一种基于列表球形译码的OTFS—SCMA系统低复杂度信号检测方法

摘要

本发明公开了一种应用于OTFS‑SCMA系统的低复杂度检测方法，该方法在OTFS‑SCMA上行系统引入列表球形译码算法，降低传统MPA检测的计算复杂度；引入数量可控的辅助计算点对列表球形译码搜索结果进行补充和更新，提高检测器的收敛性，保证在计算复杂度显著降低的同时，获得与传统MPA检测相同的检测精度。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种应用于OTFS—SCMA系统的低复杂度信号检测方法。

背景技术

OTFS(Orthogonal Time Frequency Space，正交时间频率空间)是近年来研究较多的基于时延-多普勒域的通信方式。其将时变的多径信道转化成时不变的二维时延-多普勒信道，同时在时延-多普勒域承载信息，从而使一个OTFS帧中的所有符号获得相对恒定的信道增益。研究表明，OTFS在高速运动场景下(如高铁等)误码率性能明显优于传统的OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用)技术。

近些年，有学者在基于OTFS系统的NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access,非正交多址接入)方案研究中提出了基于SCMA(Sparse Code Multiple Access,稀疏码分多址接入)的OTFS-SCMA方案，其主要思想是利用二维时延-多普勒域平面的格点来装载SCMA的稀疏码字，借助用户与SCMA稀疏码本一一对应的关系，在接收端利用MPA(Message PassingAlgorithm，消息传递算法)完成多用户检测，进而提高OTFS系统的用户连接数。

经典的MPA检测器，其基本原理是将若干个观测符号y与发射符号x分别抽象为观测节点和变量节点，根据等效输入-输出关系将观测节点与变量节点以边相连，从而绘制相应的因子图，在因子图上利用和积算法(Sum Product Algorithm,SPA)来计算传递的消息，经过预设次数的迭代后完成逐符号的检测。为了方便硬件实现，消息的计算与传递一般映射至对数域进行。

由观测节点传递给变量节点的消息可以表示为：

其中，

由变量节点传递给观测节点的消息可以表示为：

其中，

经过I

通过(3)进一步可求得对数似然比，从而恢复相应的比特信息。

尽管在上行的OTFS-SCMA系统中应用MPA检测器可以确保较好的多用户检测性能，但随着场景中时变的多径信道的多径数增加，更加复杂化的实际信道会使得MPA检测器的计算复杂度呈指数增加，无法控制的复杂度使得以致经典MPA检测器在OTFS-SCMA系统接收端的应用变得困难。

有鉴于此，有学者在基于OFDM的SCMA系统中提出引入LSD技术，减少MPA检测器中(1)部分的计算量，其基本原理是利用多维星座调制技术设计低数量投影的SCMA码本，将等效多维星座矢量作为稀疏码字的代替引入OFDM-SCMA收发系统，利用球形译码技术中的超球面半径C将(1)中全遍历的

对于传统OFDM-SCMA系统，改进后的LSD-MPA检测器在显著降低计算复杂度的同时能够确保较好的误码率性能。但OTFS-SCMA系统用于MPA检测的因子矩阵不同于OFDM-SCMA，前者是由场景中实际的上行多用户等效信道的信道状态信息提取而得，后者则是由SCMA码本设计方案获得。显然，OTFS-SCMA的因子矩阵更加复杂，d

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种于列表球形译码算法的时延-多普勒域稀疏码分多址接入系统低复杂度检测方法，其能够实现在显著降低传统MPA复杂度的同时，确保基本一致的误码率性能。

本公开提供的基于列表球形译码算法的OTFS-SCMA系统低复杂度检测方法，主要包括以下步骤：

步骤1，在上行OTFS-SCMA系统，应用基于LSD的MPA检测方法，即：利用列表球形译码算法进行搜索，分别获得对各个观测符号的精简计算点候选集。从而显著降低现有系统多用户检测的计算复杂度。

进一步的，具体方法如下：

考虑J个用户同时接入上行OTFS系统，每个用户分配码字长为K的SCMA稀疏码本，码本大小为

将用户需要传输的信息比特b以正交幅度调制(Quadrature AmplitudeModulation,QAM)的映射规则等效映射为星座矢量u，确定用户的稀疏码字x与星座矢量u的对应关系，通过求逆得到码本与星座矢量之间的映射矩阵G；

对应原上行OTFS-SCMA系统中对稀疏码字x的0行删除及对时延-多普勒域等效信道矩阵H相应的0列删除，将G相应的行和列删除，压缩后代入等效输入输出关系中求得新的等效信道矩阵H

再将等效信道矩阵H

步骤2，基于辅助计算点，对基于LSD的MPA检测方法进行补充，即从LSD计算过的点中补充选取辅助计算点，加入所述候选集，以补足所述候选集中缺少的必要码字信息。

直接应用LSD算法设置一个较小的T值(T为计算点候选集

针对这一问题，本公开利用LSD过程中搜索过的点以及计算过的相应距离选择并添加少量的辅助计算点，在将对LSD-MPA复杂度的影响控制在可忽略的前提下，尽可能地保证检测结果的准确性。

