稀疏碼多址系統(tǒng)中碼本分配優(yōu)化

馬新迎 楊 霖 林旭彬

(電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 611731)

1 引言

在移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的高速發(fā)展驅(qū)動下,未來大量的終端設(shè)備接入和極致的用戶體驗(yàn)給移動通信提出了巨大的挑戰(zhàn)。因此,為了滿足未來通信的需求,第五代移動通信技術(shù)(fifth generation, 5G)[1]應(yīng)運(yùn)而生,其中無線空口技術(shù)是當(dāng)前5G研究的重要領(lǐng)域,在無線空口技術(shù)中,多址接入技術(shù)是研究的熱點(diǎn)問題。

多址接入技術(shù)是一種讓多用戶共享通信資源的有效技術(shù)手段,在無線通信領(lǐng)域具有至關(guān)重要的研究意義。我國IMT-2020推進(jìn)組發(fā)布的5G概念白皮書從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā),分析歸納5G主要技術(shù)場景、用戶需求和適用關(guān)鍵技術(shù),并給出幾個主要應(yīng)用場景：低延時、超大容量和海量連接等[2]。面對5G中的這些挑戰(zhàn),過去的正交多址技術(shù)已經(jīng)不能滿足它的要求。所以一些非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)[3]就被提了出來。通過NOMA,多用戶可以進(jìn)行配對并共享相同的資源,如時域、頻域、碼域等。目前比較主流的NOMA技術(shù)包括：日本DoCoMo公司提出的功率域非正交多址(Power-domain NOMA)、中興公司提出的多用戶共享多址(Multi-user Shared Access, MUSA)[4]、大唐電信公司提出的圖樣分割多址(Pattern Division Multiple Access, PDMA)、華為公司提出的稀疏碼多址(Sparse Code Multiple Access, SCMA)[5]。SCMA技術(shù)是一種多用戶共享頻率資源的非正交的多址接入方案,它作為低密度信號(Low Density Signature, LDS)[6]碼分多址(Code Division Multiple Access, CDMA)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,用來解決海量連接的系統(tǒng)過載問題。然而,SCMA系統(tǒng)要成為5G中極具競爭力的空口技術(shù),仍然需要解決以下問題：碼本優(yōu)化設(shè)計(jì)、高效譯碼算法、誤比特性能、信道估計(jì)與分配、免調(diào)度、活躍用戶數(shù)檢測等。關(guān)于碼本設(shè)計(jì),文獻(xiàn)[7]基于母星座圖的復(fù)數(shù)共軛、相位旋轉(zhuǎn)、維度變換等具體運(yùn)算來得到不同用戶的特定碼本,這并不是最優(yōu)碼本設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[8]提出了改進(jìn)的碼本設(shè)計(jì)方案,它是基于星型母星座圖的運(yùn)算來得到每個用戶的碼本。在SCMA系統(tǒng)中,高效多用戶檢測是SCMA系統(tǒng)的重要組成部分。最大后驗(yàn)概率(Maximum A Posterior, MAP)算法作為SCMA系統(tǒng)最優(yōu)的多用戶檢測方案,其復(fù)雜度太高不容易實(shí)現(xiàn)。而MPA作為次優(yōu)的多用戶檢測,其利用碼字稀疏特點(diǎn)可以有效的接近MAP性能并且譯碼復(fù)雜度得到極大降低。但隨著用戶數(shù)和碼本大小的增加,MPA算法的譯碼復(fù)雜度是呈指數(shù)增長的,所以降低MPA算法的復(fù)雜度依然值得研究。文獻(xiàn)[9]提出部分概率邊緣化的思想,每次迭代不用更新所有的概率值,使得MPA檢測算法復(fù)雜度降低。此外,在SCMA系統(tǒng)中,文獻(xiàn)[11]提出一種上行鏈路免調(diào)度策略,它可以簡化信令流程,并降低空口傳輸時延。

