基于CP-free OFDM的上行SCMA收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)和性能分析

周立，劉喜慶

（北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100876）

1 引言

隨著信息化革命的不斷發(fā)展，無線通信網(wǎng)絡(luò)的接入終端數(shù)與日俱增，利用有限頻譜資源實(shí)現(xiàn)更多終端的接入是未來移動(dòng)通信的一大發(fā)展趨勢[1-2]。5G技術(shù)方興未艾，但其最初提出的三大愿景之一的“海量連接”并未實(shí)現(xiàn)，基于正交資源的多址接入技術(shù)越來越無法滿足海量增長的接入設(shè)備數(shù)目需求，如何利用有限的物理資源實(shí)現(xiàn)更多終端的接入將是B5G、6G的重點(diǎn)研究方向之一。因此，非正交多址（non-orthogonal multiple access，NOMA）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前的NOMA系統(tǒng)主要可以分為兩大類：功率域NOMA以及碼域NOMA。其中，碼域NOMA主要包括圖樣分割多址接入（pattern division multiple access，PDMA）、多用戶共享接入（multi-user shared access，MUSA）以及稀疏碼分多址接入。作為極具競爭力的候選NOMA技術(shù)之一，SCMA最早由Nikopour等人提出，在低密度擴(kuò)頻技術(shù)的研究基礎(chǔ)上發(fā)展而來，是華為技術(shù)有限公司主推的一種非正交多址技術(shù)。SCMA將信息的調(diào)制、擴(kuò)頻過程抽象成從碼本中選取一個(gè)高維稀疏碼字，接收端充分利用碼字稀疏性采用高性能低復(fù)雜度的消息傳遞算法（message passing algorithm，MPA）進(jìn)行多用戶檢測，實(shí)現(xiàn)了接入用戶數(shù)過載于正交資源數(shù)，提升了系統(tǒng)吞吐量[3-7]。在發(fā)射端，每個(gè)用戶被分配一個(gè)特定的碼本，發(fā)射機(jī)根據(jù)信息比特從碼本中選取一個(gè)高維稀疏碼字并經(jīng)過物理資源映射后進(jìn)行無線傳輸。接收端采用性能次優(yōu)的消息傳遞算法來進(jìn)行多用戶檢測[8-11]，多用戶疊加信號經(jīng)過一定次數(shù)的MPA算法迭代以后各個(gè)用戶的發(fā)送碼字概率將會(huì)收斂。SCMA憑借其優(yōu)秀的接入用戶數(shù)過載性能以及不俗的誤碼性能一舉成為極具競爭力的新一代多址接入候選技術(shù)，目前國內(nèi)外對于SCMA系統(tǒng)容量提升的研究主要集中在碼本優(yōu)化以及高效率傳輸方案設(shè)計(jì)兩方面。所謂碼本優(yōu)化是指將系統(tǒng)容量設(shè)置為優(yōu)化目標(biāo)，學(xué)者們通過一系列數(shù)學(xué)方法對SCMA碼本進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，最后產(chǎn)出容量最優(yōu)或次優(yōu)碼本。而高效率傳輸方案設(shè)計(jì)則是指將SCMA與各種高效率傳輸技術(shù)（如濾波器組多載波傳輸）結(jié)合，通過設(shè)計(jì)合理的收發(fā)方案以提升SCMA系統(tǒng)容量。本文研究屬于上述第二方面，針對長時(shí)延擴(kuò)展信道下的SCMA系統(tǒng)容量提升展開研究，設(shè)計(jì)了基于時(shí)域預(yù)編碼的無循環(huán)前綴SCMA系統(tǒng)收發(fā)方案，并給出了性能仿真及分析。

2 SCMA概述及相關(guān)工作

典型SCMA系統(tǒng)可以用因子圖來描述，因子圖由用戶節(jié)點(diǎn)、資源節(jié)點(diǎn)以及連接兩種節(jié)點(diǎn)的邊組成。記因子圖中用戶節(jié)點(diǎn)數(shù)目為J，資源節(jié)點(diǎn)數(shù)目為K，每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)所占據(jù)資源節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為dj，每個(gè)資源節(jié)點(diǎn)上承載的用戶數(shù)為dk。一個(gè)簡單的SCMA系統(tǒng)的因子圖如圖1所示。

