【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于物联网通信领域，更具体地，涉及面向非地面网络的scma码本设计方法及通信方法。
技术介绍
1、随着物联网技术的蓬勃发展，下一代通信系统正致力于构建一个能够广泛互联各类物联网设备、承载海量用户数据，并实现高效频谱资源利用的通信环境。为实现6g万物互联的愿景，当前物联网系统正积极拓展其服务范围，并进一步将非地面网络(non-terrestrial network,ntn)基础设施作为补充手段，以扩展全球覆盖范围并补充地面网络的不足。
2、然而，传统的基于正交多址接入的通信方式在实现大规模连接方面存在困难，因为正交资源的数量限制了系统可容纳的总用户数。为了解决物联网系统中的短时高并发通信问题，scma(sparse code multiple access,稀疏码多址接入)作为一种新型码域非正交多址接入技术应运而生。scma通过将每个用户的瞬时输入信息直接映射成稀疏码本中的多维码字重叠发送，大幅度提升了资源复用率和并发接入用户数量。此外，scma系统的性能高低主要取决于稀疏码本设计方案，针对适用场景的特定优化方案能够有效降低多用户干扰，提高系统误码率性能。
3、尽管scma被视为实现地面物联网高并发接入的有效解决方案，但不同于地面物联网中基站位置固定不变，非地面网络中的空中基站具有高速移动性，且对应的信道场景同样发生变化，现有的针对地面物联网的scma码本设计方法在非地面网络场景下，会存在明显的信道差异和用户服务不公平的问题，此外，非地面网络中硬件成本和功耗有限，而现有的scma码本设计方法涉及复
4、总的来说，提出一种可有效解决非地面网络中的信道差异和用户公平性问题，且能够实现离线优化的scma码本设计方法，具有重要意义。
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了面向非地面网络的scma码本设计方法及通信方法，其目的在于，提出一种可有效解决非地面网络中的信道差异和用户公平性问题，且能够实现离线优化的scma码本设计方法。
2、为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种面向非地面网络的scma码本设计方法，包括：
3、步骤s1：构建由n维密集星座点构成的母星座并采用正交层联功率分配方法构建签名矩阵fk×j；
4、k、j分别表示非地面网络小区内的正交资源数和用户数，j个用户按照用户与空中基站天底点间的距离升序排序，且签名矩阵fk×j中的第j个列向量表示排序后的第j个用户与各正交资源的连接关系，1≤j≤j；正交层联功率分配方法包括如下步骤：
5、s11：为每个正交资源分配df个功率因子ρi，并计算各功率因子对应的星座操作符df表示共享同一正交资源的用户数，θi表示功率因子ρi对应的相位旋转角度；
6、s12：生成由所有包含n个1和k-n个0随机排列的k维列向量组成的集合p，从中划分出df个正交组，并将剩余的列向量记为集合r；每个正交组由个两两正交的列向量组成；
7、s13：将集合r中的列向量与df个正交组交替排列形成新的集合p'；
8、s14：将qi按照ρi升序排序后，将集合p'的每一行中的第i个元素1替换为星座操作符qi，使集合p'中的列向量按照列向量功率和升序排序，将排序后的集合p'作为签名矩阵fk×j；
9、步骤s2：按照构建由各用户的scma码本构成的scma码本集合m表示每个scma码本中的码字数，e表示每个scma码本的维度能量，表示签名矩阵fk×j中的非零行与母星座中对应行的克罗内克积；
10、步骤s3：基于各用户的scma码本计算各用户的比特误差概率的上界，并将其中的最大值作为最差误码率；
11、步骤s4：以使得最差误码率最小为优化目标，以母星座的幅度参数δ、df个功率因子和df个相位旋转角度为待求解的优化变量，建立优化模型，并在保证每个scma码本的维度能量不变的情况下求解优化模型，将得到的优化变量后代入得到各用户的scma码本。
12、进一步地，步骤s3中，计算各用户的基于各用户的scma码本计算各用户的比特误差概率的上界，包括：
13、对于第j个用户，基于其scma码本计算对应的成对错误概率
14、计算第j个用户的比特误差概率的上界为：
15、
16、其中，pe,j表示第j个用户的比特误差概率的上界；x＝[x1,x2,...,xj]表示j个用户的传输码字集合，xj表示第j个用户的传输码字，表示第j个用户接收到的传输信号被错误解码后得到的传输码字集合，表示传输码字集合中第j个用户的传输码字；表示第j个用户的错误比特数。
