资源块间跳频的高可靠SCMA系统设计与分析

传统稀疏码分多址(Sparse Code Division Multiple Access,SCMA)系统在固定时频资源块(Resource Block,RB)上传输信息,系统性能易受到信道污染(外在干扰和信道衰落)的影响。为了解决这一问题,提出一种基于资源块间跳频(Frequency Hopping,FH)的SCMA系统(FH-SCMA系统)。借助跳频技术实现动态SCMA码字复用,使得各用户能够均匀、随机地使用所有资源块。同时,基于素数序列设计了一种动态码字正交复用的跳频策略(跳频码),提升了FH-SCMA系统容量以及抗干扰能力。该系统接收端采用对数域消息传递(MAX-log-MPA)多用户检测算法,推导了该FH-SCMA系统的理论误码率上界。对比传统的SCMA系统,该资源块间FH-SCMA系统能均匀化资源块被污染对用户性能的影响,使得每个用户的传输误码率达到可接受的程度;相比传统SCMA系统和采用完全随机跳频策略的FH-SCMA系统(干扰时频资源占比η=25%时),设计的跳频策略及FH-SCMA系统在误码平层处分别获得4 dB和8 dB的信噪比增益。

电力物联网中基于SCMA-MEC的最优功率分配与卸载决策

在电力物联网(Power Internet of Things, PIoT)中,移动终端设备接入会产生大量的异构数据,给通信信道及中央存储计算系统带来巨大压力,对系统的稳定性和能源消耗带来了挑战。为应对这一挑战,提出了基于稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access, SCMA)技术的移动边缘计算(Mobile Edge Computing, MEC)的异构网络优化方案。为了最小化系统总开销,考虑了在资源受限的情况下设备的能源消耗和计算资源分配,提出了基于最优功率分配的联合随机码本分配的算法,实现移动终端设备能耗最小化。通过构建约束多目标优化问题的数学模型,设计了一种基于帕累托前沿的多目标鲸鱼优化算法(Pareto Frontier-Multi Objective Whale Optimization Algorithm, PF-MOWOA)用于任务卸载。仿真结果表明,在满足能耗和时延的约束条件下,所提算法相较于其他算法具有更低的系统总能耗,且联合任务卸载优化算法可以进一步降低系统的总开销。

基于上行MIMO-SCMA系统的异步分组检测算法

针对宏小区稀疏码分多址技术(sparse code multiple access,SCMA)系统上行链路中远近用户到达基站存在的用户时延问题,提出了按不同时延进行用户分组的异步检测算法,利用前后符号间相同的信息进行迭代,形成了一种基于连续传播的消息传递算法(message passing algorithm based on serial propagation,SP-MPA)。另外,针对MIMO-SCMA系统中运用的部分边缘化检测算法造成的误码率性能下降的问题,还提出了一种基于动态阈值的部分边缘化消息传递算法(dynamic threshold partial marginalization algorithm,DTPM-MPA)。仿真结果表明,SP-MPA有效降低了异步传输的符号干扰带来的高误码率,并且DTPM-MPA能够在计算复杂度与误码率之间做出灵活平衡。

基于合并码本的码字位置序号调制SCMA方案

为满足后5G及未来6G时代对通信系统可靠性及频谱效率(spectral efficiency,SE)的严苛要求,针对上行稀疏码多址接入(sparse code multiple access,SCMA)系统,提出了一种基于合并码本的码字位置序号调制SCMA方案。该方案在时域拓展码字位置,使得码字位置全填充且由其序号携带额外信息比特,并能通过改变码字位置数和序号调制阶数灵活调整系统的谱效。此外,设计了基于消息传递算法(message passing algorithm,MPA)的联合检测算法,并给出了合并码本设计准则。系统分析及仿真结果表明,相较于其他序号调制方案,所提方案更好地兼顾了可靠性与SE,在误比特率(bit error rate,BER)性能与鲁棒性方面都有优势。

