張宏揚(yáng)，鄭長(zhǎng)亮，邵根富，劉華平

（杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018）

一種新型上行SCMA系統(tǒng)接收機(jī)

張宏揚(yáng)，鄭長(zhǎng)亮，邵根富，劉華平

（杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018）

稀疏碼多址接入（SCMA）是一種碼域非正交多址接入技術(shù)，以其優(yōu)異性能成為5G多址接入技術(shù)的熱門候選方案。上行SCMA系統(tǒng)一般采用消息傳遞算法（MPA）接收機(jī)，檢測(cè)過程中存在由先驗(yàn)信息帶來的誤差。針對(duì)這一問題提出一種新型接收機(jī)，稱為環(huán)MPA（R-MPA）接收機(jī)，其通過一種聯(lián)合檢測(cè)方案來消除上述誤差對(duì)最終檢測(cè)結(jié)果的影響。理論分析和仿真驗(yàn)證表明，與現(xiàn)有的log-MPA接收機(jī)及經(jīng)典MPA接收機(jī)相比，所提R-MPA接收機(jī)是一種檢測(cè)精度更高而實(shí)施復(fù)雜度較低的上行SCMA系統(tǒng)接收機(jī)。

5G；稀疏碼多址接入；消息傳遞算法；環(huán)MPA；過載率

1 引言

從20世紀(jì)80年代誕生至今，移動(dòng)通信系統(tǒng)歷經(jīng)四代發(fā)展與變遷，逐漸成為推動(dòng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要引擎之一。目前，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)與物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速增長(zhǎng)，推動(dòng)著人們對(duì)5G[1]的探索與研究。5G作為面向2020年及以后移動(dòng)通信需求而發(fā)展的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，其應(yīng)用場(chǎng)景具有超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動(dòng)性等特征[2,3]。相比于傳統(tǒng)正交多址接入技術(shù)，非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NMA）[4,5]技術(shù)能進(jìn)一步提升頻譜效率且能增加有限資源下的用戶連接數(shù)，更適應(yīng)5G的需求。

稀疏碼多址接入（sparse code multiple access，SCMA）[6]是華為提出的一種碼域 NMA（codedomain NMA，CNMA）技術(shù)，其主要思想是將四維調(diào)制和低密度簽名多址接入（low density signature multiple access，LDSMA）[7]相結(jié)合?；赟CMA的上行移動(dòng)通信系統(tǒng)，不僅在頻譜效率和吞吐量上表現(xiàn)優(yōu)異，而且可以引入免調(diào)度的競(jìng)爭(zhēng)隨機(jī)接入機(jī)制，從而降低業(yè)務(wù)的接入時(shí)延和信令開銷，支持大量、可動(dòng)態(tài)變化的用戶數(shù)目。因此，SCMA技術(shù)成為5G多址接入技術(shù)研究中的一個(gè)熱點(diǎn)，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。

然而SCMA要正式成為5G空口技術(shù)，一個(gè)亟需解決的關(guān)鍵問題是接收機(jī)的設(shè)計(jì)。具體而言，SCMA接收機(jī)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于多用戶檢測(cè)（multi-user detection，MUD），故國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)SCMA系統(tǒng)檢測(cè)做了大量研究。參考文獻(xiàn)[6]介紹了基于經(jīng)典消息傳遞算法（message passing algorithm，MPA）[8]的SCMA系統(tǒng)檢測(cè)方案。目前，在現(xiàn)存各類面向SCMA系統(tǒng)的檢測(cè)算法中，MPA相關(guān)類算法已經(jīng)占據(jù)主流。參考文獻(xiàn)[9]將經(jīng)典MPA的檢測(cè)運(yùn)算投入對(duì)數(shù)域，提出對(duì)數(shù)域 MPA（log domain MPA，log-MPA）；參考文獻(xiàn)[10,11]分別提出基于部分邊緣化方法的 MPA和基于閾值中斷方法的MPA；參考文獻(xiàn)[12,13]對(duì)基于串行更新策略的MPA檢測(cè)方案進(jìn)行研究與分析；參考文獻(xiàn)[14]則基于信號(hào)不確定性原理提出一種動(dòng)態(tài)縮小平方搜索MPA（dynamic shrunk square searching MPA，DSSS-MPA）。

