面向5G的稀疏碼分多址技術(shù)研究.pdf

1、稀疏碼分多址(Sparse Code Multiple Access，SCMA)技術(shù)是一種面向第五代移動(dòng)通信(Fifth Generation，5G)系統(tǒng)的新型非正交多址技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的正交多址技術(shù)，其擁有更高的頻譜利用率和更大的網(wǎng)絡(luò)承載能力，因而成為未來(lái)5G空口技術(shù)的研究熱點(diǎn)。與低密度信號(hào)(Low Density Signature，LDS)不同，在發(fā)送端，SCMA把星座點(diǎn)映射和擴(kuò)頻相結(jié)合，直接將二進(jìn)制比特?cái)?shù)據(jù)映射成多維復(fù)碼字。多維

2、復(fù)星座圖帶來(lái)的成型增益使 SCMA性能相比于 LDS有很大的提升。在接收端，由于碼字稀疏性，SCMA接收機(jī)可以利用消息傳遞算法(Message Passing Algorithm，MPA)進(jìn)行多用戶檢測(cè)(Multi-user Detection，MUD)，即使在系統(tǒng)嚴(yán)重過(guò)載的情況下也能獲得很好的性能。
　　MPA算法是一種基于因子圖求邊緣概率分布的迭代算法，該算法中外信息在變量節(jié)點(diǎn)(Variable Node，VN)和函數(shù)節(jié)點(diǎn)(F

3、unction Node，F(xiàn)N)之間不斷的傳遞，最后獲得一個(gè)穩(wěn)定的概率分布作為判決量，最終最優(yōu)的判決量對(duì)應(yīng)的碼字即為判決輸出結(jié)果。相對(duì)于聯(lián)合最優(yōu)最大后驗(yàn)概率(Maximum-a-posteriori，MAP), MPA是一種次優(yōu)的方法，但是 MPA利用了碼本的稀疏性，極大地降低了多用戶檢測(cè)的復(fù)雜度。
　　雖然MPA算法的復(fù)雜度相對(duì)于最優(yōu)的 MAP有所降低，但是在系統(tǒng)嚴(yán)重過(guò)載或碼本尺寸過(guò)大的情況下，硬件實(shí)現(xiàn)仍然很困難。目前降低 MP

4、A復(fù)雜度的方法有很多，如加權(quán)消息傳遞算法(Weighted Message Passing Algorithm，WMPA)，串行消息傳遞算法(Shuffled Message Passing Algorithm，SMPA)，低映射點(diǎn)的碼本設(shè)計(jì)等，這些方法歸結(jié)起來(lái)可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是改進(jìn)算法本身，一類(lèi)是優(yōu)化碼本。
　　本文主要通過(guò)改進(jìn) MPA算法來(lái)降低復(fù)雜度，針對(duì)上行和下行鏈路分別提出了改進(jìn)方案。本文的主要工作如下：
　　(1

5、)在上行SCMA系統(tǒng)中，提出了一種基于門(mén)限的低復(fù)雜度MPA算法。其基本思路是：在每次迭代完成后，利用門(mén)限來(lái)選擇置信度高的碼字進(jìn)行譯碼。由于碼本具有串行干擾消除(Success Interference Cancellation，SIC)特性，相互疊加的用戶中能量大的用戶會(huì)很容易被檢測(cè)出來(lái)。與原始 MPA相比，在信噪比較高的情況下，所提算法中絕大多數(shù)用戶不需要迭代到最大迭代步數(shù)就被譯碼，整個(gè)譯碼過(guò)程中用戶的平均迭代步數(shù)減少，系統(tǒng)復(fù)雜度降低

6、。同時(shí)，在門(mén)限設(shè)置合適的情況下，可以獲得與原始MPA相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)性能。
　　(2)在 SMPA基礎(chǔ)上，提出了一種基于壓縮碼本的改進(jìn) SMPA算法。該算法的主要思想是：利用 SMPA的快速收斂特性，及時(shí)對(duì)發(fā)送概率極低的碼字進(jìn)行舍棄，從而縮小后續(xù)迭代過(guò)程中單個(gè)消息更新所需的搜索范圍，進(jìn)而達(dá)到進(jìn)一步降低SMPA復(fù)雜度的目的。
　　(3)針對(duì)下行SCMA系統(tǒng)，提出了一種改進(jìn)的MPA算法。該算法從單個(gè)用戶角度考慮，只關(guān)注與該用戶相關(guān)頻點(diǎn)