SCMA性能及仿真分析*

王 甜，熊興中

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

SCMA性能及仿真分析*

王 甜，熊興中

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

快速的流量增長(zhǎng)和無(wú)處不在的信道要求使探索下一代(5G)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)成為必然。在當(dāng)前5G的研究領(lǐng)域,提出了非正交多范式轉(zhuǎn)變的物理層技術(shù)。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(SCMA)能達(dá)到一個(gè)更好的鏈路級(jí)性能。文中著重說(shuō)明了SCMA產(chǎn)生的起因與基本性能，具體描述了系統(tǒng)模型與信號(hào)處理方法，闡釋了它所采用的消息傳遞算法(MessagePassingAlgorithm)檢測(cè)原理，并通過(guò)仿真以及與IDMA的比較說(shuō)明它的優(yōu)異性能。

5G；稀疏碼多址接入；消息傳遞算法

0 引言

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。這迫切要求5G具有接近光纖的接入速率、千億設(shè)備的連接能力、享受本地操作的實(shí)時(shí)體驗(yàn)、隨時(shí)隨地的寬帶無(wú)線接入能力[1]。同時(shí)這些要求也給無(wú)線接入技術(shù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)[2-3]。而保證這些要求順利應(yīng)用的條件是移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)——多址接入技術(shù)。

正交多址接入技術(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[4]，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)[5]。由華為公司和電子科技大學(xué)提出的SCMA就是應(yīng)5G需求設(shè)計(jì)產(chǎn)生的一種非正交多址接入技術(shù)[6-7]。

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、熱點(diǎn)區(qū)高容量、低時(shí)延和高可靠、低功耗和大連接等應(yīng)用特點(diǎn)。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。相比4G的OFDMA技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)在同等資源數(shù)量條件下，同時(shí)服務(wù)更多用戶，從而有效提升系統(tǒng)整體容量。SCMA與OFDMA相比能同時(shí)服務(wù)更多用戶的原因是：OFDMA每個(gè)用戶占用一個(gè)不同的子載波，解調(diào)時(shí)用不同的子載波來(lái)區(qū)分不同的用戶；而SCMA中每個(gè)子載波上可以疊加兩個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，但同時(shí)每個(gè)用戶又不止占用一個(gè)子載波。其實(shí)SCMA區(qū)分不同用戶的主要方法是用碼本，即每個(gè)用戶分配一個(gè)碼本，碼本包括用戶占用哪些子載波，以及在每個(gè)子載波上的調(diào)制方式。

如圖1所示，在總共4個(gè)子載波、6個(gè)用戶的情況下，每個(gè)子載波上可以疊加3個(gè)用戶的數(shù)據(jù)，同時(shí)每個(gè)用戶又要占用2個(gè)子載波，從4個(gè)子載波上選2個(gè)子載波即有6種組合，所以可以支持6個(gè)用戶。這就是低密度擴(kuò)頻。但單一子載波上有3個(gè)用戶的數(shù)據(jù)沖突了，多用戶解調(diào)還是存在困難。這涉及到SCMA的第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)——高維調(diào)制。IQ調(diào)制只有兩維：幅度和相位，這里多出來(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)之間歐氏距離拉得更遠(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)[8]。

圖1 SCMA原理圖

綜合上述多個(gè)關(guān)鍵方面的相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新，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 系統(tǒng)模型

1.1下行鏈路模型

SCMA編碼器被定義為一個(gè)從log2(M)碼字比特到K維大小為M的復(fù)雜碼字的一個(gè)映射。碼本中的K維復(fù)雜碼字是一個(gè)稀疏向量[9]。

圖2 SCMA系統(tǒng)模型

一個(gè)SCMA編碼器包含U個(gè)用戶，每一個(gè)用戶包含Ju,u=1,…,U個(gè)分離層。SCMA碼字多路復(fù)用K個(gè)共享的正交資源，例如：OFDMA信道。在一個(gè)下行鏈路單輸入多輸出信道中，用戶u0在天線r接收到的信號(hào)被表達(dá)如下：

(1)

為了簡(jiǎn)化符號(hào)，相鄰的OFDMA基調(diào)認(rèn)為是完全相同的，即hru=hru1K。

1.2上行鏈路模型

在一個(gè)時(shí)間間隙內(nèi)，并發(fā)用戶的數(shù)量用U表示，根據(jù)流量和可能的網(wǎng)播的不同而不同。假設(shè)某用戶u(u=1,2,…,U)用來(lái)自于SCMA碼本的碼字Xu來(lái)表示[11]。通過(guò)上面的表示，可知同步復(fù)用層接收到的信號(hào)為：