在上述相關(guān)研究中，SCMA接收機(jī)在對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，均假定各用戶所有傳輸碼字的先驗(yàn)概率相等。因此，這些接收機(jī)不可避免地存在由先驗(yàn)信息帶來的檢測(cè)誤差。針對(duì)這一問題，本文提出一種基于聯(lián)合檢測(cè)的SCMA接收機(jī)，稱為環(huán)MPA（ring-MPA，R-MPA）接收機(jī)。該接收機(jī)在不增加實(shí)施復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，可以最大程度地消除由先驗(yàn)信息帶來的檢測(cè)誤差。

2 系統(tǒng)模型

假定一個(gè)上行SCMA系統(tǒng)，系統(tǒng)中J個(gè)用戶共享K個(gè)正交時(shí)頻資源（如OFDM子載波），所有用戶使用同一個(gè)基站，系統(tǒng)過載率（overloading factor，OF）為J/K。當(dāng)J=6時(shí)，上行SCMA系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 上行SCMA系統(tǒng)框架（J=6）

整體上，上行SCMA系統(tǒng)可分為發(fā)送端和接收端兩大模塊。

（1）發(fā)送端

根據(jù)SCMA系統(tǒng)碼本，SCMA編碼器將信道編碼后的用戶比特信息直接映射為多維復(fù)數(shù)碼字，然后進(jìn)行物理資源單元（physical resource element，PRE）映射，來自J個(gè)用戶的碼字信息在K個(gè)OFDM子載波上復(fù)用。當(dāng)J=6、K=4時(shí)，上述操作的示意如圖2所示。其中，M=4，代表碼本大小，M=2l，l為用戶編碼比特的位數(shù)；N=2，代表碼字中非零元素個(gè)數(shù)，即圖2各碼字中不為白色的元素個(gè)數(shù)。

圖2 SCMA編碼與PRE映射（J=6, K=4, M=4, N=2）

（2）接收端

由于J個(gè)用戶在K個(gè)OFDM子載波上復(fù)用，則接收端信號(hào)可以表示為：

其中，y={yi},i=1,2,…,K，yi為子載波i上的接收信號(hào)；m={mj}，j=1,2,…,J，mj為用戶j的傳輸碼字；N0為噪聲功率；Hj=[hj1,hj2,…,hjK]T、Pj、Fj=[fj1,fj2,…,fjK]T分別為用戶j的信道增益、傳輸功率、標(biāo)記向量。Fj對(duì)應(yīng)于PRE映射過程，即當(dāng)用戶j的碼字信息在子載波i上傳輸時(shí)，fji=1；否則為0。

與發(fā)送端的操作相對(duì)應(yīng)，接收端的工作是對(duì)上述接收信號(hào)進(jìn)行解PRE映射、檢測(cè)與譯碼。

3 接收機(jī)設(shè)計(jì)

由第2節(jié)分析可知，在上行SCMA系統(tǒng)中，各用戶之間存在干擾。故能否設(shè)計(jì)出高性能、低復(fù)雜度的接收機(jī)決定著系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，而SCMA接收機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于MUD檢測(cè)方法[15]。

3.1 消息傳遞算法

結(jié)合圖3所示因子圖[16]來闡述基于經(jīng)典MPA的SCMA系統(tǒng)檢測(cè)過程。該因子圖對(duì)應(yīng)于SCMA系統(tǒng)的PRE映射，其中變量節(jié)點(diǎn)（variable node，VN）vj和資源節(jié)點(diǎn)（resource node，RN）ri分別對(duì)應(yīng)用戶j與子載波i（i、j的取值如第2節(jié)所述），連線則反映用戶與子載波的復(fù)用關(guān)系。

圖3 因子圖

第一步，信息初始化。給定各用戶所有碼字的先驗(yàn)概率，作為變量節(jié)點(diǎn) vj傳遞給資源節(jié)點(diǎn) ri的初始信息；同時(shí)，計(jì)算各資源節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的載波上所有殘差信息的集合。以資源節(jié)點(diǎn)ri為例：

