基于CP-free OFDM的上行SCMA收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)和性能分析

周立，劉喜慶

（北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）

1 引言

隨著信息化革命的不斷發(fā)展，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的接入終端數(shù)與日俱增，利用有限頻譜資源實(shí)現(xiàn)更多終端的接入是未來(lái)移動(dòng)通信的一大發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。5G技術(shù)方興未艾，但其最初提出的三大愿景之一的“海量連接”并未實(shí)現(xiàn)，基于正交資源的多址接入技術(shù)越來(lái)越無(wú)法滿足海量增長(zhǎng)的接入設(shè)備數(shù)目需求，如何利用有限的物理資源實(shí)現(xiàn)更多終端的接入將是B5G、6G的重點(diǎn)研究方向之一。因此，非正交多址（non-orthogonal multiple access，NOMA）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前的NOMA系統(tǒng)主要可以分為兩大類：功率域NOMA以及碼域NOMA。其中，碼域NOMA主要包括圖樣分割多址接入（pattern division multiple access，PDMA）、多用戶共享接入（multi-user shared access，MUSA）以及稀疏碼分多址接入。作為極具競(jìng)爭(zhēng)力的候選NOMA技術(shù)之一，SCMA最早由Nikopour等人提出，在低密度擴(kuò)頻技術(shù)的研究基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，是華為技術(shù)有限公司主推的一種非正交多址技術(shù)。SCMA將信息的調(diào)制、擴(kuò)頻過(guò)程抽象成從碼本中選取一個(gè)高維稀疏碼字，接收端充分利用碼字稀疏性采用高性能低復(fù)雜度的消息傳遞算法（message passing algorithm，MPA）進(jìn)行多用戶檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了接入用戶數(shù)過(guò)載于正交資源數(shù)，提升了系統(tǒng)吞吐量[3-7]。在發(fā)射端，每個(gè)用戶被分配一個(gè)特定的碼本，發(fā)射機(jī)根據(jù)信息比特從碼本中選取一個(gè)高維稀疏碼字并經(jīng)過(guò)物理資源映射后進(jìn)行無(wú)線傳輸。接收端采用性能次優(yōu)的消息傳遞算法來(lái)進(jìn)行多用戶檢測(cè)[8-11]，多用戶疊加信號(hào)經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的MPA算法迭代以后各個(gè)用戶的發(fā)送碼字概率將會(huì)收斂。SCMA憑借其優(yōu)秀的接入用戶數(shù)過(guò)載性能以及不俗的誤碼性能一舉成為極具競(jìng)爭(zhēng)力的新一代多址接入候選技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于SCMA系統(tǒng)容量提升的研究主要集中在碼本優(yōu)化以及高效率傳輸方案設(shè)計(jì)兩方面。所謂碼本優(yōu)化是指將系統(tǒng)容量設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)，學(xué)者們通過(guò)一系列數(shù)學(xué)方法對(duì)SCMA碼本進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，最后產(chǎn)出容量最優(yōu)或次優(yōu)碼本。而高效率傳輸方案設(shè)計(jì)則是指將SCMA與各種高效率傳輸技術(shù)（如濾波器組多載波傳輸）結(jié)合，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的收發(fā)方案以提升SCMA系統(tǒng)容量。本文研究屬于上述第二方面，針對(duì)長(zhǎng)時(shí)延擴(kuò)展信道下的SCMA系統(tǒng)容量提升展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)了基于時(shí)域預(yù)編碼的無(wú)循環(huán)前綴SCMA系統(tǒng)收發(fā)方案，并給出了性能仿真及分析。

2 SCMA概述及相關(guān)工作

典型SCMA系統(tǒng)可以用因子圖來(lái)描述，因子圖由用戶節(jié)點(diǎn)、資源節(jié)點(diǎn)以及連接兩種節(jié)點(diǎn)的邊組成。記因子圖中用戶節(jié)點(diǎn)數(shù)目為J，資源節(jié)點(diǎn)數(shù)目為K，每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)所占據(jù)資源節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為dj，每個(gè)資源節(jié)點(diǎn)上承載的用戶數(shù)為dk。一個(gè)簡(jiǎn)單的SCMA系統(tǒng)的因子圖如圖1所示。

