SCMA - 下載本文

本項目SCMA 技術研究的創新點主要包括以下方面的內容。 ① 發送端的稀疏碼本設計:稀疏碼本設計的好壞,直接決定了可獲得的系統性能增益,同時也決定了接收機設計的復雜程度。因此,稀疏碼本的設計是SCMA 非正交接入技術的和核心關鍵。本項目的創新之處在于:將稀疏碼本的設計問題抽象為多維空間上的優化問題,進行多維調制和稀疏擴頻的聯合優化設計,同時兼顧發送信號峰均功率比(PAPR)的要求(盡可能的低)。

② 導頻設計與信道估計:由于SCMA 需要應對海量用戶接入的場景,因此導頻設計若仍采用傳統系統的正交方式設計,不能很好地解決系統接入問題。本項目的創新之處在于:引入非正交的方式來設計上行導頻結構,同時,針對發送端SCMA 信號的非正交發送方式,優化設計導頻的序列和分布圖案,以確保大量用戶可同時接入。對應地,接收端也進行相應優化的信道估計算法,使得SCMA非正交系統在復雜的信道環境中仍能確保良好的譯碼性能。

③ 低復雜度下的多用戶接收機設計:多用戶聯合接收機設計是非正交接入引入后所必須考慮的。不同于正交通信系統,非正交接收存在用戶間干擾的迭代消除,目標是設計性能逼近最大似然的接收算法,同時保證復雜度在系統硬件和系統時延可承受的范圍之內。本項目的創新之處在于:引入消息傳遞算法(MPA)來進行譯碼,同時,設計創新的算法和結構來降低計算成本。

④ 進行MIMO-SCMA 的聯合設計:SCMA 方案可以結合已有的MIMO 技 術,通過空間復用來提高用戶數和吞吐率和空間分集來提高系統可靠

性。本項目的創新之處在于:為了充分利用發揮SCMA 和MIMO 的各自優勢,對各自的碼本和接收機算法進行優化和聯合設計。尤其對于下行MIMO,由于每個預編碼向量不再針對單個用戶(可認為SCMA 在碼域進一步復用了用戶),單一預編碼向量需同時對多個用戶進行了優化,相對于原有的預編碼方案,需要新的優化設計,從而取得更好的性能。在接收端,可將MIMO 譯碼和SCMA 的MPA 譯碼相結合,進行聯合處理,以進一步提高系統性能。預期獲得上述創新點研究成果的知識產權主要包括:申請專利不少于2 項(其中包括不少于1 項國際專利),提交標準提案不少于2 項,在國際學術期刊或國際學術會議上發表學術論文不少于4 篇;完成SCMA 技術的仿真分析及典 型場景下的傳輸方案和通信性能分析。其中,預期在以下方面獲得知識產權。

* 低復雜度的SCMA 稀疏碼本設計 * 低復雜度的SCMA 檢測器設計 * SCMA 稀疏碼本的優化方法 * SCMA 多用戶接收機設計 *SCMA 符號檢測器設計

* SCMA 系統中的非正交導頻設計 * SCMA 系統中信道估計方案 * SCMA-MIMO 系統中的空時編碼方案 * SCMA-MIMO 系統中預編碼設計 * SCMA-MIMO-FBMC 系統中信道估計方案

1)稀疏碼多址接入技術(SCMA)

