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面向多址接入的5G信号盲检测技术研究毕业论文

 2020-02-17 10:02  

摘 要

本文介绍的是针对于5G时代所面临的对于数据吞吐量、数据处理速率以及算法性能的更高要求的一种解决方案。

其中对于5G的海量的数据以及多用户免授权接入网络的需求,需要对用户进行盲检测,本文是采用稀疏码多址(SCMA),SCMA是一种基于多维调制和稀疏码扩频的码分非正交多址技术,是针对第五代(5G)无线通信标准提出的非正交多址方案之一,可以通过为用户设计专用码本以及多用户的码字复用使得系统相较之前有明显的载量提升,有效解决当前网络资源匮乏的问题。其次,由于SCMA检测的最大似然(ML)算法具有很高的复杂度,也很难在实际应用中实现。所以本文采用具有更小复杂度的消息传递算法(MPA),同时针对该消息传递算法做出进一步改善,加快算法的收敛速度,进一步提升算法性能。

实验仿真结果表明,通过BER性能对比,改进后的Log-MPA算法相较于原来的算法有明显的性能提升。

关键词: 5G;稀疏码多址;消息传递算法;信号盲检测

Abstract

This article describes a solution to the higher demands placed on data throughput, data processing rates, and algorithm performance in the 5G era.

Among them, for the massive data of 5G and the requirement of multi-user unlicensed access network, the user needs to be blindly detected. In this paper, sparse code multiple access (SCMA) is adopted, and SCMA is a code based on multi-dimensional modulation and sparse code spreading. Non-orthogonal multiple access technology is one of the non-orthogonal multiple access schemes proposed for the fifth generation (5G) wireless communication standard. It can be designed by designing a dedicated codebook for users and multi-user codeword multiplexing. Before, there was an obvious increase in load capacity, effectively solving the problem of lack of current network resources. Secondly, because the maximum likelihood (ML) algorithm detected by SCMA has high complexity and is difficult to implement in practical applications, this paper adopts a message complexity algorithm (MPA) with less complexity, and at the same time, the message passing algorithm. Further improvements are made to speed up the convergence of the algorithm and further improve the performance of the algorithm.

The experimental simulation results show that the improved Log-MPA algorithm has obvious performance improvement compared with the original algorithm through BER performance comparison.

Key words: 5G;Sparse code multiple access;Message passing algorithm;Signal blind detection

