本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于SCMA系統(tǒng)的DMPA譯碼方法及譯碼器架構(gòu)。

背景技術(shù)：

近年來，隨著無線通信技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，社會通信需求呈現(xiàn)快速激增態(tài)勢，傳統(tǒng)通信技術(shù)日益無法滿足社會發(fā)展需要。據(jù)主要運營商和權(quán)威咨詢機構(gòu)的預(yù)測，移動寬帶業(yè)務(wù)流量將在未來10年增長1000倍之多。為應(yīng)對即將到來的巨大通信壓力，5G作為全新的移動通信技術(shù)應(yīng)運而生。其中，“Gbps用戶體驗速率”將是5G的最關(guān)鍵技術(shù)指標。為實現(xiàn)這一超高速傳輸速率，5G將運用到大規(guī)模天線陣列、新型多址、超密集組網(wǎng)、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、全頻譜接入等重要技術(shù)。而新型多址技術(shù)作為5G實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，將在整個系統(tǒng)中扮演至關(guān)重要的角色。新型多址技術(shù)將對發(fā)送信號進行高效疊加傳輸以使系統(tǒng)的接入能力得到進一步提升，從而保證5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模設(shè)備連接需求。

回溯多址技術(shù)，其自產(chǎn)生以來，經(jīng)歷了相當長時間的演進和變革，在現(xiàn)代無線通信中有著無法替代的重要地位。傳統(tǒng)的多址技術(shù)包括頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)等，而4G技術(shù)中所使用的則是正交頻分多址(OFDMA)。多有這些多址技術(shù)都是正交層面上的多址技術(shù)，受到資源數(shù)量的極大限制。相比之下，在非正交多址技術(shù)中，接入用戶則可以成倍大于資源數(shù)，從而有效解決這一瓶頸。

稀疏碼分多址技術(shù)(SCMA)正是5G通信中期待使用的新型多址技術(shù)，并具備著重要的非正交特性。理論分析表明SCMA有著極其出色的過載承受能力以及資源復用能力，與傳統(tǒng)多址技術(shù)相比，其接入量可至少提升50％，并隨著系統(tǒng)內(nèi)部往來互聯(lián)數(shù)目的增加可進一步提升。在關(guān)于SCMA的相關(guān)文獻中，針對譯碼提出了基于最大后驗概率的譯碼策略，使用該譯碼策略的SCMA系統(tǒng)在保證高水平接入量的同時仍可維持較優(yōu)的誤碼率水平，但是在其實現(xiàn)上有著極高的復雜度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種基于SCMA系統(tǒng)的DMPA譯碼方法，可以極大的降低SCMA系統(tǒng)的譯碼復雜度，極大降低了硬件消耗，提高了硬件使用效 率。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于SCMA系統(tǒng)的DMPA譯碼方法，包括如下步驟：

(1)初始化；設(shè)(K,N)SCMA系統(tǒng)，SCMA碼維度為K，星座維度為N，則該系統(tǒng)的最大用戶層數(shù)為其中，(K,N)SCMA系統(tǒng)為(4,2)，最大用戶數(shù)為6；

這里y_k代表接收信號的第k位比特，x_k,1,x_k,2,x_k,3分別代表與第k個資源節(jié)點相連的3個用戶層在此節(jié)點上相互重疊的3個比特，N_0,k表示的即為第k個資源節(jié)點對應(yīng)的環(huán)境中高斯噪聲的功率密度；

(2)資源節(jié)點更新；

其中，R_k代表的是第k個資源節(jié)點，m₁,m₂,m₃＝1,...,M代表與此資源節(jié)點相連的三個用戶層各自不同的發(fā)射符號；代表從與資源節(jié)點相連的那些用戶層傳遞給該資源節(jié)點的置信值，則代表從與用戶層相連的那些資源節(jié)點傳遞給該用戶層的置信值，是一種相反的傳遞方向；

(3)層節(jié)點更新；

其中，m＝1,...,M代表發(fā)送符號集中不同的符號；步驟(3)結(jié)束后，返回步驟(2)，并由此構(gòu)成一次迭代；迭代次數(shù)的設(shè)置與實際的信道環(huán)境相關(guān)，當?shù)螖?shù)滿足置信值 的收斂條件后，由步驟(3)進入步驟(4)；具體的收斂條件為：根據(jù)目標誤碼率水平，設(shè)定閾值a(通常設(shè)置為a≤10^-5)；設(shè)第n-1次的資源節(jié)點更新置信值和層節(jié)點更新置信值分別為和第n次分別為和若所有的置信值滿足則判定為收斂，迭代結(jié)束；此時的迭代次數(shù)為n，針對不同的信道環(huán)境n的數(shù)值不同，且信道環(huán)境惡劣時，n的數(shù)值往往較大；