圖1 (4,6) SCMA系統(tǒng)因子圖

圖1中，方框代表資源節(jié)點(diǎn)，共有4個(gè)，即K=4。圓圈代表用戶節(jié)點(diǎn)，共有6個(gè)，即J=6。圖1中每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)均有兩條邊與之相連，即dj= 2。每個(gè)資源節(jié)點(diǎn)均有3條邊與之連接，即dk=3。圖1中的邊表征了SCMA系統(tǒng)中用戶對正交資源的利用情況。以第3個(gè)用戶為例，其有兩條邊分別連接到了資源節(jié)點(diǎn)1和4，說明用戶3僅在第1和第4個(gè)物理資源上進(jìn)行信息傳輸。因子圖可以用因子矩陣進(jìn)行描述，與圖1等價(jià)的因子矩陣如式（1）所示：

因子矩陣的行重dk=3，列重dj= 2，矩陣第k行第j列的元素gk,j= 1表示用戶節(jié)點(diǎn)j與資源節(jié)點(diǎn)k之間有邊相連。在SCMA系統(tǒng)中，每個(gè)用戶擁有一個(gè)特定的碼本，圖2簡單示意了用戶1的一個(gè)碼本。

圖2 用戶1碼本

對應(yīng)于因子矩陣的第一列，用戶1碼本中的碼字均只在第一、二個(gè)資源塊上有值。圖2示意的碼本大小為4（碼本中共有4個(gè)不同的稀疏碼字，用戶每發(fā)送兩個(gè)bit即進(jìn)行一次碼字映射）。一般地，對于大小為M的碼本，用戶每發(fā)送lbMbit便進(jìn)行一次碼字映射。在上行系統(tǒng)中，各用戶將自身SCMA碼字映射到相應(yīng)的物理資源進(jìn)行無線傳輸，經(jīng)歷不同的衰落信道后到達(dá)接收端，基站端采用MPA算法進(jìn)行多用戶檢測。

學(xué)術(shù)界對提升SCMA容量的研究主要從優(yōu)化碼本設(shè)計(jì)的角度展開。參考文獻(xiàn)[12]對上行最大和速率問題進(jìn)行了建模，并給出了一種基于碼字非零元素間相關(guān)性消除與功率分配的聯(lián)合設(shè)計(jì)方法，使得容量逼近于最優(yōu)界。參考文獻(xiàn)[13]提出了一種基于用戶分組的三層功率分配策略以使系統(tǒng)和容量最大化，并采用拉格朗日對偶分解法解決了上述非凸問題。參考文獻(xiàn)[14]給出了AWGN信道下具有星座約束的SCMA系統(tǒng)容量的閉式解，并證明了對碼本進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)能優(yōu)化鏈路傳輸性能。參考文獻(xiàn)[15]首先對一維星座圖進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)而構(gòu)造高維碼字，并證明了該碼本能夠達(dá)到香農(nóng)限。需要指出，上述研究建立在CP-OFDM傳輸?shù)幕A(chǔ)之上，其系統(tǒng)容量仍然受制于CP開銷。

傳統(tǒng)ZP-OFDM/CP-OFDM通過在符號塊間置入零前綴（zero padding prefix，ZP）或循環(huán)前綴（CP）來將多徑干擾的影響控制在ZP/CP區(qū)間內(nèi)，其中ZP/CP長度至少等于信道的最大時(shí)延擴(kuò)展。但添加的ZP/CP并不能攜帶更多的信息，這直接導(dǎo)致了傳統(tǒng)OFDM傳輸效率低下。記OFDM有用信息長度為LB，添加的CP/ZP長度為LC，則OFDM的實(shí)際傳輸效率僅為LB/(LB+LC)。在長時(shí)延擴(kuò)展傳輸環(huán)境下OFDM的頻譜效率將急劇下降。針對此問題，參考文獻(xiàn)[16]提出了一種基于時(shí)域預(yù)編碼的CP-free OFDM傳輸方案——TDP SMIC OFDM，通過在發(fā)射端進(jìn)行干擾重建以消除子載波間干擾（inter carrier interference，ICI）和符號間干擾（inter symbol interference，ISI），但該方案只適用于點(diǎn)對點(diǎn)傳輸場景，其沒有考慮多用戶場景下的干擾消除問題。為了進(jìn)一步提升SCMA系統(tǒng)的容量，從改進(jìn)無線傳輸方式的角度出發(fā)，本文提出了基于TDP-OFDM 的SCMA上行傳輸方案—TDP-OFDM SCMA，給出了完整的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了不同信道、不同過載率以及不同信道估計(jì)誤差下的SCMA系統(tǒng)誤比特率以及容量性能仿真。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 TDP-OFDM SCMA 上行發(fā)射機(jī)