圖1 (4,6) SCMA系統(tǒng)因子圖

圖1中，方框代表資源節(jié)點(diǎn)，共有4個(gè)，即K=4。圓圈代表用戶節(jié)點(diǎn)，共有6個(gè)，即J=6。圖1中每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)均有兩條邊與之相連，即dj= 2。每個(gè)資源節(jié)點(diǎn)均有3條邊與之連接，即dk=3。圖1中的邊表征了SCMA系統(tǒng)中用戶對(duì)正交資源的利用情況。以第3個(gè)用戶為例，其有兩條邊分別連接到了資源節(jié)點(diǎn)1和4，說(shuō)明用戶3僅在第1和第4個(gè)物理資源上進(jìn)行信息傳輸。因子圖可以用因子矩陣進(jìn)行描述，與圖1等價(jià)的因子矩陣如式（1）所示：

因子矩陣的行重dk=3，列重dj= 2，矩陣第k行第j列的元素gk,j= 1表示用戶節(jié)點(diǎn)j與資源節(jié)點(diǎn)k之間有邊相連。在SCMA系統(tǒng)中，每個(gè)用戶擁有一個(gè)特定的碼本，圖2簡(jiǎn)單示意了用戶1的一個(gè)碼本。

圖2 用戶1碼本

對(duì)應(yīng)于因子矩陣的第一列，用戶1碼本中的碼字均只在第一、二個(gè)資源塊上有值。圖2示意的碼本大小為4（碼本中共有4個(gè)不同的稀疏碼字，用戶每發(fā)送兩個(gè)bit即進(jìn)行一次碼字映射）。一般地，對(duì)于大小為M的碼本，用戶每發(fā)送lbMbit便進(jìn)行一次碼字映射。在上行系統(tǒng)中，各用戶將自身SCMA碼字映射到相應(yīng)的物理資源進(jìn)行無(wú)線傳輸，經(jīng)歷不同的衰落信道后到達(dá)接收端，基站端采用MPA算法進(jìn)行多用戶檢測(cè)。

學(xué)術(shù)界對(duì)提升SCMA容量的研究主要從優(yōu)化碼本設(shè)計(jì)的角度展開(kāi)。參考文獻(xiàn)[12]對(duì)上行最大和速率問(wèn)題進(jìn)行了建模，并給出了一種基于碼字非零元素間相關(guān)性消除與功率分配的聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，使得容量逼近于最優(yōu)界。參考文獻(xiàn)[13]提出了一種基于用戶分組的三層功率分配策略以使系統(tǒng)和容量最大化，并采用拉格朗日對(duì)偶分解法解決了上述非凸問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[14]給出了AWGN信道下具有星座約束的SCMA系統(tǒng)容量的閉式解，并證明了對(duì)碼本進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)能優(yōu)化鏈路傳輸性能。參考文獻(xiàn)[15]首先對(duì)一維星座圖進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)而構(gòu)造高維碼字，并證明了該碼本能夠達(dá)到香農(nóng)限。需要指出，上述研究建立在CP-OFDM傳輸?shù)幕A(chǔ)之上，其系統(tǒng)容量仍然受制于CP開(kāi)銷(xiāo)。

傳統(tǒng)ZP-OFDM/CP-OFDM通過(guò)在符號(hào)塊間置入零前綴（zero padding prefix，ZP）或循環(huán)前綴（CP）來(lái)將多徑干擾的影響控制在ZP/CP區(qū)間內(nèi)，其中ZP/CP長(zhǎng)度至少等于信道的最大時(shí)延擴(kuò)展。但添加的ZP/CP并不能攜帶更多的信息，這直接導(dǎo)致了傳統(tǒng)OFDM傳輸效率低下。記OFDM有用信息長(zhǎng)度為L(zhǎng)B，添加的CP/ZP長(zhǎng)度為L(zhǎng)C，則OFDM的實(shí)際傳輸效率僅為L(zhǎng)B/(LB+LC)。在長(zhǎng)時(shí)延擴(kuò)展傳輸環(huán)境下OFDM的頻譜效率將急劇下降。針對(duì)此問(wèn)題，參考文獻(xiàn)[16]提出了一種基于時(shí)域預(yù)編碼的CP-free OFDM傳輸方案——TDP SMIC OFDM，通過(guò)在發(fā)射端進(jìn)行干擾重建以消除子載波間干擾（inter carrier interference，ICI）和符號(hào)間干擾（inter symbol interference，ISI），但該方案只適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸場(chǎng)景，其沒(méi)有考慮多用戶場(chǎng)景下的干擾消除問(wèn)題。為了進(jìn)一步提升SCMA系統(tǒng)的容量，從改進(jìn)無(wú)線傳輸方式的角度出發(fā)，本文提出了基于TDP-OFDM 的SCMA上行傳輸方案—TDP-OFDM SCMA，給出了完整的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同信道、不同過(guò)載率以及不同信道估計(jì)誤差下的SCMA系統(tǒng)誤比特率以及容量性能仿真。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 TDP-OFDM SCMA 上行發(fā)射機(jī)

