Системы и способы для множественного доступа с разреженным кодом

Системы и способы для множественного доступа с разреженным кодом

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к связи, и, в конкретных вариантах своей реализации, к системам и способам для Множественного доступа с разреженным кодом.

Уровень техники

Множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) представляет собой технологию множественного доступа, в которой символы данных распределены по ортогональным или близким к ортогональным кодовым последовательностям. Традиционное CDMA-кодирование представляет собой двухэтапный процесс, в котором двоичный код отображается на символ квадратурной амплитудной модуляции (QAM) символ прежде, чем применяется расширяющая последовательность. Хотя традиционное CDMA-кодирование может обеспечить относительно высокие скорости кодирования, для удовлетворения постоянно растущих потребностей сетей беспроводной связи следующего поколения требуются новые технологии/механизмы для достижения даже еще более высоких скоростей кодирования.

Раскрытие изобретения

Благодаря вариантам реализации этого раскрываемого изобретения, которые описывают системы и способы для Множественного доступа с разреженным кодом, в большинстве случаев достигаются технические преимущества.

В соответствии с одним вариантом реализации изобретения, предлагается способ для мультиплексирования данных. В этом примере, способ включает в себя этапы, на которых: принимают некоторые первые двоичные данные, ассоциативно связанные с некоторым первым мультиплексируемым слоем, кодируют первые двоичные данные, выбирая некоторое первое кодовое слово из некоторой первой кодовой книги, и мультиплексируют первое кодовое слово, с, по меньшей мере, одним вторым кодовым словом из некоторой второй кодовой книги для того чтобы получить мультиплексированные кодовые слова. Первая кодовая книга назначена исключительно первому мультиплексируемому слою, а вторая кодовая книга назначена исключительно некоторому второму мультиплексируемому слою. Способ, кроме того, включает в себя этап, на котором передают мультиплексированные кодовые слова по совместно используемым ресурсам сети. Также предлагается устройство для выполнения этого способа.

В соответствии с другим вариантом реализации изобретения, предлагается способ для приема данных. В этом примере, способ включает в себя этап, на котором принимают сигнал, несущий мультиплексированные кодовые слова. Мультиплексированные кодовые слова включают в себя кодовые слова, принадлежащие множественным кодовым книгам, притом, что каждая кодовая книга назначена отличному от других мультиплексированному слою. Способ, кроме того, включает в себя этап, на котором идентифицируют некоторое первое кодовое слово в пределах мультиплексированных кодовых слов посредством приемника, связанного с некоторым первым мультиплексированным слоем. Первое кодовое слово принадлежит кодовой книге, которая назначена исключительно первому мультиплексированному слою. Способ, кроме того, включает в себя этап, на котором декодируют первое кодовое слово для того, чтобы получить некоторые первые двоичные данные. Также предлагается устройство для выполнения этого способа.

В соответствии с другим вариантом реализации изобретения, предлагается способ для проектирования кода Множественного доступа с разреженным кодом (SCMA-кода). В этом примере, способ включает в себя этапы, на которых генерируют множество кодовых книг многомерной модуляции, и генерируют из этого множества кодовых книг многомерной модуляции множество разреженных кодовых книг. Также предлагается способ для проектирования сигнатур низкой плотности (LDS-сигнатур).

Краткое описание чертежей

Для более полного понимания этого раскрываемого изобретения и его преимуществ обратимся теперь к нижеследующим описаниям, рассматриваемым в связи с прилагаемыми чертежами, в которых:

на Фиг. 1 проиллюстрирована схема традиционного CDMA-кодера;

на Фиг. 2 проиллюстрирована схема традиционной архитектуры CDMA-кодирования;

на Фиг. 3 проиллюстрирована схема варианта реализации SCMA-кодера;

на Фиг. 4 проиллюстрирована схема архитектуры SCMA-кодирования по варианту реализации изобретения;

на Фиг. 5 проиллюстрирована блок-схема алгоритма способа кодирования данных, соответствующего варианту реализации изобретения;

на Фиг. 6 проиллюстрирована блок-схема алгоритма способа декодирования данных, соответствующего варианту реализации изобретения;