压缩感知辅助的低复杂度SCMA系统优化设计

稀疏码多址接入(SCMA)技术是一项备受重视的基于码域的非正交多址接入(NOMA)技术。针对现有SCMA码本设计中未能结合数据和解码器性质以及MPA复杂度较高的问题,该文提出一种压缩感知辅助的低复杂度SCMA系统优化设计方案。首先以系统误码率为优化目标,设计一种码本自更新方法用于实现低复杂度检测器,该方法在稀疏向量重构训练过程中使用梯度下降法实现码本的自更新。其次,设计一种压缩感知辅助的多用户检测算法:符号判决正交匹配追踪(SD-OMP)算法。通过在发射端对发射信号进行稀疏化处理,在接收端利用压缩感知技术对多用户的稀疏信号进行高效的检测和重构,达到减少用户间的冲突和降低系统复杂度的目的。仿真结果表明,在高斯信道条件下,压缩感知辅助的低复杂度SCMA系统优化设计方案能够有效降低多用户检测的复杂度,且在系统用户部分活跃时能够表现出较好的误码率性能。

基于SCMA的无人机中继辅助上行通信方案

为提高蜂窝通信系统的上行总吞吐量,在满足用户服务质量需求的前提下,提出了一种基于稀疏码多址接入(sparse code multiple access,SCMA)的无人机中继辅助上行通信方案,通过部署无人机增强网络覆盖,并利用SCMA提高系统传输性能。根据用户的分布和概率视距传输模型,通过交替优化码本、功率和无人机坐标,确定无人机的3维部署位置;进行资源优化后,根据信道状态信息,对子载波进行配对并迭代码本、功率,以获得优化的码本和功率分配方案。仿真结果表明,提出的方案能够有效提高上行吞吐量,并满足用户的服务质量需求。

SCMA在5G车联网中的应用

作为交通系统重要组成部分的车联网,目前面临用户量巨大且信息频繁交换的现象。传统的4G-LTE网络系统的接入多采用正交多址接入技术(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA),资源利用率较低。5G车联网引入了稀疏码多址接入技术(Sparse Code Multiple Access,SCMA)。SCMA技术是非正交多址接入技术的一种,可通过高容量、大规模连接等方式使5G无线传输更高效,若将其应用到车联网技术上,能更有效地提升车联网的资源利用率以及信号抗干扰能力。文章就SCMA技术在5G车联网中的应用展开研究。

基于用户服务质量和能效的SCMA资源分配

为提高移动通信中用户服务质量(QoS:Quality of Service),解决系统总能效和用户服务质量不能兼顾的问题,以稀疏码多址接入(SCMA:Spare Code Multiple Access)下行链路为应用场景提出了一种基于用户服务质量和能效的资源分配方案,将系统的容量和能耗作为主要方向进行优化。使用贪婪算法对用户进行码本分配,采用丁克尔巴赫理论(GDA:Generalized Dinkelbach’s Algorithm)将其转化为一个凸优化问题进行迭代求解,以本次计算得出的用户最低服务速率作为下一轮运算的系统最低服务速度重复进行用户码本和能耗轮换计算,直到系统中用户最低通信速度变化低于预设值或达到最大运算次数为止,使系统的容量及能耗达到较好的情况。通过理论分析和仿真结果表明,所提出的SCMA分配方案能有效提升下行链路的用户的通信速率和系统能效。

SCMA-D2D混合网络卷积自编码器

为满足物联网通信大连接、低功耗的需求,高效利用有限的频谱资源成为一项重要的挑战。在应用了稀疏码分多址接入(SCMA)技术的蜂窝网络中增加设备对设备(D2D)用户对,两者共享频谱资源,可以进一步提高频谱利用率,满足大规模连接和低功耗的通信需求。然而,当不同类型的用户共享相同的频谱资源时会导致严重的用户间干扰,导致多用户检测精度降低,译码复杂度增高。本文使用卷积神经网络(CNN)进行SCMA-D2D混合网络自编码器设计,通过端到端的联合训练,设计出合适的神经网络结构。用CNN单元实现混合网络的编码,学习SCMA蜂窝用户和D2D用户的有效码本;将混合网络的多用户检测问题建模为一个基于共享层机制的多任务分类解码问题,建立多用户分类解码器。实验结果表明,本文提出的自编码器能够生成对系统适应性更强的码本,结合接收端的多任务分类解码器能够有效地提高整个混合网络系统的误码率性能,同时减小译码计算复杂度。

