基于SCMA的高速可见光通信系统及自适应编解码方法

基于scma的高速可见光通信系统及自适应编解码方法
技术领域
1.本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于scma的高速可见光通信系统及自适应编解码方法。


背景技术：

2.继5g技术研发出来之后，人们又将研究目光聚焦到下一代移动通信技术即6g技术上，下一代移动通信技术有望用到可见光通信、非正交多址技术。可见光通信技术的优势在于其安全性高、保密性好、抗电磁干扰能力强，集通信与照明功能于一体，无电磁污染。而scma(sparse code multiple access，scma，稀疏码多址接入)技术就是一种多个用户共享频谱资源的非正交的多址接入技术，它将低密度签名(low density signature, lds)技术和码分多址(code divisionmultiple access, cdma)技术结合在一起，用来解决系统过载问题。传统scma解码技术采用消息传递算法(message passing algorithm, mpa)，结合先验概率，利用因子图在用户节点和资源节点之间迭代更新后验概率消息，以尽可能准确地解码出原来各个用户发送的码字。相比于最大似然算法(maximum likelihood，ml)检测方法，mpa解码器的算法复杂度虽有所降低，但其复杂度随用户数量增加成指数级增长，从而导致解码效率低，不能满足未来6g系统的部署需求。另外针对非正交多址的多用户检测，也可以采用一种叫串行干扰消除(successive interference cancellation, sic)的技术,sic解码技术相对于mpa解码技术可以大大降低其解码复杂度，sic解码技术的一大缺点就是其解码性能不如mpa，特别是在高信噪比的情况下。
3.针对现在采用mpa解码算法带来的高复杂度的问题，人们又提出了许多改进的mpa算法，比如有基于对数域的mpa算法、基于串行方式的mpa解码算法、基于部分码字的mpa解码算法等等降低mpa解码复杂度的算法，可以发现这些算法只是在原有的mpa解码算法的基础上作改进，并没有提出另外一种有别与mpa的解码策略，这些改进的算法在降低原来mpa解码算法的复杂度的同时也使接收机的性能有一定的降低，说明这些改进方法是在牺牲解码准确性来换取算法的低复杂度。


技术实现要素：

4.基于以上解码方式的不足，本发明的目的是提供一种基于scma的高速可见光通信系统及自适应编解码方法，旨在保证解码准确性的前提下如何最大可能降低原来mpa解码算法的复杂度。
5.本发明的第一方面在于提供一种基于scma的高速可见光通信系统，所述通信系统包括：信号发送端，用于将若干用户的比特信号流经过码本映射以及叠加合成四维的复信号流，并将所述复信号流叠加传输；可见光信道，用于传输所述复信号流；信号接收端，用于接收经所述可见光信道传输的所述复信号流，并对所述复信号
流解码处理，以得到原始的比特信号流。
6.根据上述技术方案的一方面，所述复信号流的表达式为：；其中，j表示共j个用户，表示为第i个用户分配的功率；表示第i个用户发送的复信号流，x表示各个用户叠加的复信号流。
7.根据上述技术方案的一方面，对所述复信号流进行解码处理后的表达式为：；其中，表示接收端接收信号，表示用户i的信道增益，表示第i个用户发送的复信号流，表示为第i个用户分配的功率，n表示接收到的总的加性高斯白噪声。
8.本发明的第二方面在于提供一种自适应编码方法，所述自适应编码方法应用于上述技术方案当中所述的基于scma的高速可见光通信系统，所述方法包括：当信道状况时，表示信道状况的门限值，选择sic解码方式的码本对用户的比特信号进行映射编码，具体包括：根据预设的编码原理，设待编码的信号为x，x为矩阵；其中，v代表用户数，n代表每个用户发送的m进制信号个数；并且设每个用户发送的符号数均为n，用户j对应的码本为，其中表示一个三维数组,其中为scma中总的资源块数量，表示一个二维数组；用户通过码本映射叠加得出的码字为：；其中表示叠加的合成码字。