на Фиг. 7 проиллюстрирована схема методологии, соответствующая варианту реализации изобретения, для разработки субоптимальной кодовой книги для SCMA-кодирования;

на Фиг. 8 проиллюстрирована схема методологии, соответствующая варианту реализации изобретения, для проектирования LDS-сигнатур;

на Фиг. 9 проиллюстрирована диаграмма, изображающая характеристику BLER (частоты блоков с ошибками);

на Фиг. 10 проиллюстрирована схема фактор-графового представления для SCMA-кода;

на Фиг. 11 проиллюстрирована схема другого фактор-графового представления для SCMA-кода;

на Фиг. 12 проиллюстрирована схема графа поворотов фазы;

на Фиг. 13 проиллюстрирована диаграмма, изображающая передаточную функцию для внешней информации, для вершин ресурса и слоя в LDS;

на Фиг. 14 проиллюстрирована диаграмма, изображающая выходную информацию слоя по отношению к входной внешней информации для вершин-ресурсов для LDS;

на Фиг. 15 проиллюстрирована диаграмма, изображающая передаточные функции для внешней информации, для LDS с сигнатурой S₂;

на Фиг. 16 проиллюстрирована диаграмма, изображающая выходную информацию для LDS-сигнатуры S₂;

на Фиг. 17 проиллюстрирована диаграмма, изображающая передаточную функцию для внешней информации, для четырех вершин-ресурсов для SCMA-кода без оптимизации фазы/сопряжения;

на Фиг. 18 проиллюстрирована диаграмма, изображающая передаточную функцию для внешней информации, для четырех вершин-ресурсов для SCMA-кода с оптимизацией фазы/сопряжения;

на Фиг. 19(а) проиллюстрирована диаграмма, изображающая влияние вариации мощности измерения многомерного "созвездия" на эффективность SCMA-кода;

на Фиг. 19(b) проиллюстрирована диаграмма, изображающая влияние вариации мощности измерения многомерного "созвездия" на эффективность другого SCMA-кода;

на Фиг. 20(а) проиллюстрирована диаграмма, изображающая влияние оператора перестановки на эффективность SCMA-кода;

на Фиг. 20(b) проиллюстрирована диаграмма, изображающая влияние оператора перестановки на эффективность другого SCMA-кода;

на Фиг. 21(а) проиллюстрирована диаграмма, изображающая влияние операторов фазы/сопряжения на эффективность SCMA-кода;

на Фиг. 21(b) проиллюстрирована диаграмма, изображающая влияние операторов фазы/сопряжения на эффективность другого SCMA-кода;

на Фиг. 22(а) проиллюстрирована диаграмма, изображающая сравнение двух различных критериев оптимизации для операторов фазы/сопряжения для SCMA-кода;

на Фиг. 22(b) проиллюстрирована диаграмма, изображающая сравнение двух различных критериев оптимизации для операторов фазы/сопряжения для другого SCMA-кода;

на Фиг. 23 проиллюстрирована диаграмма, изображающая влияние распределения операторов на эффективность SCMA-кода;

на Фиг. 24(а) проиллюстрирована диаграмма, изображающая влияние унитарного оператора в вещественной области на эффективность SCMA-кода;

на Фиг. 24(b) проиллюстрирована диаграмма, изображающая влияние унитарного оператора в вещественной области на эффективность другого SCMA-кода;

на Фиг. 25 проиллюстрирована диаграмма, изображающая полную полезную пропускную способность SCMA-кодов и влияние параметров проектирования;

на Фиг. 26 проиллюстрирована диаграмма, изображающая эффективность LDS-сигнатур с различным матрицами сигнатур;

на Фиг. 27(а) проиллюстрирована диаграмма, изображающая эффективность множества LDS-сигнатур;

на Фиг. 27(b) проиллюстрирована диаграмма, изображающая эффективность другого множества LDS-сигнатур;

на Фиг. 28(а) проиллюстрирована диаграмма, изображающая эффективность множества LDS-сигнатур с попарной оптимизацией операторов фазы;

на Фиг. 28(b) проиллюстрирована диаграмма, изображающая эффективность другого множества LDS-сигнатур с другой попарной оптимизацией операторов фазы;

на Фиг. 29 проиллюстрирована диаграмма, изображающая эффективность SCMA в сравнении с LDS-сигнатурами;

Фиг. 30 представляет собой структурную схему, на которой проиллюстрирована вычислительная платформа; и

на Фиг. 31 проиллюстрирована структурная схема устройства связи, соответствующего одному варианту реализации изобретения.