(4)概率計算與符號判決；

其中，L_j代表第j個用戶層；挑選出各用戶層具有最大概率值的符號，即為最終估計出的原始發(fā)送符號。

一種基于SCMA系統(tǒng)的DMPA譯碼器架構(gòu)，包括用于初始化的初始化單元、用于資源節(jié)點更新的資源節(jié)點更新單元、用于層節(jié)點更新的層節(jié)點更新單元和用于概率計算與符號判決的概率計算單元；初始化單元與資源節(jié)點更新節(jié)點相連，資源節(jié)點更新單元與層節(jié)點更新單元相連，層節(jié)點更新單元與概率計算單元相連；譯碼器輸入為y、H和N0，輸出為

優(yōu)選的，原始架構(gòu)是以“步”的形式進行數(shù)據(jù)迭代更新，對“步”進行細化，得到更小的計算單位“階段”，在當前“步”沒有全部計算完的情況下即可跳入下一個“步”，使各個“步”的硬件模塊在同一時間都處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)；在得到“階段級”時序后，采用折疊技術(shù)進行資源復用上的優(yōu)化。

優(yōu)選的，將折疊操作在每個“步”內(nèi)進行，“步”內(nèi)的折疊過程可以描述為四個主要步驟：確定折疊集、求取折疊方程、壽命分析以及寄存器分配；在確定折疊集步驟中，首先規(guī)定架構(gòu)需要進行折疊的折疊階數(shù)以及折疊集個數(shù)，然后依據(jù)各“步”的原始數(shù)據(jù)流圖DFG對圖中各類運算元件進行分組標號，將標號在集合內(nèi)合理排列，以滿足DFG折疊后路徑上延時非負的要求；在求取折疊方程步驟中，則根據(jù)折疊集和原始DFG路徑中的延時個數(shù)，按照折疊復用公式計算出折疊后DFG各路徑上的延時單元數(shù)目；在壽命分析步驟中，根據(jù)折疊集和折疊方程確定數(shù)據(jù)的輸入時刻以及最終的消亡時刻從而確定出其在系統(tǒng)中的存在時間長度以分析出系統(tǒng)所需要的最小寄存器個數(shù)并通過壽命 表和壽命圖的方式加以展示；在寄存器分配過程中，利用前向-后向的寄存器分配策略來達到前一步驟中確定的最小寄存器數(shù)目，該策略在數(shù)據(jù)分配時先就近分配給第一個未被占用的寄存器，并在接下來的每一個時鐘周期中由前向后依次分配給緊隨其后的下一個寄存器直至達到最后一個寄存器或者數(shù)據(jù)已經(jīng)消亡，對于達到最后一個寄存器的情況，數(shù)據(jù)又由后向前分配給第一個未被占用的寄存器，并在下一個時鐘周期再次由前向后分配給后一個寄存器，如此反復，直至全部分配完成。

本發(fā)明的有益效果為：利用MPA解碼原理在稀疏系統(tǒng)中低復雜度的性質(zhì)提出DMPA算法，極大降低了SCMA系統(tǒng)的譯碼復雜度，并針對DMPA算法的硬件架構(gòu)作出時序和資源復用上的系列優(yōu)化，得到極為簡單的低復雜度譯碼器架構(gòu)，使得在處理速度允許的范圍內(nèi)，極大降低了硬件消耗，并提高了硬件使用效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明DMPA譯碼方法的塊誤碼率的性能曲線。

圖2為本發(fā)明DMPA譯碼方法的各層比特誤碼率的性能曲線。

圖3為本發(fā)明DMPA原始“步”級架構(gòu)的示意圖。

圖4為本發(fā)明DMPA原始“步”級架構(gòu)的時序圖。

圖5為本發(fā)明DMPA“階段”級架構(gòu)的時序圖。

圖6為本發(fā)明DMPA步驟一待優(yōu)化部分的數(shù)據(jù)流圖。

圖7為本發(fā)明DMPA步驟一待優(yōu)化部分的壽命圖。

圖8為本發(fā)明DMPA步驟一待優(yōu)化部分的寄存器分配過程示意圖。

圖9為本發(fā)明DMPA“階段”級時序的最終低復雜度架構(gòu)。

具體實施方式

如圖1和2所示，一種基于SCMA系統(tǒng)的DMPA譯碼方法，包括如下步驟：

(1)初始化；設(shè)(K,N)SCMA系統(tǒng)，SCMA碼維度為K，星座維度為N，則該系統(tǒng)的最大用戶層數(shù)為其中，(K,N)SCMA系統(tǒng)為(4,2)，最大用戶數(shù)為6；

這里y_k代表接收信號的第k位比特，x_k,1,x_k,2,x_k,3分別代表與第k個資源節(jié)點相連的3個用戶層在此節(jié)點上相互重疊的3個比特，N_0,k表示的即為第k個資源節(jié)點對應(yīng) 的環(huán)境中高斯噪聲的功率密度；