9.本发明的第三方面在于提供一种自适应编码方法，所述自适应编码方法应用于上述技术方案当中所述的基于scma的高速可见光通信系统，所述方法包括：当信道状况时，选择mpa解码方式的码本对用户的比特信号进行映射编码，具体包括：根据预设的编码原理，设待编码的信号为x，x为矩阵；其中，v代表用户数，n代表每个用户发送的m进制信号个数；并且设每个用户发送的符号数均为n，用户j对应的码本为，其中表示一个三维数组,其中为scma中总的资源块数量，表示一个二维数组；
用户通过码本映射叠加得出的码字为：。
10.本发明的第四方面在于提供一种自适应解码方法，所述自适应解码方法应用于上述技术方案当中所述的基于scma的高速可见光通信系统，所述方法包括：当信道状况时，选择sic解码方式，具体包括：计算每个用户的码本功率，对所有用户的码本功率进行降序排序，并记录所有用户的码本功率的排列顺序；按照所有用户的码本功率的排列顺序，依次对所述码本功率进行解码；通过因子图查询此时解码用户所占资源块的位置，具体包括：，其中，k表示用户占用资源块的位置，表示第个用户，以上式子表示的是将第个用户在所述因子图中所占资源块的位置存到k中，find表示matlab软件中的find查询函数，用于查询每个用户所占用资源块的位置；解码第个用户发送的信号，具体包括：；其中，m表示第n个符号对应的解码值，norm表示matlab软件中的norm取范数函数，min表示matlab软件中的min取最小值函数，表示接收端接收的信号，表示解码恢复信号，n表示第n个信号，表示解码出第j个用户发送的第n个信号；每解码出一个用户的信号后，将次接收信号从总接收信号中剔除，具体包括：；其中，表示接收端接收信号，k表示表示用户占用资源块的位置，n表示第n个信号。
11.本发明的第五方面在于提供一种自适应解码方法，其特征在于，所述自适应解码方法应用于上述技术方案当中所述的基于scma的高速可见光通信系统，所述方法包括：当信道状况时，选择mpa解码方式，具体包括：初始化功能节点到用户节点概率值，具体实现如下所示：，其中，，其中，表示功能节点到用户节点传递消息的初始概率，k表示共有k个资源块，j表示共有j个用户，
表示初始概率，表示第个用户节点，表示第个功能节点，表示用户待解码信号；功能节点更新，具体实现如下所示：所示：；其中，表示用户节点到功能节点传递消息的更新概率，表示在因子图中第k行中非零元素的位置，表示第个用户的估计信号，表示噪声方差，表示信道增益，t表示迭代次数，表示接收端的接收信号；判断是否达到最大迭代次数，若达到了最大迭代次数则进入下一步骤，若未达到最大迭代次数，则继续更新资源节点和用户节点；解码出每个用户发送的信号，具体实现如下所示：；；；其中表示最后通过判决解码的比特信号，表示在因子图中第j列中非零元素的位置，表示最大迭代次数，表示待判决信号，判决规则为当表达式达式为真时，此时判决的比特信号为1，反之判决为0，最后将判决得到的信号存入变量中。
12.与现有技术相比，采用本发明所示的基于scma的高速可见光通信系统及自适应编解码方法，有益效果在于：1）针对scma辅助的高速可见光通信系统提出了一种新的基于信道状况的自适应编解码策略；2）在很大程度上可以明显降低系统解码复杂度，同时能够适当地降低系统的误码率，从而能够在整体上提升系统性能。
13.本发明的附加方面与优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
14.图1为本发明一实施例中基于scma的高速可见光通信系统的模型图；图2为本发明一实施例中基于scma的高速可见光通信系统的自适应编、解码的系统模型图；图3为本发明一实施例中基于scma的高速可见光通信系统中其中一种自适应编码方法的流程图；图4为本发明一实施例中基于scma的高速可见光通信系统中另一种自适应解码方法的流程图；图5为本发明一实施例中基于scma的高速可见光通信系统的自适应编、解码系统的性能仿真结果图；图6为本发明一实施例中基于scma的高速可见光通信系统的自适应编、解码系统的性能仿真结果局部放大图；以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
15.为使本发明的目的、特征与优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
