(四川理工學(xué)院自動(dòng)化與信息工程學(xué)院 四川 自貢 643000)

稀疏碼多址接入

王甜

(四川理工學(xué)院自動(dòng)化與信息工程學(xué)院四川自貢643000)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)與業(yè)務(wù)應(yīng)用的迅猛發(fā)展成為推動(dòng)5G發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。非正交多址接入技術(shù)就成為當(dāng)下5G多址接入的研究重點(diǎn)。在所有現(xiàn)有的非正交的技術(shù)中,最近提出的稀疏碼多址接入技術(shù)(SCMA)能達(dá)到一個(gè)更好的鏈路級(jí)性能。本文講述了SCMA的基本原理和其中涉及到的碼本，具體闡釋了它所采用的消息傳遞算法(MPA)檢測(cè)原理，并通過(guò)仿真說(shuō)明了它的優(yōu)異性能。

5G；非正交多址接入；稀疏碼多址接入

一、引言

第五代移動(dòng)通信已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).眼下，業(yè)界關(guān)于5G的研討如火如荼，在2015年上海世界移動(dòng)大會(huì)上，全球電信運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商不約而同的認(rèn)為5G已到關(guān)鍵發(fā)展時(shí)刻。華為從2009年開(kāi)始研究5G，截至今年全球已有超過(guò)300個(gè)5G專家，9個(gè)5G研發(fā)中心在共同推進(jìn)5G的進(jìn)程。早在2013 年初歐盟在第7框架計(jì)劃啟動(dòng)了面向 5G 研發(fā)的METIS項(xiàng)目,由包括我國(guó)華為公司等29個(gè)參加方共同承擔(dān)。而SCMA正是華為公司和電子科技大學(xué)提出的5G的一種空口接入技術(shù)。

SCMA技術(shù)是未來(lái)第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)全新空口的另一種重要的波形參數(shù)配置技術(shù)。正交多址技術(shù)由于其接入用戶數(shù)與正交資源成正比，因此不能滿足5G大容量、海量連接、低延時(shí)接入等的需求，非正交多址接入就成為當(dāng)下5G多址接入的研究重點(diǎn)。SCMA就是應(yīng)5G需求設(shè)計(jì)產(chǎn)生的一種非正交多址技術(shù)[1]。以SCMA為代表的碼域非正交多址接入技術(shù)將多個(gè)用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行碼域擴(kuò)頻和非正交疊加后，在相同的時(shí)域頻域以及空間資源里發(fā)送，接收端通過(guò)線性解擴(kuò)和干擾消除操作來(lái)解調(diào)出各個(gè)用戶的信息。

二、SCMA基本原理

SCMA在發(fā)送端通過(guò)多維調(diào)制和稀疏擴(kuò)頻將編碼比特映射成SCMA碼字，接收端通過(guò)多用戶檢測(cè)完成譯碼。

SCMA的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是低密度擴(kuò)頻和高維調(diào)制。正是它的這兩個(gè)特性滿足了5G所要求的連續(xù)域覆蓋、低功耗和大連接等應(yīng)用特點(diǎn)。SCMA的原理如下：拿火車上的座位比喻，4個(gè)同類型的并排座位，可以塞6個(gè)人進(jìn)去，這樣就實(shí)現(xiàn)了1.5倍的頻譜效率提升。聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，可是實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不容易。這涉及SCMA的第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：低密度擴(kuò)頻，把單個(gè)子載波的用戶數(shù)據(jù)擴(kuò)頻到4個(gè)子載波上，然后6個(gè)用戶共享這4個(gè)子載波(參見(jiàn)圖1)[2]。叫低密度擴(kuò)頻，是因?yàn)橛脩魯?shù)據(jù)只占用了其中2個(gè)子載波，另外2個(gè)子載波是空的。

SCMA的第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是高維調(diào)制。高維調(diào)制很抽象，傳統(tǒng)的IQ調(diào)制只有兩維，幅度和相位，多出來(lái)的維代表什么。其實(shí)，通過(guò)高維調(diào)制技術(shù)，調(diào)制的還是相位和幅度，但是最終使得多用戶的星座點(diǎn)之間歐氏距離拉的更遠(yuǎn)，多用戶解調(diào)和抗干擾性能大大增強(qiáng)了。每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)都使用系統(tǒng)分配的稀疏碼本進(jìn)行了高維調(diào)制，而系統(tǒng)又知道每個(gè)用戶的碼本，就可以在不正交的情況下，把不同用戶最終解調(diào)出來(lái)。

圖1 SCMA原理圖

三、SCMA碼本和 MPA檢測(cè)算法

SCMA技術(shù)的優(yōu)異性能和高效的頻譜利用率，得益于其物理層關(guān)鍵技術(shù)的支持，即碼本設(shè)計(jì)和多用戶檢測(cè)技術(shù)。

