第五代移动通信系统中SCMA技术研究

发布时间：2020-03-19 08:58

【摘要】：第五代移动通信技术(5G)要求有更好的通信性能,这其中包括更大的吞吐量,更低的传输时延和响应时间,以及更低的传输能耗和信令开销。同时,支持海量设备的海量接入需求也是下一代无线通信网络的一个重要要求。当前,LTE系统已不能够有效的满足这些新特点、新要求,尤其是在通信系统上行链路中。为了满足下一代移动通信系统的发展需求,本论文研究了一种基于非正交多址接入的稀疏码多址技术(SCMA)并提出一种全新的基于正六边形的SCMA码本设计。首先,本文对华为公司所提出的SCMA技术以及SCMA中的MPA译码算法进行必要的研究。MPA算法是一种基于迭代的消息传递算法。分析发现MPA算法通过因子图中变量节点(VN)和因子节点(FN)外在信息的迭代交换,获得一个稳定的概率分布作为判决量,进行本地的译码操作。同时研究结果表明,通过后验对数似然比(LLR)的应用,MPA译码算法在保持合理复杂度的情况下,可以充分利用SCMA码字的稀疏特性,获得接近于最大似然检测器(ML)的性能。其次,基于通用滤波器多载波技术(UFMC)以及OFDM技术,本文进一步研究了SCMA技术的相关性能。在单天线和多天线下,通过对ITU-R信道中SCMA和OFDMA系统性能对比研究,发现SCMA技术在牺牲部分误码率性能的条件下,可以获得吞吐量性能的大幅提高。在此基础上,我们将SCMA技术调制到UFMC波形上,研究结果表明在ITU-R信道中,SCMA-UFMC的误码率性能和吞吐量性能和SCMA-OFDM的完全相当,误码率性能都比OFDMA相差6dB左右,吞吐量性能提高50%。最后,本文提出一种基于正六边形星座图的全新码本设计。该设计参考多维星座图的格理论,适用于SCMA系统中4载波6用户的情形。新码本的设计大致可分为三个步骤。首先根据传输层个数、资源块个数,以及系统的过载率要求,借鉴LDPC校验矩阵的设计,生成映射矩阵。随后将12个星座点分布在两个嵌套的正六边形端点上形成母星座图,再根据星座图旋转和子集分割等方法扩大星座点之间欧式距离,生成每个用户子星座图。最后,对子星座图上的码本进行功率归一化,生成每个用户的码本。新设计的SCMA码本相较于华为公司所公布的4载波6用户16点码本,复杂度降低了1/4。与此同时,由于新设计码本所有星座点的相位角皆为30~?的整数倍,从而进一步降低了SCMA码本硬件实现的复杂度。经仿真显示,新设计的码本在高信噪比下无论是在AWGN信道还是在多径信道,无论是在UFMC调制还是OFDM调制上,系统都有着更好的误码率性能。综上,本文所研究的SCMA-UFMC技术的性能表现,以及新提出的SCMA码本设计方案都为下一代无线通信候选技术的使用提供了有力的数据参考。
【图文】：

移动通信系统,理念,系统性能,“以人为中心”

第一章绪论幅提升“以人为中心”的移动互联网业务体验的同时，，全面支持“以物为联网业务，实现人与人、人与物和物与物（M2M，Machine-to-Machine）的智网络平均吞吐速率、传输时延以及对虚拟现实、3D（3 维）体验、交互式游戏动业务的支撑能力将成为衡量 5G 系统性能的关键指标。2. 与传统的移动通信系统理念不同，5G 系统研究将不仅仅把点到点的物理层道编译码等经典技术作为核心目标，而是从更为广泛的多点、多天线、多小区作为突破的重点，力求在体系架构上寻求系统性能的大幅度提高。3. 室内移动通信业务已占据应用的主导地位，5G 室内无线覆盖性能以及业务将作为系统优先设计目标，从而改变传统移动通信系统“以大范围覆盖为主、”的设计理念。4. 高频段频谱资源将更多的应用于 5G 移动通信系统，但由于受到高频段无线能力的限制，无线与有线的融合、光载无线组网等技术将被更为普遍的应用。5. 可“软配置”的 5G 无线网络将成为未来的重要研究方向，运营商可根据业动态变化实时调整网络资源，有效的降低网络运营的成本和能耗问题。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5

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