(2)

其中Xu=[x1u,x2u,…，xKu]T是用戶u的SCMA碼字向量，Pu是接收信號(hào)功率，hu=[h1u,h2u,…,hKu]T是用戶u的信道向量，diag(hu)是一個(gè)對(duì)角矩陣。其中第n個(gè)對(duì)角元素是(hu)n=hnu，w是環(huán)境噪聲加設(shè)備外干擾，統(tǒng)稱為高斯白噪聲。圖2為SCMA上行鏈路系統(tǒng)模型圖。發(fā)射端發(fā)射經(jīng)過(guò)處理后的用戶信息,經(jīng)過(guò)加有高斯白噪聲的信道。接收端接收到用戶信息后,也對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的譯碼操作。最后還原出用戶信息。具體的SCMA Encoding和PRE Mapping過(guò)程如圖3所示。圖3是6個(gè)用戶在4個(gè)子載波上的疊加情況，根據(jù)輸入的編碼比特(00,01,10,11)來(lái)選擇每個(gè)用戶對(duì)應(yīng)碼本上的碼字，再將選出的6個(gè)用戶的碼字映射到4個(gè)子載波上。

2 SCMA信號(hào)處理方法

2.1SCMA收發(fā)器結(jié)構(gòu)

本節(jié)簡(jiǎn)要地介紹SCMA的收發(fā)器結(jié)構(gòu)，使用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表示。假設(shè)B=[b1b2…bK]是K個(gè)上行鏈路

圖3 SCMA碼字疊加在長(zhǎng)度為4的SCMA PRE上

在基站y接收到的信號(hào)，通過(guò)一塊衰落多接入信道后，可以用下式表示：

(3)

2.2SCMA檢測(cè)方案

本文的目標(biāo)是進(jìn)行多用戶符號(hào)檢測(cè)，所以假設(shè)信道矩陣H的狀況與文獻(xiàn)[12]中的情景一致。聯(lián)合最優(yōu)多用戶檢測(cè)器應(yīng)用于觀察y，為了估計(jì)出x，表達(dá)式如下：

(4)

其中

(5)

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，其中：

W=F?H=(F)kj×(H)kj

(6)

其中j=1,2,…,J；k=1,2,…,K。如果H是一個(gè)無(wú)衰減的加性高斯白噪聲信道矩陣，可以得到W=F。這樣等式(5)中的M(x)對(duì)于第k個(gè)資源節(jié)點(diǎn)，Mk(x)的表達(dá)式如下：

(7)

獲得Mk(x)之后，作為一個(gè)傳統(tǒng)的MPA[13]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)之間的外在信息。

為了解決以上問(wèn)題，建議使用對(duì)數(shù)域消息傳遞算法(Max-Log-MPA)。這樣可以應(yīng)用雅可比對(duì)數(shù)Log(ea+eb)≈max(a,b)來(lái)簡(jiǎn)化消除從VN到FN4的操作。盡管Max-Log-MPA算法增加了加法操作的數(shù)量,但減少乘法來(lái)節(jié)省運(yùn)行時(shí)間更重要。此外，由于硬件效率差異計(jì)算指數(shù)和最大操作，Max-Log-MPA算法節(jié)省了額外的20%的運(yùn)行時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)仿真及分析

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)置與參考文獻(xiàn)[13]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1 024 bit，觀察BER隨著SNR的變化。

以下提出了Max-Log-MPA譯碼算法的一個(gè)實(shí)例，因子圖矩陣F被定義為4×6的規(guī)則低密度矩陣，因子圖矩陣F有如下要求[14]：每行每列中1的個(gè)數(shù)必須足夠少，這里，每列中1的個(gè)數(shù)為dc，每行中1的個(gè)數(shù)為dr；構(gòu)成的因子圖必須全部連通。此例中dr=3，dc=2，如圖4。

圖4 SCMA碼的因子圖及其矩陣

采用turbo編碼，碼率1/2,turbo譯碼迭代次數(shù)為5次，6個(gè)用戶，并采用Max-Log-MPA算法譯碼，得到的SCMA在不同迭代次數(shù)條件下的BER-SNR性能仿真曲線如圖5所示。