圖3為TDP-OFDM SCMA上行發(fā)射機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，包含SCMA碼字映射模塊、傅里葉逆變換模塊、時(shí)域預(yù)編碼模塊以及信道信息接收模塊。下面以用戶j為例對信息的發(fā)送過程進(jìn)行介紹，記第j個(gè)用戶的信息比特向量為，其中M為用戶j碼本的大小，即用戶每發(fā)送lbM比特便進(jìn)行一次碼字映射。記映射規(guī)則為f(·)，則碼字映射過程可由式（2）表示：

上述列向量就是碼本中的稀疏復(fù)向量，稀疏復(fù)向量Sj經(jīng)過傅里葉逆變換之后得到時(shí)域向量sj，再經(jīng)時(shí)域預(yù)編碼得到編碼向量uj。對于上行系統(tǒng)，每個(gè)用戶首徑信號到達(dá)時(shí)間不同，發(fā)射端需要接受基站調(diào)度以同步首徑信號到達(dá)時(shí)間，圖3中使用同步時(shí)延表示上述過程，之后進(jìn)行射頻傳輸。

圖3 TDP-OFDM SCMA上行發(fā)射機(jī)

時(shí)域預(yù)編碼模塊利用信道反饋信息進(jìn)行干擾估計(jì)以進(jìn)行ISI、ICI預(yù)消除。其主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 時(shí)域預(yù)編碼模塊結(jié)構(gòu)

圖4中，時(shí)域預(yù)編碼模塊主要由信道信息采集模塊、矩陣線性移位構(gòu)建模塊、矩陣循環(huán)移位構(gòu)建模塊以及存儲(chǔ)器構(gòu)成。信道向量經(jīng)過線性移位矩陣構(gòu)建模塊以及循環(huán)移位矩陣構(gòu)建模塊之后得到信道線性移位矩陣以及信道循環(huán)移位矩陣，在預(yù)編碼信號的構(gòu)建過程中將用到上述兩個(gè)矩陣。

記傅里葉變換矩陣為F，其逆變換矩陣為F-1：

其中，WK= e-i2π/K，傅里葉逆變換過程可以由式（5）表示：

其中，sj,m表示用戶j發(fā)送的第m個(gè)時(shí)域向量。對于發(fā)射機(jī)而言，在進(jìn)行第m個(gè)符號塊的傳輸時(shí)，第m-1個(gè)符號塊的信息是完全已知的，結(jié)合信道反饋信息可以在發(fā)射端進(jìn)行ICI及ISI估計(jì)[16]。記預(yù)編碼矩陣為χ：

其中，L表示用戶j與基站之間信道的最大時(shí)延擴(kuò)展，可以證明第l徑的信道增益的幅值滿足瑞利分布，相位服從[0,2π]上的均勻分布[17]。及具體可以表示為：

對sj,m進(jìn)行預(yù)編碼得到qj,m，即：

若信道估計(jì)準(zhǔn)確，則式（11）可以寫作：

其中，Hj為真實(shí)信道矩陣。

信號經(jīng)過時(shí)域預(yù)編碼以后進(jìn)行射頻傳輸，對于上行系統(tǒng)，各個(gè)用戶產(chǎn)生的無線信號經(jīng)歷不同的衰落信道后在基站端線性疊加，編碼信號此時(shí)受到的干擾包括ICI、ISI、多用戶干擾以及加性熱噪聲。由于發(fā)送端已經(jīng)對信號將要受到的ICI以及ISI進(jìn)行了預(yù)估計(jì)及預(yù)消除。因此，對于接收端而言，其只需要處理多用戶干擾即可，下面對TDP-OFDM SCMA接收機(jī)結(jié)構(gòu)及多用戶干擾消除算法展開介紹。

