SCMA在5G車聯網中的應用

基金項目：2022年大學生創新創業訓練項目；項目編號：S202210846001。2021年度江西省教育廳科學技術研究項目；項目名稱：5G環境下車聯網信道資源自適應分配策略研究；項目編號：GJJ212014。

作者簡介：黎慧峰（2002— ），男，本科生；研究方向：車聯網技術，5G通信。

摘要：作為交通系統重要組成部分的車聯網，目前面臨用戶量巨大且信息頻繁交換的現象。傳統的4G-LTE網絡系統的接入多采用正交多址接入技術（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA），資源利用率較低。5G車聯網引入了稀疏碼多址接入技術（Sparse Code Multiple Access， SCMA）。SCMA技術是非正交多址接入技術的一種，可通過高容量、大規模連接等方式使5G無線傳輸更高效，若將其應用到車聯網技術上，能更有效地提升車聯網的資源利用率以及信號抗干擾能力。文章就SCMA技術在5G車聯網中的應用展開研究。

關鍵詞：5G車聯網；SCMA；資源分配

中圖分類號：TN929.5中圖分類號" 文獻標志碼：文獻標志碼A

0" 引言

近年，我國提出的“新基建”戰略為汽車領域的智能化、數字化提供了更大的發展空間。在未來汽車領域的發展中，車聯網將起到至關重要的作用。而隨著5G通信技術逐漸進入公眾視野，車聯網的應用也將上升到一個新的高度。

V2X車聯網，即車輛通過實時傳感技術、無線通信技術、定位技術等［1］，在行駛途中完成精密的計算以改善用戶的駕駛體驗，同時能對車輛的行駛情況進行動態分析，使駕駛員更有效地獲取道路情況以及車輛行駛情況，提高車輛行駛效率的同時也降低了車輛發生事故的概率。傳統4G-LTE網絡在傳輸速率、容量、延時性等方面仍具有較多局限性，而基于SCMA的5G通信網絡具備高容量、低延遲、高速率的特性，可以較好地解決車聯網信道接入成功率問題。本文對SCMA技術如何在5G車聯網中有效地實現高信道接入率進行了研究。

1" 5G車聯網

1.1" 傳統車聯網面臨的挑戰

車聯網現在已成為工業信息化的重要研究領域之一。隨著車輛用戶數量的不斷上升，車聯網面臨著巨大的挑戰。

1.1.1" 網絡資源的挑戰

現階段，市面主流的車聯網無線通信基礎仍然是4G-LTE，在用戶數劇增的情況下，4G的信道資源已經無法滿足當前需求，必須考慮新一代移動通信技術。

1.1.2" 網絡延遲與可靠性的挑戰

傳統車聯網適用于用戶業務需求量相對少的情況，在當前的大環境下，用戶業務需求種類繁多，針對娛樂類的業務得到了普遍的歡迎，隨之而來的則是由網絡資源不足導致的網絡延遲的嚴重性和網絡傳輸的低可靠性。

1.1.3" 網絡接入成功率的挑戰

車輛的增多導致了使用車聯網的用戶數量上升，在網絡資源有限的前提下，采用OFDMA正交多址接入技術已滿足不了網絡的接入需求。

1.2" 5G車聯網的概念

5G為第五代移動通信技術，5G車聯網是隨移動通信技術發展而來的產物。5G車聯網以5G為通信基礎，由車內網、車際網和車載移動互聯網組成，按照約定的通信協議和數據交互標準，在V2X（X：車、路、行人及互聯網等）之間，進行無線通信和信息交換的大系統網絡，能夠實現智能化交通管理、智能動態信息服務和車輛智能化控制的一體化網絡。

1.3" 5G車聯網業務需求帶來的影響

5G車聯網因其容量大、速度快等給廣大車聯網用戶帶來了很多新的行車體驗。經統計分析，目前5G環境下的車聯網所能提供的需求主要可分為2大類型，即與行車安全相關的安全需求及與行車體驗相關的非安全需求。

