一种基于进化策略的单阶段SCMA码本优化方法与流程

本发明属于scma码本，尤其涉及一种基于进化策略的单阶段scma码本优化方法。

背景技术：

1、非正交多址技术(non-orthogonal multiple access,noma)是一种用于无线通信中的多址接入技术，其允许在同一时间频率资源上同时传输多个用户的信号，从而提高了频谱效率，与传统的正交多址技术(如时分多址tdma、频分多址fdma或码分多址cdma)相比，传统的正交多址技术要求用户信号在时域、频域或码域上完全正交，以避免干扰，而非正交多址技术通过在功率域上复用信号来实现多址接入的功能。随着技术的进步，根据非正交多址技术的实现方式可以将其分为功率域noma和码域noma两种类型，功率域noma通过调整不同用户的传输功率级别来区分多用户，码域noma则利用不同的调制和编码方案区分不同用户。

2、scma是基于码域noma技术基础提出的一种新型非正交多址技术，可通过扩频和高维星座调制，取得了比lds更高的成形增益和编码增益，对scma的研究主要集中在码本设计和低复杂度译码设计两个方面，其中，scma码本直接影响着系统的整体性能，包括误码性能、检测复杂度、峰均比等。

3、在现有技术下，传统的scma码本设计是一个多阶段的设计过程，首先需要设计一个满足特定要求的母码本，再通过特定的操作得到每个用户的特定码本，码本设计的总目标包括最大化码本的最小欧氏距离、最大化码本的最小乘积距离、最大化互信息等。多阶段的码本设计导致码本优化出现次优性，且单一的优化目标也容易导致码本性能对信道特性敏感，同时传统的scma码本设计较为复杂，需要大量的计算资源和时间资源来优化，灵活性与效率性不佳。

技术实现思路

1、本发明要提供一种基于进化策略的单阶段scma码本优化方法，以解决现有scma码本无法实现在较大的信噪比范围内，针对多优化目标实现码本整体性优化的技术问题。

2、为解决上述问题，本发明的技术方案为：一种基于进化策略的单阶段scma码本优化方法，包括如下步骤：

3、s1：根据scma系统各参数建立单阶段码本模型，基于所述码本模型获取待优化码本信息；

4、s2：根据迭代次数与变异概率，依次对种群中每一个体待优化参数进行高斯复噪声扰动；

5、s3：对经高斯复噪声扰动产生变异的种群个体进行能量归一化，并针对不同信道重新计算存在变异的种群个体的适应度，根据适应度数值对种群个体进行排序；

6、s4：若循环迭代尚未达到最大迭代次数，挑选该轮次中适应度数值最大的若干种群个体重新进行s2-s3中步骤，若循环迭代达到最大迭代次数，则将适应度最高的种群个体作为输出码本。

7、优选的，所述scma系统使用资源数k＝4，用户数j＝4，用户码字数目m＝4，进而确定所述scma系统的因子图f为：

8、

9、优选的，在s1中基于所述码本模型获取的待优化码本信息具体包括：

10、获取待优化码本的复变量个数nc＝j*dv*m/2，用户j的用户个体结构码本和种群个体的对应关系，其中，码本个体结构为各个用户个体结构的拼接

11、优选的，在s1中基于所述码本模型获取待优化码本信息进一步包括如下步骤：

12、设定进化策略最大迭代次数iter＝200、种群数量npop＝320，初始化维数为npop×(j*dv*m/2)的种群矩阵，并令ns＝npop，确定迭代过程中种群个体的变异概率p＝0.4。

13、优选的，在s2中对种群中每一个体依次循环进行高斯复噪声扰动前，还包括如下步骤：

14、判断进入循环的种群个体数量，若种群个体数量不足ns个，则利用轮盘赌选择算法将种群个体数量补充至ns个。

15、优选的，在s2中对种群中每一个体依次进行高斯复噪声扰动进一步包括如下步骤：

16、针对每一种群个体生成一个0至1之间的随机数，若随机数大于所述变异概率，则对此种群个体添加高斯复噪声cb+nn，在第i轮迭代中高斯复噪声cb+nn为：

17、

18、其中，nn为和种群个体大小一致的复高斯噪声矩阵；

19、进一步的，第i轮迭代中高斯复噪声的方差为：

20、

21、其中，σstart和σend为人为设定的迭代开始和结束时的高斯复噪声方差。

22、优选的，所述信道包括高斯信道、瑞利信道与莱斯信道。

23、优选的，计算存在变异的种群个体的适应度进一步包括如下步骤：

24、所述高斯信道的适应度函数为：

25、

26、其中，cawgn为常数，为码本的最小欧氏距离，de,min(c)为：

27、

28、为平均误码上界，为：

29、

30、其中，为不同scma叠加码符号s(s∈γ,|γ|＝mj)对应的比特汉明距离，为scma码字s与间的欧式距离平方，为每个资源块上的码字距离平方(i∈{θk|fk,i＝1})，xk,i为第k资源块上第i个用户的码字。