目 录

摘要 I

abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.1.1移动通信系统的演进 1

1.1.2移动通信系统关键技术的演进 1

1.3 学术界研究现状 2

1.4 论文研究内容和章节安排 2

第2章 非正交多址接入的应用场景及原理 4

2.1 eMBB应用场景 4

2.2 SCMA原理及特点 5

2.3 本章小结 5

第3章 非正交多址接入场景盲检测算法研究 6

3.1 SCMA多址接入系统与方案 6

3.1.1 SCMA多址接入系统与模型 6

3.2 传输方案和关键技术 7

3.2.1 发送端方案和关键技术 7

3.2.2 SCMA编码 8

3.2.1 接收端方案对比选择 9

3.4多用户检测算法 9

3.4.1 Log-MPA多用户盲检测 9

3.4.2 Log-MPA的具体检测流程 10

3.4.3 SCMA的LLR计算 13

3.5 盲多用户检测 15

3.5.1 盲多用户检测原理 15

3.6 改进的Log-MPA算法 16

3.7本章小结 20

第4章 仿真结果分析 21

4.1仿真性能(收敛速度)对比 21

4.2算法复杂度对比 24

4.3本章小结 24

第5章 论文总结与展望 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.1.1 移动通信系统的演进

在过去的几十年中,移动通信技术已经取得了高速发展,移动通信系统经历了从1G的移动通信时代的开创与揭幕,同时随着互联网的爆发以及用户数的增长(1G无法满足要求)而跟进的2G数字蜂窝结构大大提高了网络的容纳量,然后由移动应用场景衍生出的第三代移动通信系统,大大的提升了业务种类,4G则在3G基础上,提出新型的多址技术,大大提高了频道的利用率[1],使互联网进入爆发式增长,而随着互联网用户以及终端设备日益的、高速的增长,市场持续要求更高的传送比特率、更低的延迟以及更高的可靠性和更加强大的覆盖范围,同时由于4G方面的长期演进系统(LTE)已经部署的相当成熟,只能进行有限的改进和发现新频谱,但这并不是长远之计,频谱资源的稀缺跟互联网用户的激增形成鲜明对比,所以有关5G标准的制定的讨论渐渐浮出水面,5G标准的制定以及跟进的系统研发是目前全世界通信行业的竞争制高点,换句话说,谁掌握了5G,谁便掌握了未来的主动。

而对于5G研究的关键技术之一就是在多址接入方面的研究和突破,多址技术的发展和创新决定着5G未来的走向,下一节就是介绍移动通信系统在多址接入方面的技术革新同时介绍5G在这方面的主要候选技术。

1.1.2 移动通信系统关键技术的演进

在移动通信系统的发展历程中,多址接入技术一直发挥着极其重要的作用。从第一代移动通信系统采用的频分多址技术(Frequency Division Multiple Access, FDMA),再到第二代移动通信系统采用的时分多址技术(Time Division Multiple Access,TDMA),以及第三代移动通信系统采用的码分多址技术(Code Division Multiple Access,CDMA )和第四代移动通信系统采用的正交频分多址技术[1]。可以说上文所述的多址接入技术都采用了正交的时域资源分配方式,而通信行业预计5G将在2020年实现商用且该技术的主要应用之一便是物联网,但是在即将要付诸于商用的第五代移动通信系统之中,其标准需要更高的频谱效率以及大规模的连接和更低的延迟,对于传统的正交多址接入方式,它已经不能够在有限的频谱和复杂的正交资源调度约束之下满足超高系统接入量、超低时延和海量用户这些关键指标[2]。所以,一系列基于非正交时频分配资源分配方式的新型多址接入亟待研究和突破以解决5G的瓶颈问题。

第一种候选方案是非正交多址(NOMA)接入方案,NOMA是增加给定时频资源内用户数量的可能解决方案,非正交多址接入技术不同于时分、码分、频分的传统正交多址接入技术,NOMA可以增加接收机复杂度为代价来引入一些可控干扰以实现过载,由此来实现更高的频谱效率以及大规模连接。

第二种候选方案是稀疏码多址(SCMA)方案[3],也是本文主要研究的非正交多址接入方案,SCMA是一种码域复用的方案,该系统是基于低密度签名(LDS)改进的方案,与LDS相比它的主要优势是多维星座整形的一些潜在收益。同时SCMA相比于大多数上行链路方案(UL)的另一个优点是能够提供无授权的UL数据传输,以此提高系统的频谱效率。

1.3 学术界研究现状

目前学术界针对SCMA技术是以给不同用户分配特定的码本来区分用户,所以合理的码本设是保证整个 SCMA 系统能够拥有很好的性能和灵活性的关键因素,学术界认为SCMA的码本首先需要设计一个具有好的欧式距离的多维星座作为基本星座,然后再根据相位旋转等不同的操作方案构建多个不同层的稀疏码本。同时学术界提出了一种基于格雷星座设计原则的SCMA码本设计的方案,该方案能够使SCMA的BER性能在衰落信道或者高斯白噪声信道下都要比以前的低密度签名序列(Low Density Signature,LDS)和OFDMA出色,同时SCMA能够比LDS和OFDMA获得更好的系统有效吞吐量。提出了一种并行的SCMA系统, 通过将长码字的SCMA编码和译码过程转换为短码字的编码和译码来降低接收机的译码复杂度[3]。此外, SCMA的多用户检测算法也是研究重点之一,目前提出了Turbo MPA接收机,它是由消息传递算法(Message Passing Algorithm, MPA)和Turbo译码构成,这种接收机在高负载下能够提升系统的译码性能。提出了部分边缘化的检测算法,它能以较低的复杂度达到MPA算法的误比特率(Bit Error Rate,BER)性能。