3.2 TDP-OFDM SCMA上行接收機(jī)

圖5給出了TDP-OFDM SCMA上行接收機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，主要包括傅里葉變換模塊以及MPA多用戶檢測模塊。

圖5 TDP-OFDM SCMA上行接收機(jī)

接收機(jī)采樣信號為各用戶經(jīng)歷不同的多徑信道后的疊加，假設(shè)所有發(fā)射機(jī)都處于理想同步狀態(tài)（即首徑到達(dá)時(shí)間差不超過一個(gè)符號周期[17]，注：符號周期為TS，符號塊周期為TB=KTS），接 收機(jī)可以同步采樣得到一個(gè)符號塊的數(shù)據(jù)。記第j個(gè)用戶的經(jīng)過時(shí)域預(yù)編碼以及干擾預(yù)消除后的第m個(gè)發(fā)送符號塊為uj,m，則接收機(jī)接收的多用戶混疊信號為：

其中，γm-1為各個(gè)用戶發(fā)送的第m-1個(gè)符號塊拖尾信號的疊加，有：

將式（13）中的uj,m及展開得到：

將ym輸入傅里葉變換模塊。如第3.1節(jié)所分析的，傅里葉變換過程等價(jià)于傅里葉變換矩陣F與信號向量作矩陣乘法，得到：

3.3 多用戶檢測

本文采用MPA[11]算法來進(jìn)行多用戶檢測，各個(gè)用戶發(fā)送碼字的概率消息估計(jì)值不斷在用戶節(jié)點(diǎn)與資源節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行交換與更新，可以證明迭代至一定次數(shù)后各個(gè)用戶發(fā)送碼字的概率將會(huì)收斂。每個(gè)用戶均取其發(fā)送概率最大的碼字進(jìn)行輸出。

MPA算法主要分3步進(jìn)行。

步驟1初始化各個(gè)用戶發(fā)送碼字概率：

步驟2（a）資源節(jié)點(diǎn)向用戶節(jié)點(diǎn)更新消息：

其中，Yk為第m個(gè)接收符號塊中第k個(gè)子載波上的接收信號值。σ2為噪聲功率。表示第j個(gè)用戶頻域響應(yīng)向量的第k個(gè)元素，即資源節(jié)點(diǎn)rk與用戶節(jié)點(diǎn)uj之間的信道增益。xk表示資源節(jié)點(diǎn)rk上承載的所有用戶發(fā)送碼字的集合。xj,k表示用戶j所發(fā)送的碼字在第k個(gè)子載波上的值。

步驟2（b）用戶節(jié)點(diǎn)向資源節(jié)點(diǎn)更新消息：

其中，ξj表示所有與第j個(gè)用戶相連的資源節(jié)點(diǎn)的集合，ξj/k表示除去資源節(jié)點(diǎn)rk外所有與第j個(gè)用戶相連的資源節(jié)點(diǎn)的集合。

步驟3達(dá)到最大迭代次數(shù)tmax后輸出：

其中，Qj(wj)表示第j個(gè)用戶所發(fā)送的碼字序號為wj∈ { 1， …，M}的概率值，選擇其中概率最大的碼字進(jìn)行輸出。

3.4 系統(tǒng)容量與功率效率

系統(tǒng)容量定義為所有接入用戶容量之和，用戶j的容量可以寫作[18]：

其中，B為系統(tǒng)帶寬，ξj表示與用戶節(jié)點(diǎn)uj相連的資源節(jié)點(diǎn)集合，為用戶j在第d個(gè)子載波上的信道增益，xj,d為用戶j的發(fā)送碼字在第d個(gè)子載波上的值，表示對復(fù)數(shù)求模，表示除去用戶節(jié)點(diǎn)uj外，所有其他與資源節(jié)點(diǎn)rd相連的用戶節(jié)點(diǎn)集合，為用戶j的噪聲功率。系統(tǒng)總?cè)萘坑涀鳎?/p>