其中，v1、v2、v3表示與資源節(jié)點(diǎn)ri相連接的變量節(jié)點(diǎn)，m1、m2、m3代表v1、v2、v3對(duì)應(yīng)的用戶在子載波i傳輸上的碼字；Hi=[h1i,h2i,…,hJi]T為載波i上各用戶的信道增益集合；Cji(mj)代表碼字為mj時(shí)，用戶j在子載波i上的發(fā)送符號(hào)；N0,i為子載波i上的噪聲功率。

第二步，用戶信息在VN與RN之間迭代更新。以vj與ri為例：

第三步，當(dāng)所設(shè)置的中斷條件（比如迭代次數(shù)）達(dá)成時(shí)，迭代停止；檢測(cè)器輸出檢測(cè)信息，即用戶各編碼比特的對(duì)數(shù)似然比（log likelihood rate，LLR）：

其中，b(mj,xj)表示碼字mj中第x個(gè)編碼比特。

圖4 R-MPA接收機(jī)設(shè)計(jì)流程

表1 MPA和log-MPA檢測(cè)運(yùn)算量對(duì)比

3.2 R-MPA接收機(jī)

由第 3.1節(jié)內(nèi)容可知，基于經(jīng)典 MPA的SCMA檢測(cè)，在初始化階段需要各用戶所有碼字的先驗(yàn)概率。經(jīng)典MPA檢測(cè)方案及第1節(jié)所述諸多改進(jìn)MPA檢測(cè)方案，都假定SCMA系統(tǒng)中各用戶所有碼字的先驗(yàn)概率相等，這勢(shì)必會(huì)給系統(tǒng)的檢測(cè)譯碼帶來誤差。

針對(duì)這一問題，本文提出一種新型SCMA接收機(jī)，稱為 R-MPA接收機(jī)，其設(shè)計(jì)流程如圖4所示。該接收機(jī)的基本思想是通過串聯(lián)兩個(gè) SCMA檢測(cè)器，構(gòu)建一個(gè)環(huán)狀接收機(jī)。檢測(cè)器1先對(duì)接收信號(hào)y進(jìn)行處理，得到的LLR信息傳入判決器；判決器輸出檢測(cè)器 2所需的先驗(yàn)信息；檢測(cè)器2據(jù)此對(duì)接收信號(hào)y進(jìn)行處理，得到最終的LLR信息，傳遞給解碼器。

在上述兩個(gè)檢測(cè)器中，檢測(cè)算法均采用參考文獻(xiàn)[9]所提的log-MPA。這是因?yàn)閘og-MPA的檢測(cè)性能基本等同于經(jīng)典MPA，而其檢測(cè)運(yùn)算量遠(yuǎn)小于后者。兩者的檢測(cè)運(yùn)算量對(duì)比見表1。其中，dr表示一個(gè)RN連接的VN個(gè)數(shù)，dv表示一個(gè)VN連接的RN個(gè)數(shù)，n表示算法迭代次數(shù)。log-MPA檢測(cè)器的檢測(cè)思想是把雅可比對(duì)數(shù)式與經(jīng)典MPA相結(jié)合，即將式（11）運(yùn)用到第3.1節(jié)所述的檢測(cè)計(jì)算中：

在R-MPA接收機(jī)中，以檢測(cè)器2為主，檢測(cè)器1為輔，分別對(duì)接收信號(hào)y進(jìn)行檢測(cè)；檢測(cè)器1所需先驗(yàn)信息仍通過假定獲得，檢測(cè)器2所需先驗(yàn)信息則由R-MPA接收機(jī)的判決器給出。判決器中的主要操作是：借助檢測(cè)器1輸出的LLR信息，計(jì)算用戶編碼比特（如00 01 10 11）的概率分布；據(jù)此得出用戶各編碼比特所對(duì)應(yīng)的多維碼字的先驗(yàn)概率，發(fā)送給檢測(cè)器2。Turbo解碼器則是根據(jù)檢測(cè)器2輸出的LLR信息對(duì)接收信號(hào)y進(jìn)行解碼操作。