(2)資源節(jié)點更新；

其中，R_k代表的是第k個資源節(jié)點，m₁,m₂,m₃＝1,...,M代表與此資源節(jié)點相連的三個用戶層各自不同的發(fā)射符號；代表從與資源節(jié)點相連的那些用戶層傳遞給該資源節(jié)點的置信值，則代表從與用戶層相連的那些資源節(jié)點傳遞給該用戶層的置信值，是一種相反的傳遞方向；

(3)層節(jié)點更新；

其中，m＝1,...,M代表發(fā)送符號集中不同的符號；步驟(3)結(jié)束后，返回步驟(2)，并由此構(gòu)成一次迭代；迭代次數(shù)的設(shè)置與實際的信道環(huán)境相關(guān)，當?shù)螖?shù)滿足置信值的收斂條件后，由步驟(3)進入步驟(4)；具體的收斂條件為：根據(jù)目標誤碼率水平，設(shè)定閾值a(通常設(shè)置為a≤10^-5)；設(shè)第n-1次的資源節(jié)點更新置信值和層節(jié)點更新置信值分別為和第n次分別為和若所有的置信值滿足和則判定為收斂，迭代結(jié)束；此時的迭代次數(shù)為n，針對不同的信道環(huán)境n的數(shù)值不同，且信道環(huán)境惡劣時，n的數(shù)值往往較大；

(4)概率計算與符號判決；

其中，L_j代表第j個用戶層；挑選出各用戶層具有最大概率值的符號，即為最終估計出 的原始發(fā)送符號。

在初始化步驟中，基于SCMA的內(nèi)部節(jié)點互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，通過諸如環(huán)境噪聲、信道狀況和接收信號等外界信息計算出初始所需的符號條件概率，為接下來迭代譯碼中的置信值互傳做好前期準備工作；在資源節(jié)點更新步驟中，資源節(jié)點更新公式表達為和積的形式，以完成對邊緣概率求取的逼近和近似；在層節(jié)點更新步驟中，主要進行歸一化操作，將前一步驟中計算出的置信值限制在區(qū)間[0，1]內(nèi)，以方便算法在硬件中的實現(xiàn)；概率計算與符號判決步驟中，通過由經(jīng)過一定迭代次數(shù)后得到的收斂置信值，輸出可靠軟信息，并依據(jù)軟信息計算出各用戶層各個符號的發(fā)送概率，挑選出各用戶層具有最大概率值的符號作為最終估計出的原始發(fā)送符號。

如圖3所示，基于上述的譯碼流程，得到基本的譯碼器架構(gòu)，包括用于初始化的初始化單元、用于資源節(jié)點更新的資源節(jié)點更新單元、用于層節(jié)點更新的層節(jié)點更新單元和用于概率計算與符號判決的概率計算單元；初始化單元與資源節(jié)點更新節(jié)點相連，資源節(jié)點更新單元與層節(jié)點更新單元相連，層節(jié)點更新單元與概率計算單元相連；譯碼器

輸入為y、H和N0，輸出為原始架構(gòu)是以“步”的形式進行數(shù)據(jù)迭代更新的，具體時序示意圖如4所示。按照以“步”為單位的方式的最大的問題在于當運行當前“步”時，其他“步”的硬件模塊處于空閑狀態(tài)，使得整個系統(tǒng)的硬件使用效率并不高。于是對“步”進行細化，得到更小的計算單位“階段”，從而方便深度流水線在系統(tǒng)中的引入，在當前“步”沒有全部計算完的情況下即可跳入下一個“步”，使各個“步”的硬件模塊在同一時間都處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，相應(yīng)的優(yōu)化后的“階段”級時序圖如圖5所示。各個“步”的計算都已細化為更小的運算時隙，使深度流水線的穿插成為可能。