圖3為T(mén)DP-OFDM SCMA上行發(fā)射機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，包含SCMA碼字映射模塊、傅里葉逆變換模塊、時(shí)域預(yù)編碼模塊以及信道信息接收模塊。下面以用戶j為例對(duì)信息的發(fā)送過(guò)程進(jìn)行介紹，記第j個(gè)用戶的信息比特向量為，其中M為用戶j碼本的大小，即用戶每發(fā)送lbM比特便進(jìn)行一次碼字映射。記映射規(guī)則為f(·)，則碼字映射過(guò)程可由式（2）表示：

上述列向量就是碼本中的稀疏復(fù)向量，稀疏復(fù)向量Sj經(jīng)過(guò)傅里葉逆變換之后得到時(shí)域向量sj，再經(jīng)時(shí)域預(yù)編碼得到編碼向量uj。對(duì)于上行系統(tǒng)，每個(gè)用戶首徑信號(hào)到達(dá)時(shí)間不同，發(fā)射端需要接受基站調(diào)度以同步首徑信號(hào)到達(dá)時(shí)間，圖3中使用同步時(shí)延表示上述過(guò)程，之后進(jìn)行射頻傳輸。

圖3 TDP-OFDM SCMA上行發(fā)射機(jī)

時(shí)域預(yù)編碼模塊利用信道反饋信息進(jìn)行干擾估計(jì)以進(jìn)行ISI、ICI預(yù)消除。其主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 時(shí)域預(yù)編碼模塊結(jié)構(gòu)

圖4中，時(shí)域預(yù)編碼模塊主要由信道信息采集模塊、矩陣線性移位構(gòu)建模塊、矩陣循環(huán)移位構(gòu)建模塊以及存儲(chǔ)器構(gòu)成。信道向量經(jīng)過(guò)線性移位矩陣構(gòu)建模塊以及循環(huán)移位矩陣構(gòu)建模塊之后得到信道線性移位矩陣以及信道循環(huán)移位矩陣，在預(yù)編碼信號(hào)的構(gòu)建過(guò)程中將用到上述兩個(gè)矩陣。

記傅里葉變換矩陣為F，其逆變換矩陣為F-1：

其中，WK= e-i2π/K，傅里葉逆變換過(guò)程可以由式（5）表示：

其中，sj,m表示用戶j發(fā)送的第m個(gè)時(shí)域向量。對(duì)于發(fā)射機(jī)而言，在進(jìn)行第m個(gè)符號(hào)塊的傳輸時(shí)，第m-1個(gè)符號(hào)塊的信息是完全已知的，結(jié)合信道反饋信息可以在發(fā)射端進(jìn)行ICI及ISI估計(jì)[16]。記預(yù)編碼矩陣為χ：

其中，L表示用戶j與基站之間信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，可以證明第l徑的信道增益的幅值滿足瑞利分布，相位服從[0,2π]上的均勻分布[17]。及具體可以表示為：

對(duì)sj,m進(jìn)行預(yù)編碼得到qj,m，即：

若信道估計(jì)準(zhǔn)確，則式（11）可以寫(xiě)作：

其中，Hj為真實(shí)信道矩陣。

信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)域預(yù)編碼以后進(jìn)行射頻傳輸，對(duì)于上行系統(tǒng)，各個(gè)用戶產(chǎn)生的無(wú)線信號(hào)經(jīng)歷不同的衰落信道后在基站端線性疊加，編碼信號(hào)此時(shí)受到的干擾包括ICI、ISI、多用戶干擾以及加性熱噪聲。由于發(fā)送端已經(jīng)對(duì)信號(hào)將要受到的ICI以及ISI進(jìn)行了預(yù)估計(jì)及預(yù)消除。因此，對(duì)于接收端而言，其只需要處理多用戶干擾即可，下面對(duì)TDP-OFDM SCMA接收機(jī)結(jié)構(gòu)及多用戶干擾消除算法展開(kāi)介紹。