其中，判決器在計(jì)算用戶編碼比特的概率分布時(shí)，一位編碼比特（如00）最多對(duì)應(yīng)4次比較運(yùn)算與一次加法運(yùn)算。這些運(yùn)算相比于復(fù)雜的MUD檢測(cè)運(yùn)算，可以忽略不計(jì)。因此，當(dāng)檢測(cè)器總迭代次數(shù)相等時(shí)，R-MPA接收機(jī)與log-MPA接收機(jī)的實(shí)施復(fù)雜度近乎相等。

4 仿真與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提接收機(jī)的性能，設(shè)計(jì)了幾種不同場(chǎng)景，對(duì)R-MPA接收機(jī)的誤碼率性能與實(shí)施復(fù)雜度進(jìn)行仿真分析。

4.1 誤碼率性能

[9]中的實(shí)驗(yàn)仿真可知，在相同通信場(chǎng)景中，log-MPA接收機(jī)的檢測(cè)誤碼率幾乎與經(jīng)典MPA接收機(jī)完全相等。因此基于上行SCMA系統(tǒng)，將R-MPA接收機(jī)與log-MPA接收機(jī)的檢測(cè)誤碼率進(jìn)行對(duì)比，仿真參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 R-MPA接收機(jī)與log-MPA接收機(jī)的檢測(cè)誤碼率仿真參數(shù)設(shè)置

其中，SCMA系統(tǒng)碼本設(shè)計(jì)采用參考文獻(xiàn)[17]給出的設(shè)計(jì)方案，且 M=4、N=2；信道編碼采用1/2 Turbo，Turbo解碼的迭代次數(shù)為3；系統(tǒng)噪聲設(shè)定為高斯噪聲。此外，場(chǎng)景4、場(chǎng)景5中R-MPA接收機(jī)的兩個(gè)檢測(cè)器的檢測(cè)算法迭代次數(shù)均為2，總迭代次數(shù)為4。

在表2所述的5種場(chǎng)景中，R-MPA接收機(jī)與log-MPA接收機(jī)的檢測(cè)誤碼率如圖5所示。其中，場(chǎng)景 1與場(chǎng)景 5的仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了本文所提接收機(jī)設(shè)計(jì)方案的合理性與有效性。而從場(chǎng)景 2～4的仿真結(jié)果可以看出，相比于log-MPA接收機(jī)，R-MPA接收機(jī)在檢測(cè)誤碼率性能方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)；且SCMA系統(tǒng)的過載率越大，R-MPA接收機(jī)在檢測(cè)誤碼率性能方面的優(yōu)勢(shì)越明顯。

圖5 R-MPA接收機(jī)與log-MPA接收機(jī)的檢測(cè)誤碼率

4.2 實(shí)施復(fù)雜度

據(jù)第 3.2節(jié)內(nèi)容可知，R-MPA接收機(jī)與log-MPA接收機(jī)的實(shí)施復(fù)雜度基本相等?；谏闲蠸CMA系統(tǒng)，對(duì)R-MPA接收機(jī)與經(jīng)典MPA接收機(jī)的實(shí)施復(fù)雜度進(jìn)行對(duì)比，仿真參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 R-MPA接收機(jī)與經(jīng)典MPA接收機(jī)的實(shí)施復(fù)雜度仿真參數(shù)設(shè)置

其中，SCMA系統(tǒng)碼本與第4.1節(jié)仿真實(shí)驗(yàn)中的一致；場(chǎng)景1、場(chǎng)景2中R-MPA接收機(jī)的兩個(gè)檢測(cè)器的檢測(cè)算法迭代次數(shù)均為2，總迭代次數(shù)為4。