Соответствующие друг другу цифры и символы на различных фигурах обычно относятся к соответствующим друг другу частям, если не указано иное. Фигуры вычерчены таким образом, чтобы четко иллюстрировать соответствующие аспекты вариантов реализации изобретения, и не обязательно вычерчены в масштабе.

Осуществление изобретения

Ниже подробно рассматривается создание и использование раскрываемых вариантов реализации изобретения. Следует, однако, понимать, что настоящее раскрываемое изобретение предлагает много применимых изобретательских концепций, которые могут быть воплощены в широком разнообразии конкретных контекстов. Рассматриваемые конкретные варианты реализации изобретения представляют собой простую иллюстрацию конкретных способов создания и использования изобретения, и не ограничивают объем изобретения.

В данной заявке раскрывается технология кодирования "Множественный доступ с разреженным кодом" (SCMA), посредством которой потоки двоичных данных кодируются напрямую в многомерные кодовые слова. При прямом кодировании двоичных данных в многомерные кодовые слова, описываемые здесь технологии SCMA-кодирования обходятся без отображения на символы квадратурной амплитудной модуляции, достигая, таким образом, преимуществ в кодировании по отношению к традиционному CDMA-кодированию. Следует отметить, что описываемые здесь технологии SCMA-кодирования передают двоичные данные с использованием многомерного кодового слова, а не символа квадратурной амплитудной модуляции. Кроме того, технологии SCMA-кодирования по этому раскрываемому изобретения обеспечивают множественный доступ посредством назначения отличной от других кодовой книги для каждого мультиплексируемого слоя, в противоположность использованию уникальной расширяющей последовательности (например, LDS-сигнатуры и так далее), что является обычным в традиционном CDMA-кодировании. Кроме того, кодовые книги SCMA-кодирования содержат разреженные кодовые слова, так что приемники могут для обнаружения своих соответствующих кодовых слов среди мультиплексированных кодовых слов использовать алгоритмы передачи сообщений (МРА-алгоритмы), имеющие низкую сложность, что уменьшает сложность обработки основополосного сигнала на стороне приемника. В то время как большая часть этого раскрываемого изобретения может рассматриваться в контексте двоичных данных, аспекты этого раскрываемого изобретения в равной мере применимы и к другим видам данных, таким как М-ичные данные.

На Фиг. 1 проиллюстрирован традиционный CDMA-кодер 100 для кодирования данных. Как показано на фигуре, CDMA-кодер 100 отображает двоичные данные, полученные из FEC-кодера (кодера упреждающей коррекции ошибок), на символы квадратурной амплитудной модуляции (QAM-модуляции), и затем применяет расширяющие сигнатуры (s₁, s₂, s₃, s₄) для того, чтобы получить поток закодированных данных (qs₁, qs₂, qs₃, qs₄). Следует отметить, что расширяющие сигнатуры (s₁, s₂, s₃, s₄) представляют собой расширяющие последовательности CDMA-кодирования (например, LDS-сигнатуры и так далее), назначаемые различным мультиплексируемым слоям для достижения множественного доступа.

