5G无线通信中的稀疏码多址接入及相关技术研究

发布时间：2020-03-20 09:27

【摘要】：面向2020年及未来,移动数据流量即将出现爆炸式增长。移动互联网和物联网作为未来通信发展的两大主力军,给予第五代移动通信(5G)无限可能和前景。大量移动设备接入和频谱资源短缺的情况也是5G需要面对的问题。稀疏码多址接入(SCMA)技术和频谱感知技术针对上述问题,提出了相应的解决方案。SCMA技术作为非正交多址接入技术的一种,支持用户负载的同时,能够保证系统传输性能。频谱感知技术通过检测区分拥挤频段和空闲频段,提高无线通信中的频谱效率。本文的研究就是基于上述两点,主要的研究内容和创新点如下:(1)本文的基础理论分为两个主要部分,分别介绍了 SCMA技术基础和频谱感知技术基础。首先介绍了 FDMA技术、CDMA技术,并在LDS技术的基础上介绍了 SCMA系统原理及现有的SCMA码书设计方法。分析了多用户检测最常用的MAP检测算法,适合SCMA技术的MPA检测算法以及各自的优缺点。随后,介绍了频谱感知技术基础和频谱感知算法的分类。并具体介绍了发射端检测法,给出了匹配滤波器检测、能量检测和循环平稳特征检测三种算法比较。最后也介绍了协作频谱感知系统和融合中心的融合准则。(2)传统的SCMA码书设计都是对母星座进行矢量变换得到子星座图,系统性能改善不是很明显。由此,本文提出基于QAM星座图分割的优化SCMA码书设计方法。通过比较PSK和QAM星座图的最小欧氏距离后,选择对QAM星座图优化使之成为母星座图;并对母星座进行分割,得到最小欧氏距离更大的子星座图;结合映射矩阵和子星座图生成最终的SCMA码书。仿真结果表明,新方法生成的码书与未分割的优化16-QAM星座图码书、基于TCM分割16-QAM星座图码书、最初的SCMA、LDS及IrLDS相比,在BER为10-4时,系统性能分别提高1.0,1.4,2.5,3.5,4.0dB。且新方法的星座约束容量较上述几种方法也有明显提高。(3)现有大多数频谱感知算法检测复杂度大、检测时间较长,本文提出了基于协方差矩阵的机会协作频谱感知算法。该算法在传统的频谱感知算法的基础上,提出奇偶时隙的划分,对次级用户在偶时隙接收到的信号,采用机会协作方式转发,以提高检测性能。同时提出单门限和双门限两种感知算法,仿真分析表明,在采样点数较多时,单门限检测性能近似于双门限算法,且检测复杂度低,但双门限算法能效优于单门限。且与无协作的能量检测算法、无中继协作的协方差算法及基于协作的能量检测算法相比,在信噪比为-10dB时,新算法的检测概率较上述两种算法分别提高0.19,0.13,0.08。本文中的研究均是以提高系统性能、降低复杂度为出发点,故适合未来5G无线通信等场景。
【图文】：

示意图,频分多址,接入技术,示意图

图２．１邋ＦＤＭＡ频分多址接入技术示意图逡逑图邋２．１邋为频分多址接入（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ邋Ｄｉｖｉｓｉｏｎ邋Ｍｕｌｔｉｐｌｅ邋Ａｃｃｅｓｓ，，ＦＤＭＡ）不意图。ＦＤＭＡ邋是通过逡逑频带划分用户数据区间来传输数据［６］。由图２．１可得，用户间存在频带间隔，以此来避免传输逡逑过程中的信号干扰。ＦＤＭＡ技术也是第一代移动通信系统采用的主要技术。第二代移动通信逡逑系统改用ＴＤＭＡ，主要是通过不同时隙的划分来区分不同用户，如图２．２，且时隙之间的间逡逑隔能有效保障用户传输过程的可靠性［５］。但这两种方法均会造成资源浪费。逡逑７逡逑

第四代移动通信,技术,示意图

图２．３邋ＯＦＭＤＡ示意图逡逑第四代移动通信主要采用ＯＦＤＭＡ技术。ＯＦＤＭＡ技术对频分复用的频带进一步压缩，逡逑如图２．３所示，大大提高了频谱利用率。ＯＦＤＭＡ系统中，各用户占用的频段不是完全独立，逡逑频带之间有重合部分，同时使各用户的子载波具有正交性。也就是说，当某用户频带功率最逡逑大时，基于子载波的正交性，其他用户的载波信号能量均为零，故可以得出该载波上传输的逡逑信号。同时，ＯＦＤＭＡ系统中，为降低频率选择性衰落对信号的影响，考虑对频段进行分割，逡逑以得到仅出现平坦衰落的子频段。逡逑ＦＤＭＡ技术与ＴＤＭＡ技术频谱利用率低，ＣＤＭＡ技术与ＯＦＤＭＡ技术接入用户数量受逡逑限，这些缺点导致其无法满足５Ｇ应用场景的需求。由此提出的ＬＤＳ技术，将采用低密度签逡逑名序列来代替ＣＤＭＡ系统中的等效扩频序列ＬＤＳ技术最初作为一种应用于高斯无记忆逡逑信道中的传输和符号同步检测技术。在ＬＤＳ－ＣＤＭＡ系统中，为大大提高接入用户的数量，逡逑用户间的正交性不再满足，使得接入用户数远超过ＣＤＭＡ码片数，即，实现系统负载。逡逑ＬＤＳ技术中
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5

【参考文献】