基于稀疏码多址接入的无线多播技术研究
发布时间：2020-03-23 12:37
【摘要】：随着移动互联网的迅速发展,设备接入数量和数据流量将会呈现爆炸式增长,有限的频谱资源很难满足快速增长的移动业务需求。在大规模连接场景中,在线直播和视频会议等业务的应用将会越来越广泛。如果以传统的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)和无线单播来传输,系统资源会被大量占用,势必加剧频谱资源短缺的问题。稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)是一种新型的码域非正交多址接入技术,不仅能提升接入的用户数量,还带来了扩频增益和编码增益。无线多播利用无线信道的广播特性,使得基站可用同一时频资源为多个用户发送同样的数据,进而提高链路利用率。研究基于SCMA的无线多播系统可以充分利用两者的优势,既可以提升空口效率,又可以节省频谱资源。本文从性能分析、系统设计以及资源分配等方面,研究基于SCMA的无线多播技术,主要内容概括如下:(1)对SCMA多播系统的性能进行理论分析与验证。作为一种新型的多址接入技术,SCMA网络中多播系统的性能尚未得到充分的分析和探索。我们推导了SCMA多播系统中用户平均中断概率的闭合表达式,并从理论分析和数值仿真两个角度验证了SCMA多播系统相比传统OMA多播系统在性能上的增益。针对SCMA码域多址的特性,研究SCMA多播系统的误比特率(Bit Error Ratio,BER)性能。首先分析了SCMA单播系统的BER上边界,在此上边界基础上结合无线多播的系统特性,推导了SCMA多播系统BER上边界的一个闭合表达式。由于该表达式的复杂性,很难看出关键参数对系统性能的影响。因此,我们推导了当多播组内用户数趋于无穷时系统BER上边界的一个渐进表达式,进而得到了发送信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)和多播组内用户数对系统BER的影响。(2)研究了基于SCMA的分层多播系统,用以改善传统多播系统总速率受限于组内信道增益最差用户的问题。我们将分层信源编码引入到SCMA多播系统中,并根据信道状态信息(Channel Status Information,CSI)的可用性提出了两种发送方案。第一种方案需要每个用户反馈CSI给基站,虽然产生大量的反馈开销,但是可以最大程度的保证所有用户都有最基本的服务。第二种方案则不需要每个用户的CSI,无法保证所有用户的基本服务质量。由于前者是动态的发送方案,我们为其提出了一种低复杂度的次优资源分配算法。对于后者的静态发送方案,我们为其提出了一种最优的资源分配方案。仿真结果表明,两种分层多播发送方案的中断性能和系统总速率都优于传统多播,所提的资源分配算法可以有效提升系统性能。(3)研究了基于SCMA的协作多播系统,利用协作分集增益来提升通信可靠性。我们提出了一个基于SCMA的中继协作多播系统模型,基于所提模型,首先通过数学理论推导了用户平均中断概率的精确表达式。其次,分析了高SNR场景下中断概率的渐进表达式,并根据该表达式利用理论分析以及数值策略求解了最优功率分配因子和中继位置。最后通过仿真结果验证了理论表达式的正确性,以及所提优化方案的有效性。相比直接多播系统,SCMA协作多播可以有效地降低用户的平均中断概率,尤其是在高SNR场景,所提的中继设计方案可以进一步提升系统性能。在中断概率需求的约束下,协作多播相比直接多播有更高的可达速率和更低的传输时延。
【图文】：
图１－１论文研究内容框架逡逑１．５．２论文的结构安排逡逑本文针对基于稀疏码多址接入的无线多播技术展开研宄，整体的研究框架如图逡逑１－１所示，全文一共分为六个章节，各章节的内容安排如下：逡逑第一章为绪论。主要阐述本文的研究背景及意义，并给出了邋ＳＣＭＡ技术和无线逡逑多播技术的研究现状，总结了国内外学者对ＳＣＭＡ技术和无线多播技术的探索工作。逡逑此外，，还概括性地介绍了本文的主要研宄内容和创新性工作。逡逑第二章为ＳＣＭＡ多播系统的技术基础。首先阐述了邋ＳＣＭＡ的原理，并介绍了逡逑ＳＣＭＡ系统中的多用户检测算法，其次对无线多播技术进行了简单的分析，最后对逡逑后续研究用到的分层信源编码和中继协作技术做了介绍。逡逑第三章研究了基于ＳＣＭＡ的多播系统性能，其中信道建模为大尺度路损和小尺逡逑度瑞利衰落。首先，分别推导了邋ＯＭＡ多播系统和ＳＣＭＡ多播系统的平均中断概率。逡逑其次，在ＳＣＭＡ单播系统ＢＥＲ上边界的基础上，结合多播系统的特性得到了邋ＳＣＭＡ逡逑多播系统的ＢＥＲ上边界，并对其进行了近似化以获得对系统性能更深刻的理解。最逡逑
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本文编号：2596732
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图１－１论文研究内容框架逡逑１．５．２论文的结构安排逡逑本文针对基于稀疏码多址接入的无线多播技术展开研宄，整体的研究框架如图逡逑１－１所示，全文一共分为六个章节，各章节的内容安排如下：逡逑第一章为绪论。主要阐述本文的研究背景及意义，并给出了邋ＳＣＭＡ技术和无线逡逑多播技术的研究现状，总结了国内外学者对ＳＣＭＡ技术和无线多播技术的探索工作。逡逑此外，，还概括性地介绍了本文的主要研宄内容和创新性工作。逡逑第二章为ＳＣＭＡ多播系统的技术基础。首先阐述了邋ＳＣＭＡ的原理，并介绍了逡逑ＳＣＭＡ系统中的多用户检测算法，其次对无线多播技术进行了简单的分析，最后对逡逑后续研究用到的分层信源编码和中继协作技术做了介绍。逡逑第三章研究了基于ＳＣＭＡ的多播系统性能，其中信道建模为大尺度路损和小尺逡逑度瑞利衰落。首先，分别推导了邋ＯＭＡ多播系统和ＳＣＭＡ多播系统的平均中断概率。逡逑其次，在ＳＣＭＡ单播系统ＢＥＲ上边界的基础上，结合多播系统的特性得到了邋ＳＣＭＡ逡逑多播系统的ＢＥＲ上边界，并对其进行了近似化以获得对系统性能更深刻的理解。最逡逑
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