На Фиг. 2 проиллюстрирован пример архитектуры 200 традиционного CDMA-кодирования для передачи потоков 201-204 двоичных данных множеству пользователей 231-234 по сети 260, которая могла бы быть выполнена традиционным CDMA-кодером 100. Как показано на фигуре, каждый поток 201-204 двоичных данных отображается на символы 211-214 QAM-модуляции (символы квадратурной амплитудной модуляции) в соответствии с некоторым соотношением 270 "QAM - в - двоичные данные". В качестве примера, символ 211 QAM-модуляции ассоциативно связан с двоичным значением ′00′, символ 212 QAM-модуляции ассоциативно связан с двоичным значением ′01′, символ 213 QAM-модуляции ассоциативно связан с двоичным значением ′10′, а символ 214 QAM-модуляции ассоциативно связан с двоичным значением ′11′. Соответственно, символ 211 QAM-модуляции отображается на поток 201 двоичные данных, символ 212 QAM-модуляции отображается на потоки 202 и 204 двоичных данных, а символ 213 QAM-модуляции отображается на поток 203 двоичных данных.

Вслед за отображением "двоичные данные - QAM", символы 211-214 QAM-модуляции мультиплексируются вместе в соответствии с LDS-сигнатурами 221-224. Следует отметить, что каждая из LDS-сигнатур 221-224 отображается на различные мультиплексируемые слои, которые назначаются различным пользователям 231-234 для достижения множественного доступа. Следовательно, LDS-сигнатуры 221-224 остаются постоянными (то есть не изменяются на основе двоичных значений в потоках 201-204 двоичных данных). После этого, получаемые в результате одномерные кодовые слова 241-244 мультиплексируются вместе, образуя мультиплексированные кодовые слова 280, которые передаются по сети 260. При приеме, мультиплексированные кодовые слова 280 демультиплексируются в соответствии с LDS-сигнатурами 221-224 для того, чтобы получить символы 211-214 QAM-модуляции, которые используются для того, чтобы получить потоки 201-204 двоичных данных в соответствии с соотношением 270 "QAM - в - двоичные данные".

На Фиг. 3 проиллюстрирован SCMA-кодер 300 для кодирования данных в соответствии с аспектами этого раскрываемого изобретения. Как показано на фигуре, SCMA-кодер 300 отображает двоичные данные, принятые от FEC-кодера, напрямую в многомерные кодовые слова для того, получая поток (x₁, х₂, х₃, x₄) закодированных данных. Многомерные кодовые слова могут принадлежать различным многомерным кодовым книгам, при том что каждая кодовая книга ассоциативно связана с отличным от других мультиплексируемым слоем. Как здесь обсуждается, мультиплексируемые слои могут включать в себя любой слой, по которому множественные потоки данных могут быть переданы по совместно используемым ресурсам сети. Например, мультиплексируемые слои могут содержать пространственные слои множественного ввода - множественного вывода (MIMO), тоны Множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов (OFDMA), слои Множественного доступа с разделением по времени (TDMA), и другие.

На Фиг. 4 проиллюстрирован пример схемы 400 SCMA-мультиплексирования, предназначенной для кодирования данных в соответствии с аспектами этого раскрываемого изобретения. Как показано на Фигуре, в схеме 400 SCMA-мультиплексирования может использоваться множество кодовых книг 410, 420, 430, 440, 450 и 460, каждая из которых назначена отличному от других мультиплексируемому слою и включает в себя множество многомерных кодовых слов. Если описать это более конкретно, то кодовая книга 410 включает в себя кодовые слова 411-414, кодовая книга 420 включает в себя кодовые слова 421-424, кодовая книга 430 включает в себя кодовые слова 431-434, кодовая книга 440 включает в себя кодовые слова 441-444, кодовая книга 450 включает в себя кодовые слова 451-454, а кодовая книга 460 включает в себя кодовые слова 461-464. Каждое кодовое слово соответствующей кодовой книги шифров отображается на отличное от других двоичное значение. В этом примере, кодовые слова 411, 421, 431, 441, 451 и 461 отображаются на двоичное значение ′00′, кодовые слова 412, 422, 432, 442, 452 и 462 отображаются на двоичное значение ′01′, кодовые слова 413, 423, 433, 443, 453 и 463 отображаются на двоичное значение ′10′, а кодовые слова 414, 424, 434, 444, 454 и 464 отображаются на двоичное значение ′11′. Хотя кодовые книги, показанные на Фиг. 4, изображены как имеющие четыре кодовых слова на книгу, кодовые книги для SMAC могут иметь любое количество ключевых слов. Например, кодовые книги для SMAC могут иметь 9 кодовых слов (например, отображающихся на двоичные значения ′000′…′111′), 16 кодовых слов (например, отображающихся на двоичные значения ′0000′…′1111′), или больше.