3.2 TDP-OFDM SCMA上行接收機(jī)

圖5給出了TDP-OFDM SCMA上行接收機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，主要包括傅里葉變換模塊以及MPA多用戶檢測(cè)模塊。

圖5 TDP-OFDM SCMA上行接收機(jī)

接收機(jī)采樣信號(hào)為各用戶經(jīng)歷不同的多徑信道后的疊加，假設(shè)所有發(fā)射機(jī)都處于理想同步狀態(tài)（即首徑到達(dá)時(shí)間差不超過(guò)一個(gè)符號(hào)周期[17]，注：符號(hào)周期為T(mén)S，符號(hào)塊周期為T(mén)B=KTS），接 收機(jī)可以同步采樣得到一個(gè)符號(hào)塊的數(shù)據(jù)。記第j個(gè)用戶的經(jīng)過(guò)時(shí)域預(yù)編碼以及干擾預(yù)消除后的第m個(gè)發(fā)送符號(hào)塊為uj,m，則接收機(jī)接收的多用戶混疊信號(hào)為：

其中，γm-1為各個(gè)用戶發(fā)送的第m-1個(gè)符號(hào)塊拖尾信號(hào)的疊加，有：

將式（13）中的uj,m及展開(kāi)得到：

將ym輸入傅里葉變換模塊。如第3.1節(jié)所分析的，傅里葉變換過(guò)程等價(jià)于傅里葉變換矩陣F與信號(hào)向量作矩陣乘法，得到：

3.3 多用戶檢測(cè)

本文采用MPA[11]算法來(lái)進(jìn)行多用戶檢測(cè)，各個(gè)用戶發(fā)送碼字的概率消息估計(jì)值不斷在用戶節(jié)點(diǎn)與資源節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行交換與更新，可以證明迭代至一定次數(shù)后各個(gè)用戶發(fā)送碼字的概率將會(huì)收斂。每個(gè)用戶均取其發(fā)送概率最大的碼字進(jìn)行輸出。

MPA算法主要分3步進(jìn)行。

步驟1初始化各個(gè)用戶發(fā)送碼字概率：

步驟2（a）資源節(jié)點(diǎn)向用戶節(jié)點(diǎn)更新消息：

其中，Yk為第m個(gè)接收符號(hào)塊中第k個(gè)子載波上的接收信號(hào)值。σ2為噪聲功率。表示第j個(gè)用戶頻域響應(yīng)向量的第k個(gè)元素，即資源節(jié)點(diǎn)rk與用戶節(jié)點(diǎn)uj之間的信道增益。xk表示資源節(jié)點(diǎn)rk上承載的所有用戶發(fā)送碼字的集合。xj,k表示用戶j所發(fā)送的碼字在第k個(gè)子載波上的值。

步驟2（b）用戶節(jié)點(diǎn)向資源節(jié)點(diǎn)更新消息：

其中，ξj表示所有與第j個(gè)用戶相連的資源節(jié)點(diǎn)的集合，ξj/k表示除去資源節(jié)點(diǎn)rk外所有與第j個(gè)用戶相連的資源節(jié)點(diǎn)的集合。

步驟3達(dá)到最大迭代次數(shù)tmax后輸出：

其中，Qj(wj)表示第j個(gè)用戶所發(fā)送的碼字序號(hào)為wj∈ { 1， …，M}的概率值，選擇其中概率最大的碼字進(jìn)行輸出。

3.4 系統(tǒng)容量與功率效率

系統(tǒng)容量定義為所有接入用戶容量之和，用戶j的容量可以寫(xiě)作[18]：

其中，B為系統(tǒng)帶寬，ξj表示與用戶節(jié)點(diǎn)uj相連的資源節(jié)點(diǎn)集合，為用戶j在第d個(gè)子載波上的信道增益，xj,d為用戶j的發(fā)送碼字在第d個(gè)子載波上的值，表示對(duì)復(fù)數(shù)求模，表示除去用戶節(jié)點(diǎn)uj外，所有其他與資源節(jié)點(diǎn)rd相連的用戶節(jié)點(diǎn)集合，為用戶j的噪聲功率。系統(tǒng)總?cè)萘坑涀鳎?/p>

其中，λj為傳輸效率，對(duì)于TDP-OFDM SCMA其值為1，對(duì)于CP-OFDM SCMA傳輸，其值為K/(K+Lj)，Lj為用戶j信道的最大時(shí)延擴(kuò)展。