從上面研究點(diǎn)可以看出,目前研究主要從SCMA系統(tǒng)碼本設(shè)計(jì)和高效的多用戶檢測等方面進(jìn)行的,關(guān)于用戶碼本分配優(yōu)化方面的研究較少。文獻(xiàn)[12]從能效優(yōu)化的角度出發(fā),通過對SCMA系統(tǒng)模型的能效模型建立,得到了最優(yōu)能效下的碼本與用戶配對方案。文獻(xiàn)[13]研究了使用SCMA技術(shù)的蜂窩上行鏈路和智能設(shè)備互聯(lián)情況下的碼本分配及利用問題。現(xiàn)有碼本分配問題的研究都沒有考慮到信道增益信息對于系統(tǒng)性能的影響,因此也都沒能充分利用到信道增益信息。碼本作為SCMA系統(tǒng)中關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié),其對SCMA是否能夠成為5G中的空口技術(shù)有著關(guān)鍵性的作用,因此對于碼本的研究是極其重要的；而現(xiàn)有的關(guān)于碼本的研究則幾乎都停留在碼本設(shè)計(jì)方面上,對于碼本分配的問題研究甚少,這也使得碼本分配問題成為了潛在的研究點(diǎn)。本文研究了在上行鏈路SCMA系統(tǒng)中,根據(jù)信道增益信息對用戶碼本進(jìn)行動態(tài)分配,這樣在一定程度上能夠提高系統(tǒng)的性能。本文將充分利用SCMA系統(tǒng)中信道狀態(tài)信息(channel state information, CSI),提出用戶碼本分配優(yōu)化算法并給出相應(yīng)的仿真結(jié)果。

2 系統(tǒng)模型

2.1 上行鏈路SCMA系統(tǒng)

考慮一個上行SCMA通信系統(tǒng)模型,有J個用戶和K個時頻資源,如圖1所示。SCMA系統(tǒng)中每個用戶分配一個特定的碼本,碼本映射定義為：Blog2M→ψ,其中ψ∈CK并且|ψ|=M。SCMA信號是來自J個不同用戶碼本的碼字疊加,共有J×log2M個比特信息,基站接收到的全部用戶信號表示為：

(1)

式中xj=(x1, j,x2, j,…,xK, j)T∈CK表示第j個用戶發(fā)送的碼字,hj=(h1, j,h2, j,…,hK, j)T∈CK表示第j個用戶的信道,n為高斯白噪聲且服從分布n～CN(0,σ2I)。

基站接收到的信號為所有用戶信號的疊加,在第k個時頻資源所接收到的信號可以表示為：

(2)

SCMA碼的總體結(jié)構(gòu)可以用如圖2所示的指示矩陣F=(F1,F2,…,FJ)和因子圖來表示,其中Fj=(f1, j,f2, j,…,fK, j)∈BK為用戶j的指示向量。假如fk, j=1,則表示用戶j占用第k個時頻資源。因子圖是SCMA碼的另一種表現(xiàn)形式,圖2所示SCMA碼的因子圖與指示矩陣存在以下關(guān)系：用戶節(jié)點(diǎn)和資源節(jié)點(diǎn)相連當(dāng)且僅當(dāng)fk, j=1。在指示矩陣F中,ζj={k|fk, j=1,?k}表示用戶j所占用的時頻資源且|ζj|=dc,ξk={j|fk, j=1,?j}表示資源節(jié)點(diǎn)k所關(guān)聯(lián)的用戶節(jié)點(diǎn)且|ξk|=dr,進(jìn)而表達(dá)式(2)可以改寫為：

(3)

圖1 上行鏈路SCMA系統(tǒng)模型

圖2 SCMA指示矩陣和因子圖(J=6, K=4)

2.2 傳統(tǒng)的MPA多用戶檢測

(4)

(5)

假設(shè)tmax為最大迭代次數(shù),則各用戶譯碼輸出為：

(6)

3 基于碼本分配的多用戶檢測算法

目前在SCMA通信系統(tǒng)中,普遍沒有利用基站與用戶之間的CSI來給用戶分配碼本。傳統(tǒng)MPA多用戶檢測是在碼本隨機(jī)分配的條件下進(jìn)行的,這樣就沒有充分利用CSI已知的條件?；谝陨峡紤],本文將對碼本分配策略進(jìn)行改善來提升系統(tǒng)BER性能。

3.1 固定資源節(jié)點(diǎn)次序碼本分配

3.2 動態(tài)資源節(jié)點(diǎn)次序碼本分配

圖3 固定資源節(jié)點(diǎn)次序碼本分配示意圖(J=6, K=4)

圖4 動態(tài)資源節(jié)點(diǎn)次序碼本分配示意圖(J=6, K=4)