Как показано на Фигуре, различные кодовые слова выбираются из разнообразных кодовых книг 410, 420, 430, 440, 450 и 460 в зависимости от двоичных данных, передаваемых в мультиплексируемом слое. В этом примере, из кодовой книги 410 выбирается кодовое слово 414, потому что в первом мультиплексируемом слое передается двоичное значение ′11′, из кодовой книги 420 выбирается кодовое слово 422, потому что во втором мультиплексируемом слое передается двоичное значение ′01′, из кодовой книги 430 выбирается кодовое слово 433, потому что в третьем мультиплексируемом слое передается двоичное значение ′10′, из кодовой книги 440 выбирается кодовое слово 442, потому что в четвертом мультиплексируемом слое передается двоичное значение ′01′, из кодовой книги 450 выбирается кодовое слово 452, потому что в пятом мультиплексируемом слое передается двоичное значение ′01′, а из кодовой книги 460 выбирается кодовое слово 464, потому что в шестом мультиплексируемом слое передается двоичное значение ′11′. После этого кодовые слова 414, 422, 433, 442, 452 и 464 мультиплексируются вместе для того, чтобы сформировать поток 480 мультиплексированных данных, который передан по совместно используемым ресурсам сети. Следует отметить, что кодовые слова 414, 422, 433, 442, 452 и 464 представляют собой разреженные кодовые слова 411, и, следовательно, могут быть идентифицированы при приеме потока 480 мультиплексированных данных с использованием МРА-алгоритмов.

На Фиг. 5 проиллюстрирован способ 500 для передачи данных по сети, соответствующий аспектам этого раскрываемого изобретения, который может выполняться передатчиком. Способ 500 начинается на этапе 510, на котором передатчик принимает входные данные, включающие в себя некоторые первые двоичные данные и некоторые вторые двоичные данные. После этого, способ 500 переходит на этап 520, на котором передатчик кодирует первый поток двоичных данных, выбирая некоторое первое кодовое слово из некоторой первой кодовой книги, назначенной некоторому первому мультиплексируемому слою. После этого, способ 500 переходит на этап 530, на котором передатчик кодирует второй поток двоичных данных, выбирая некоторое второе кодовое слово из некоторой второй кодовой книги, назначенной второму мультиплексируемому слою. Вслед за этим, способ 500 переходит на этап 540, на котором передатчик мультиплексирует первое кодовое слово со вторым кодовым словом для того, чтобы получить мультиплексированные кодовые слова. Наконец, способ 500 переходит на этап 550, на котором передатчик передает эти мультиплексированные кодовые слова по совместно используемым ресурсам сети.

На Фиг. 6 проиллюстрирован способ 600 для приема данных, мультиплексированных в соответствии с аспектами этого раскрываемого изобретения, который может выполняться приемником, ассоциативно связанным с первым мультиплексированным слоем. Способ 600 начинается на этапе 610, на котором приемник принимает сигнал, несущий мультиплексированные кодовые слова. Затем, способ 600 переходит на этап 620, на котором приемник идентифицирует некоторое первое кодовое слово из мультиплексированных кодовых слов. Первое кодовое слово - из некоторой первой кодовой книги, ассоциативно связанной с первым мультиплексированным слоем, и может быть идентифицировано приемником в соответствии с МРА-алгоритмом. После этого, способ 600 переходит на этап 630, на котором приемник декодирует первое кодовое слово в соответствии с первой кодовой книгой для того, чтобы получить некоторые первые двоичные данные.

