摘 要

随着智能设备的普遍化，移动通信中的数据量有着呈现飞快增加的趋势，为了应对这种状况，第五代移动通信技术（The Fifth Generation of Mobile Communication Systems，5G）应运而生。稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)技术是非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)技术之一，用于解决4G将很难满足未来用户接入数量的问题。它能够使5G系统具有高速率、低时延、高连接的优势，因此在5G技术中得到了大量应用。

论文主要研究了目前的稀疏码多址接入技术的高维码本设计复杂度高这个现实问题，而解决这个问题是当前研究的重点方向之一。因此，本文主要着重于如何对高维码本进行优化，将介绍一种TCM子集分割法设计各用户码本，并与原始码本进行比较。

研究结果表明：采用这种改进后的码本设计方法能够降低各用户间的干扰，使得接收端的检测译码误码率降低，能够在一定程度上提高接收端的性能。

本文的特色：在介绍了非正交多址接入技术的情况后，将详细说明SCMA技术的原理和整个由移动台到基站的传输过程，并对码本设计改进这一部分给出了明确的技术说明，同时举例演示，最后仿真验证结果。

关键词：非正交多址接入 稀疏码多址接入 子集分割 消息传递算法

Abstract

With The universalization of smart devices, The amount of data in Mobile Communication is increasing rapidly. In order to cope with this situation, The Fifth Generation of Mobile Communication Systems (5G) comes into being. Sparse Code Multiple Access (SCMA) technology is one of the non-orthogonal Multiple Access (NOMA) technologies, which is used to solve the problem that 4G will not meet the needs of future users. It can make 5G system have the advantages of high rate, low delay and high connection, so it has been widely used in 5G technology.

This paper mainly studies the high complexity of high dimensional codebook design of current sparse code multiple access technology. Therefore, this paper mainly focuses on how to optimize the high-dimensional codebook. It will introduce a TCM subset segmentation method to design each user codebook and compare it with the original codebook.

The results show that the improved codebook design method can reduce the interference among users, reduce the bit error rate of detection decoding at the receiver and improve the performance of the receiver to a certain extent.

Features of this paper: after introducing the non-orthogonal multiple access technology, the principle of SCMA technology and the whole transmission process from mobile station to base station are described in detail, and the improvement of codebook design is given a clear technical description. At the same time, an example is given to demonstrate the results. Finally, the simulation results are verified.

Keywords: Non-Orthogonal Multiple Access ；SCMA ；subset division ；MPA

目 录

第1章 绪论 1

1.1 论文研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题研究内容 3

第2章 SCMA技术原理 4

2.1 SCMA框架模型 4

2.1.1 发送端原理 4

2.1.2 接收端原理 5

2.2 SCMA编码原理 5

2.3 MPA检测算法 7

第3章 SCMA原始码本设计 11

3.1 SCMA码本设计 11

3.1.1 因子矩阵设计 11

3.1.2 多维星座的设计 13

3.1.2.1 母星座的设计 13

3.1.2.2 设计星座算子 15

第4章 优化SCMA码本设计 17

4.1 TCM子集分割原理 17

4.1.1 设计总星座图 18

4.1.2 子集分割 18

4.2 利用子集分割设计码本 19

4.2.1 星座矩阵 19

4.2.2 码本与星座矩阵的对应 20

4.3 实例分析 20

4.4 仿真分析 23

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

大规模连接，更好的服务质量，更高的吞吐量和更低的延迟是未来5G无线通信系统的主要要求。与4G系统相比，未来的5G系统将频谱效率提高了5~15倍。为了使世间所有物体能够互相联接这个目标能够实现，稀疏码分多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)技术因此被提出。本论文将会在简单介绍非正交多址接入技术以后，引入SCMA技术，并对其重点进行研究。

1.1 论文研究背景及意义

自从20世纪80年代移动通信问世起，人们在通信方面的需求量有着极大的增加，稳定发展和突破创新是通信技术不断向前演进的目标。移动通信不仅使社会中所有人的日常生活有了很大的变化，而且在高效地促进世界经济的发展。通过研究移动通信的发展历史便可知道，在每一次更新换代的时候，最不可忽视的便是技术更新。而每一次的技术更新，都是一种划时代性的创新、改变，它使得我们的生活日新月异。移动通信系统的一种关键技术是多址接入技术，可以让有限的信道传输资源被多个用户共同使用，在相同时间内，多个传输用户可以同时进行通信并且相互间有较低的干扰。

从第一代到第四代无线通信系统的演进，多址接入技术的变化速度飞快增长。从频分多址接入（Frequency-division Multiple Access，FDMA）到时分多址接入（Time-division Multiple Access，TDMA），再发展为码分多址接入（Code-division Multiple Access，CDMA），最后是正交频分多址接入（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA ）^[1]。由于4G分布广泛且发展逐渐成熟，人们渐渐将关注视线放到了5G这个技术上。由于正交多址技术其能够接入的用户数量和正交资源有着成正比的关系，正交资源的有限，使得在同一时间内接入到资源中的用户量受到了限制，这样就导致正交接入技术不能很好地满足5G技术中所需的条件。多址正交接入技术将有一天无法支撑高速率的数据量增长，因此引入非正交多址接入技术。互联网和物联网作为推进移动通信发展前进的引擎，给5G开阔了宽阔的应用前景。实现高速率、多连接、低时延是研究5G的主要目标，未来的趋势定是万物互联。

