稀疏碼多址接入

(四川理工學院自動化與信息工程學院 四川 自貢 643000)

稀疏碼多址接入

王甜

(四川理工學院自動化與信息工程學院四川自貢643000)

移動互聯網和物聯網市場與業務應用的迅猛發展成為推動5G發展的主要驅動力。非正交多址接入技術就成為當下5G多址接入的研究重點。在所有現有的非正交的技術中,最近提出的稀疏碼多址接入技術(SCMA)能達到一個更好的鏈路級性能。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)檢測原理，并通過仿真說明了它的優異性能。

5G；非正交多址接入；稀疏碼多址接入

一、引言

第五代移動通信已經成為國內外移動通信領域的研究熱點.眼下，業界關于5G的研討如火如荼，在2015年上海世界移動大會上，全球電信運營商、設備商不約而同的認為5G已到關鍵發展時刻。華為從2009年開始研究5G，截至今年全球已有超過300個5G專家，9個5G研發中心在共同推進5G的進程。早在2013 年初歐盟在第7框架計劃啟動了面向 5G 研發的METIS項目,由包括我國華為公司等29個參加方共同承擔。而SCMA正是華為公司和電子科技大學提出的5G的一種空口接入技術。

SCMA技術是未來第五代移動通信網絡全新空口的另一種重要的波形參數配置技術。正交多址技術由于其接入用戶數與正交資源成正比，因此不能滿足5G大容量、海量連接、低延時接入等的需求，非正交多址接入就成為當下5G多址接入的研究重點。SCMA就是應5G需求設計產生的一種非正交多址技術[1]。以SCMA為代表的碼域非正交多址接入技術將多個用戶的數據進行碼域擴頻和非正交疊加后，在相同的時域頻域以及空間資源里發送，接收端通過線性解擴和干擾消除操作來解調出各個用戶的信息。

二、SCMA基本原理

SCMA在發送端通過多維調制和稀疏擴頻將編碼比特映射成SCMA碼字，接收端通過多用戶檢測完成譯碼。

SCMA的兩個關鍵技術是低密度擴頻和高維調制。正是它的這兩個特性滿足了5G所要求的連續域覆蓋、低功耗和大連接等應用特點。SCMA的原理如下：拿火車上的座位比喻，4個同類型的并排座位，可以塞6個人進去，這樣就實現了1.5倍的頻譜效率提升。聽起來很簡單，可是實現起來并不容易。這涉及SCMA的第一個關鍵技術：低密度擴頻，把單個子載波的用戶數據擴頻到4個子載波上，然后6個用戶共享這4個子載波(參見圖1)[2]。叫低密度擴頻，是因為用戶數據只占用了其中2個子載波，另外2個子載波是空的。

SCMA的第二個關鍵技術是高維調制。高維調制很抽象，傳統的IQ調制只有兩維，幅度和相位，多出來的維代表什么。其實，通過高維調制技術，調制的還是相位和幅度，但是最終使得多用戶的星座點之間歐氏距離拉的更遠，多用戶解調和抗干擾性能大大增強了。每個用戶的數據都使用系統分配的稀疏碼本進行了高維調制，而系統又知道每個用戶的碼本，就可以在不正交的情況下，把不同用戶最終解調出來。

圖1 SCMA原理圖

三、SCMA碼本和 MPA檢測算法

SCMA技術的優異性能和高效的頻譜利用率，得益于其物理層關鍵技術的支持，即碼本設計和多用戶檢測技術。

(一)碼本。SCMA碼本設計方案最早是由華為公司提出的，主要通過設計多維星座，然后結合星座旋轉和低密度擴頻序列設計得到。SCMA通過4個信道發送6個用戶的數據，用戶之間肯定不可能嚴格正交，必須使用高維調制技術，使得每2個用戶星座點之間的歐氏距離盡可能拉得更遠。所以SCMA碼本設計要求非常高、難度比較大，經過權衡，本文并未涉及碼本這一部分的研究。

作為華為在2015年亞洲創新設計大賽5G 專題競賽中公開了一個SCMA 碼本。所以本文的后續研究都是在此碼本上進行的。

(二)MPA檢測算法。SCMA多用戶檢測原理與其他系統中的檢測算法本質相似，都是根據空間搜索從而計算用戶信號的最大后驗概率，通過各用戶的發送信號的最大后驗概率進行多用戶區分，從而達到檢測的目的。

本文研究MPA檢測算法假設信道矩陣H的狀況與[3]中的情景一致，聯合最優多用戶MAP檢測器應用于觀察y，為了估計出x，表達式如下：

(1)

根據稀疏性，僅僅會有少量的非零元素在矩陣F的一些具體的位置上。一組k維調制符號通過相應信道傳輸后，獨特的碼本映射可以表示為W·x，對于第k個資源節點上的本地信道觀測值Mk(x)的表達式如下

(2)

獲得Mk(x)之后，作為一個傳統的MPA探測器，執行迭代計算，以便交換層節點和資源節點之間的信息。

四、數字和仿真結果

在所有的仿真中，未編碼的信息比特和一組四維四點的復雜的星座調節器被應用在每一層，信道設置和[3]中的一致。MATLAB仿真條件為:每個用戶發送幀數為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，兩者的誤碼率相差不大，但隨著信噪比的增加越來越明顯。但都控制在1db以內。并且考慮到硬件實現條件、運行時間和算法復雜度的問題，綜合考慮Max-log-MPA算法可以作為MPA算法的一個優化算法。

圖2 SCMA不同譯碼算法的誤碼率性能曲線

五、結語

本文對SCMA的相關原理進行了概述，并對SCMA的因子矩陣和碼本也進行了簡述，然后用相關的數學表達式對MPA檢測算法進行了詳細的描述，最后還對它做了相應的仿真。通過這一系列的工作，足以看出SCMA的優異性能。這樣SCMA技術就能夠支撐未來第五代移動通信系統“海量”終端設備的接入，并減小傳輸延遲，同時還能實現節能降耗。

[1]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.2015,5

[2]深度解讀華為5G空口新技術：F-OFDM和SCMA.電子產品世界.

[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，主要從事智能信號處理方面的研究。