Аспекты этого раскрываемого изобретения обеспечивают Множественный доступ с разреженным кодом (SCMA), имеющий нижеследующие характеристики: схема множественного доступа; эффективность кодирования и разреженные кодовые слова. На Фиг. 7 проиллюстрирована методология 700 для разработки субоптимальной кодовой книги 760 для SCMA-кодирования. Как показано на Фигуре, методология 700 включает в себя выбор параметров 710-755, которые включают в себя матрицу 710 отображения, вещественное многомерное "созвездие" (некоторую совокупность элементов) 720, вещественную унитарную матрицу 730, комплексное многомерное "созвездие" 740, оператор 750 перестановки и оператор 755 фазы и сопряжения. В некоторых вариантах реализации изобретения, для разработки кодовых книг для SCMA-кодирования могут быть использованы множественные материнские "созвездия". В дополнение к этому, методология 700 может включать в себя дополнительный этап распределения операторов сопряжения фазы входящим ветвям вершины-ресурса. Кодовую книгу 760 получают посредством объединения параметров 710-755 способом, изображенным на Фиг. 7.

В одном варианте реализации изобретения, LDS-сигнатура может рассматриваться как квазипроизводная при SCMA-кодировании. На Фиг. 8 проиллюстрирована методология 800 для проектирования LDS-сигнатур в соответствии с аспектами этого раскрываемого изобретения. В вариантах реализации этого раскрываемого изобретения, методология 800 для проектирования LDS-сигнатур может соответствовать упрощенному варианту проекта SCMA и может исключать этапы, относящиеся к проектированию материнского многомерного "созвездия" (которое, вообще говоря, может быть включено в проектирование SCMA). Например, материнское "созвездие" можно считать повторением одномерного "созвездия" QAM-модуляции (например, предполагая, что задано такое "созвездие" QAM-модуляции, как QPSK (квадратурная фазовая манипуляция)). В дополнение к этому, операторы могут быть ограничены операторами фазы, так что операторы сопряжения исключаются. Кроме того, методология 800 может включать в себя этап выделения операторов фазы вершины-ресурса ее входящим ветвям. Аспекты методологии 800 могут основываться на линейной матричной операции, которая специально разработана для проектирования LDS-сигнатуры. Такого рода линейной матричной операции не может быть применена при проектировании кодовых книг SCMA.

На Фиг. 9 проиллюстрирована диаграмма, изображающая характеристику BLER (частоты блоков с ошибками), которая показывает, как SCMA и множества LDS-сигнатур, раскрытые в этом описании, превосходят множества традиционных LDS-сигнатур. В Таблице 1 проиллюстрированы некоторые различия между SCMA и LDS.

Аспекты этого раскрываемого изобретения представляют новый класс схемы множественного доступа, а именно Множественный доступ с разреженным кодом (SCMA). Аспекты этого раскрываемого изобретения предлагают определение Множественного доступа с разреженным кодом (SCMA), близкую к оптимальной многоступенчатую методологию проектирования для SCMA, методологию проектирования для LDS-сигнатур, алгоритм передачи сообщений, основанный на символе, для обнаружения SCMA. Аспекты этого раскрываемого изобретения предлагают многочисленные выгоды и/или преимущества, включающие в себя методологию оценки посредством EXIT диаграммы (Диаграммы передачи внешней информации), принятой для SCMA и LDS-структур, SCMA представляет собой новую схему множественного доступа, которая может быть использована как перспективная технология формы сигнала/доступа для стандарта 5G (Пятого поколения), SCMA имеет потенциальное преимущество превзойти LDS-сигнатуру, и SCMA, который имеет потенциал повысить пропускную способность сети беспроводной связи или сделать возможной передачу данных с меньшим предоставлением ресурса UL (линии связи с пользователем), DL (линии связи с устройством), D2D (линии связи устройства с устройством) или М2М (линии связи машины с машиной). Преимущества, получаемые из этого раскрываемого изобретения могут быть значительными, вследствие стремительно растущего количества базовых станций и оконечных устройств в сети.

Множественный доступ с разреженным кодом: Множественный доступ с разреженным кодом (SCMA) представляет собой предлагаемую схему множественного доступа/кодирования с нижеследующими свойствами: (i) Данные из области двоичных значений напрямую кодируются в кодовые слова многомерной комплексной области; (ii) Множественный доступ достигается посредством генерирования множественных кодовых книг, по одной для каждого слоя; и (iii) Кодовые слова этих кодовых книг являются разреженными, так что для обнаружения мультиплексированных кодовых слов может быть применена МРА-технология обнаружения множественных пользователей, имеющая умеренную сложность.