1.2 国内外研究现状

截止到目前，有多种非正交多址接入技术在国内外被研究发现，有四种技术比较典型，它们是非正交多址接入（Non-orthogonal Multiple Access, NOMA）、图样分割多址接入（Pattern Division Multiple Access, PDMA）、多用户共享接入（Multiple User Shared Access, MUSA）、稀疏码多址接入（Sparse Code Multiple Access, SCMA）。因为5G已经成为热门关注对象，所以现在关于这些技术都已经有了很多的研究成果。

日本DoCoMo公司研究发现的NOMA系统，是一种与功率有关的技术，通过将许多用户的功率域经过线性叠加，以此达到提高连接设备数量的目的。当消息到达接收端则需要通过接收机来把各个用户信号分离并且解调，接收端利用串行干扰消除（Successive Interference Cancellation, SIC）对用户信号进行区别。而这个对多用户信号的区分是基于利用SIC的接收机来进行的。作为最简单的非正交多址接入技术，NOMA的缺点就是，当功率域用户层数量太多时，就无法继续承载，否则会陡然增加系统的复杂度，也会使系统的性能遭到重大影响^[2]。基于以上原因，NOMA技术还无法为实现理想的5G系统所要求的目标提供完全的技术支持。

PDMA技术是由大唐公司所提出的，它实现接入共享的方法是基于不同的图样，多个用户的功率叠加在同样的时频资源单元上。PDMA包括三个模块，图样映射、叠加、检测。图样具有功率方面、码字集合、时间等特征，PDMA在发射端经过图样映射，再叠加到一起，以形成多用户的图样映射。同样地，在接收端采用SIC技术对用户信号进行分离。因为使用串行干扰消除技术的时候，不同用户有着非一致的检测层，所以也会使分集程度同。如果想要使每个用户的上述参数是一样的，那么需要在早先设计的时候就为不同用户选择不同的分集程度。即使PDMA技术有着最高的频谱利用率，但是却不容易确定它的特征图样域矩阵函数的取值准确度，这样就会复杂化处于接收端的检测系统。

中兴公司提出了MUSA 技术，它的关键思路便是利用码域的不同来分辨不同的用户。它是一种码字是复数的技术。根据定义来说明，各用户需要利用特别构造的序列来扩展它们的调制比特符号，将原始的DS-CDMA（又称为直接序列CDMA）所使用的序列与其之间进行相互比较，MUSA可以促进鲁棒的连续干扰消除实现。然后，通过“共享访问”在同一无线电资源上同时发送每个用户的扩展符号，这实际上是一个叠加过程。在由移动台向基站发送数据的最后一个阶段，便能够利用SIC技术在接收端对接收到的叠加信号进行译码，区分出不同用户的信号^[3]。也就是说MUSA利用一种相关程度很低的多元码来保证过量承载，在解调分离的时候选择SIC技术实现。把许多扩展后的序列组成一个集合，而用户的序列则是从中任意挑选出的一个。需要知道的是，对同一个用户而言，支持将不一样的序列应用到不一致的调制数据符号。然后，将全部的扩展符号在一样的时频资源上进行发送。扩频序列应该具有低互相关并且可以是非二进制的。在接收端，同样利用SIC技术实现对不同用户信号的区分。对接收器的实现有着唯一显着影响的就是为了执行SIC操作改变了处理流程。

稀疏码多址技术用于解决5G技术所提出的的挑战。及时信道资源有限，这项技术也可以传输多用户，这提供了许多优于正交多址接入的优势，包括多用户容量、支持过载传输、实现可靠和低延迟无授权传输、实现灵活的业务复用等。几年前已经做了很大的努力来抑制多址干扰以降低错误概率或增加容量。前有研究人员提出了低密度签名（Low Density Signature,LDS）技术，它有意安排每个用户在一小部分信道上传播其数据而不是所有信道，以减少MAI和多用户检测的复杂性。受LDS的过载能力和低复杂度特征的启发，SCMA延续了LDS稀疏序列结构，便可以使用消息传递算法(Message Passing Algorithm，MPA)来进行区分不同用户信号。与LDS方案相反，在SCMA中利用多维信号星座而不是扩频来对抗信道衰落和MAI。因此，与LDS相比，由于改进的码本，SCMA可实现更大的编码增益和更好的频谱效率。作为NOMA系列之一，SCMA能够支持编码域上的过载访问，从而提高整体速率和连接性。如果在码本以及多维调制星座的设计这一块可以进行适当的优化，那么就能够提高编码和整形增益。在SCMA系统中，用户以低密度方式占用相同的资源块，这使得接收端的检测复杂度在可以接受的范围内。即使对于大量并发用户，信号的稀疏性也保证了小的冲突，并且扩展编码如代码设计也由于扩展增益而带来良好的覆盖和抗干扰能力^[4]。但是SCMA高维码本设计复杂度高，因此优化码本成为当前的重要研究方向之一。