31、优选的，计算存在变异的种群个体的适应度进一步包括如下步骤：

32、所述瑞利信道的适应度函数为：

33、

34、其中，crayleigh为瑞利信道下调整和优化倾向性的常数，l为码本的最小多样性参数，为码本的最小乘积距离，为：

35、

36、优选的，计算存在变异的种群个体的适应度进一步包括如下步骤：

37、所述莱斯信道的适应度函数为所述高斯信道和所述瑞利信道下的准则加权和：

38、

39、本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

40、本发明提供一种基于进化策略的单阶段scma码本优化方法，避免多阶段码本设计的复杂过程，而是直接建模并对码本进行整体优化，在优化目标上，本发明采用基于最小距离准则和联合误码上界准则混合的优化指标，使得能够在更大的信噪比范围内取得比使用单一优化目标来优化的码本更好的优化效果。同时，本发明对码本能量约束没有限制，可较为自由的对用户码本进行管理与调整，且针对不同信号码本，本发明采用不同的适应度函数分别进行适应度计算，具有较高的准确度与广泛的适配性。

技术特征：

1.一种基于进化策略的单阶段scma码本优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的基于进化策略的单阶段scma码本优化方法，其特征在于，所述scma系统使用资源数k＝4，用户数j＝4，用户码字数目m＝4，进而确定所述scma系统的因子图f为：

3.如权利要求2所述的基于进化策略的单阶段scma码本优化方法，其特征在于，在s1中基于所述码本模型获取的待优化码本信息具体包括：

4.如权利要求3所述的基于进化策略的单阶段scma码本优化方法，其特征在于，在s1中基于所述码本模型获取待优化码本信息进一步包括如下步骤：

5.如权利要求4所述的基于进化策略的单阶段scma码本优化方法，其特征在于，在s2中依次对种群中每一个体待优化参数进行高斯复噪声扰动前，还包括如下步骤：

6.如权利要求5所述的基于进化策略的单阶段scma码本优化方法，其特征在于，在s2中依次对种群中每一个体待优化参数进行复高斯噪声扰动进一步包括如下步骤：

7.如权利要求1所述的基于进化策略的单阶段scma码本优化方法，其特征在于，所述信道包括高斯信道、瑞利信道与莱斯信道。

8.如权利要求7所述的基于进化策略的单阶段scma码本优化方法，其特征在于，计算存在变异的种群个体的适应度进一步包括如下步骤：

9.如权利要求8所述的基于进化策略的单阶段scma码本优化方法，其特征在于，计算存在变异的种群个体的适应度进一步包括如下步骤：

10.如权利要求9所述的基于进化策略的单阶段scma码本优化方法，其特征在于，计算存在变异的种群个体的适应度进一步包括如下步骤：

技术总结本发明提供一种基于进化策略的单阶段SCMA码本优化方法，包括如下步骤：S1：根据SCMA系统各参数建立单阶段码本模型，基于码本模型获取待优化码本信息；S2：根据迭代次数与变异概率，依次对种群中每一个体待优化参数进行高斯复噪声扰动；S3：对经复高斯噪声扰动产生变异的种群个体进行能量归一化，并针对不同信道重新计算存在变异的种群个体的适应度，根据适应度数值对种群个体进行排序；S4：若循环迭代尚未达到最大迭代次数，挑选该轮次中适应度数值最大的若干种群个体重新进行S2‑S3中步骤，若循环迭代达到最大迭代次数，则将适应度最高的种群个体作为输出码本。通过本发明，可避免常规多阶段码本设计的复杂过程，实现对码本进行整体性优化。技术研发人员：杨竣翔,王逸飞,罗衍帝,万威,曾媛受保护的技术使用者：上海航天电子通讯设备研究所技术研发日：技术公布日：2024/9/12