張宏揚，鄭長亮，邵根富，劉華平

（杭州電子科技大學，浙江 杭州 310018）

一種新型上行SCMA系統(tǒng)接收機

張宏揚，鄭長亮，邵根富，劉華平

（杭州電子科技大學，浙江 杭州 310018）

稀疏碼多址接入（SCMA）是一種碼域非正交多址接入技術，以其優(yōu)異性能成為5G多址接入技術的熱門候選方案。上行SCMA系統(tǒng)一般采用消息傳遞算法（MPA）接收機，檢測過程中存在由先驗信息帶來的誤差。針對這一問題提出一種新型接收機，稱為環(huán)MPA（R-MPA）接收機，其通過一種聯(lián)合檢測方案來消除上述誤差對最終檢測結(jié)果的影響。理論分析和仿真驗證表明，與現(xiàn)有的log-MPA接收機及經(jīng)典MPA接收機相比，所提R-MPA接收機是一種檢測精度更高而實施復雜度較低的上行SCMA系統(tǒng)接收機。

5G；稀疏碼多址接入；消息傳遞算法；環(huán)MPA；過載率

1 引言

從20世紀80年代誕生至今，移動通信系統(tǒng)歷經(jīng)四代發(fā)展與變遷，逐漸成為推動社會和經(jīng)濟發(fā)展的重要引擎之一。目前，移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務與物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的快速增長，推動著人們對5G[1]的探索與研究。5G作為面向2020年及以后移動通信需求而發(fā)展的新一代移動通信系統(tǒng)，其應用場景具有超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動性等特征[2,3]。相比于傳統(tǒng)正交多址接入技術，非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NMA）[4,5]技術能進一步提升頻譜效率且能增加有限資源下的用戶連接數(shù)，更適應5G的需求。

稀疏碼多址接入（sparse code multiple access，SCMA）[6]是華為提出的一種碼域 NMA（codedomain NMA，CNMA）技術，其主要思想是將四維調(diào)制和低密度簽名多址接入（low density signature multiple access，LDSMA）[7]相結(jié)合?；赟CMA的上行移動通信系統(tǒng)，不僅在頻譜效率和吞吐量上表現(xiàn)優(yōu)異，而且可以引入免調(diào)度的競爭隨機接入機制，從而降低業(yè)務的接入時延和信令開銷，支持大量、可動態(tài)變化的用戶數(shù)目。因此，SCMA技術成為5G多址接入技術研究中的一個熱點，受到學術界和工業(yè)界的重視。

然而SCMA要正式成為5G空口技術，一個亟需解決的關鍵問題是接收機的設計。具體而言，SCMA接收機的重點和難點在于多用戶檢測（multi-user detection，MUD），故國內(nèi)外學者針對SCMA系統(tǒng)檢測做了大量研究。參考文獻[6]介紹了基于經(jīng)典消息傳遞算法（message passing algorithm，MPA）[8]的SCMA系統(tǒng)檢測方案。目前，在現(xiàn)存各類面向SCMA系統(tǒng)的檢測算法中，MPA相關類算法已經(jīng)占據(jù)主流。參考文獻[9]將經(jīng)典MPA的檢測運算投入對數(shù)域，提出對數(shù)域 MPA（log domain MPA，log-MPA）；參考文獻[10,11]分別提出基于部分邊緣化方法的 MPA和基于閾值中斷方法的MPA；參考文獻[12,13]對基于串行更新策略的MPA檢測方案進行研究與分析；參考文獻[14]則基于信號不確定性原理提出一種動態(tài)縮小平方搜索MPA（dynamic shrunk square searching MPA，DSSS-MPA）。

在上述相關研究中，SCMA接收機在對接收信號進行檢測時，均假定各用戶所有傳輸碼字的先驗概率相等。因此，這些接收機不可避免地存在由先驗信息帶來的檢測誤差。針對這一問題，本文提出一種基于聯(lián)合檢測的SCMA接收機，稱為環(huán)MPA（ring-MPA，R-MPA）接收機。該接收機在不增加實施復雜度的基礎上，可以最大程度地消除由先驗信息帶來的檢測誤差。

