大規(guī)模非協(xié)調(diào)多址接入技術(shù)研究.pdf

1、隨著智能終端的普及以及移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，到2020年用戶數(shù)和業(yè)務(wù)量將呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長，這對第五代移動通信系統(tǒng)(5th Generation Mobile Communication System，5G)提出了更高的要求。mMTC(massive Machine-Type Communications)作為5G的重要場景之一，旨在為數(shù)百億的低復(fù)雜度、低功耗的設(shè)備提供連接，具有小數(shù)據(jù)包、低速率、海量連接的特點。mMTC場景對頻譜效率和系

2、統(tǒng)接入能力提出了更高的要求，目前的長期演進(Long Term Evolution，LTE)系統(tǒng)無法滿足這樣的需求。非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)技術(shù)具有頻譜效率高、靈活性好等特點，能夠有效提升系統(tǒng)接入能力，為mMTC場景提供了解決方案。此外，大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技術(shù)能夠大幅度提高頻譜效率和能量效率，被認為是

3、5G的核心技術(shù)之一。因此，本文圍繞mMTC場景應(yīng)用需求，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)場景下對NOMA技術(shù)展開深入研究。
　　首先，本文討論了現(xiàn)有的NOMA技術(shù)方案。以兩個用戶為例，從容量區(qū)域的角度對NOMA方案與正交多址接入(Orthogonal Multiple Access，OMA)方案進行了比較，并從理論上得出結(jié)論:在加性高斯白噪聲(Addictive White Gaussian Noise，AWGN)信道下，NOMA最優(yōu)和速率方

4、案優(yōu)于OMA，即具有更高的頻譜效率和更好的公平性。然后，本文討論了因子圖及和積算法，為后文使用的多種基于因子圖的接收算法提供了基礎(chǔ)。接著，本文依次討論了多種NOMA技術(shù):稀疏碼多址接入(Sparse Code Multiple Access，SCMA)、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)和功率域NOM

5、A的技術(shù)原理，并對相應(yīng)的接收機方案做了簡要分析。由于SCMA碼字以及PDMA圖樣具有稀疏性，本文使用消息傳遞算法(Message Passing Algorithm，MPA)來進行信號的檢測與恢復(fù);對于MUSA和功率域NOMA，則使用串行干擾消除(Successive Interference Cancellation，SiC)接收機。與MPA接收機相比，SIC接收機雖然復(fù)雜度較低，但是存在錯誤傳播問題，因此性能上不如MPA接收機。

6、r>　　其次，本文提出了基于完美能量擴展變換(Perfect Energy Spreading Transform，P-EST)的非正交多址傳輸技術(shù)。首先，簡述了能量擴展變換(Energy Spreading Transform，EST)和EST矩陣的實現(xiàn)。其次，本文首次提出P-EST的概念并利用Zadoff-Chu序列生成P-EST矩陣，并進一步提出基于P-EST的非正交多址傳輸方案以滿足mMTC場景海量連接的需求。在該方案中，發(fā)射端

7、通過P-EST變換對符號矢量進行擴頻，并將每個符號能量擴展到整個頻域信號和時域信號上，以此增加發(fā)送信號的分集度。在接收端，本文研究了兩種迭代接收機方案，即基于線性最小均方誤差(LinearMinimum Mean Square Error,LMMSE)檢測的迭代接收機方案以及基于近似消息傳遞(ApproximateMessage Passing，AMP)算法的迭代接收機方案。仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的LMMSE迭代接收機，AMP迭代接收

8、機能夠在相同的性能下大幅降低復(fù)雜度。同時，本文將P-EST傳輸方案與SCMA傳輸方案進行了性能對比，仿真結(jié)果表明，在相同過載率下P-EST傳輸方案的性能顯著優(yōu)于SCMA傳輸方案。
　　最后，為進一步提升系統(tǒng)接入能力，本文將基于P-EST的傳輸技術(shù)與大規(guī)模MIMO系統(tǒng)相結(jié)合，提出了大規(guī)模非協(xié)調(diào)多址傳輸方案。在該傳輸方案中，發(fā)送端采用基于P-EST的發(fā)射技術(shù)，接收端則采用預(yù)處理的簡化AMP迭代接收技術(shù)。在該接收方案中，首先對接收信號進

9、行預(yù)處理以解決MIMO空間信道相關(guān)性所引起的AMP迭代接收機收斂點錯誤問題，然后采用分步求解的AMP迭代接收機方案以進一步降低接收機復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，經(jīng)過預(yù)處理后的AMP迭代接收機性能得到了提升，而化簡后的AMP迭代接收機在降低復(fù)雜度的同時性能沒有損失。接著，本文將大規(guī)模MIMO正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)傳輸系統(tǒng)與大規(guī)模MIMO P-EST傳輸系統(tǒng)進