面向5G移动通信的新型多址接入技术-SCMA

Posted 2021-06-21 知不足而奋进

      从移动通信发展历程来看，通信几乎每隔十年就会换代升级，从80年代的1G通信主要是以语音为主，调制方式是FDMA；90年代2G通信发展了短信传输，调制方式有CDMA,TDMA等；2000年前后3G通信出现，传输速率加快，能很好接受图片，调制方式CDMA,TDMA；以及2010年后，4G通信也是我们目前正在使用的，速率更快，能够传输视频等，调制方式OFDM。5G通信时代即将来临，各地厂商都表明在2019年夏天将出5G手机，目前5G组网工作正在展开。

       5G通信系统的总体愿景“信息随心至，万物触手及”。如图1所示，5G主要业务是移动互联网和物联网。移动物联网包括4K/8K视频下载、云存储、虚拟显示、远程教育等。物联网业务包括智能交通、智能家居、环保、医疗等。这些场景就要求了5G通信必须有以下特点：1.连续广域覆盖 2.热点高容量 3.低功耗大连接 4.低时延高可靠等特性。

图1 5G场景与技术指标

SCMA简介

       SCMA（Sparse Code Multiple Access，稀疏码分多址接入）技术是由华为公司所提出的第二个第五代移动通信网络全新空口核心技术，引入稀疏编码对照簿，通过实现多个用户在码域的多址接入来实现无线频谱资源利用效率的提升。SCMA码本设计是其核心，码本设计主要是两大部分：1.低密度扩频；2.高维QAM调制。将这两种技术结合，通过共轭、置换、相位旋转等操作选出具有最佳性能的码本集合，不同用户采用不同的码本进行信息传输。码本具有稀疏性是由于采用了低密度扩频方式，从而实现更有效的用户资源分配及更高的频谱利用；码本所采用的高维调制通过幅度和相位调制将星座点的欧式距离拉得更远，保证多用户占有资源的情况下利于接收端解调并且保证非正交复用用户之间的抗干扰能力。下面通过图片展示。

图2 稀疏码本设计示意图

以上对SCMA进行了一个总的概述，下面分别来理解哈什么是高维调制？什么是低密度扩频？这样做有什么好处呢。

1.低密度扩频技术

      举例而言，现实生活中，如果一排位置仅有4个座位，但有6个人要同时坐上去，怎么办？解决的办法是这6个人挤着坐这4个座位。同理，在未来的第五代移动通信系统之中，如果某一组子载波之中仅有4个子载波，但是却有6个用户由于同时对某种业务服务有需求而要接入到系统之中，怎么办？低密度扩频技术就“应运而生”了：如图3所示，把单个子载波的用户数据扩频到4个子载波上，然后，6个用户共享这4个子载波。可见，之所以被称之为“低密度扩频”，是因为用户数据仅仅只占用了其中的两个子载波（图3中有颜色的格子部分），而另外两个子载波则是空载的（图3中的白色格子）——于是，这就相当于6个乘客同时挤着坐4个座位——另外，这也是SCMA（Sparse Code Multiple Access，稀疏码分多址接入）中“Sparse（稀疏）”的来由。

图3 4个子载波搭载6个用户示意图

2.高维调制技术

      传统的调制技术之中，仅涉及幅度与相位这两个维度。那么，在多维/高维调制技术之中，除了“幅度”与“相位”，多出来的是什么维度的呢？其实，多维/高维调制技术之中所调制的对象仍然还是相位和幅度，但是最终却使得多个接入用户的星座点之间的欧氏距离拉得更远，多用户解调与抗干扰性能由此就可以大大地增强。每个用户的数据都使用系统所统一分配的稀疏编码对照簿进行多维/高维调制，而系统又知道每个用户的码本，于是，就可以在相关的各个子载波彼此之间不相互正交的情况下，把不同用户的数据最终解调出来。作为与现实生活之中相关场景的对比，上述这种理念可以理解为：虽然无法再用座位号来区分乘客，但是可以给这些乘客贴上不同颜色的标签，然后结合座位号，还是能够把乘客区分出来。

图 4 高维调制示意图

        大家可能很难理解为什么明明就只有两维调制的相位和幅度怎么就拉开欧式距离呢？以图4为例，图4是一个高维想象图，我们可以看见在二维图时，小狗图像密集在圆内，而在三维图形中，方体内的球体的小狗被拉向对角处，在机器学习中，这被称之为维度灾难。我们可以在脑海中，构建出这样一幅景象：本来很密集的星座图（2维），通过提升维度，它们之间的相互距离不断拉大，类似于上图中小狗与小狗之间的距离，这就很容易理解，上面的话了，所调制的对象不变，但是由于提升维度，造成欧式距离增大，从而更容易分离出来，也便于后面的多用户检测了，perfect！

总结

      今天主要是给大家科普一下5G的多址技术，综合使用SCMA的两大关键技术（低密度扩频技术与多维/高维调制技术），SCMA（Sparse Code Multiple Access，稀疏码分多址接入）技术可使得多个用户在同时使用相同无线频谱资源的情况下，引入码域的多址，大大提升无线频谱资源的利用效率，而且通过使用数量更多的子载波组（对应服务组），并调整稀疏度（多个子载波组中，单用户承载数据的子载波数），来进一步地提升无线频谱资源的利用效率。
 

SCMA的实现基于两步：

1.实现码本资源到物理频域资源映射的映射矩阵（matrix mapping）；

2.实现二进制比特流到码本映射的复数域星座图(complex domain constellation design)；

• (b1,b2)-----复数域星座映射（二维）------>(x1,x2,x3,x4)------一个码字到两个物理资源块的映射（每个资源块实现一个复信号的传输）------->f1:x1+jx2   f2:x3+jx4

上述过程实现了一个码字在两个物理资源块上的传输。

• 而在普通的OFDM中，一个(b1,b2)-----星座映射------>(x1,x2)------映射到一个物理资源块（每个资源块实现一个复信号的传输）------->f1:x1+jx2