2 系統(tǒng)模型

假定一個上行SCMA系統(tǒng)，系統(tǒng)中J個用戶共享K個正交時頻資源（如OFDM子載波），所有用戶使用同一個基站，系統(tǒng)過載率（overloading factor，OF）為J/K。當J=6時，上行SCMA系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 上行SCMA系統(tǒng)框架（J=6）

整體上，上行SCMA系統(tǒng)可分為發(fā)送端和接收端兩大模塊。

（1）發(fā)送端

根據(jù)SCMA系統(tǒng)碼本，SCMA編碼器將信道編碼后的用戶比特信息直接映射為多維復數(shù)碼字，然后進行物理資源單元（physical resource element，PRE）映射，來自J個用戶的碼字信息在K個OFDM子載波上復用。當J=6、K=4時，上述操作的示意如圖2所示。其中，M=4，代表碼本大小，M=2l，l為用戶編碼比特的位數(shù)；N=2，代表碼字中非零元素個數(shù)，即圖2各碼字中不為白色的元素個數(shù)。

圖2 SCMA編碼與PRE映射（J=6, K=4, M=4, N=2）

（2）接收端

由于J個用戶在K個OFDM子載波上復用，則接收端信號可以表示為：

其中，y={yi},i=1,2,…,K，yi為子載波i上的接收信號；m={mj}，j=1,2,…,J，mj為用戶j的傳輸碼字；N0為噪聲功率；Hj=[hj1,hj2,…,hjK]T、Pj、Fj=[fj1,fj2,…,fjK]T分別為用戶j的信道增益、傳輸功率、標記向量。Fj對應于PRE映射過程，即當用戶j的碼字信息在子載波i上傳輸時，fji=1；否則為0。

與發(fā)送端的操作相對應，接收端的工作是對上述接收信號進行解PRE映射、檢測與譯碼。

3 接收機設計

由第2節(jié)分析可知，在上行SCMA系統(tǒng)中，各用戶之間存在干擾。故能否設計出高性能、低復雜度的接收機決定著系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，而SCMA接收機設計的關鍵在于MUD檢測方法[15]。

3.1 消息傳遞算法

結(jié)合圖3所示因子圖[16]來闡述基于經(jīng)典MPA的SCMA系統(tǒng)檢測過程。該因子圖對應于SCMA系統(tǒng)的PRE映射，其中變量節(jié)點（variable node，VN）vj和資源節(jié)點（resource node，RN）ri分別對應用戶j與子載波i（i、j的取值如第2節(jié)所述），連線則反映用戶與子載波的復用關系。

圖3 因子圖

第一步，信息初始化。給定各用戶所有碼字的先驗概率，作為變量節(jié)點 vj傳遞給資源節(jié)點 ri的初始信息；同時，計算各資源節(jié)點所對應的載波上所有殘差信息的集合。以資源節(jié)點ri為例：

其中，v1、v2、v3表示與資源節(jié)點ri相連接的變量節(jié)點，m1、m2、m3代表v1、v2、v3對應的用戶在子載波i傳輸上的碼字；Hi=[h1i,h2i,…,hJi]T為載波i上各用戶的信道增益集合；Cji(mj)代表碼字為mj時，用戶j在子載波i上的發(fā)送符號；N0,i為子載波i上的噪聲功率。

第二步，用戶信息在VN與RN之間迭代更新。以vj與ri為例：

第三步，當所設置的中斷條件（比如迭代次數(shù)）達成時，迭代停止；檢測器輸出檢測信息，即用戶各編碼比特的對數(shù)似然比（log likelihood rate，LLR）：

其中，b(mj,xj)表示碼字mj中第x個編碼比特。

圖4 R-MPA接收機設計流程

表1 MPA和log-MPA檢測運算量對比

3.2 R-MPA接收機

由第 3.1節(jié)內(nèi)容可知，基于經(jīng)典 MPA的SCMA檢測，在初始化階段需要各用戶所有碼字的先驗概率。經(jīng)典MPA檢測方案及第1節(jié)所述諸多改進MPA檢測方案，都假定SCMA系統(tǒng)中各用戶所有碼字的先驗概率相等，這勢必會給系統(tǒng)的檢測譯碼帶來誤差。

