为适应移动互联网和物联网的发展带来的终端的爆发式增长,第五代移动通信(5th Generation Mobile Communication Network,5G)要求必须具备海量连接的特点。中国华为公司在2013年提出的稀疏码分多址(Sparse Code Multiple Access,SCMA)...
详细信息
为适应移动互联网和物联网的发展带来的终端的爆发式增长,第五代移动通信(5th Generation Mobile Communication Network,5G)要求必须具备海量连接的特点。中国华为公司在2013年提出的稀疏码分多址(Sparse Code Multiple Access,SCMA)以其高过载能力成为了5G候选多址接入方案之一。SCMA系统发送端将输入的二进制比特流直接从预先设定好的码本中映射成多维复数域稀疏码字,取代传统方案中的调制和扩频,在接收端则基于码字的稀疏性,采用具有迭代特性的消息传递算法(Message Passing Algorithm,MPA)进行多用户检测。本文从关键性能分析及关键技术优化设计等方面对SCMA进行了详细的研究,具体内容如下:1.本文首先对SCMA系统结构进行了详细分析,然后从过载率、译码复杂度等角度对SCMA系统作了基本评估。最后基于多用户接入特性,对SCMA与LTE(Long Term Evolution)上行链路中的单载波频分多址(Single Carrier Frequency Division Multiple Access,SC-FDMA)进行了比较。研究表明,SCMA具有高过载能力,适合5G海量连接的要求。但在高过载率条件下BER会增加,且接收机更复杂。2.针对SCMA过载条件下BER较高的问题,首先分析了SCMA码本设计过程中的相位旋转对系统性能的影响,然后从控制合成星座图上星座点间的相对距离的角度,提出了两种优化相位旋转角度的方案:基于最大化最小欧式距离的旋转(Rotation Based on Maximizing Minimum Euclidean Distance,M-rotation)方案和基于指数平均的旋转(Rotation Based on Exponential Average,E-rotation)方案。在BER方面,E-rotation方案整体性能较好,但在高信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)条件下,M-rotation方案表现出更优异的性能;在译码复杂度方面,两种方案对原始MPA的译码复杂度无影响,但采用E-rotation方案时,再采用本文第五章提出的部分外部信息传递的消息传递算法(Partial Extrinsic Information Transmission of MPA,PEIT-MPA),译码复杂度更低。3.针对SCMA高过载条件下译码复杂度高的问题,首先分析了MPA迭代更新过程中功能节点(Function Node,FN)外部信息的来源以及外部信息对系统性能的影响,然后根据外部信息值与接收信号概率密度函数值的关系,提出了基于接收信号概率密度函数值进行门限判决以减少FN负荷的PEIT-MPA。PEIT-MPA在几乎不影响原始MPA的BER及迭代收敛速度的条件下,降低了译码复杂度,尤其是高SNR条件下的译码复杂度。
为了支持第五代通信(Fifth Generation,5G)中海量机器类(massive Machine Type of Communication,mMTC)场景中海量数据传输的要求,稀疏码分多址(Sparse Code Multiple Access,SCMA)依靠高维码本调制而具有高过载接入能力,提...
详细信息
为了支持第五代通信(Fifth Generation,5G)中海量机器类(massive Machine Type of Communication,mMTC)场景中海量数据传输的要求,稀疏码分多址(Sparse Code Multiple Access,SCMA)依靠高维码本调制而具有高过载接入能力,提供了一种实用的码域非正交接入方案。为进一步提高SCMA短包接入的可靠性,本文引入了能以较低的编译码复杂度达到香农限的极化码(Polar)构造了Polar-SCMA联合接入机制。考虑到mMTC的短包通信中难以获取即时准确的信道状态信息(Channel State Information,CSI),导致系统整体性能受限,本文为Polar-SCMA机制设计了一种联合信道估计与译码(Joint Channel Estimation and Decoding,JCD)方案。JCD方案中包括三个部分,首先是基于稀疏贝叶斯学习(Sparse Bayesian Learning,SBL)的初始信道估计,然后设计了Polar码的软串行抵消列表译码(Soft Successive Cancellation List,SSCL)以实现Polar-SCMA的联合检测译码(Joint Detection and Decoding,JDD)算法,最后通过JDD的译码输出和Polar的固定比特错误概率(Frozen Bit Error Probability Rate,FBER)对迭代译码的CSI进行更新,以实现更好的译码性能。