SCMA 技術是在傳統的TDMA(2G 核心接入技術), CDMA(3G 核心接 入技術)和OFDMA(4G 核心接入技術)的正交多址接入技術的基礎上引入了非正交的大維度擴展的稀疏函數序列而構成的,可以作為OFDMA 接入方式在未來5G 通信系統中的演進。SCMA 在繼承和保持OFDMA 多徑寬帶系統的實現優勢,以及資源靈活應用、發送模式靈活應用的前提下,把CDMA 的優勢和思想通過稀疏碼設計融入進來,使得相比OFDMA,在同樣的資源數下,能接入更多的用戶數據流。同時,相比于OFDM 與CDMA 的簡單疊加,通過稀疏碼本的設計,以及接收端低復雜度檢測器的設計,規避系統均衡實現復雜的弊端,使得其應用成為可能。同時,通過稀疏碼本的優化設計,可以進一步提升分集和成型增益,進而提升鏈路層傳輸可靠性。國際上首次引入SCMA 概念的論文是2008 年由英國薩里大學的Tafazolli教授(英國5G 創新中心創始人)團隊發表的[1],主要是針對性地解決CDMA系統中用戶接入量受限的問題,并沒有考慮基于OFDM 移動通信系統。在隨后 的幾年內,該團隊陸續發表了多篇SCMA 技術在OFDM 通信系統中應用的問題及其解決方案,并提出LDS-OFDMA 移動通信系統的概念[2],以及采用EXIT圖的方式對該系統進行系統級的性能分析的結果[3]。 相比國外研究的進展,國內在SCMA 技術方面研究的投入還是非常好有限的。但從目前的研究趨勢來判斷,這一類基于非正交的接入方式成為面向5G 移動通信的候選接入方案的可能性非常大,主要基于以

下分析:

① 為適應5G 移動通信對用戶數和吞吐量大幅增長的需求,非正交接入技術基于在有限資源上復用多個用戶的接入方式必然是下一代無線空口技術突破瓶頸的必經途徑;

② 數字信號處理芯片能力隨著摩爾定律逐年提升,令人望而卻步的非正交解碼復雜度問題也逐漸趨于平緩,使得發展該技術成為了一種可能;

③ 通過稀疏碼的設計和優化,可以簡化接收端的多用戶檢測器設計、提高發送端的分集增益,進而在降低復雜度的同時提升系統魯棒性。 華為技術有限公司從2009 年起也投入了對非正交過載多址接入方式的基礎研究工作,其中華為瑞典研究所的專家J. van de Beek 和B. M. Popovic 就于2009年全球通信大會上發表了關于采用稀疏特征矩陣進行多址接入的技術方案[4]。由于關注到薩里大學Tafazonlli 教授團隊在該方向上的創新成果,公司在2011年與該教授簽訂了長期合作協議,并于2012 年合作發表了關于LDS-OFDM 方案的接收機設計論文[5]。2012 年華為加拿大研究所的專家也獨立研究出了采用 稀疏碼方式進行多址接入的新技術,即SCMA[6],為研究非正交過載多址接入提供了一種新的技術手段。 主要參考文獻

[1] R. Hoshyar, F. P. Wathan, and R. Tafazolli. Novel low-density signature for synchronousCDMA systems over AWGN channel, IEEE Trans. Signal Process., vol. 56, no. 4, pp.

1616-1626, 2008.

[2] R. Hoshyar, R. Razavi, and M. Al-Imari. LDS-OFDM an efficient multiple access technique,in Proc. 2010 IEEE Veh. Technol. Conf., pp. 1-5.

[3] R. Razavi, M. Ali Imran, and R. Tafazolli. EXIT chart analysis for turbo LDS-OFDMreceivers, in Proc. 2011 Int. Wireless Commun. Mobile Comput. Conf., pp. 354-358.

[4] J. Van De Beek and B. M. Popovic. Multiple access with low-density signatures, in Proc. 2009IEEE Global Commun. Conf., pp. 1-6.

[5] R. Razavi, M. AL-Imari, M. Ali Imran, R. Hoshyar, and D. Chen. On receiver design foruplink low density signature OFDM (LDS-OFDM), IEEE Trans. Commun., vol. 60, no. 11,pp. 3499-3508, 2012.

[6] H. Nikopour and H. Baligh. Sparse code multiple access, in Proc. 2013 IEEE Personal Indoorand Mobile Radio Commun. Conf., pp. 332-336.





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