算法2 動態(tài)資源節(jié)點(diǎn)次序碼本分配1. 輸入:J,K,F,hj,ΦK,J,Λ={1,…,K}2. 輸出:更新后的因子圖3. for k=1 to K do4. ΦK,J(m)=maxΦK,J;?n∑{p|fn,p≠0}hn,p 其中n∈Λ5. 更新后的因子圖中資源節(jié)點(diǎn)與用戶節(jié)點(diǎn)滿足rn←ΦK,J(m)6. ΦK,J=ΦK,J-ΦK,J(m) 7. Λ={1,…,K} 8. end9. 形成新的因子圖,給用戶分配相應(yīng)的碼本10. 最后利用MPA多用戶檢測算法完成譯碼。

4 仿真結(jié)果及分析

為了充分利用SCMA通信系統(tǒng)的信道增益情況,本文提出了兩種算法：固定資源節(jié)點(diǎn)次序碼本分配、動態(tài)資源節(jié)點(diǎn)次序碼本分配,分別簡稱為固定碼本分配與動態(tài)碼本分配。下面仿真將與傳統(tǒng)隨機(jī)碼本分配算法進(jìn)行比較,通過仿真驗(yàn)證所提兩種算法的BER性能。在SCMA系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)中,各參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

4.1 誤比特率性能

圖5為傳統(tǒng)隨機(jī)信道分配算法、固定碼本分配、動態(tài)碼本分配在不同迭代次數(shù)情況下的BER性能對比。在Eb/N0=10 dB時,6次迭代次數(shù)情況下隨機(jī)碼本分配算法、固定碼本分配算法、動態(tài)碼本分配算法的BER分別為2.003×10-2、1.122×10-2、9.111×10-3。從圖5也可以看出,在BER值為1×10-2時,6次迭代次數(shù)情況下固定碼本分配相比隨機(jī)碼本分配有1.4 dB的性能增益,而且動態(tài)碼本分配相比于隨機(jī)碼本分配有1.8 dB的性能增益。從SCMA通信系統(tǒng)仿真結(jié)果可以看出,在迭代次數(shù)相同的情況下,動態(tài)碼本分配算法的BER性能最優(yōu),而傳統(tǒng)隨機(jī)碼本分配算法的BER性能最差。在SCMA通信系統(tǒng)中,本文所提兩種碼本分配算法比傳統(tǒng)隨機(jī)碼本分配算法在BER性能上明顯占優(yōu)。

圖5 所提兩種碼本分配算法與隨機(jī)碼本分配算法的BER性能對比

4.2 收斂性能

在SCMA通信系統(tǒng)中,MPA多用戶檢測算法是一種用戶節(jié)點(diǎn)與資源節(jié)點(diǎn)之間的消息迭代算法,收斂速度會嚴(yán)重影響到多用戶檢測的復(fù)雜度,所以對所提算法收斂速度方面的研究顯得尤為重要。圖6為隨機(jī)碼本分配算法、固定碼本分配算法、動態(tài)碼本分配算法在收斂速度方面的比較。在Eb/N0=8 dB或者Eb/N0=12 dB情況下,三種碼本分配算法在迭代次數(shù)為6時基本上已經(jīng)達(dá)到收斂。雖然三種碼本分配算法收斂速度保持一致,但動態(tài)碼本分配算法明顯在BER性能上占優(yōu)。從以上分析可以看出,本文所提兩種碼本分配算法在收斂速度上并沒有改變,但在BER性能方面明顯優(yōu)于隨機(jī)碼本分配算法。

圖6 所提兩種碼本分配算法與隨機(jī)碼本分配算法的收斂速度對比

5 結(jié)論

本文提出了固定資源節(jié)點(diǎn)次序碼本分配、動態(tài)資源節(jié)點(diǎn)次序碼本分配兩種算法用于上行鏈路SCMA通信系統(tǒng)。與傳統(tǒng)隨機(jī)碼本分配算法相比,所提兩種碼本分配算法是充分利用信道增益情況來給用戶分配特定的碼本,并在收斂速度不受影響的條件下明顯提升SCMA系統(tǒng)BER性能。因此,本文研究內(nèi)容對新型非正交多址技術(shù)SCMA的發(fā)展具有重要作用。

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