與其他接收端處理方案不同，本文采用發(fā)送端預(yù)編碼來(lái)進(jìn)行各用戶的ICI及ISI消除，這樣做的代價(jià)是產(chǎn)生了額外的功率開(kāi)銷(xiāo)。換而言之，本文所提方案以功率效率的下降換取了接收機(jī)處理復(fù)雜度的下降及誤比特率性能的提升，筆者對(duì)TDP-OFDM SCMA系統(tǒng)的功率效率進(jìn)行了分析。如式（10）所示，發(fā)送信號(hào)可以寫(xiě)作：，其中qj,m為信息信號(hào)，為干擾消除信號(hào)。記為信息信號(hào)的平均功率，為干擾消除信號(hào)所消耗的功率值。則TDP-OFDM SCMA信號(hào)的功率效率為：

可以看出，功率效率與信道矩陣相關(guān)。

4 仿真與分析

在仿真中，收發(fā)天線數(shù)量均為1。 子載波數(shù)K= 8，定義過(guò)載率。各個(gè)用戶碼本大小均為4，無(wú)信道編碼，帶寬為0.5 MHz，仿真中采用的信道時(shí)延和相對(duì)功率見(jiàn)表1。

表1 信道時(shí)延和相對(duì)功率[19]

圖6給出了擴(kuò)展典型城市信道模型（extended typical urban model，ETU）、擴(kuò)展車(chē)輛信道模型（extended vehicular A model，EVA）以及擴(kuò)展步行者信道模型（extended pedestrian A model，EPA）下的系統(tǒng)誤比特率曲線，3種信道下的過(guò)載率均為150%。假設(shè)信道估計(jì)理想，可以看出不論哪種信道下TDP-OFDM SCMA性能均與CP-OFDM SCMA相同。此外，由于可分辨徑數(shù)以及可分辨徑增益為ETU最高、EVA次之、EPA最小，系統(tǒng)的誤比特率性能表現(xiàn)為ETU最優(yōu)，EPA最次。

圖6 不同信道下的誤比特率性能

圖7示意了ETU信道下，不同過(guò)載率下的系統(tǒng)誤比特率性能曲線。隨著過(guò)載用戶數(shù)的增加，多用戶干擾逐漸增大。系統(tǒng)平均誤比特率性能表現(xiàn)為隨過(guò)載率增加而減小。

圖7 ETU信道下不同過(guò)載率下的誤比特率性能

圖8給出了不同信道誤差估計(jì)下的系統(tǒng)誤比特率性能，e定義為信道估計(jì)誤差功率與真實(shí)信道功率的比值，記真實(shí)信道向量為h，由信道估計(jì)模塊輸出的估計(jì)信道向量為h?，則。如圖8所示，在非理想信道估計(jì)下，TDP-OFDM SCMA的誤比特率性能劣于CP-OFDM SCMA。雖然二者在多用戶檢測(cè)階段均要用到帶誤差的信道估計(jì)信息，不同的是TDP-OFDM SCMA在時(shí)域預(yù)編碼階段還要使用一次帶誤差的信道估計(jì)信息，故而CP-OFDM SCMA的信道估計(jì)誤差容忍度更大。

圖8 不同信道估計(jì)誤差下的誤比特率性能

圖9給出了在ETU信道下，TDP-OFDM SCMA和基于特征抑制（feature suppresed OFDM，F(xiàn)S-OFDM）算法[20]的誤比特率性能對(duì)比。FS-OFDM是一種基于迭代干擾抑制的CP-free OFDM傳輸技術(shù)，在FS-OFDM系統(tǒng)中，未加CP的OFDM信號(hào)被直接發(fā)送至無(wú)線信道進(jìn)行傳輸，接收端利用判決反饋均衡對(duì)上一個(gè)符號(hào)的拖尾干擾進(jìn)行消除以后，將信號(hào)直接進(jìn)行FFT處理，原本聚集于符號(hào)首部的ISI干擾被均攤至整個(gè)OFDM符號(hào)中，對(duì)符號(hào)進(jìn)行首次判決以后再進(jìn)行時(shí)域OFDM信號(hào)重建并得到第一次重建的CP，將此CP添加至原始接收信號(hào)首部，并進(jìn)行一次更精確的判決，并得到更精確的CP，如此迭代直到收斂。本文使用FS-OFDM作為對(duì)比方案，在仿真圖中使用Ite表示FS-OFDM算法中的迭代次數(shù)，隨著迭代次數(shù)的增加，F(xiàn)S-OFDM SCMA的誤比特率性能逐漸逼近于CP-OFDM SCMA及TDP-OFDM SCMA。需要指出，F(xiàn)S-OFDM SCMA是犧牲了信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性來(lái)?yè)Q取的系統(tǒng)誤碼性能的提升，這對(duì)于一些時(shí)延敏感場(chǎng)景（如自動(dòng)駕駛）是不可接受的。