16.实施例一请参阅图1-2，本发明的第一实施例提供了一种基于scma的高速可见光通信系统，该系统至少包括三部分，包括编码信号发送端、可见光信道、接收解码端。
17.其中，在信号发送端，j个用户共用k个资源块，为了更好地说明本发明的实现原理，以下所说的系统模型当中都是6个用户共用4个资源块，发送信号的构成表达式如下所示：具体而言，这里6个用户的信号经过码本映射后经过叠加合成了4维的复信号流，将各个用户的复信号流进行叠加传输。然而，由于可见光通信只能采用强度调制/直接检测(im/dd)的方法进行信号传输与转换，必须将编码得到的复数信号流转换为正实值的信号流，常用的方法是采用厄米特对称变换。而在本实施例中，为了实现高速可见光通信，采用了aco-ofdm技术。这里在进行aco-ofdm调制之前必须对产生的4维并行的复信号进行并串转换，经aco-ofdm调制之后的信号变成了串行信号，并且对已调制的信号再进行变换，使它的维度和开始时经过码本映射后的信号的维度是一样的，将转换的4维并行信号驱动4基色led灯进行信号的传输，至此，实现了j个用户共用4个频谱资源块进行信号的发送。
18.在上述实施例中，为了便于分析，假定各个用户都是在相同的可见光信道下进行信号传输的，所以它们的信道状况是相同的，并且它们都经过了信道均衡。
19.进一步地，在信号接收端，发送信号经过可见光信道进行传输之后，再通过滤光片
滤波和aco-ofdm解调之后混合噪声的信号表示是如下所示：式中，表示用户i的信道增益，n表示接收到的总的加性高斯白噪声。
20.实施例二请参阅图3，本发明的第二实施例提供了一种自适应编码方法，该自适应的编码方法表示的是待发送信号在scma编码映射的时候根据信道的状况来自适应地选择一种合适的码本来进行编码映射。
21.其中，信道状况采用了一个量化指标信噪比来衡量，通过理论分析和仿真验证可以发现，采用一种适宜以sic解码的码本在sic解码方式下得到的信噪比-误码率曲线图和采用适宜以mpa解码的码本在mpa解码方式下得到的信噪比-误码率曲线图有一个相交的交点。可以从理论分析上得到这个交点所对应的信噪比，将接收到的噪声功率与接收到的噪声比值来量化信道状况，用表示，把得出来的这个信噪比的值设为区分信道状况的阈值条件，用表示在本实施例当中，当信道状况时，选择sic解码方式的码本对用户的比特信号进行映射编码，具体包括：根据预设的编码原理，设待编码的信号为x，x为矩阵；其中，v代表用户数，n代表每个用户发送的m进制信号个数；并且设每个用户发送的符号数均为n，用户j对应的码本为，其中表示一个三维数组,其中为scma中总的资源块数量，表示一个二维数组；用户通过码本映射叠加得出的码字为：；其中表示叠加的合成码字。
22.具体而言，本实施例所示的自适应编码方法包括：步骤s1，当信道状况时，通过sic解码方式的码本对用户的比特信号进行映射编码;具体而言，步骤s1包括步骤s11-s12：步骤s11，根据scma的编码原理，不失一般性，假设待编码的信号为x，x是一个矩阵，其中v代表有多少个用户，n代表每个用户发送的m进制信号个数，假定每个
用户发送的符号数都是n，用户j对应的码本为；步骤s12，用户通过码本映射叠加得出的码字为：。
23.在本实施例中，当信道状况时，选择mpa解码方式的码本对用户的比特信号进行映射编码，具体包括：根据预设的编码原理，设待编码的信号为x，x是一个矩阵，其中v代表有多少个用户，n代表每个用户发送的m进制信号个数，假定每个用户发送的符号数都是n，用户j对应的码本为；用户通过码本映射叠加得出的码字为。
24.具体而言，本实施例所示的自适应编码方法包括：步骤s2：当信道状况时，通过mpa解码方式的码本对用户的比特信号进行映射编码；具体而言，步骤s2包括步骤s21-s22：步骤s21，根据scma的编码原理，不失一般性，假设待编码的信号为x，x是一个矩阵，其中v代表有多少个用户，n代表每个用户发送的m进制信号个数，假定每个用户发送的符号数都是n，用户j对应的码本为；步骤s22，用户通过码本映射叠加得出的码字为。
25.实施例三请参阅图4，本发明的第三实施例提供了一种自适应解码方法，用于采取合适的解码算法对信号进行解码，恢复出原始比特信号流。