在表3所述的4種場(chǎng)景中，R-MPA接收機(jī)與log-MPA接收機(jī)的檢測(cè)運(yùn)算量如圖6所示。由圖 6可以看出，在檢測(cè)環(huán)節(jié)，前者的比較運(yùn)算量基本與后者的指數(shù)運(yùn)算量基本相等；而前者的乘法運(yùn)算量明顯小于后者，且隨著 SCMA系統(tǒng)過載率的增大，兩者差距增大；前者的加法運(yùn)算量則大于后者，兩者差距也隨系統(tǒng)過載率的增大而增大。整體而言，R-MPA接收機(jī)的檢測(cè)運(yùn)算量遠(yuǎn)小于經(jīng)典MPA接收機(jī)，故前者的實(shí)施復(fù)雜度遠(yuǎn)低于后者。

圖6 R-MPA接收機(jī)與經(jīng)典MPA接收機(jī)的實(shí)施復(fù)雜度

綜合第4.1節(jié)與第4.2節(jié)的仿真實(shí)驗(yàn)可知，所提 R-MPA接收機(jī)的檢測(cè)誤碼率性能明顯高于log-MPA接收機(jī)及經(jīng)典MPA接收機(jī)；而其實(shí)施復(fù)雜度遠(yuǎn)低于經(jīng)典MPA接收機(jī)，與log-MPA接收機(jī)基本相等。因此，本文所提接收機(jī)是一種檢測(cè)精度更高而實(shí)施復(fù)雜度較低的上行SCMA系統(tǒng)接收機(jī)。

5 結(jié)束語

針對(duì)上行SCMA通信系統(tǒng)，本文提出一種新型接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案。相比于經(jīng)典MPA接收機(jī)以及其他改良MPA接收機(jī)，所提接收機(jī)在對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，極大地減小了由先驗(yàn)信息帶來的誤差。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真表明，所提接收機(jī)檢測(cè)精度高而實(shí)施復(fù)雜度較低。因此，本文所提接收機(jī)是一種實(shí)用價(jià)值較高的上行 SCMA 系統(tǒng)接收機(jī)。

此外，和現(xiàn)存其他針對(duì)上行SCMA系統(tǒng)接收機(jī)的研究一樣，本文工作是基于上行 SCMA系統(tǒng)中各用戶傳輸功率相等的場(chǎng)景。將來可以考慮在用戶傳輸功率不等的場(chǎng)景下，如何設(shè)置自適應(yīng)的碼本分配，使得傳輸功率最高的兩個(gè)用戶的稀疏碼字正交，進(jìn)一步提升SCMA系統(tǒng)的檢測(cè)性能。

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A novel receiver for uplink SCMA system

ZHANG Hongyang, ZHENG Changliang, SHAO Genfu, LIU Huaping
Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China

Sparse code multiple access (SCMA) is a type of code domain non-orthogonal multiple access technology, which is regarded as a promising multiple access technology for 5G due to its excellent performance. The uplink SCMA system generally uses a message passing algorithm (MPA) in the receiver. The priori information can be inaccurated to cause an increased detection error. A novel receiver for the uplink SCMA system, called ring-MPA (R-MPA) receiver, was proposed to solve this problem, by using a joint detection process. The proposed R-MPA receiver was compared with the log-MPA receiver and the classic MPA receiver, two state-of-the-art existing schemes. Both theoretical analysis and computer simulation results show that the proposed receiver not only has a superior error performance, but also has a lower implementation complexity than these existing schemes.

5G, sparse code multiple access, message passing algorithm, R-MPA, overloading factor

s: The National Natural Science Foundation of China (No.61471153), Scientific Research Foundation of Hangzhou Dianzi University (No.KYS085614014, No.ZX150204307002/001)

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017188

張宏揚(yáng)（1991?），男，杭州電子科技大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)榉钦欢嘀方尤搿?/p>

鄭長(zhǎng)亮（1980?），男，博士，杭州電子科技大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)闊o線通信、移動(dòng)通信等。

邵根富（1962?），男，杭州電子科技大學(xué)教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o線通信理論、信號(hào)處理與自動(dòng)控制等。

劉華平（1965?），男，博士，杭州電子科技大學(xué)特聘教授、碩士生導(dǎo)師，美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)終身教授，主要研究方向?yàn)闊o線通信理論、無線傳感網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)處理等。

2017?04?17；

2017?06?06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61471153）；杭州電子科技大學(xué)科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（No.KYS085614014，No.ZX150204307002/001）