主要的研究工作如下所示: 建立了Polar-SCMA联合接入系统模型。在发射端,提出了低复杂度的极化码重(Polarization Weight,PW)编码方法,设计了速率兼容方案。在接收端,提出的JCD方案可以分为两个串行部分:基于SBL的初始信道估计和迭代信道估计与译码(Iterative Channel Estimation and Decoding,ICED)方案。其中,ICED方案由JDD算法以及基于FBER映射的CSI值估计更新算法组成。 由于在mMTC中多为短数据包,因此减少导频开销十分重要,利用SBL算法通过贝叶斯规则得到信道增益的后验概率函数,然后通过期望最大化(Expectation Maximization,EM)思想来求解后验概率函数从而得到初始信道估计值。结合SCMA系统的稀疏性,基于Zadoff-Chu序列,创新性设计了非正交的导频结构,由此基于SBL的估计算法为JCD方案提供了初始的CSI值,并与现有估计方案仿真比较,验证了基于SBL的信道估计算法的准确性。 在ICED方案中,通过定义新的路径度量值设计了SSCL译码算法,使得Polar译码器可以输出对数似然比(Log Likelihood Ratio,LLR)值,实现SCMA检测器和Polar译码器之间的JDD迭代译码。然后基于JDD的译码结果,FBER映射器更新CSI估计值和由JDD输出的软信息,反馈到SCMA检测器,作为先验信息输入。另外,为进一步提升系统性能,结合循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check,CRC)码,我们设计了改进的CRC-SSCL译码算法。最后通过系统仿真,验证了本文Polar-SCMA联合接入系统JCD方案的性能好于现有相关方案,并在衰落信道下保证了系统的性能。
第五、六代移动通信(5G、6G)代表了移动通信领域的最新一轮技术革命和发展,如今5G已经进入了“高速高质”发展阶段。5G具有更高的带宽和速度、低延迟、大容量以及更好的移动性、安全性和能源效率等特点。其中大容量是指5G支持大规模设备连接,能够满足物联网(Io T)设备的需求。这意味着数十亿的智能设备可以同时连接到网络,从而推动了物联网的发展。传统的接入技术难以满足如此海量的设备与用户同时连接,稀疏码分多址(SCMA)便是华为提出的一种支持大规模设备连接的关键技术,是一种旨在提高多用户通信系统效率和性能的先进技术,该技术通过引入稀疏性和多维码本来实现多址接入。用于建设接入网、承载网、核心网等短距离通信的光通信系统同样面临着用户设备连接数量与日俱增的压力,将稀疏码分多址技术应用于光中可以有效地缓解海量用户接入的问题,为未来的高密度、高带宽光通信系统提供了一种有前景的解决方案。然而,稀疏码分多址技术面临着非最优码本、解码复杂度较高和在光接入网络中安全性不足等挑战。因此,本文以提升稀疏码分多址技术在光网络中的整体性能为目标,以三维稀疏码分多址为研究主题做的研究如下:
(1)提出了基于新型码本与硬判决译码的光三维稀疏码分多址技术,首次实现了三维稀疏码分多址符号的传输。通过实验证明了三维稀疏码分多址算法的可行性。提出的三维稀疏码分多址与传统的二维稀疏码分多址具有相同的资源块效率:150%。由于三维联合星座的欧氏距离较大,三维稀疏码分多址具有较低的解码复杂度和较好的接收灵敏度。与二维稀疏码分多址相比,三维稀疏码分多址的复杂度降低了66.66%,接收灵敏度提高了3.5 d B,说明它不仅降低了消息传递算法(MPA)的复杂性,而且降低了系统的能耗,节省了传输成本。该研究成果已通过论文形式发表。
同时,提出了一种基于硬判决译码算法的光三维稀疏码分多址技术和一种与硬判决相适配的硬判决三维稀疏码分多址码本。通过仿真验证了该基于硬判决的三维稀疏码分多址的可行性与优越性。仿真结果表明,当误码率3.8×10-3时,与基于消息传递译码算法的3D-SCMA-OFDM相比本章中的基于硬判决译码算法的3D-SCMA-OFDM的信噪比增益较明显,此外其收敛速度大约是普通的基于消息传递译码算法的136倍。因此,该研究提出了一种传输性能良好,响应速度较快的SCMA技术。
(2)首次提出了一种三维码本的设计方法,并且提出了一种基于随机码本的三维稀疏码分多址(SCMA)正交频分复用(OFDM)无源光网络(PON)高安全光传输系统。该系统通过物理层的混沌加密实现150%的访问用户过载和用户信息安全,加密方法的密钥空间为10165。与传统的2D-SCMA-OFDM相比,3D-SCMA-OFDM的接收机灵敏度增益为3 d B,且接收端解码算法的复杂度降低86.36%。这些结果表明,本文提出的3D-SCMA-OFDM在未来的光接入网中具有广阔的应用前景。该研究成果已通过论文形式发表。
暂无评论