26.在本实施例中，当信道状况时，选择sic解码方式，具体包括：计算每个用户的码本功率，对所有用户的码本功率进行降序排序，并记录所有用户的码本功率的排列顺序；按照所有用户的码本功率的排列顺序，依次对所述码本功率进行解码；通过因子图查询此时解码用户所占资源块的位置，具体包括：，其中，表示第个用户，并将第个用户在所述因子图中所占资源块的位置存到k中；解码第个用户发送的信号，具体包括：
；每解码出一个用户的信号后，将次接收信号从总接收信号中剔除，具体包括：。
27.具体而言，本实施例所示的自适应解码方法包括：步骤s1：当信道状况时，这里我们选择sic解码方式;具体而言，步骤s1包括步骤s11-s16：步骤s11，求出每个用户的码本功率；步骤s12，对用户的码本功率进行降序排序，并记录它们的排列顺序；步骤s13，按码本功率排列顺序依次进行解码；步骤s14，通过因子图找到此时解码用户所占资源块的位置，实现方法如下所示：，这里表示第个用户，这里将第个用户在因子图中所占资源块的位置存到了k中；步骤s15，解码出第个用户发送的信号，具体实现如下所示：；步骤s16，每次解码出一个用户的信号之后，都要将次接收信号从总的接收信号中剔除，以减少对接下来要检测用户的干扰，具体实现如下：，这里需要把每个用户的信号都检测出来之后才能进入下一轮信号的检测，也就是说检测时按顺序来的，不能跳跃检测。
28.在本实施例中，当信道状况时，选择mpa解码方式，具体包括：初始化功能节点到用户节点概率值，具体实现如下所示：，其中，，其中，k表示共有k个资源块，j表示共有j个用户；功能节点更新，具体实现如下所示：所示：，其中，表示在因子图中第k行中非零元素的位置；判断是否达到最大迭代次数，若达到了最大迭代次数则进入下一步骤，若未达到最大迭代次数，则继续更新资源节点和用户节点；
解码出每个用户发送的信号，具体实现如下所示：；；；具体而言，本实施例所示的自适应解码方法包括：步骤s2，当信道状况时，这里我们选择mpa解码方式;具体而言，步骤s2包括步骤s21-s25：步骤s21，初始化功能节点到用户节点概率值，具体实现如下所示：，这里，其中，表示功能节点到用户节点传递消息的初始概率，k表示共有k个资源块，j表示共有j个用户，表示初始概率，表示第个用户节点，表示第个功能节点，表示用户待解码信号；步骤s22，功能节点更新，具体实现如下所示：具体实现如下所示：；其中，表示用户节点到功能节点传递消息的更新概率，表示在因子图中第k行中非零元素的位置，表示第个用户的估计信号，表示噪声方差，表示信道增益，t表示迭代次数，表示接收端的接收信号；步骤s23，用户节点更新，具体实现如下所示：，这里表示在因子图中第列中非零元素的位置；步骤s24，判断是否达到最大迭代次数，如果达到了最大迭代次数则进入下一步骤，如果还未达到最大迭代次数，则继续更新资源节点和用户节点；步骤s25，解码出每个用户发送的信号，具体实现如下所示：
；；。
29.综上，采用本发明中的自适应编解码方法，针对6个用户共用4个频谱资源块的基于scma的高速可见光通信系统，可以生成两套不同的码本组合，其中，采用sic解码所优化的编码码本，用表示，采用mpa解码所优化的编码码本，用表示。图5和图6表示采用所构造的两套码本组合和所构造的码本组合与进行自适应编解码得出的性能曲线图，从图5和图6得到的仿真结果可以看出，在时，采用sic解码算法的性能确实优于采用mpa解码算法，而在时，采用mpa解码算法的性能确实优于采用sic解码算法；因此，从仿真结果层面可以看出本发明提出的自适应编解码方法是合理且能够实现的，根据信道状况自适应编码和自适应解码，既降低了系统解码的误码率同时也降低了系统的解码复杂度。
30.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
31.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体与详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形与改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。