針對這一問題，本文提出一種新型SCMA接收機，稱為 R-MPA接收機，其設計流程如圖4所示。該接收機的基本思想是通過串聯(lián)兩個 SCMA檢測器，構(gòu)建一個環(huán)狀接收機。檢測器1先對接收信號y進行處理，得到的LLR信息傳入判決器；判決器輸出檢測器 2所需的先驗信息；檢測器2據(jù)此對接收信號y進行處理，得到最終的LLR信息，傳遞給解碼器。

在上述兩個檢測器中，檢測算法均采用參考文獻[9]所提的log-MPA。這是因為log-MPA的檢測性能基本等同于經(jīng)典MPA，而其檢測運算量遠小于后者。兩者的檢測運算量對比見表1。其中，dr表示一個RN連接的VN個數(shù)，dv表示一個VN連接的RN個數(shù)，n表示算法迭代次數(shù)。log-MPA檢測器的檢測思想是把雅可比對數(shù)式與經(jīng)典MPA相結(jié)合，即將式（11）運用到第3.1節(jié)所述的檢測計算中：

在R-MPA接收機中，以檢測器2為主，檢測器1為輔，分別對接收信號y進行檢測；檢測器1所需先驗信息仍通過假定獲得，檢測器2所需先驗信息則由R-MPA接收機的判決器給出。判決器中的主要操作是：借助檢測器1輸出的LLR信息，計算用戶編碼比特（如00 01 10 11）的概率分布；據(jù)此得出用戶各編碼比特所對應的多維碼字的先驗概率，發(fā)送給檢測器2。Turbo解碼器則是根據(jù)檢測器2輸出的LLR信息對接收信號y進行解碼操作。

其中，判決器在計算用戶編碼比特的概率分布時，一位編碼比特（如00）最多對應4次比較運算與一次加法運算。這些運算相比于復雜的MUD檢測運算，可以忽略不計。因此，當檢測器總迭代次數(shù)相等時，R-MPA接收機與log-MPA接收機的實施復雜度近乎相等。

4 仿真與結(jié)果分析

為了驗證本文所提接收機的性能，設計了幾種不同場景，對R-MPA接收機的誤碼率性能與實施復雜度進行仿真分析。

4.1 誤碼率性能

[9]中的實驗仿真可知，在相同通信場景中，log-MPA接收機的檢測誤碼率幾乎與經(jīng)典MPA接收機完全相等。因此基于上行SCMA系統(tǒng)，將R-MPA接收機與log-MPA接收機的檢測誤碼率進行對比，仿真參數(shù)設置見表2。

表2 R-MPA接收機與log-MPA接收機的檢測誤碼率仿真參數(shù)設置

其中，SCMA系統(tǒng)碼本設計采用參考文獻[17]給出的設計方案，且 M=4、N=2；信道編碼采用1/2 Turbo，Turbo解碼的迭代次數(shù)為3；系統(tǒng)噪聲設定為高斯噪聲。此外，場景4、場景5中R-MPA接收機的兩個檢測器的檢測算法迭代次數(shù)均為2，總迭代次數(shù)為4。

在表2所述的5種場景中，R-MPA接收機與log-MPA接收機的檢測誤碼率如圖5所示。其中，場景 1與場景 5的仿真結(jié)果對比，驗證了本文所提接收機設計方案的合理性與有效性。而從場景 2～4的仿真結(jié)果可以看出，相比于log-MPA接收機，R-MPA接收機在檢測誤碼率性能方面有著明顯的優(yōu)勢；且SCMA系統(tǒng)的過載率越大，R-MPA接收機在檢測誤碼率性能方面的優(yōu)勢越明顯。

圖5 R-MPA接收機與log-MPA接收機的檢測誤碼率

4.2 實施復雜度

據(jù)第 3.2節(jié)內(nèi)容可知，R-MPA接收機與log-MPA接收機的實施復雜度基本相等。基于上行SCMA系統(tǒng)，對R-MPA接收機與經(jīng)典MPA接收機的實施復雜度進行對比，仿真參數(shù)設置見表3。