其中，λj為傳輸效率，對于TDP-OFDM SCMA其值為1，對于CP-OFDM SCMA傳輸，其值為K/(K+Lj)，Lj為用戶j信道的最大時(shí)延擴(kuò)展。

與其他接收端處理方案不同，本文采用發(fā)送端預(yù)編碼來進(jìn)行各用戶的ICI及ISI消除，這樣做的代價(jià)是產(chǎn)生了額外的功率開銷。換而言之，本文所提方案以功率效率的下降換取了接收機(jī)處理復(fù)雜度的下降及誤比特率性能的提升，筆者對TDP-OFDM SCMA系統(tǒng)的功率效率進(jìn)行了分析。如式（10）所示，發(fā)送信號可以寫作：，其中qj,m為信息信號，為干擾消除信號。記為信息信號的平均功率，為干擾消除信號所消耗的功率值。則TDP-OFDM SCMA信號的功率效率為：

可以看出，功率效率與信道矩陣相關(guān)。

4 仿真與分析

在仿真中，收發(fā)天線數(shù)量均為1。 子載波數(shù)K= 8，定義過載率。各個(gè)用戶碼本大小均為4，無信道編碼，帶寬為0.5 MHz，仿真中采用的信道時(shí)延和相對功率見表1。

表1 信道時(shí)延和相對功率[19]

圖6給出了擴(kuò)展典型城市信道模型（extended typical urban model，ETU）、擴(kuò)展車輛信道模型（extended vehicular A model，EVA）以及擴(kuò)展步行者信道模型（extended pedestrian A model，EPA）下的系統(tǒng)誤比特率曲線，3種信道下的過載率均為150%。假設(shè)信道估計(jì)理想，可以看出不論哪種信道下TDP-OFDM SCMA性能均與CP-OFDM SCMA相同。此外，由于可分辨徑數(shù)以及可分辨徑增益為ETU最高、EVA次之、EPA最小，系統(tǒng)的誤比特率性能表現(xiàn)為ETU最優(yōu)，EPA最次。

圖6 不同信道下的誤比特率性能

圖7示意了ETU信道下，不同過載率下的系統(tǒng)誤比特率性能曲線。隨著過載用戶數(shù)的增加，多用戶干擾逐漸增大。系統(tǒng)平均誤比特率性能表現(xiàn)為隨過載率增加而減小。

圖7 ETU信道下不同過載率下的誤比特率性能

圖8給出了不同信道誤差估計(jì)下的系統(tǒng)誤比特率性能，e定義為信道估計(jì)誤差功率與真實(shí)信道功率的比值，記真實(shí)信道向量為h，由信道估計(jì)模塊輸出的估計(jì)信道向量為h?，則。如圖8所示，在非理想信道估計(jì)下，TDP-OFDM SCMA的誤比特率性能劣于CP-OFDM SCMA。雖然二者在多用戶檢測階段均要用到帶誤差的信道估計(jì)信息，不同的是TDP-OFDM SCMA在時(shí)域預(yù)編碼階段還要使用一次帶誤差的信道估計(jì)信息，故而CP-OFDM SCMA的信道估計(jì)誤差容忍度更大。

圖8 不同信道估計(jì)誤差下的誤比特率性能

圖9給出了在ETU信道下，TDP-OFDM SCMA和基于特征抑制（feature suppresed OFDM，F(xiàn)S-OFDM）算法[20]的誤比特率性能對比。FS-OFDM是一種基于迭代干擾抑制的CP-free OFDM傳輸技術(shù)，在FS-OFDM系統(tǒng)中，未加CP的OFDM信號被直接發(fā)送至無線信道進(jìn)行傳輸，接收端利用判決反饋均衡對上一個(gè)符號的拖尾干擾進(jìn)行消除以后，將信號直接進(jìn)行FFT處理，原本聚集于符號首部的ISI干擾被均攤至整個(gè)OFDM符號中，對符號進(jìn)行首次判決以后再進(jìn)行時(shí)域OFDM信號重建并得到第一次重建的CP，將此CP添加至原始接收信號首部，并進(jìn)行一次更精確的判決，并得到更精確的CP，如此迭代直到收斂。本文使用FS-OFDM作為對比方案，在仿真圖中使用Ite表示FS-OFDM算法中的迭代次數(shù)，隨著迭代次數(shù)的增加，F(xiàn)S-OFDM SCMA的誤比特率性能逐漸逼近于CP-OFDM SCMA及TDP-OFDM SCMA。需要指出，F(xiàn)S-OFDM SCMA是犧牲了信號處理的實(shí)時(shí)性來換取的系統(tǒng)誤碼性能的提升，這對于一些時(shí)延敏感場景（如自動(dòng)駕駛）是不可接受的。