(一)碼本。SCMA碼本設(shè)計(jì)方案最早是由華為公司提出的，主要通過(guò)設(shè)計(jì)多維星座，然后結(jié)合星座旋轉(zhuǎn)和低密度擴(kuò)頻序列設(shè)計(jì)得到。SCMA通過(guò)4個(gè)信道發(fā)送6個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，用戶之間肯定不可能嚴(yán)格正交，必須使用高維調(diào)制技術(shù)，使得每2個(gè)用戶星座點(diǎn)之間的歐氏距離盡可能拉得更遠(yuǎn)。所以SCMA碼本設(shè)計(jì)要求非常高、難度比較大，經(jīng)過(guò)權(quán)衡，本文并未涉及碼本這一部分的研究。

作為華為在2015年亞洲創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽5G 專題競(jìng)賽中公開(kāi)了一個(gè)SCMA 碼本。所以本文的后續(xù)研究都是在此碼本上進(jìn)行的。

(二)MPA檢測(cè)算法。SCMA多用戶檢測(cè)原理與其他系統(tǒng)中的檢測(cè)算法本質(zhì)相似，都是根據(jù)空間搜索從而計(jì)算用戶信號(hào)的最大后驗(yàn)概率，通過(guò)各用戶的發(fā)送信號(hào)的最大后驗(yàn)概率進(jìn)行多用戶區(qū)分，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。

本文研究MPA檢測(cè)算法假設(shè)信道矩陣H的狀況與[3]中的情景一致，聯(lián)合最優(yōu)多用戶MAP檢測(cè)器應(yīng)用于觀察y，為了估計(jì)出x，表達(dá)式如下：

(1)

根據(jù)稀疏性，僅僅會(huì)有少量的非零元素在矩陣F的一些具體的位置上。一組k維調(diào)制符號(hào)通過(guò)相應(yīng)信道傳輸后，獨(dú)特的碼本映射可以表示為W·x，對(duì)于第k個(gè)資源節(jié)點(diǎn)上的本地信道觀測(cè)值Mk(x)的表達(dá)式如下

(2)

獲得Mk(x)之后，作為一個(gè)傳統(tǒng)的MPA探測(cè)器，執(zhí)行迭代計(jì)算，以便交換層節(jié)點(diǎn)和資源節(jié)點(diǎn)之間的信息。

四、數(shù)字和仿真結(jié)果

在所有的仿真中，未編碼的信息比特和一組四維四點(diǎn)的復(fù)雜的星座調(diào)節(jié)器被應(yīng)用在每一層，信道設(shè)置和[3]中的一致。MATLAB仿真條件為:每個(gè)用戶發(fā)送幀數(shù)為10幀，每幀1024bit，turbo譯碼迭代5次，碼率1/2，觀察BER隨著SNR的變化。

不同譯碼算法的比特誤碼率仿真圖如圖2，從圖中可以看出，MPA與Max-log-MPA相比，性能要更好些，在信噪比比較小時(shí)，兩者的誤碼率相差不大，但隨著信噪比的增加越來(lái)越明顯。但都控制在1db以內(nèi)。并且考慮到硬件實(shí)現(xiàn)條件、運(yùn)行時(shí)間和算法復(fù)雜度的問(wèn)題，綜合考慮Max-log-MPA算法可以作為MPA算法的一個(gè)優(yōu)化算法。

圖2 SCMA不同譯碼算法的誤碼率性能曲線

五、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)SCMA的相關(guān)原理進(jìn)行了概述，并對(duì)SCMA的因子矩陣和碼本也進(jìn)行了簡(jiǎn)述，然后用相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式對(duì)MPA檢測(cè)算法進(jìn)行了詳細(xì)的描述，最后還對(duì)它做了相應(yīng)的仿真。通過(guò)這一系列的工作，足以看出SCMA的優(yōu)異性能。這樣SCMA技術(shù)就能夠支撐未來(lái)第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)“海量”終端設(shè)備的接入，并減小傳輸延遲，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

[1]畢奇,梁林,楊?yuàn)櫟?面向 5G 的非正交多址接入技術(shù)[J].電信科學(xué).2015,5

[2]深度解讀華為5G空口新技術(shù)：F-OFDM和SCMA.電子產(chǎn)品世界.

[3]J.van de Beek and B.M.Popovi?,“Multiple access with low-density signatures,”[A]in IEEE GLOBECOM,2009,pp.1-6.

王甜(1993-)，女，湖北天門人，在讀碩士生，主要從事智能信號(hào)處理方面的研究。