进一步的，具体方法如下：

在完成LSD在某一个观测符号y

如果

如果

更进一步的，具体方法包括：

从LSD计算过的T个点以外的点中，通过组合候选、排列选择，选取距离观测符号y

步骤3，完成对所有观测符号的列表球形译码搜索和补充辅助计算点后，将得到的计算点候选集送入MPA检测器进行检测。

可见，本公开通过在OTFS-SCMA上行系统引入列表球形译码算法，降低传统MPA检测的计算复杂度；通过引入数量可控的辅助计算点对列表球形译码搜索结果进行补充和更新，提高检测器的收敛性，保证在计算复杂度显著降低的同时，获得与传统MPA检测相同的检测精度，由此构建了基于LSD的完善的OTFS-SCMA系统低复杂度检测方法。目前，现有技术中尚无基于OTFS-SCMA系统的低复杂度MPA检测器以及基于辅助计算点的LSD-MPA检测器设计方法。与现有技术相比，本公开的有益效果是：(1)显著降低了OTFS-SCMA系统中传统MPA检测的计算复杂度；(2)通过对搜索结果的补充和更新，保证复杂度显著降低的同时，获得与传统MPA检测相同的检测精度，实现了更加合理的复杂度和检测性能的折衷；(3)利用列表球形译码已搜索并计算过的大部分点及其距离值补充计算点，效率更高。

附图说明

图1为上行OTFS-SCMA系统整体框图；

图2为根据本公开的低复杂度检测方法流程图；

图3添加辅助计算点的更新方法示意图；

图4为根据本公开的低复杂度检测器与传统MPA检测器的检测性能比较；

图5为根据本公开的低复杂度检测器与传统MPA检测器的计算复杂度性能比较。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种应用于时延-多普勒域的稀疏码分多址接入系统的低复杂度检测方法，其主要思想是：通过将列表球形译码算法引入上行OTFS-SCMA系统的经典MPA检测器中，减少MPA检测器中由观测节点传递给变量节点这部分消息的计算量，降低整体系统的计算复杂度；通过对列表球形译码算法搜索获得的候选计算点集合理选取并添加辅助计算点，提高检测器的收敛性，实现检测性能和复杂度的合理折衷，进一步提高传输性能。

结合具体实施例和附图，对本公开做进一步详细描述如下。附图1展示了示例性的采用低复杂度检测器的上行OTFS-SCMA系统整体结构。设系统子载波数为M，子载波间隔为Δf；符号个数为N，符号持续时间为T

如附图2所示，根据本公开所述的低复杂度检测方法，主要包括以下步骤：

步骤1：利用列表球形译码算法，得到精简的计算点候选集：

首先，在接收端确认时延-多普勒域观测符号y

将(L+1)×L维酉矩阵Q

将列表球形译码算法的超球面半径C设置为+∞，以后向递归的方式从第L层开始搜索星座矢量组合u

步骤2：对计算点候选集

在完成LSD在某一个观测符号y

1)若T个星座矢量组合已包含每个用户符号的全部

2)若T个星座矢量组合中缺少某几个用户符号的某几种码字，则需要为

关于辅助计算点的判断和计算，可以是在每完成对一个观测符号的LSD搜索和精简后即进行，也可以在完成对所有观测符号的搜索和精简后再进行。

步骤3：组合候选，即根据步骤2对

对将每一个用户符号缺少的码字种类进行排列组合，组成待提取辅助计算点的集合

假设

步骤4：排列选择：

优选通过LSD已经搜索并记录的相应结果，得到

附图3展示了本公开中添加辅助计算点以更新候选点集的方法示意图。同上举例来说，假设(3,4,1)是

步骤5：完成所有观测符号的列表球形译码、检查并添加必要的辅助计算点后，将更新后的计算点候选集代入传统MPA检测器进行消息迭代更新。在经过设置的最大迭代次数I

由图4的仿真结果可以看出，本公开提出的基于辅助计算点的低复杂度检测器在T值设置为400，减少传统MPA检测器计算的全遍历点数

由图5的仿真结果可以看出，本公开提出的基于辅助计算点的低复杂度检测器相比传统的MPA检测器复杂度显著降低，在信道包含的多径数增加变得更加复杂和实际时，例如多径数P的取值由2增加到3，提出的检测器在T值与全遍历点数

通过以上实施例可以看出，本公开通过将列表球形译码技术引入OTFS-SCMA系统，减少传统MPA检测器计算观测节点传递给变量节点的消息计算量，从而显著降低了系统整体的检测复杂度，使得性能良好的MPA检测器的应用更为实际；进一步地，若直接在计算量削减较大的情况下使用，则可能出现由必要码字信息缺失带来的检测器迭代发散问题，会导致检测性能损失较大，而通过有策略地搜索并添加少量辅助计算点，将能够保证在复杂度明显降低的同时仍可将检测性能的损失抑制在可以忽略的水平，实现检测性能和复杂度的合理折衷，提高传输性能。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。