17、进一步地，用户与空中基站之间的信道模型被建模为莱斯信道模型；
18、并且，第j个用户的成对错误概率的表达式为：
19、
20、其中，κ表示莱斯因子；φk为第k个正交资源上发生碰撞的用户集合，xl[k]和分别表示用户集合φk中的用户的传输码字及解码错误后的传输码字；plj为第j个用户所经历的路径损耗；n0表示噪声方差。
21、进一步地，第j个用户的路径损耗plj为：
22、
23、其中，h表示空中基站的高度，表示第j个用户与天底点之间的距离均值，α≥1为路径损耗系数。
24、进一步地，第j个用户的距离均值为：
25、
26、其中，a＝j，b＝j-j+1，γ(·)表示伽马函数，r表示非地面网络小区的半径。
27、进一步地，母星座基于脉冲幅度调制，结合次优交织和置换规则构建。
28、进一步地，n为偶数时，母星座中的n维密集星座点为：
29、an＝[-am/2,-am/2-1…,-a1,a1,…,am/2]
30、n为偶数时，母星座中的n维密集星座点为：
31、an＝[-a1,am/2,-a2,am/2-1,…,-am/2,a1]
32、其中，am＝(m(δ-1)+(2-δ))，m＝1,2,…,m/2；δ＞1表示母星座的幅度参数。
33、按照本专利技术的又一个方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序；计算机程序被处理器执行时，实现本专利技术提供的上述scma码本分设计方法。
34、按照本专利技术的又一个方面，提供了一种面向非地面网络的通信方法，包括：
35、在空中基站基于各用户的scma码本将各用户的输入信息比特映射为scma码字并进行叠加后，传输至各用户终端；
36、其中，各用户的scma码本由本专利技术提供的上述scma码本设计方法设计得到。
37、按照本专利技术的又一个方面，提供了一种非地面网络系统，包括：空中基站和用户终端；
38、空中基站向用户终端传输的传输码字由各用户的scma码字叠加得到，用户的scma码字由用户的信息比特基于scma本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向非地面网络的SCMA码本设计方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的面向非地面网络的SCMA码本设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算各用户的基于各用户的SCMA码本计算各用户的比特误差概率的上界，包括：
3.如权利要求2所述的面向非地面网络的SCMA码本设计方法，其特征在于，用户与空中基站之间的信道模型被建模为莱斯信道模型；
4.如权利要求3所述的面向非地面网络的SCMA码本设计方法，其特征在于，第j个用户的路径损耗plj为：
5.如权利要求4所述的面向非地面网络的SCMA码本设计方法，其特征在于，第j个用户的距离均值为：
6.如权利要求1～5任一项所述的面向非地面网络的SCMA码本设计方法，其特征在于，所述母星座基于脉冲幅度调制，结合次优交织和置换规则构建。
7.如权利要求6所述的面向非地面网络的SCMA码本设计方法，其特征在于，N为偶数时，母星座中的N维密集星座点为：
8.一种计算机程序产品，其特征在于，包括计算机程序；所述计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1～7
9.一种面向非地面网络的通信方法，其特征在于，包括：
10.一种非地面网络系统，其特征在于，包括：空中基站和用户终端；
...【技术特征摘要】
1.一种面向非地面网络的scma码本设计方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的面向非地面网络的scma码本设计方法，其特征在于，所述步骤s3中，计算各用户的基于各用户的scma码本计算各用户的比特误差概率的上界，包括：
3.如权利要求2所述的面向非地面网络的scma码本设计方法，其特征在于，用户与空中基站之间的信道模型被建模为莱斯信道模型；
4.如权利要求3所述的面向非地面网络的scma码本设计方法，其特征在于，第j个用户的路径损耗plj为：
5.如权利要求4所述的面向非地面网络的scma码本设计方法，其特征在于，第j个用户...
【专利技术属性】
技术研发人员：肖丽霞，胡天旸，丁超，周家喜，江涛，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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