本文就是研究SCMA非正交多址技术并且运用MPA算法对SCMA系统的接收端进行盲多用户检测,并对算法进行改进提升性能。

1.4 论文研究内容和章节安排

面向5G中面授权接入的高速率、大容量以及海量连接的应用场景,本文旨在将SCMA运用于5G的上行链路(UL)多用户接入,提升系统的负载能力;同时为每个用户分配不同的码本,在接收端运用消息传递算法进行盲多用户检测,并且提出一种改进的、加快收敛速度的log-MPA盲检测算法,该算法相较于传统的消息传递算法而言,优势在于它可以在检验节点依次进行更新计算的同时不断的更新节点信息让下一个检验节点都可以利用上一个检验节点更新的信息,因此可以明显地加快消息传递算法的收敛速度。

本论文的全文章节安排如下:

第一章为绪论,主要介绍移动通信系统从第一代系统到第五代系统的演进历史以及每一代移动通信系统所采用的多址接入技术,并且简略介绍第五代移动通信系统在多址接入上的两大候选方案:NOMA和SCMA,同时介绍了针对SCMA技术学术界目前所采用的解决方法。

第二章对非正交多址接入的应用场景以及一些基本原理进行介绍,介绍了5G的一个重要应用场景——增强移动宽带(eMBB)[1],讲解了eMBB的特点以及对技术的要求,阐述了SCMA技术特点以及SCMA在eMBB上的适用性。

第三章 对非正交多址接入场景下的SCMA多址接入系统以及方案、传输方案和用到的关键技术进行详细的分析和介绍,然后引入了盲检测用到的Log-MPA算法并且对该算法进行的具体流程进行详细讲解,然后根据实际情况提出一种改进型的Log-MPA算法——FC-Log-MPA算法,并对其实现过程的详细描述以及与原算法的对照比较以及优略性比较。

第四章对本文的核心算法Log-MPA算法以及FC-Log-MPA算法进行性能仿真,并且针对两者的收敛速度以及算法复杂度经行对比,并且与前面的理论分析结合讨论然后得出相应结论。

第五章进行全文总结。对本文主要学习和研究的方面进行大致概括,并对该方面的未来相关发展进行展望。

第2章 非正交多址接入的应用场景及原理

如上文所述,非正交多址相较于正交多址技术而言,非正交多址可以有效的提升频谱效率,同时可以使网络接入更多用户并且相较于以前不会占用更多网络资源。显而易见,以SCMA为代表的非正交多址技术在具有更加海量用户以及志在实现万物互联的未来网络中会有更为广泛的应用场景,诸如eMBB场景、URLLC场景、mMTC场景等都是在未来的5G时代极具特色和代表性的应用场景。下面就以eMBB应用场景为例介绍SCMA在其中的eMBB场景中的应用以及其原理。

2.1 eMBB应用场景

eMBB ( Enhanced Mobile Broadband)是增强移动宽带英文缩写,旨在以现在的移动宽带业务场景为基础追求性能上以及用户体验上的进一步提升,最终实现人与人之间的极致的通信体验。

eMBB应用场景可以分成高频与低频两种情况。其中对于高频段大带宽,它是热点地区能够提升系统容量的关键手段,而对于6GHz以下的低频段而言,其频带资源对于增强移动带宽场景中的大容量、高速率场景的增强覆盖需求至关重要,同时高频与低频的协作也是用来满足增强移动带宽场景需求的基本方式[2]

对于高频大带宽,应用案例是局部热点场景。局部热点场景要在其热点区域内支持比较多的用户流量同时还需要支持比较高的用户密度,相较于低频带的广域覆盖,局部热点虽然对接入用户的移动性没有很高要求但是局部热点对于用户端传输速率要求要比关于覆盖高很多。对于低频广域覆盖场景,要求系统能够支持无线网络的无缝的覆盖,虽然对传输速率的要求没有高频段的局部热点那么严格,但是广域覆盖需要满足用户端在高移动速度下依旧拥有良好的性能的体验[2]