圖5 SCMA不同迭代次數(shù)的誤碼率性能曲線

從圖5中可以看出迭代次數(shù)對(duì)本文提出的SCMA誤碼率的影響，隨著迭代次數(shù)的增加，誤碼率下降，但迭代次數(shù)在5次左右時(shí)，性能就基本一致了。考慮到迭代次數(shù)的增加會(huì)消耗更多的系統(tǒng)資源。綜合考慮，令迭代次數(shù)NumIter=5。

在6個(gè)用戶的情況下，得到的IDMA在不同迭代次數(shù)條件下的BER-SNR性能仿真曲線如圖6所示。

圖6 IDMA不同迭代次數(shù)的誤碼率性能比較曲線

由圖6可以看出迭代次數(shù)對(duì)IDMA誤碼率的影響，隨著迭代次數(shù)的增加，誤碼率下降，但迭代次數(shù)在5次左右時(shí)，性能就基本一致了。考慮到迭代次數(shù)的增加會(huì)消耗更多的系統(tǒng)資源，綜合考慮，令迭代次數(shù)NumIter=5。

從圖5和圖6得知SCMA和IDMA的最佳迭代次數(shù)都是5次。因此將SCMA與IDMA在相同條件下進(jìn)行比較，得到的BER-SNR性能仿真曲線如圖7所示。

圖7 SCMA與IDMA的BER_SNR曲線圖對(duì)比

從圖7可以看出信噪比比較低時(shí)，IDMA的性能要好些，但是隨著信噪比的增加，在4 dB左右的某一個(gè)點(diǎn)，SCMA的誤碼率急劇下降，性能會(huì)優(yōu)于IDMA。在BER=10-3時(shí),SCMA相對(duì)于IDMA有3 dB的增益。這也驗(yàn)證了引言中所講內(nèi)容。

在采用turbo編碼，碼率1/2,turbo譯碼迭代次數(shù)為5次，6個(gè)用戶的情況下，得到的SCMA在不同譯碼算法條件下的BER-SNR性能仿真曲線如圖8所示。

圖8 SCMA不同譯碼算法的誤碼率性能曲線

從圖8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相差越來(lái)越明顯。但都控制在1 dB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，綜合考慮選擇Max-log-MPA算法。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)SCMA的相關(guān)原理和性能進(jìn)行了概述，也用相關(guān)的數(shù)學(xué)表達(dá)式對(duì)它進(jìn)行了表示，最后還對(duì)它做了相應(yīng)的仿真分析。通過(guò)這一系列的工作，足以看出SCMA的優(yōu)異性能及其多址接入量和業(yè)務(wù)調(diào)整方式非常適應(yīng)5G標(biāo)準(zhǔn)。SCMA性能的好壞其實(shí)主要取決于怎么設(shè)計(jì)每個(gè)用戶碼本的高維調(diào)制星座圖，本文并未涉及這一部分的研究，采用的碼本是華為在2015年亞洲創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽5G專題競(jìng)賽中公開(kāi)的一個(gè)SCMA碼本[15]，華為給了一些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，但是具體怎么優(yōu)化星座圖還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)則。這也是對(duì)SCMA進(jìn)行進(jìn)一步研究的一個(gè)方向。

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SCMA performance and simulation analysis

Wang Tian，Xiong Xingzhong

(School of Automation & Information Engineering,Sichuan University of Science & Engineering，Zigong 643000，China)

The rapid traffic growth and ubiquitous access requirements make it essential to explore the next generation (5G) wireless communication networks.In the current 5G research area，non-orthogonal multiple access has been proposed as a paradigm shift of physical layer technologies.Among all the existing non-orthogonal technologies，the recently proposed sparse code multiple access (SCMA) scheme is shown to achieve a better link level performance.This paper illustrates the origin and basic principle of SCMA ,which specifically describes the system model and signal processing method and illustrates its Message Passing Algorithm (MPA) detection principle.The simulation shows its excellent performance by comparing with IDMA.

5G; SCMA; MPA

TN911

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.21.019

王甜，熊興中.SCMA性能及仿真分析J.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(21)：61-64,69.

四川理工學(xué)院研究生創(chuàng)新基金(y2016042)

2017-07-02)

王甜(1993-)，女，在讀碩士，主要研究方向：智能信號(hào)處理。

熊興中(1971-)，男，博士，教授，主要研究方向：無(wú)線與移動(dòng)通信、智能信號(hào)處理等。