В этом раскрываемом изобретении используются нижеследующие обозначения и переменные. Множества двоичных, натуральных, целых, вещественных и комплексных чисел обозначены как В, N, Z, R и С, соответственно. Символы х и X, и представляют, соответственно, скаляры, векторы и матрицы, n-й элемент обозначается как x_n или (x)_n, а - представляет собой элемент n-й строки и m-го столбца матрицы X. Кроме того, х_m представляет собой m-й столбец матрицы X. Транспонирование x представляет собой x^T, a diag(x) представляет собой диагональную матрицу, в которой ее n-й диагональный элемент представляет собой (x)_n. Аналогичным образом, diag(X) представляет собой вектор диагональных элементов матрицы X. Эрмитова матрица обозначена как Х^H. Переменные и функции перечислены в Таблице 2.

Приводимое ниже раскрытие включает в себя описания структуры SCMA-кода, технологий и механизмов для МРА-обнаружения для SCMA, рассмотрение задач/проблем оптимизации для проектирования SCMA-кода, и процедур проектирования многоступенчатого близкого к оптимальному SCMA-кода. Дополнительные раскрываемые вопросы описывают то, каким образом можно оценивать SCMA-коды, основываясь на методологиях оценки на уровне звена и посредством EXIT-диаграммы.

SCMA-кодер может быть определен следующим образом: где с кардинальным числом K - мерное комплексное кодовое слово x представляет собой разреженный вектор с N<K ненулевыми компонентами. Пусть с обозначает точку N - мерного комплексного "созвездия", определенную во множестве "созвездий", так что: SCMA-кодер может быть переопределен как где матрица двоичного отображения просто отображает N измерений точки "созвездия" в K-мерное кодовое слово SCMA. Отметим, что V содержит K-N строк, состоящих из одних нулей. Убрав из V строки, состоящие из одних нулей, остальное может быть представлено единичной матрицей I_N, что означает то, что двоичный отображатель во время процесса отображения не переставляет измерения подпространства .

SCMA-кодер содержит l отдельных слоев, каждый из которых определен как Функция g_i "созвездия" генерирует множество "созвездий" с M_j алфавитами длиной N_j. Матрица V_j отображения отображает точки N_j-мерных "созвездий" на кодовые слова SCMA для того, чтобы сформировать множество кодовых слов. Без потери общности можно предположить, что все слои имеют один и тот же или сходный размер и длину "созвездия", то есть Подводя итог отметим, что SCMA-код может быть представлен как Кодовые слова SCMA мультиплексируются на К совместно используемых ортогональных (или близких к ортогональным) ресурсах (например, тонах OFDMA (Множественного доступа с ортогональным частотным разделением каналов) или пространственным слоям MIMO (Множественного ввода - множественного вывода)). Принятый сигнал после синхронного мультиплексирования слоев может быть выражен как: где представляет собой кодовое слово SCMA для слоя j, представляет собой вектор канала слоя j, и n ~ представляет собой фоновый шум. В случае, при котором все слои передаются из одной и той же точки передачи, все каналы идентичны h_j=h, ∀j, и, следовательно, вышеупомянутое уравнению сводится к При мультиплексировании J слоев на К ресурсах коэффициент перегрузки кода определяется как λ:=J/К.

Сигнал, принимаемый на ресурсе k, может быть представлен как . Поскольку кодовые слова х_j являются разреженными, то только некоторые из них конфликтуют за ресурс k. Множество ресурсов, занимаемых слоем j, зависит от матрицы отображения, и это множество определено индексом ненулевых элементов двоичного вектора-указателя . Общее количество слоев, поступающих на ресурсы, определено как . Полная структура SCMA-кода S может быть представлена матрицей фактор-графов, определенной как F=(f₁,…, f_J). Слой j и ресурс k соединяются в том случае, если и только в том случае, если (F)_kf=1. Множество вершин-слоев, соединенных с вершиной-ресурсом k, определяется как для ∀k. В качестве альтернативы, множество вершин-ресурсов, соединенных с вершиной-слоем j, представляет собой для ∀j. Основываясь на определении фактор-графа, принимаемый сигнал в ресурсе k можно перезаписать следующим образом: Следует отметить, что относящиеся к фактор-графу параметры F, , , и могут все представлять одну и ту же информацию, но в различных форматах.

