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简化SCMA上行多接入系统设计*安保统魏中振郭书军（北方工业大学电子信息工程学院，100144，北京）摘要正交多址技术由于其接入用户数量与正交资源成正比，可同时接入的用户数量受到正交资源总量的限制，不能满足5G低延时接入、大容量传输、海量连接等需求。针对此问题，本文对华为公司提出的SCMA（稀疏码多址接入）技术进行了深入研究，创新、优化、精简了算法，在误码率减小或保持不变的前提下，降低了算法复杂度，减少了时延，并用MATLAB模拟空间信道进行了仿真。关键词多址；5G；非正交；SCMA分类号TN929.53DesignofSimplifiedSCMAUplinkMultipleAccessSystemANBaotongWEIZhongzhenGUOShujun(Col.ofElectronicInformationEngineering,NorthChinaUniv.ofTech.,100144)AbstractIntheorthogonalmultipleaccesstechnology,thenumberofaccessusersisproportionaltotheorthogonalresource,andthenumberofuserscanbelimitedbythetotalamountoforthogonalresources.Soitcannotmeettheneedsof5G,suchaslowlatencyaccess,largecapacitytransmission,massconnection,etc.Tosolvetheproblem,thispaperisresearchingontheSCMAtechnologywhichputforwardfromtheHuaweiCompany,andinnovating,optimizating,simplifyingthealgorithm.Underthepremiseofreducingthebiterrorrateorremainingunchanged,algorithmcomplexityisreduced,delayisdecreased,anditusingMATLABtosimulatetheanalogspatialchannelaswell.KeyWordsmultipleaccess;5G;non-orthogonal;SCMA在世界移动通信大会上，华为公司发布了面向5G的新空中接口技术，并展示了涵盖信道编码、双工模式、基础波形、多址方式等在内的系列化5G空中接口候选技术，主要包括3大技术，即PolarCode（极化码）的链路仿真、F-OFDM（可变子载波带宽的非正交波形）和SCMA（SparseCodeMultipleAccess，稀疏码多址接入）。SCMA引入稀疏码本，通过码域的多址实现了频谱效率3倍的提升。SCMA的第1个关键技术为低密度扩频[1]，把单个用户的数据扩频到2个子载波上，然后6个用户共享4个子载波，之所以叫低密度扩频，是因为单个用户数据只占用了其中2个子载波，另外2个子载波是空的，这就相当于6个乘客坐4个座位，那每个乘客最多坐2个座位。这也是SCMA中Sparse（稀疏）的来由。但是4个座位（子载波）塞了6个用户之后，乘客之间就不严格正交了（每个乘客占了2个座位，没法再通过座位号来区分乘客了)。这时候我们就用到了SCMA的第2个关键技术，叫做高维调制。通过高维调制技术，使得多用户的星座点之间欧氏距离拉的更远，多用户解调和抗干扰性能大大增强。每个用户的数据都使用系统分配的稀疏码本进行了高维调制，而系统知道每个用户的码本，就可以在不正交的情况下，把不同*收稿日期：2016-4-10第一作者简介：安保统，硕士研究生。研究方向：嵌入式系统。用户信息解调出来。这样，SCMA在使用相同频谱的情况下，通过引入码域的多址，大大提升了频谱效率，通过使用数量更多的载波组，并调整稀疏度（多个子载波中单用户承载数据的子载波数），频谱效率可以提升3倍甚至更高。SCMA利用多维稀疏非正交码本，相比于CDMA，极大的丰富了码资源，可以提供更大的容量和多用户接入，是下一代移动通信技术的研究重点。SCMA在发送端，通过多维调制和稀疏扩频将6个用户信息对应的编码比特映射成SCMA码字，经过4个信道发送出去，在接收端通过多用户检测、利用最大似然译码准则完成译码，解析出6个用户的信息。整体结构如图1所示。Turbo编码Turbo编码Turbo编码Turbo编码Turbo编码Turbo编码码表映射码表映射码表映射码表映射码表映射码表映射1234高斯白噪声1234高斯白噪声高斯白噪声高斯白噪声SCMA译码Turbo译码Turbo译码Turbo译码Turbo译码Turbo译码Turbo译码用户1用户2用户3用户4用户5用户6用户1用户2用户3用户4用户5用户6SCMA编码图1SCMA编码整体结构本文对码本设计、SCMA编码、模拟信道传输及SCMALog_MAP解码进行了研究推导，改进了SCMAMax_Log_MAP解码，给出了两种不同解码的仿真结果，并进行了对比分析。1码本设计SCMA通过4个信道发送6个用户的数据，用户之间肯定不可能严格正交，必须使用高维调制技术，使得每2个用户星座点之间的欧氏距离尽可能拉的更远[2]。所以SCMA码本设计要求非常高、难度比较大，经过权衡，我们没有花更多时间研究码本如何设计，直接将精力放在了简化和优化译码算法上。实验所用码本出自华为工程师之手，经过很多专家优化，可信度高、可行性大。码本[3]如图2所示。