面向天基物联的异步免授权SCMA多用户检测方案

当前天基物联网下的稀疏码多址接入技术(SCMA, sparse code multiple access)的多用户检测算法面临诸如时间延迟较长难以同步,异步多用户检测算法的计算复杂度较大且收敛性能较差等问题;为了解决上述影响,对SCMA多用户检测算法进行了研究;设计了一种免授权信息传输框架,并采用盲检测算法识别出发送端活跃用户的用户数据;提出了一种子载波时延预检测模型确定用户之间的时延类型,并采用异步置信传播检测算法(BP-MPA, belief propagation-message passing algorithm),在存在时间延迟的情况下进行多用户数据检测;采用自适应子空间追踪算法(A-SP, adapted-subspace pursuit)对多用户检测算法进行优化,并提出一种联合压缩感知检测算法(CS-BPMPA, compressed sensing-belief propagation message passing algorithm)。通过仿真对天基物联场景的多用户检测算法在工程上的应用进行可行性验证;仿真结果表明在天基物联免授权场景下,所提出的方案能有效提升上行异步SCMA系统的多用户检测算法的误符号率性能,并且算法的收敛性能也优于现有方案,满足了一定的工程应用。

高斯信道下SCMA简易码本设计

针对稀疏码多址接入(SCMA)码本设计复杂度高的问题,提出了一种基于高斯信道下的码本设计方案,先设计每个资源块上所有用户的总星座图,然后利用网格编码调制(TCM)中的子集分割法生成各用户对应的星座,结合低密度扩频序列生成星座矩阵,最后由星座矩阵对应生成用户码本。该方案不仅保证了用户之间的星座点间最小欧氏距离最大化,同时保证了用户自身星座点间最小欧氏距离最大化。仿真结果表明,应用所设计的码本,系统的BER低,且在高过载率条件下系统性能也表现良好。

部分外部信息传递的SCMA多用户检测算法

针对稀疏码分多址(sparse code multiple access,SCMA)采用消息传递算法(message passing algorithm,MPA)进行迭代解码中,功能节点(function node,FN)工作负担过重的问题,首先采用蒙特卡罗法得到了接收信号概率密度函数值在不同信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)下的统计规律,然后针对接收信号概率密度函数值与外部信息值的关系,提出了基于门限判决减少FN负荷的部分外部信息传递的(partial extrinsic information transmission,PEIT)消息传递算法(PEIT-MPA)。仿真结果表明,PEIT-MPA在几乎不改变系统误比特率和迭代收敛速度的条件下,降低了MPA复杂度,且SNR越高时,PEIT-MPA复杂度越低。

5G SCMA无线网络中视频跨层传输

稀疏码多址接入是一种新的非正交多址接入技术,它能有效地提高未来5G网络的频谱利用率。但是随着新型视频业务不断涌现,视频业务对带宽的需求也不断增长,如何在无线环境下高效地传输视频仍然是很大的挑战。为了提高视频业务在未来5G无线通信系统的传输质量,对SCMA上行链路的视频传输优化进行了研究。基站获取了用户将发送视频业务的率失真特性,并根据无线信道情况和特定的编码本向每个用户分配无线子载波,使得系统的传输性能最优。本优化问题可以归纳为二进制整数规划问题并用L-W贪婪算法解决此问题。通过在MATLAB上的仿真验证该方法能有效提高视频的传输质量。

基于串并结合策略的SCMA多用户检测

稀疏码分多址接入(SCMA)是促进第五代移动通信系统发展的重要无线空口技术支撑,能够满足海量连接的需求。针对上行SCMA通信系统接收端使用的基于串行消息传递算法(MPA)的多用户检测迭代运行时间长,导致系统时延的问题,提出一种串并结合SCMA多用户检测算法,充分融合了串并行消息传递特点。仿真结果表明,相比串行MPA多用户检测算法,所提算法可降低系统的复杂度,且每轮迭代运行时间减少,从而减小了时延,实现了误比特率性能与系统时延、系统复杂度之间理想的平衡。