5G的非正交多址技术比以往的正交多址技术在eMBB场景中比有更好的应用前景。这是由非正交多址技术具有更高的网络容量、更高的用户密度、更加统一的用户体验以及混合业务类型传输决定的。

高网络容量:非正交多址技术,顾名思义,就是相较于以往的正交多址技术相比有更低的正交性,同时非正交多址技术可能够在上下行链路使用相同的时频资源,以此来传送更多多的用户数据提升网络容量。

高用户密度:相比正交多址技术,非正交多址技术可以使多用户之间的干扰得到有效处理,由此可以实现更高的流量负载和更高的用户密度。

统一用户体验:非正交多址技术可以使无论是边缘用户还是中心用户都可以拥有一样的用户体验并且也可以支持较高的用户移动速度。

混合业务类型传输:非正交多址技术能够有效均衡不同类型业务的传输,使数据传输更加高效,例如,数据量较大的视频类大分组业务和具有低时延要求。

2.2 SCMA原理及特点

如上文所述,新型的无线接入系统旨在支持广域覆盖、室内和热点区域的全覆盖。例如商场、室内室外的球场、客流密集的景点以及室外广场等都属于热点覆盖区域,而且这些区域的用户对于网络速率都有比较高的要求,而OMA技术由于时域以及频域资源有限,想要支持如此大量的用户高速率连接有极大的难度。可见,对于eMBB应用场景,最重要也是最迫切的要求之一便是能够优先提升上行和下行链路的容量增益和频谱效率。所以为了满足5G应用场景中的大容量、海量连接、低时延等需求,非正交多址技术应运而生,SCMA便是众多非正交多址技术之一。

SCMA技术的特点是更高的容量、海量的连接以及更低的开销,这恰恰十分符合5G的要求。SCMA作为稀疏编码多址技术,其码域具有稀疏性,由此可以可减少码层之间的相互干扰,不仅可以有效降低传送符号时码字之间相互碰撞的几率,还可以降低接收端接收机的复杂度,提升系统性能。此外,SCMA使用可以通过消息传递算法(MPA)对用户数据进行解码。SCMA 在无论是单个小区还是多个小区的应用场景中,可以令多个用户数据复用一个资源节点,以此提供使开环多用户复用,为用户提供统一的体验并且一定程度的提升资源利用率和系统容量,同时对于多种干扰具有比较强的顽健性,所以SCMA能很好的适用于eMBB场景。

2.3 本章小结

本章针对非正交多址接入技术的一些基本原理(主要是SCMA技术)以及非正交多址接入的的一些应用场景即增强移动宽带(eMBB)进行了介绍,分析了5G时代的海量连接等一些列需求,分析了非正交多址技术具有更高的网络、更高的用户密度、更加统一的用户体验以及混合业务类型的特点,阐述了SCMA作为稀疏码分多址的技术优势,总结了由于SCMA的特点与eMBB的需求的契合,所以前者对于后者具有的适用性。

第3章 非正交多址接入场景盲检测算法研究

SCMA既可以用在上行链路系统也可以用在下行链路系统。在上行链路系统中,SCAM将不同用户的比特信号进行非正交叠加及进行传输,所以相较于以前的LTE系统SCMA技术有望实现海量用户接入的目标。此外,通过盲检测技术以及上文所说的SCMA对码字碰撞不敏感的特点实现免调度的随机竞争接入,其中免调度接入机制可以有效地、大幅度地降低在接入过程中动态请求以及授权的信令开销,可以有效降低系统的实现复杂度以及接入时延。本章节将介绍SCMA上行系统的总体框架模型以及其在发送端以及接收端所采用的方案。

3.1 SCMA多址接入系统与方案

3.1.1 SCMA多址接入系统与模型

如上文所述,不同于前几代移动通信系统所采用的多址技术,5G所采用的SCMA是基于稀疏码扩频以及多维调制的一种码分非正交多址技术。SCMA上行系统实现框架如下图3-1所示。

图3-1 SCMA上行系统总体框架

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