍的经典多用户检测算法的性能比较。 关键词：DS-CDMA；多址干扰；多用户检测 （下转37页）
CDMA扩频通信系统中多用户检测技术的研究【开题报告】
毕业设计开题报告 通信工程 CDMA扩频通信系统中多用户检测技术的研究 一、选题的背景与意义 近十几年移动通信的发展速度非常迅猛，移动通信的技术的发展速度和趋势达到了让人瞠目的境界。在信息化的时代公众对信息的需求越来越大,人们对通信业务和通信手段的要求趋向了更高层次。从20世纪80年代中期开始，数字移动通信系统进入发展和成熟期时期。 由于模拟蜂窝网的容量己经不能满足移动用户庞大数量日益增长的需求，于是出现了第二代移动通信系统。此后，用户对通信业务范围和业务速率的要求也在一步步地不断提升，现有的第二代移动通信网（主要GSM）很难满足新的业务需求。第三代(3G)移动通信系统就随着市场应运而生了。 CDMA（码分多址）技术作为第三代移动通信最重要的技术，它的发展越来越受到人们的关注。CDMA系统是一种成熟的无线通信系统，具有抗干扰、频带利用率高、保密性好、可多址复用等优点。在CDMA系统中，通过给每个用户分配特定的扩频码来区分用户信号，实现多址接入。但是，多径衰落环境下的CDMA系统中，多个用户随机接入以及各个用户扩频码间的互相关性，使得各用户的扩频码不能完全正交，于是由此引起了系统中的多址干扰（MAI）。多址干扰的存在会严重影响CDMA系统的性能和容量，因此，怎么样去抑制多址干扰，增加系统容量，改善系统的性能，变得十分迫切。 近年来国内外学者们对抑制多址干扰技术的研究发展迅速，其中主要包括智能天线、扩频码的设计、功率控制与多用户检测等几种措施。这些技术都能在一定程度上能够增加CDMA系统容量，改善系统性能，有的己经应用于实际系统中，而大多数仍处于研究阶段。 各种多用户检测算法的提出，就是为了达到系统的容量的上限即各用户实际上的信息传输速率总和受系统所用带宽的限制。为了能够使系统的容量更加逼近容量上限消除MAI，在近十年内许多学者提出了许多不同种类的多用户检测方案与技术。 多用户检测与单用户检测的主要不同是它可以利用扩频信号的特点抑制或消除MAI，目前总体来说多用户检测技术按性能可以分为最佳多用户检测，次最佳多用户检