基于加权消息传递的SCMA多用户检测算法

针对稀疏码多址接入(sparse code multiple access,SCMA)技术中,消息传递算法(message passing algorithm,MPA)收敛速度较慢导致复杂度较高的问题,提出一种基于加权消息传递的SCMA多用户信号检测改进算法。在原始MPA的基础上,通过引入权重因子改变每个叠加星座点的初始概率,使靠近接收信号的星座点可以获得更大的初始概率,加快迭代过程的收敛速度。仿真结果表明,与原始MPA算法相比,改进算法在误比特率(bit error rate,BER)和复杂度之间达到了较理想的平衡。

基于SCMA的端信息扩展多用户安全通信系统研究

端信息扩展技术使用多项端信息组成的扩展序列来表示身份信息,各项端信息与所传递的数据本身无关,从而隐藏用户的真实信息.然而,端信息扩展序列资源利用率低、自相关性弱,无法实现多用户并发安全通信.对此,将稀疏码多址接入(sparse code multiple access,SCMA)技术引入端信息扩展序列生成过程中,提出基于SCMA的端信息扩展多用户安全通信系统模型,详细阐述了模型中的码本设计分配、码字加载发送策略.进一步,从安全性能和通信服务质量2方面对原型系统进行理论分析和实验验证.实验结果表明:基于SCMA的端信息扩展多用户安全通信系统可实现用户信息的隐蔽传输,服务器端能够正确区分用户信息.采用稀疏编码后,系统具有较低误比特率,且在一定过载条件下,仍具有良好的传输性能.

基于混沌序列的SCMA码本设计及系统性能分析

稀疏码多址接入(SCMA)技术是新一代5G通信技术的多址技术方案之一。针对5G海量用户传输需求问题,提出了用户传输信息时采用logistic混沌序列代替原始系统中的随机序列来选择码本。在编码端利用基于网格编码调制(TCM)的子集分割法设计星座图,结合映射矩阵生成码本,用户信息经信道传输后在解码端通过消息传递算法(MPA)进行解码。仿真结果表明,利用混沌的伪随机序列选择码字,系统传输的误码率(BER)较低,且在高过载率情况下系统性能表现良好。

基于EXIT图的SCMA通信系统多用户检测算法收敛性分析

消息传递算法(message passing algorithm,MPA)是基于稀疏码多址接入(sparse code multiple access,SCMA)技术中码本的稀疏性,提出的一类接近联合最优的多用户检测算法。针对现有的基于并行策略和串行策略的MPA算法,存在算法收敛性论述缺乏理论分析的问题,该文通过外信息转移图(extrinsic information transfer,EXIT)技术分析MPA算法的收敛性。首先将SCMA接收机检测器分为函数节点译码器和变量节点译码器,然后给出译码器的EXIT图的理论分析,最后通过比较两类算法的EXIT曲线估算出达到收敛状态所需的迭代次数。仿真结果验证了EXIT图分析的正确性。

上行SCMA系统的动态子图检测算法

面对未来网络需求量的爆炸性增长,稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)作为一种基于码本的非正交多址技术,在用户连接数、频谱效率和低时延都有很大的提升。由于码字的稀疏性,SCMA采用消息传递算法(Message Passing Algorithm,MPA)实现多用户检测,但是复杂度还是相对较高,以至于很难应用于实际系统。为了解决上述问题,提出了一种动态子图消息传递算法(Dynamic Sub-graph Message Passing Algorithm,DS-MPA)进行信号检测。DS-MPA利用剩余值来确定下一次迭代的子图,减少了资源节点的更新用户数量,达到了降低复杂度的目的。仿真结果显示算法性能几乎无损并且降低了1/3左右的复杂度。

基于部分码字消息传递的SCMA多用户检测算法

基于消息传递算法(MPA)进行多用户检测的稀疏码多址接入(SCMA)技术是一种面向5G的非正交多址技术(NOMA)。针对MPA复杂度较高的问题,该文首先分析接收信号概率密度函数值在不同信噪比(SNR)下的统计结果,并根据SCMA的非正交特性,综合考虑资源节点和用户节点之间的数据映射关系,提出基于概率密度函数值门限判决的部分码字搜索(PCS)MPA多用户检测算法(PCS-MPA)。仿真结果表明,在门限值合理的条件下,PCS-MPA在几乎不改变系统误比特率(BER)的条件下,降低了MPA的复杂度,尤其在高SNR条件下效果更好。