不同的需求在5G車聯網中接入網絡的優先級會有一定的差異，安全需求的優先級高于非安全需求，故而申請安全需求的用戶接入數量也是龐大的。本文提出SCMA+OFDMA多址接入的方式，安全需求采用5G技術和SCMA技術作為網絡的多址接入方式，非安全需求采用OFDMA接入，同時利用全雙工方式實現收發雙向通信，既可以提高接入成功率，又可以提高傳輸效率，降低時延。

2" SCMA技術原理

稀疏碼多址接入 （Sparse Code Multiple Access，SCMA）技術是華為提出的一項新型5G通信空口技術，是一種非正交多址接入技術。SCMA技術具有獨特的優點，與傳統非正交多址接入技術相比擁有高頻譜使用效率、高數據吞吐量、較低應用能耗等［2］。SCMA技術作為一項新型技術，在車聯網V2X中的信道資源分配上具有重要作用。

2.1" SCMA系統模型

SCMA技術充分利用稀疏碼域的稀疏碼本進行非正交疊加，以在同等資源情況下連接更多的用戶。從SCMA系統通用模型［3］（見圖1）可以看到，SCMA系統的信息在發送前，先要完成預處理的過程，然后進行SCMA映射編程，再發入信道。收方收到SCMA編碼信息后，利用多用戶檢測技術分離信息，最后經譯碼器翻譯出相應的編碼發給對應的接收端。

根據無線通信的特點，SCMA系統同樣包含上行鏈路及下行鏈路的雙向鏈路。

2.1.1" SCMA上行鏈路

在上行鏈路中，多個用戶在同一時間內發送對應的二進制數據流。每個用戶發送的信息會先經過信道進行預編碼處理，之后輸出的二進制比特流信息將會進入SCMA編碼器，通過對應的碼本進行映射編碼，結束映射編碼后的數據通過對應的用戶發送到信道。

2.1.2" SCMA下行鏈路

SCMA下行鏈路系統是由基站發起面向用戶的信息，基站發出數據流給需要利用數據的用戶，這些數據將會通過信道編碼，從而得到碼字。編譯出的碼字將會疊加在一起，再通過基站與用戶建立不同的信道進行傳輸，多用戶檢測技術在信道傳輸中可以避免用戶信息混淆的情況，最后再通過譯碼器還原為二進制比特流信息發送到各個用戶。

2.2" SCMA的碼本設計

SCMA系統的核心技術就是碼本設計，在用戶發送比特流信息時，SCMA編碼器將會利用碼本基于不同的用戶需求為其選擇出對應的碼本碼字，不同用戶對應的碼字將會傳輸到相同的信道上進行復用傳輸，緩解用戶信息擁堵的情況，同時實現多個用戶的信息傳輸，使得資源塊中同時疊加的用戶數減少。SCMA碼本因此成為重要組成部分，可用于支持更小或復雜度更低的低功率和低延遲的信息傳輸。

碼本設計一般從子星座設計及母星座設計［4］開始，在非正交多址接入系統中，在滿足最大功率約束的情況下，實現系統性能最大化是2種設計的主要思路。要盡可能增加2個相鄰星座點的最小積距離，同時要保證多個相鄰星座點的最小積距離。在最初設計SCMA碼本時，由于同時使用層數很少的用戶也較少，因此也能暫時滿足用戶的需要。

3" SCMA在5G車聯網中的應用

3.1" 資源分配策略

從SCMA實現原理看，應用于5G車聯網的SCMA常用平均功率分配的策略來完善網絡中的整體資源分配。功率分配策略指將系統的所有平均功率分配給各個用戶子載波，通過算法優化達到功率的充分利用。本文結合香農公式可以得到整個5G車聯網中傳輸信號的最大傳輸速率為：

R=∑Ii=1Bilog2（1+pihiNi）

上式中的R表示系統最大傳輸速率，Bi為子載波i傳輸信息所需的帶寬，pi為子載波i的功率，hi為子載波i的信道增益，Ni為子載波i的噪聲功率。

根據5G車聯網業務需求分析，系統采用SCMA+OFDMA多址接入方式，安全需求業務采用SCMA編碼機制，且為全雙工通信，非安全需求業務采用OFDMA編碼機制，也意味著系統整體速率包含安全需求傳輸速率R1及非安全需求傳輸速率R2。假設現有5G車聯網中有1個總基站，下屬有M個小基站，則各基站下的系統總速率為：

