稀疏码多址接入系统中低复杂度多用户检测算法研究

发布时间：2020-07-15 17:06

【摘要】：面向2020年及未来,为满足移动互联网和物联网的多样化性能需求,实现万物互联的愿景,第五代移动通信(The 5th Generation Mobile Communication,5G)要求具备海量连接、低时延接入的特性。稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)技术可以使得系统在高过载率下保持良好的性能,目前已成为一种极具竞争力的5G候选多址接入方案。不同于传统方案中的调制和扩频过程,SCMA系统发送端将编码比特直接映射为复数域多维稀疏码字,不同用户的码字在相同的物理资源块上以稀疏扩频的方式非正交叠加。接收端则基于码字的稀疏特性,利用消息传递算法(Message Passing Algorithm,MPA)进行多用户联合检测。本文从码本设计和多用户检测等方面对SCMA进行了深入研究分析,并提出了改进方案,具体内容总结如下:1.本文首先对SCMA系统演进路线进行分析,指出该方案实现海量连接的可行性。接着详细分析了上行SCMA系统基本原理,主要包括发送端和接收端两个部分。最后对影响SCMA系统性能的因素进行分析,包括迭代次数、系统过载率。研究结果表明,和长期演进(Long Term Evolution,LTE)相比,SCMA系统可以实现300%的过载率,能提供更优的连接能力。2.针对SCMA系统中码本设计较复杂的问题,首先分析了码本设计的步骤。接着本文引入一种基于Star-QAM星座的码本设计方法,该方法能够分别确保码本中各码字的功率以及各层功率均不同。此外,该设计方法还能使得平均欧式距离最大化,从而提升了SCMA系统误比特率(Bit Error Rate,BER)性能。研究结果表明,基于Star-QAM星座的码本性能整体要优于华为5G大赛提供的码本。3.针对SCMA高过载条件下原始MPA译码复杂度高、检测性能不理想的问题,本文提出两种改进算法:部分外信息串行传递的消息传递算法(Partial Information Based on Serial of MPA,PIS-MPA)和类球型译码权重因子分配的消息传递算法(Weighted Factor Based on Sphere Decoder of MPA,WFSD-MPA)。对于PIS-MPA算法,消息更新时采用串行方式,并通过设定门限值只进行部分外信息的传递更新。对于WFSD-MPA算法,则通过缩小译码时合成星座点的搜索范围,并且引入权重因子来改变搜索范围内星座点的初始概率来获得更好的译码性能。仿真结果表明,两种改进算法不仅降低了译码复杂度,还加快了迭代收敛速度。此外,通过选择合适的门限值参数,还可以动态地实现复杂度和系统性能之间的折中,能更加灵活地适应未来5G移动通信中不同应用场景下的性能需求。
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5
【图文】：

资源分配,系统频率

图 1.1 FDMA 系统频率资源分配图2. 时分多址--TDMA不同于 FDMA，TDMA 是在一个载波上对时间资源进行分割，每一个周期被划分为若干个小的时隙向基站发送信号。由于基站是利用时隙来对各移信号进行区分，时隙错位或混乱会导致接收设备无法正确接收相关信息，用户信号之间产生混扰，TDMA 系统对同步和定时要求比较高。图 1.2 给简化的 TDMA 系统时间资源分配图，N 个相邻的时隙构成了一个帧。T由于抗干扰能力比较强、系统容量和频率利用率比较高，广泛应用于 GS。

资源分配,系统时间,时隙

图 1.1 FDMA 系统频率资源分配图-TDMA，TDMA 是在一个载波上对时间资源进行分个小的时隙向基站发送信号。由于基站是利用，时隙错位或混乱会导致接收设备无法正确接产生混扰，TDMA 系统对同步和定时要求比A 系统时间资源分配图，N 个相邻的时隙构成力比较强、系统容量和频率利用率比较高，

系统码,资源分配

图 1.3 CDMA 系统码域资源分配图--OFDMA基于正交频分复用(Orthogonal FrequencOFDMA 系统将整个传输带宽划分为相互用户使用不同的子载波集进行数据传输，用整个频带，OFDMA 中用户可以选择条率上获得分集增益。此外，OFDMA 系统据，其抗多径效应能力得到有效提升。如载波集，理想同步下的系统中多用户之间靠性传输方面具有优异性能，已成为链路中的主流方案。

【参考文献】