1.3 课题研究内容

本论文在非正交多址接入技术的基础上，简要讨论了现有的广泛应用于5G系统中的多种多址接入技术，并且详细探讨了SCMA技术中的几大部分，包括各用户的码本设计和接收端采用的解调分离各用户信号的检测算法，其中对发送端码本设计这一部分着重进行了学习研究，并提出了一种优化方法。论文组织结构安排如下：

第一章：介绍了课题的背景以及意义。海量连接用户对于5G有着迫切需求，因此对应用到5G中的技术关注度也相当之高，同时具体介绍了国内外的研究现状。

第二章：介绍了SCMA在发送端的编码原理，主要是编码比特映射为码本中的码字，所有用户的码字非正交叠加传输；同时具体讲解了接收端的检测算法，是基于次优于最大后验概率的MPA算法，变量节点与功能节点迭代传输。

第三章：主要对SCMA技术中原始用户码本的构造过程进行了详细的说明，其中包括三个部分：设计因子矩阵、设计母星座以及星座算子。

第四章：引入TCM子集分割码本设计方法，构造一个母星座，将其子集分割后得到子星座，从而由生成的星座矩阵得到对应的码本。这里将码本优化以降低接收端的误码率，并通过仿真验证。

第2章 SCMA技术原理

稀疏码分多址是近年来提出的一种多址机制，它是LDS的增强。LDS和SCMA的基础是相同的：使用低密度或者稀疏非零原始序列来减少接收机侧MPA处理的复杂度。但是，SCMA机制将映射和扩频这两个操作相联合，把比特符号映射为稀疏的码字，那么实际上用户所传递的信息形式就是码本中的一个码字。SCMA在接收端采用MPA算法，MPA算法通过功能节点(Function Node, FN)和变量节点(Variable Node, VN)之间的概率估计和反复迭代，使它具有更好的性能^[5]。除此之外，码本中码字的稀疏性也可以使接收端MPA算法的复杂度有所降低，让这项技术相比较而言更有可取之处。

2.1 SCMA框架模型

2.1.1 发送端原理

SCMA的发送端的基本原理如图2.1所示，通过一个SCMA编码器直接得到了稀疏的SCMA码字，同时实现了传统低密度扩频CDMA（Low Density Spread-CDMA,LDS-CDMA）的调制和扩频处理功能。SCMA可包含单个或多个数据层，用于实现多用户复用。单个用户的数据对应其中的一层或多层，每一个数据层有一个预定义的SCMA码本，其中包含多个由多维调制符号组成的SCMA码字^[6]。同一SCMA码本中的SCMA码字具有相同的稀疏图样。

图2.1 SCMA的发送端原理图

在由移动台到基站的上行链路中，编码的数据比特被映射成了从SCMA码本中选出的稀疏码字，接下来就携带着用户数据被发送出去。在空口上把所有用户数据非正交叠加，一个非正交序列便产生了，这样不同的用户数据信息就共处于资源块上面。SCMA可以用于上行，也可以用于下行。对于上行，可将用户传输的信号在资源块上叠加，这样就可以在同一时间传输多用户，满足大量的连接需求，这种优势使其成为5G热潮中所被大量使用的技术。

2.1.2 接收端原理

SCMA接收端原理图如图2.2所示。接收端的输入信号是叠加形式，一般为码字符号经过信道以后互相叠加，再加上信道噪声。因为每个用户的码本在事先已经被系统所得到，所以接收端在解调出所有用户的信息时，便可以利用各个资源块上子载波的稀疏特征和相关特性进行解调。

图2.2 SCMA接收端原理图

接收端采用基于置信度传播的消息传递算法（MPA）,MPA检测算法是基于SCMA码字级的置信传播算法，具有基于后验概率检测算法的良好性能。但是如果想要再更大化的提高MPA算法的性能，也可以采用一种联合译码的方法，即把经过Turbo译码后的信息再反馈到SCMA译码的输入端，作为先验信息，这样可充分利用译码后的信息来进一步提高MPA检测算法的性能^[7]。

2.2 SCMA编码原理

SCMA由比特到码字的映射图如图2.3所示。共有六个用户数据层和四个资源块，每个数据层对应一个码本，每个资源块上有多个用户叠加传输。每个码本包含4个码字，码字长度为4，每个码字包含两个非零元素和两个零元素。在映射时，根据比特对应的编号从码本中选择码字，不同数据层的码字直接叠加。编码比特00~11分别对应码本中的第一列至第四列，比如，对于用户1的编码数据（1,1），其选择用户1对应的码本中第四个码字，对于用户2的编码数据（1,0），其选择用户2对应的码本中第三个码字，其他用户也是以此类推。

图2.3表示六个用户将2进制比特数据映射为一个码字的过程。六个用户分别发送编码数据(1,1)、(1,0)、(1,0)、(0,0)、(0,1)、(1,1)，则发送的码字分别为第4、3、3、1、2、4列，这6列码字相互叠加在对应的资源块上传输。为了使表达简洁方便，引入因子矩阵,与上图对应的矩阵则为

（2.1）

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