圖9 TDP-OFDM SCMA/FS-OFDM SCMA性能對比

圖10～圖12分別給出了EPA、EVA和ETU信道下不同過載率下的系統(tǒng)容量隨著信噪比變化的曲線，由于省去了CP開銷，TDP-OFDM SCMA的系統(tǒng)容量明顯高于CP-OFDM SCMA，在最長時(shí)延擴(kuò)展達(dá)到OFDM符號長度的1/4時(shí)，系統(tǒng)容量最多可以提升25%。此外，ETU信道的可分辨徑數(shù)目以及增益大于EVA及EPA，在容量性能上表現(xiàn)為ETU優(yōu)于EVA，EVA優(yōu)于EPA。且信道時(shí)延擴(kuò)展越大，TDP-OFDM SCMA較CP-OFDM SCMA的容量提升越明顯。在低信噪比范圍（例如0～8 dB），系統(tǒng)容量隨著過載率的變化表現(xiàn)為先增后減，在η=200%時(shí)容量達(dá)到最大，此后再增加過載率時(shí)，多用戶干擾愈發(fā)嚴(yán)重從而導(dǎo)致容量減小。在高信噪比范圍（例如12～16 dB），影響系統(tǒng)容量的主要因素已經(jīng)不是噪聲而是多用戶干擾，隨著過載率的增加系統(tǒng)容量減小。

圖10 EPA信道下不同過載率下的系統(tǒng)容量

圖12 ETU信道下不同過載率下的系統(tǒng)容量

圖11 EVA信道下不同過載率下的系統(tǒng)容量

圖13給出了不同信道下的TDP-OFDM SCMA信號的功率效率對比。如第3.4節(jié)分析，信號的功率效率與多徑信道矩陣直接相關(guān)，且多徑時(shí)延越大， 由上一個(gè)傳輸符號引起的符號拖尾越長，發(fā)射端需要引入的干擾預(yù)消除功率開銷越大，在仿真中則表現(xiàn)為信號的功率效率EPA最高，ETU最低，EVA居中。需要指出，TDP- OFDM SCMA正是以發(fā)射端的功率開銷為代價(jià)換取了相較于CP-OFDM SCMA系統(tǒng)的容量性能上的提升。

圖13 不同信道下的功率效率

5 結(jié)束語

TDP-OFDM SCMA通過省去CP開銷使得SCMA系統(tǒng)容量獲得了大幅提升。在誤比特率方面，理想信道估計(jì)下TDP-OFDM SCMA與CP-OFDM SCMA有著基本一致的性能，存在信道估計(jì)誤差時(shí)，后者的誤差容忍度更大。需要說明的是，容量上的性能提升是以功率開銷為代價(jià)的，TDP-OFDM SCMA進(jìn)行干擾預(yù)消除時(shí)會(huì)產(chǎn)生 額外的功率開銷，如何在保證容量以及誤比特率性能的同時(shí)進(jìn)一步降低功率開銷則是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的課題。頻譜效率作為移動(dòng)通信領(lǐng)域?qū)W者們不懈優(yōu)化的目標(biāo)之一，可以預(yù)見，B5G、6G時(shí)代對于大通量無線傳輸?shù)男枨髮⒏悠惹?，TDP-OFDM SCMA將高過載的多址技術(shù)和低冗余的波形技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，給未來的高容量移動(dòng)通信技術(shù)選型提供了一個(gè)參考。