Нижеследующее описывает обнаружение посредством MAP-алгоритма, которое может быть выполнено SCMA-приемником, и рассматривается в работе: Reza Hoshyar (Реза Хошиар), Ferry P. Wathan (Ферри П. Вэзэн), Rahim Tafazolli (Рахим Тафазолли), "Novel Low-Density Signature for Synchronous CDMA Systems Over AWGN Channel ("Новая сигнатура низкой плотности для синхронных CDMA-систем в каналах с аддитивным белым гауссовым шумом"), IEEE trans, on signal processing, vol. 56, No. 4, pp. 1616, Apr. 2008 (труды Института инженеров по электротехнике и электронике (США) по обработке сигналов, том 56, Номер 4, стр. 1616, апрель 2008 г.), которая включена в данную заявку посредством ссылки так, как если бы она была воспроизведена здесь во всей своей полноте. Имея принимаемый сигнал у и знание канала объединенное оптимальное MAP-обнаружение кодовых слов слоев может быть выражено как: где . Переданное кодовое слово слоя j может быть оценочно определено посредством максимизации предельного значения объединенной вероятности, что может быть задано как

В соответствии с правилом Бэйза (Bays), вышеупомянутая условная вероятность выше может быть перезаписана как где представляет собой объединенную априорную информацию всех статистически независимых слоев. Принимая, что в слоях - некоррелированные данные, может быть разложена на множители как Вследствие разреженных кодовых слов, у_k зависит только от слоев, которые соединены с вершиной-ресурсом k. Следовательно, может быть далее сведена к: , где представляет собой стек всех х_j с . Если все вершины-слои интерферируют на ресурсе k, или, что эквивалентно, то . Комбинируя вышеприведенные формулы и учитывая тот факт, что слой j зависит только от вершин-ресурсов, принадлежащих , оценку слоя j можно описать как: , где .

Вышеприведенное уравнение превращает исходную задачу совместного MAP-обнаружения в задачу маргинализации произведения функций (задачу MPF), которую намного более просто разрешить.

Задача MPF может не иметь "лобового" решения умеренной сложности, но близкое к оптимальному решение задачи может быть найдено итерационно посредством применения алгоритма передачи сообщений (МРА-алгоритма) по лежащему в его основе фактор-графу.

Обновление сообщения на вершине-ресурсе: Пусть обозначает сообщение, переданное от вершины - слоя j на вершину - ресурс k о надежности взятого в слое j кодового слова Обычно, ветвь, которая соединяет вершину-слой j и вершину-ресурс k, несет значений надежности для каждого возможного кодового слова, принадлежащего . Вершина-ресурс k обновляет и возвращает значения надежности следующим образом:

I

Сложность приемника, главным образом, зависит от количества сочетаний в вышеприведенном уравнении. Количество сочетаний на вершине-ресурсе k составляет которое экспоненциально растет вместе с размером "созвездия" и количеством интерферирующих слоев. Внешняя информация должна быть нормирована прежде, чем быть переданной от вершины-ресурса в соединенную с ней вершину-слой, например, .

Обновление сообщения в вершине-слое. Пусть априорная информация о кодовых словах слоя j будет представлена как , Информацию ветви обновляют в вершине-слое j, основываясь на нижеследующей формуле, которая нормируется как: , .

Вероятность вывода кодовых слов: Сообщения передаются итерационно между вершинами слоя и ресурса и после схождения внешние вероятности кодовых слов каждого слоя вычисляются следующим образом: , . Это уравнение может быть нормировано как , .

Задача проектирования SCMA-кода с заданной структурой