表3 R-MPA接收機與經(jīng)典MPA接收機的實施復雜度仿真參數(shù)設置

其中，SCMA系統(tǒng)碼本與第4.1節(jié)仿真實驗中的一致；場景1、場景2中R-MPA接收機的兩個檢測器的檢測算法迭代次數(shù)均為2，總迭代次數(shù)為4。

在表3所述的4種場景中，R-MPA接收機與log-MPA接收機的檢測運算量如圖6所示。由圖 6可以看出，在檢測環(huán)節(jié)，前者的比較運算量基本與后者的指數(shù)運算量基本相等；而前者的乘法運算量明顯小于后者，且隨著 SCMA系統(tǒng)過載率的增大，兩者差距增大；前者的加法運算量則大于后者，兩者差距也隨系統(tǒng)過載率的增大而增大。整體而言，R-MPA接收機的檢測運算量遠小于經(jīng)典MPA接收機，故前者的實施復雜度遠低于后者。

圖6 R-MPA接收機與經(jīng)典MPA接收機的實施復雜度

綜合第4.1節(jié)與第4.2節(jié)的仿真實驗可知，所提 R-MPA接收機的檢測誤碼率性能明顯高于log-MPA接收機及經(jīng)典MPA接收機；而其實施復雜度遠低于經(jīng)典MPA接收機，與log-MPA接收機基本相等。因此，本文所提接收機是一種檢測精度更高而實施復雜度較低的上行SCMA系統(tǒng)接收機。

5 結(jié)束語

針對上行SCMA通信系統(tǒng)，本文提出一種新型接收機的設計方案。相比于經(jīng)典MPA接收機以及其他改良MPA接收機，所提接收機在對接收信號進行檢測時，極大地減小了由先驗信息帶來的誤差。通過理論分析和實驗仿真表明，所提接收機檢測精度高而實施復雜度較低。因此，本文所提接收機是一種實用價值較高的上行 SCMA 系統(tǒng)接收機。

此外，和現(xiàn)存其他針對上行SCMA系統(tǒng)接收機的研究一樣，本文工作是基于上行 SCMA系統(tǒng)中各用戶傳輸功率相等的場景。將來可以考慮在用戶傳輸功率不等的場景下，如何設置自適應的碼本分配，使得傳輸功率最高的兩個用戶的稀疏碼字正交，進一步提升SCMA系統(tǒng)的檢測性能。

參考文獻：

[1]IMT-2020(5G)推進組. 5G概念白皮書[R]. 2015. IMT-2020 (5G) Promotion Group. 5G concept white paper[R]. 2015.

[2]JEFFREY G A, STEFANO B, WAN C, et al. What will 5G be?[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2014, 32(6): 1065-1082.

[3]董振江, 董昊, 韋薇, 等. 5G環(huán)境下的新業(yè)務應用及發(fā)展趨勢[J]. 電信科學, 2016, 32(6): 58-64. DONG Z J, DONG H, WEI W, et al. New services and development trend in 5G environment[J]. Telecommunications Science, 2016, 32(6): 58-64.

[4]畢奇, 梁林, 楊姍, 等. 面向 5G 的非正交多址接入技術[J].電信科學, 2015, 31(5): 14-21．BI Q, LIANG L, YANG S, et al. Non-orthogonal multiple access technology for 5G systems[J]. Telecommunications Science, 2015, 31(5): 14-21．

[5]DAI L L, WANG B C, YUAN Y F, et al. Non-orthogonal multiple access for 5G: solutions, challenges, opportunities, and future research trends[J]. IEEE Communications Magazine, 2015, 53(9): 74-81.

[6]NIKOPOUR H, BALIGH H. Sparse code multiple access[C]// Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), September 9-11, 2013, London, UK. New Jersey: IEEE Press, 2013: 332-336.

[7]HOSHYAR R, WATHAN F P, TAFAZOLLI R. Novel low-density signature for synchronous CDMA systems over AWGN channel[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2008, 56(4): 1616-1626.