圖9 TDP-OFDM SCMA/FS-OFDM SCMA性能對(duì)比

圖10～圖12分別給出了EPA、EVA和ETU信道下不同過(guò)載率下的系統(tǒng)容量隨著信噪比變化的曲線，由于省去了CP開(kāi)銷(xiāo)，TDP-OFDM SCMA的系統(tǒng)容量明顯高于CP-OFDM SCMA，在最長(zhǎng)時(shí)延擴(kuò)展達(dá)到OFDM符號(hào)長(zhǎng)度的1/4時(shí)，系統(tǒng)容量最多可以提升25%。此外，ETU信道的可分辨徑數(shù)目以及增益大于EVA及EPA，在容量性能上表現(xiàn)為ETU優(yōu)于EVA，EVA優(yōu)于EPA。且信道時(shí)延擴(kuò)展越大，TDP-OFDM SCMA較CP-OFDM SCMA的容量提升越明顯。在低信噪比范圍（例如0～8 dB），系統(tǒng)容量隨著過(guò)載率的變化表現(xiàn)為先增后減，在η=200%時(shí)容量達(dá)到最大，此后再增加過(guò)載率時(shí)，多用戶干擾愈發(fā)嚴(yán)重從而導(dǎo)致容量減小。在高信噪比范圍（例如12～16 dB），影響系統(tǒng)容量的主要因素已經(jīng)不是噪聲而是多用戶干擾，隨著過(guò)載率的增加系統(tǒng)容量減小。

圖10 EPA信道下不同過(guò)載率下的系統(tǒng)容量

圖12 ETU信道下不同過(guò)載率下的系統(tǒng)容量

圖11 EVA信道下不同過(guò)載率下的系統(tǒng)容量

圖13給出了不同信道下的TDP-OFDM SCMA信號(hào)的功率效率對(duì)比。如第3.4節(jié)分析，信號(hào)的功率效率與多徑信道矩陣直接相關(guān)，且多徑時(shí)延越大， 由上一個(gè)傳輸符號(hào)引起的符號(hào)拖尾越長(zhǎng)，發(fā)射端需要引入的干擾預(yù)消除功率開(kāi)銷(xiāo)越大，在仿真中則表現(xiàn)為信號(hào)的功率效率EPA最高，ETU最低，EVA居中。需要指出，TDP- OFDM SCMA正是以發(fā)射端的功率開(kāi)銷(xiāo)為代價(jià)換取了相較于CP-OFDM SCMA系統(tǒng)的容量性能上的提升。

圖13 不同信道下的功率效率

5 結(jié)束語(yǔ)

TDP-OFDM SCMA通過(guò)省去CP開(kāi)銷(xiāo)使得SCMA系統(tǒng)容量獲得了大幅提升。在誤比特率方面，理想信道估計(jì)下TDP-OFDM SCMA與CP-OFDM SCMA有著基本一致的性能，存在信道估計(jì)誤差時(shí)，后者的誤差容忍度更大。需要說(shuō)明的是，容量上的性能提升是以功率開(kāi)銷(xiāo)為代價(jià)的，TDP-OFDM SCMA進(jìn)行干擾預(yù)消除時(shí)會(huì)產(chǎn)生 額外的功率開(kāi)銷(xiāo)，如何在保證容量以及誤比特率性能的同時(shí)進(jìn)一步降低功率開(kāi)銷(xiāo)則是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的課題。頻譜效率作為移動(dòng)通信領(lǐng)域?qū)W者們不懈優(yōu)化的目標(biāo)之一，可以預(yù)見(jiàn)，B5G、6G時(shí)代對(duì)于大通量無(wú)線傳輸?shù)男枨髮⒏悠惹校琓DP-OFDM SCMA將高過(guò)載的多址技術(shù)和低冗余的波形技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，給未來(lái)的高容量移動(dòng)通信技術(shù)選型提供了一個(gè)參考。