大規(guī)模非協(xié)調(diào)多址接入技術(shù)研究.pdf

1、隨著智能終端的普及以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，到2020年用戶數(shù)和業(yè)務(wù)量將呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長(zhǎng)，這對(duì)第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5th Generation Mobile Communication System，5G)提出了更高的要求。mMTC(massive Machine-Type Communications)作為5G的重要場(chǎng)景之一，旨在為數(shù)百億的低復(fù)雜度、低功耗的設(shè)備提供連接，具有小數(shù)據(jù)包、低速率、海量連接的特點(diǎn)。mMTC場(chǎng)景對(duì)頻譜效率和系

2、統(tǒng)接入能力提出了更高的要求，目前的長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution，LTE)系統(tǒng)無(wú)法滿足這樣的需求。非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)技術(shù)具有頻譜效率高、靈活性好等特點(diǎn)，能夠有效提升系統(tǒng)接入能力，為mMTC場(chǎng)景提供了解決方案。此外，大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)技術(shù)能夠大幅度提高頻譜效率和能量效率，被認(rèn)為是

3、5G的核心技術(shù)之一。因此，本文圍繞mMTC場(chǎng)景應(yīng)用需求，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)場(chǎng)景下對(duì)NOMA技術(shù)展開深入研究。
　　首先，本文討論了現(xiàn)有的NOMA技術(shù)方案。以兩個(gè)用戶為例，從容量區(qū)域的角度對(duì)NOMA方案與正交多址接入(Orthogonal Multiple Access，OMA)方案進(jìn)行了比較，并從理論上得出結(jié)論:在加性高斯白噪聲(Addictive White Gaussian Noise，AWGN)信道下，NOMA最優(yōu)和速率方

4、案優(yōu)于OMA，即具有更高的頻譜效率和更好的公平性。然后，本文討論了因子圖及和積算法，為后文使用的多種基于因子圖的接收算法提供了基礎(chǔ)。接著，本文依次討論了多種NOMA技術(shù):稀疏碼多址接入(Sparse Code Multiple Access，SCMA)、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)和功率域NOM

5、A的技術(shù)原理，并對(duì)相應(yīng)的接收機(jī)方案做了簡(jiǎn)要分析。由于SCMA碼字以及PDMA圖樣具有稀疏性，本文使用消息傳遞算法(Message Passing Algorithm，MPA)來(lái)進(jìn)行信號(hào)的檢測(cè)與恢復(fù);對(duì)于MUSA和功率域NOMA，則使用串行干擾消除(Successive Interference Cancellation，SiC)接收機(jī)。與MPA接收機(jī)相比，SIC接收機(jī)雖然復(fù)雜度較低，但是存在錯(cuò)誤傳播問(wèn)題，因此性能上不如MPA接收機(jī)。

6、r>　　其次，本文提出了基于完美能量擴(kuò)展變換(Perfect Energy Spreading Transform，P-EST)的非正交多址傳輸技術(shù)。首先，簡(jiǎn)述了能量擴(kuò)展變換(Energy Spreading Transform，EST)和EST矩陣的實(shí)現(xiàn)。其次，本文首次提出P-EST的概念并利用Zadoff-Chu序列生成P-EST矩陣，并進(jìn)一步提出基于P-EST的非正交多址傳輸方案以滿足mMTC場(chǎng)景海量連接的需求。在該方案中，發(fā)射端

7、通過(guò)P-EST變換對(duì)符號(hào)矢量進(jìn)行擴(kuò)頻，并將每個(gè)符號(hào)能量擴(kuò)展到整個(gè)頻域信號(hào)和時(shí)域信號(hào)上，以此增加發(fā)送信號(hào)的分集度。在接收端，本文研究了兩種迭代接收機(jī)方案，即基于線性最小均方誤差(LinearMinimum Mean Square Error,LMMSE)檢測(cè)的迭代接收機(jī)方案以及基于近似消息傳遞(ApproximateMessage Passing，AMP)算法的迭代接收機(jī)方案。仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的LMMSE迭代接收機(jī)，AMP迭代接收

8、機(jī)能夠在相同的性能下大幅降低復(fù)雜度。同時(shí)，本文將P-EST傳輸方案與SCMA傳輸方案進(jìn)行了性能對(duì)比，仿真結(jié)果表明，在相同過(guò)載率下P-EST傳輸方案的性能顯著優(yōu)于SCMA傳輸方案。
　　最后，為進(jìn)一步提升系統(tǒng)接入能力，本文將基于P-EST的傳輸技術(shù)與大規(guī)模MIMO系統(tǒng)相結(jié)合，提出了大規(guī)模非協(xié)調(diào)多址傳輸方案。在該傳輸方案中，發(fā)送端采用基于P-EST的發(fā)射技術(shù)，接收端則采用預(yù)處理的簡(jiǎn)化AMP迭代接收技術(shù)。在該接收方案中，首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)

9、行預(yù)處理以解決MIMO空間信道相關(guān)性所引起的AMP迭代接收機(jī)收斂點(diǎn)錯(cuò)誤問(wèn)題，然后采用分步求解的AMP迭代接收機(jī)方案以進(jìn)一步降低接收機(jī)復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的AMP迭代接收機(jī)性能得到了提升，而化簡(jiǎn)后的AMP迭代接收機(jī)在降低復(fù)雜度的同時(shí)性能沒(méi)有損失。接著，本文將大規(guī)模MIMO正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)傳輸系統(tǒng)與大規(guī)模MIMO P-EST傳輸系統(tǒng)進(jìn)