稀疏码多址接入

(四川理工学院自动化与信息工程学院 四川 自贡 643000)

稀疏码多址接入

王甜

(四川理工学院自动化与信息工程学院四川自贡643000)

移动互联网和物联网市场与业务应用的迅猛发展成为推动5G发展的主要驱动力。非正交多址接入技术就成为当下5G多址接入的研究重点。在所有现有的非正交的技术中,最近提出的稀疏码多址接入技术(SCMA)能达到一个更好的链路级性能。本文讲述了SCMA的基本原理和其中涉及到的码本，具体阐释了它所采用的消息传递算法(MPA)检测原理，并通过仿真说明了它的优异性能。

5G；非正交多址接入；稀疏码多址接入

一、引言

第五代移动通信已经成为国内外移动通信领域的研究热点.眼下，业界关于5G的研讨如火如荼，在2015年上海世界移动大会上，全球电信运营商、设备商不约而同的认为5G已到关键发展时刻。华为从2009年开始研究5G，截至今年全球已有超过300个5G专家，9个5G研发中心在共同推进5G的进程。早在2013 年初欧盟在第7框架计划启动了面向 5G 研发的METIS项目,由包括我国华为公司等29个参加方共同承担。而SCMA正是华为公司和电子科技大学提出的5G的一种空口接入技术。

SCMA技术是未来第五代移动通信网络全新空口的另一种重要的波形参数配置技术。正交多址技术由于其接入用户数与正交资源成正比，因此不能满足5G大容量、海量连接、低延时接入等的需求，非正交多址接入就成为当下5G多址接入的研究重点。SCMA就是应5G需求设计产生的一种非正交多址技术[1]。以SCMA为代表的码域非正交多址接入技术将多个用户的数据进行码域扩频和非正交叠加后，在相同的时域频域以及空间资源里发送，接收端通过线性解扩和干扰消除操作来解调出各个用户的信息。

二、SCMA基本原理

SCMA在发送端通过多维调制和稀疏扩频将编码比特映射成SCMA码字，接收端通过多用户检测完成译码。

SCMA的两个关键技术是低密度扩频和高维调制。正是它的这两个特性满足了5G所要求的连续域覆盖、低功耗和大连接等应用特点。SCMA的原理如下：拿火车上的座位比喻，4个同类型的并排座位，可以塞6个人进去，这样就实现了1.5倍的频谱效率提升。听起来很简单，可是实现起来并不容易。这涉及SCMA的第一个关键技术：低密度扩频，把单个子载波的用户数据扩频到4个子载波上，然后6个用户共享这4个子载波(参见图1)[2]。叫低密度扩频，是因为用户数据只占用了其中2个子载波，另外2个子载波是空的。

SCMA的第二个关键技术是高维调制。高维调制很抽象，传统的IQ调制只有两维，幅度和相位，多出来的维代表什么。其实，通过高维调制技术，调制的还是相位和幅度，但是最终使得多用户的星座点之间欧氏距离拉的更远，多用户解调和抗干扰性能大大增强了。每个用户的数据都使用系统分配的稀疏码本进行了高维调制，而系统又知道每个用户的码本，就可以在不正交的情况下，把不同用户最终解调出来。

图1 SCMA原理图

三、SCMA码本和 MPA检测算法

SCMA技术的优异性能和高效的频谱利用率，得益于其物理层关键技术的支持，即码本设计和多用户检测技术。

(一)码本。SCMA码本设计方案最早是由华为公司提出的，主要通过设计多维星座，然后结合星座旋转和低密度扩频序列设计得到。SCMA通过4个信道发送6个用户的数据，用户之间肯定不可能严格正交，必须使用高维调制技术，使得每2个用户星座点之间的欧氏距离尽可能拉得更远。所以SCMA码本设计要求非常高、难度比较大，经过权衡，本文并未涉及码本这一部分的研究。

作为华为在2015年亚洲创新设计大赛5G 专题竞赛中公开了一个SCMA 码本。所以本文的后续研究都是在此码本上进行的。

(二)MPA检测算法。SCMA多用户检测原理与其他系统中的检测算法本质相似，都是根据空间搜索从而计算用户信号的最大后验概率，通过各用户的发送信号的最大后验概率进行多用户区分，从而达到检测的目的。

本文研究MPA检测算法假设信道矩阵H的状况与[3]中的情景一致，联合最优多用户MAP检测器应用于观察y，为了估计出x，表达式如下：

(1)

根据稀疏性，仅仅会有少量的非零元素在矩阵F的一些具体的位置上。一组k维调制符号通过相应信道传输后，独特的码本映射可以表示为W·x，对于第k个资源节点上的本地信道观测值Mk(x)的表达式如下

(2)

获得Mk(x)之后，作为一个传统的MPA探测器，执行迭代计算，以便交换层节点和资源节点之间的信息。

四、数字和仿真结果

在所有的仿真中，未编码的信息比特和一组四维四点的复杂的星座调节器被应用在每一层，信道设置和[3]中的一致。MATLAB仿真条件为:每个用户发送帧数为10帧，每帧1024bit，turbo译码迭代5次，码率1/2，观察BER随着SNR的变化。

不同译码算法的比特误码率仿真图如图2，从图中可以看出，MPA与Max-log-MPA相比，性能要更好些，在信噪比比较小时，两者的误码率相差不大，但随着信噪比的增加越来越明显。但都控制在1db以内。并且考虑到硬件实现条件、运行时间和算法复杂度的问题，综合考虑Max-log-MPA算法可以作为MPA算法的一个优化算法。

图2 SCMA不同译码算法的误码率性能曲线

五、结语

本文对SCMA的相关原理进行了概述，并对SCMA的因子矩阵和码本也进行了简述，然后用相关的数学表达式对MPA检测算法进行了详细的描述，最后还对它做了相应的仿真。通过这一系列的工作，足以看出SCMA的优异性能。这样SCMA技术就能够支撑未来第五代移动通信系统“海量”终端设备的接入，并减小传输延迟，同时还能实现节能降耗。

[1]毕奇,梁林,杨姗等.面向 5G 的非正交多址接入技术[J].电信科学.2015,5

[2]深度解读华为5G空口新技术：F-OFDM和SCMA.电子产品世界.

[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，湖北天门人，在读硕士生，主要从事智能信号处理方面的研究。