在得到“階段級”時序后，其相應(yīng)的硬件架構(gòu)依然非常復雜，進一步采用折疊技術(shù)進行資源復用上的優(yōu)化。由于整體的結(jié)構(gòu)相當復雜龐大，很難從整體層面進行復用優(yōu)化，因此將折疊操作在每個“步”內(nèi)進行，從而成為一種分塊的折疊策略，既達到了復用的目的又極大降低了設(shè)計復雜度?！安健眱?nèi)的折疊過程可以描述為四個主要步驟：確定折疊集、求取折疊方程、壽命分析以及寄存器分配。在確定折疊集步驟中，首先規(guī)定架構(gòu)需要進行折疊的折疊階數(shù)以及折疊集個數(shù)，然后依據(jù)各“步”的原始數(shù)據(jù)流圖(DFG)對圖中各類運算元件進行分組標號，將標號在集合內(nèi)合理排列，以滿足DFG折疊后路徑上延時非負的要求；在求取折疊方程步驟中，則根據(jù)折疊集和原始DFG路徑中的延 時個數(shù)，按照折疊復用公式計算出折疊后DFG各路徑上的延時單元數(shù)目；在壽命分析步驟中，根據(jù)折疊集和折疊方程確定數(shù)據(jù)的輸入時刻以及最終的消亡時刻從而確定出其在系統(tǒng)中的存在時間長度以分析出系統(tǒng)所需要的最小寄存器個數(shù)并通過壽命表和壽命圖的方式加以展示；在寄存器分配過程中，利用前向-后向的寄存器分配策略來達到前一步驟中確定的最小寄存器數(shù)目，該策略在數(shù)據(jù)分配時先就近分配給第一個未被占用的寄存器，并在接下來的每一個時鐘周期中由前向后依次分配給緊隨其后的下一個寄存器直至達到最后一個寄存器或者數(shù)據(jù)已經(jīng)消亡，對于達到最后一個寄存器的情況，數(shù)據(jù)又由后向前分配給第一個未被占用的寄存器，并在下一個時鐘周期再次由前向后分配給后一個寄存器，如此反復，直至全部分配完成。通過以上的折疊技術(shù)，對每個“步”對應(yīng)的模塊進行“步”內(nèi)折疊，則可得到最終的“階段”級低復雜度架構(gòu)。

DMPA“階段”級時序低復雜度架構(gòu)的“步”內(nèi)分塊折疊復用將以步驟一初始化步驟的原始架構(gòu)為例進行說明。步驟一待優(yōu)化部分的數(shù)據(jù)流圖如圖6所示。

首先，如圖4所示，原始架構(gòu)中共有2個輸入端，7個加法器以及3個乘法器，于是確定折疊集個數(shù)為3，類型分別為輸入端折疊集、加法器折疊集以及乘法器折疊集，并規(guī)定折疊階數(shù)為7。按照圖4的方式對各運算元件進行分類標號，將同一類型的標號放在同一折疊集中，并對這些標號在折疊集內(nèi)進行合理的位置安排以滿足折疊后DFG各路徑上的延時個數(shù)非負。最終得到的折疊集描述為：

接著，結(jié)合折疊集和原始DFG中各路徑上的延時數(shù)目，利用折疊計算公式求取各折疊方程。折疊計算公式為：

其中D_F(U→V)為折疊后路徑U→V上的延時個數(shù)，N為折疊階數(shù)，P_U為節(jié)點U的流水線階數(shù)，v和u分別為節(jié)點U和V在相應(yīng)折疊集中的折疊序數(shù)。由此公式得到的步驟一待優(yōu)化部分的折疊方程為：

在得到折疊集和折疊方程后，就可以進一步對折疊架構(gòu)進行壽命分析，確定出各數(shù)據(jù)的輸入時刻以及消亡時刻從而得出數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的存在時間。通過對系統(tǒng)中同一時刻存在數(shù)據(jù)個數(shù)即“激活數(shù)”的統(tǒng)計找出同時存在的數(shù)據(jù)的最大個數(shù)，由此獲取折疊架構(gòu)實現(xiàn)所需的最小寄存器個數(shù)。依照此原理，得到相應(yīng)的壽命表和壽命圖已分別示于表1和圖7中，并確定出架構(gòu)所需的最小寄存器個數(shù)為8。

表1.DMPA步驟一待優(yōu)化部分的壽命表。

最后，利用前向-后向的寄存器分配技術(shù)以達到上述步驟中確定的最小寄存器個數(shù)。分配過程中，數(shù)據(jù)從前向后選擇第一個未被占用的寄存器，并在接下來的時鐘周期中依次分配至后一個寄存器直至達到末端寄存器或者數(shù)據(jù)已經(jīng)消亡，若寄存器達到末端寄存器但是壽命仍為結(jié)束，則由后向前非配給緊鄰的第一個未被占用寄存器，并在下一個時鐘周期再次由前向后分配給下一個寄存器，如此往復，直至將所有數(shù)據(jù)分配完成。依照此原理，步驟一待優(yōu)化部分的寄存器分配示意圖如圖8所示。

完成上述步驟后即可得到步驟一最終的“步”內(nèi)折疊架構(gòu)，依照同樣的原理可對步驟二、三、四進行相應(yīng)的折疊復用。在完成各“步”的折疊操作后，就得到了圖9中所示的DMPA“階段”級時序的低復雜度架構(gòu)。因此，本發(fā)明極大簡化了SCMA系統(tǒng)譯碼器的復雜度，并使硬件使用效率得到提高。

盡管本發(fā)明就優(yōu)選實施方式進行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，只要不超出本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對本發(fā)明進行各種變化和修改。