R總=R上行+R下行

為求得最大總傳輸速率，本文采用拉格朗日算法進行優化處理，以獲取最優資源分配方案。

3.2" 策略仿真分析

3.2.1" 環境搭建

為驗證SCMA在5G車聯網資源分配策略中的有效性，本次測試以MATLAB為仿真平臺，搭建測試環境，部分參數設置為：測試場景用戶數10個；信道為瑞利衰減型信道；信道中噪聲功率為-131 dB；小基站數量最多6個；子載波數量最多6個；基站功率閾值為4 W；SCMA載波疊加用戶最大值為3；SCMA碼本最大非零值數為2。

3.2.2" 仿真結果分析

在5G車聯網中，安全需求業務接入網絡的優先級最高，且安全需求業務采用SCMA接入機制結合全雙工傳輸方式。為了驗證文章所提SCMA接入機制的性能，本文將分別對SCMA接入機制的全雙工模式、半雙工模式及OFDMA接入機制下的半雙工模式3種方案，從子載波數量和基站數量變化的角度分別觀察，仿真結果如圖2—3所示。

從圖2—3可以看出，不管是子載波數量增加還是基站數量增加，3種方案的總速率都呈增長趨勢，但是基于SCMA接入機制的全雙工方案整體傳輸速率要比其他2種方案的傳輸速率高，故可以得出，在5G車聯網中引入SCMA接入機制，再以全雙工通信技術作為輔助，可以提高車聯網總的傳輸速率，也意味著5G車聯網的容量將得到提升。

4" 結語

綜上所述，在現有的車聯網發展背景下，為了更好地推進車聯網系統在實際生活場景中的應用，5G技術將逐步深入車聯網的各個環節。本文從提高車聯網網絡接入容量出發，對5G車聯網做了進一步的分析，提出了一種基于SCMA接入方式的5G車聯網新方案。該方案充分利用全雙工通信的優勢，將“SCMA+全雙工”充分應用到車聯網中安全需求相關的業務中，經驗證可得，使用“SCMA+全雙工”后，5G車聯網速率得到提升，同時也能提高車輛行駛過程中的安全性，降低交通事故發生率。

參考文獻

［1］蔡文楠，謝文聰，孫國同.車聯網在5G網絡環境下的發展趨勢及應用探究［J］.中小企業管理與科技，2020（11）：122-123.

［2］董博志，朱江，張海波.SCMA系統中基于能效的碼本和功率分配機制［J］.重慶郵電大學學報（自然科學版），2022（2）：311-319.

［3］鄧豪.面向5G稀疏碼分多址接入系統的研究［D］.南京：南京郵電大學，2022.

［4］張光華，程坤，樊宗源，等.基于用戶服務質量和能效的SCMA資源分配［J］.吉林大學學報（信息科學版），2023（4）：590-598.

（編輯" 王雪芬）

Application of SCMA in 5G vehicle networking

Li" Huifeng， Xie" Yuchen

（Department of Information Engineering， Jiangxi University of Technology， Nanchang 330098， China）

Abstract：" As an important component of the transportation system， the Internet of Vehicles （IoV） is currently facing the phenomenon of a huge number of users and frequent information exchange. The traditional 4G-LTE network system often uses Orthogonal Frequency Division Multiple Access （OFDMA） technology for access， resulting in low resource utilization; The 5G vehicle networking has introduced Sparse Code Multiple Access （SCMA） technology， which is a type of non-orthogonal multiple access technology. It makes 5G wireless transmission more efficient through high capacity， large-scale connections， and other methods. If applied to vehicle networking technology， it can more effectively improve the resource utilization and signal anti-interference ability of the vehicle networking. This article analyzes the application of SCMA technology in 5G vehicle networking.

Key words： 5G vehicle networking; SCMA; resource allocation