[8]KSCHISCHANG F, FREY B, LOELIGER H. Factor graphs and the sum-product algorithm[J]. IEEE Transactions on Informa-tion Theory, 2001, 47(2): 498-519.

[9]ZHANG S Q, XU X Q, LU L, et al. Sparse code multiple access: an energy efficient uplink approach for 5G wireless systems[C]//2014 IEEE GLOBECOM Workshops, December 8-12, 2014, Austin, TX, USA. New Jersey: IEEE Press, 2014: 4782-4787.

[10]MU H, MA Z, ALHAJI M, et al. A fi xed low complexity message pass algorithm detector for up-link SCMA system[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2015, 4(6): 585-588.

[11]YANG L, LIU Y Y, SIU Y M. Low complexity message passing algorithm for SCMA system[J]. IEEE Communications Letters, 2016, 20(12): 2466-2469.

[12]DU Y, DONG B H, CHEN Z, et al. Shuff l ed multiuser detection schemes for uplink sparse code multiple access systems[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2016, 20(6): 1231-1234.

[13]DU Y, DONG B H, CHEN Z, et al. A fast convergence multiuser detection scheme for uplink SCMA systems[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2016, 5(4): 388-391.

[14]ZHOU Y, LUO H J, LI R, et al. A dynamic states reduction message passing algorithm for sparse code multiple access[C]// 2016 Wireless Telecommunications Symposium (WTS), April 18-20, 2016, London, UK. New Jersey: IEEE Press, 2016: 1-5.

[15]BAYESTEH A, NIKOPOUR H, TAHERZADEH M, et al. Low complexity techniques for scma detection[C]//2015 IEEE GLOBECOM Workshops, December 6-10, San Diego, CA, USA. New Jersey: IEEE Press, 2015: 1-6.

[16]LOELIGER H. An introduction to factor graphs[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2004, 21(1): 28-41.

[17]TAHERZADEH M, NIKOPOUR H, BAYESTEH A, et al. SCMA codebook design[C]//2014 IEEE 80th Vehicular Technology Conference (VTC), September 14-17, 2014, Vancouver, Canada. New Jersey: IEEE Press, 2014: 1-5.

A novel receiver for uplink SCMA system

ZHANG Hongyang, ZHENG Changliang, SHAO Genfu, LIU Huaping
Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China

Sparse code multiple access (SCMA) is a type of code domain non-orthogonal multiple access technology, which is regarded as a promising multiple access technology for 5G due to its excellent performance. The uplink SCMA system generally uses a message passing algorithm (MPA) in the receiver. The priori information can be inaccurated to cause an increased detection error. A novel receiver for the uplink SCMA system, called ring-MPA (R-MPA) receiver, was proposed to solve this problem, by using a joint detection process. The proposed R-MPA receiver was compared with the log-MPA receiver and the classic MPA receiver, two state-of-the-art existing schemes. Both theoretical analysis and computer simulation results show that the proposed receiver not only has a superior error performance, but also has a lower implementation complexity than these existing schemes.

5G, sparse code multiple access, message passing algorithm, R-MPA, overloading factor

s: The National Natural Science Foundation of China (No.61471153), Scientific Research Foundation of Hangzhou Dianzi University (No.KYS085614014, No.ZX150204307002/001)

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017188

張宏揚（1991?），男，杭州電子科技大學碩士生，主要研究方向為非正交多址接入。

鄭長亮（1980?），男，博士，杭州電子科技大學講師，主要研究方向為無線通信、移動通信等。

邵根富（1962?），男，杭州電子科技大學教授、碩士生導師，主要研究方向為無線通信理論、信號處理與自動控制等。

劉華平（1965?），男，博士，杭州電子科技大學特聘教授、碩士生導師，美國俄勒岡州立大學終身教授，主要研究方向為無線通信理論、無線傳感網(wǎng)絡和信號處理等。

2017?04?17；

2017?06?06

國家自然科學基金資助項目（No.61471153）；杭州電子科技大學科研啟動基金資助項目（No.KYS085614014，No.ZX150204307002/001）