SCMA码本索引（SCMACodebookindex）每层对应的码本（SCMAcodebookforeachlayer）CB_10000-0.1815-0.1318i-0.6315-0.4615i0.6315+0.4615i0.1815+0.1318i00000.7815-0.22430.2243-0.7851CB_20.7851-0.22430.2243-0.78510000-0.1815-0.1318i-0.6351-0.4615i0.6351+0.4615i0.1815+0.1318i0000CB_3-0.6351+0.4615i0.1815-0.1318i-0.1815+0.1318i0.6351-0.4615i0.1392-0.1759i0.4873-0.6156i-0.4873+0.6156i-0.1392+0.1759i00000000CB_4000000000.7851-0.22430.2243-0.7851-0.0055-0.2242i0.0193-0.7848i0.0193+0.7848i0.0055+0.2242iCB_5-0.0055-0.2242i-0.0193-0.7848i0.0193+0.7848i0.0055+0.2242i00000000-0.6351+0.4615i0.1815-0.1318i-0.1815+0.1318i0.6351-0.4615iCB_600000.7851-0.22430.2243-0.78510.1392-0.1759i0.4873-0.6156i-0.4873+0.6156i-0.1392+0.1759i0000图2SCMA码本通过对码本的分析发现，所给码本已经对每个用户码字的总能量进行了归一化，每个用户在每个子载波上的平均能量为0.3333，每个子载波上承载3个用户的码字，所以每个子载波发送码字的平均能量为1，瞬时能量在1的上下波动。2SCMA编码SCMA编码是为了将6个用户的数据映射到4个信道上去，如公式（1）所示。123()(,1)(,)(,2)(,)(,3)(,)()ynhncnmhncnmhncnmZn（1）h(n,m)为n通道上m用户所对应的码字，c为各用户的码元在码表上的对应关系：首先生成4×6的空矩阵，行代表子载波，列代表各用户。根据第n用户的码元00,01,10,11对应到第n列的第1,2,3,4行上。然后利用公式计算出每个载波所要发送的数据，第一子载波上数据计算公式如式（2）所示。11111,::,22,::,33,::,5×××yhchchc（2）3模拟信道传输通过对码表的理论分析和用MATLAB仿真验证，每个子载波发送信号的平均能量为1。所以本文利用MATLAB自带的AWGN函数对每个通道添加高斯白噪声，添加前先测量信号的功率，再根据信噪比添加噪声，在接收端估算出噪声功率。fori=1:4y(i)=awgn(y(i),SNR,'measured');end;SNR=7;en=10^(SNR/10);N(i)=1/en;4SCMALog_MAP解码SCMA解码依据最大似然译码准则，即最大后验概率准则，就是利用计算机的超级运算能力，对接收到的数据与可能产生这个结果的所有可能进行比较，概率最大的这个被认为是所发送的数据，为了使结果尽可能的准确，采用了多次迭代算法。MPADecode主要包括3个步骤：条件概率初始化、消息迭代、判决输出。1）条件概率初始化,就是计算接收到的y信号与各种可能的码字信号组合之间的残差。计算公式如式（3）所示。n12311((),,,,0(),())||()((,1)(1,,)0()fynmmmNnHnynhncnmNn（3）其中1234,,,)(1......M),(1......F)mmmmn（，在本次实验中，M=4,F=4,()=1Hn。所以先预生成n4=4444f（）的零矩阵并分配内存空间，然后通过循环计算出所有残差赋值给nf。通过分析发现，n0f,没有误差时n=0f；有误差时n0f，误差越大，nf越小。2）消息迭代，过程如式（4）~式（6）所示。123123((),,,,0(),())exp(((),,,,0(),());nynmmmNnHnfnynmmmNnHn（4）2311232311(,,)((),,,,0(),())((,,)(,,))MMMMIgvgvmnynmmmNnHnIvgvgmIvgvgm（5）𝐼𝑣𝑔(𝑣,𝑔,𝑚)=𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑧𝑒(14×𝐼𝑔𝑣(𝑔,𝑣,𝑚))（6）一次完整迭代包括完成FN更新和VN更新。FN更新是利用一个子载波上两个用户与载波的转移概率和残差去更新第三个用户与载波的转移概率，分别求出每个用户码元为00,01,10,11的转移概率，过程如式（4）和式（5）所示。VN更新是以用户为中心，用用户在一个载波上数据的转移概率去更新在另一个载波上的转移概率，然后进行归一化。归一化依据的原理是：每个用户码元为00,01,10,11的先验概率为1/4，概率总和为1。normalize函数先对Igv(g,v,m)求和，再用Igv(g,v,m)除以和值。这样就保证了Ivg(v,g,1)、Ivg(v,g,2)、Ivg(v,g,3)、Ivg(v,g,4)的和值为1，再进入下一次迭代。迭代次数却多，结果越精确，但计算量越大，影响时延，所以一般取3~5次。3）判决输出121()*(,,)*(,,);4vQmIgvgvmIgvgvm（7）:0:1:0:1()(0)ln()ln()(1)()ln(())ln(())xxxxvmbxxxvmbvvmbmbQmpbLLRpbQmQmQm（8）迭代结束后，假设结果已经收敛，下一步就是结果输出，需要对V节点上的码字m进行判决。首先对与V节点相连的转移概率相乘，再乘以先验概率，如式（7），最后输出对数似然比，如式（8），利用对数似然比判决用户的码元，如果似然比小于等于0，判别为1，否则为0。5SCMAMax_Log_MAP解码本文Max-Log-MAP算法是在Log-MAP算法的基础上推导出来的，是Log-MAP算法的精简化。利用求最大值max的方法代替最大似然译码算法中的Log,译码性能非常接近