SCMA系统多用户检测算法研究.doc
基于迭代剔除的SCMA多用户检测算法
2018093-1
第6期
朱翠涛等：基于迭代剔除的 SCMA 多用户检测算法
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利用 SCMA 码字结构具有的稀疏特性，文献[7] 提出了一种基于消息传播（MPA, message passing algorithm）的次优多用户检测算法，用来有效接近 理论上最优的最大联合后验概率（MAP, maximum joint a posteriori probability）译码算法的性能。虽然 MPA 译码算法的复杂度远小于 MAP 译码算法，但 随着用户数的增加，MPA 译码算法的复杂度呈指数 增加，不利于应用于实际系统中。文献[8]在 MPA 的基础上提出了 MAX-Log MPA 算法，利用雅克比 公式变换到对数域，使 MPA 算法中的指数运算消 失，降低了复杂度。文献[9]提出了基于部分边缘化 的 MPA 算法，在降低 MPA 算法复杂度的同时保证 译码性能，但该算法所引入的重要参数取值需进一 步探讨。文献[10]提出了串行干扰消除（SIC, successive interference cancellation）和基于串行干扰消 除的 MPA（SIC-MPA）2 种译码算法，SIC 算法复 杂度较低，而译码性能较差，SIC-MPA 算法的复杂 度适中，译码性能较好，但这 2 种算法都需要在发 送端改变原有编码规则和多维调制星座图设计的 支持。文献[11]给出了多种降低 MPA 译码算法复杂 度的方法，ProjMPA、CMPA 和 SelEXP-MPA，但 只对 ProjMPA 进行了仿真分析，而且涉及多维调制 星座图和码本的最优设计，译码性能有待验证。文 献[12]提出了 WMPA 译码算法，其原理是对 MPA 算法进行加权处理，以加权取代了原 MPA 算法的 迭代运算，降低了算法的复杂度，再结合 Turbo 编 码，可以取得较好的译码性能。文献[13]在 MPA 的 基础上，改变消息传播的机制，以串行消息传播取 代原来的并行消息传播，使消息的传播更及时，加 快了 MPA 算法的收敛速度，降低 MPA 算法所需的 迭代次数。文献[14]提出基于门限的 MPA 算法，根 据码字的可靠性，用户被分成可靠用户集和不确定 用户集，每次迭代过后都要对用户消息的可靠性进 行检测并与门限值比较，若用户消息的可靠性达到 了门限的要求则对此用户进行译码并将其放到可 靠用户集中，且不再对可靠用户集里的用户进行消 息的更新，若用户消息的可靠性达不到门限值的要 求，则将此用户放到不确定用户集中，然后再对不 确定用户集中的所有用户进行下一轮迭代，此方法 虽然能够降低译码的复杂度，但由于用户消息的随 机性比较大，若门限值取值不恰当，则很难达到降 低 MPA 算法复杂度的效果。SCMA 与大规模 MIMO 技术相结合[15-16]，将进一步提高系统的频谱资源利
SCMA系统中改进的MAX-Log MPA多用户检测算法
用 户 检 测 器 的检 测 性 能 。 理 论 与 仿 真 结 果 表 明 ， 改进 后 的 ＭＡＸ—Ｌｏｇ ＭＰＡ 多 用 户 检 测 算 法 既 能 保 持 原 始 ＭＡＸ—Ｌｏ ｇ
ＭＰＡ 算 法 复 杂 度 低 的 优 点 ，又 能 获 得 较 好 的 检 测 性 能 。
关 键 词 ：５Ｇ；非 正 交 多址 技 术 ；稀 疏 码 多址 接 入 ；多 用 户 检 测 ；消 息 传 递 算 法
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｐａ￣ｅ ｃｏｄｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ ｆＳＣＭＡ） ｉＳ ａ ｎｏｖｅｌ ｎｏｎ—ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｍｕｈｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ ｓｃｈｅｍｅ ｔｏ ｆａｃｅ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ５Ｇ ｃｏｍｍｕｎｉｃａ— ｔｉｏｎ．Ｉｎ ａｌｌｕｓｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｓｐａｒｓｅ ｃｏｄｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ （ＳＣＭＡ）ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｌｏｇａｒ ｉｔｈｍ—ｄｏｍａｉｎ ＭＡＸ—Ｌｏｇ ｍｅｓｓａｇｅ ｐａｓｓｉｎｇ ａｌｇｏｒ ｉｔｈｍ（ＭＰＡ）ｆｏｒ ｍｕｈｉｕｓｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｈａｓ ｌｏｗｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒ ｍ ａｎｃｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｄｏｐｔｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｓｓａｇｅ ｕｐｄａｔ— ｉｎｇ ｆｏｒ ｍ ｕｌａ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｎｏｄｅ ｉｓ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｄ ｂｙ ａ ｆａｃｔｏｒ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｌｏｓｔ ｍｅｓｓａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒ ｉｇｉｎａｌ ＭＡＸ—Ｌｏｇ ＭＰＡ ａｌｇｏ— ｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｔｈｅ ｕｐｄａｔｉｎｇ ｍ ｅｓｓａｇｅ ｏｆ ｒｅｓｏｕｒｃｅ ｎｏｄｅ． Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ＭＡＸ —Ｌ０ｇ ＭＰＡ ｍｕｈｉｕｓｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｍａｉｎｔａｉｎ ｔｈｅ ｌｏｗ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｒ ｉｇｉｎａｌ ＭＡＸ—Ｌｏｇ ＭＰＡ ａ ｌｇｏｒｉｔｈｍ， ｂｕｔ ａｌｓｏ ｏｂｔａｉｎｓ ｂｅｔｔｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍ ａｎｃｅ． Ｋｅｙ ＷＯｒｄｓ：５Ｇ ；ｎｏｎ—ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ；ＳＣＭＡ ；ｍｕｈｉｕｓｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ＭＰＡ
DS-CDMA系统中盲多用户检测的算法研究的开题报告
DS-CDMA系统中盲多用户检测的算法研究的开题报告一、选题背景与意义在无线通信领域中，频谱资源已经成为一项非常宝贵的资源，如何有效地利用频谱资源成为无线通信技术研究和应用的难点问题之一。
DS-CDMA（直接序列码分多址）系统是一种多用户分配方案，可以在同一频段中支持多个用户同时使用，通过信号的编码和解码技术，将多个用户的信号在同一频段上区分开来，从而能有效利用频谱资源、提高频段的使用率。
DS-CDMA系统被广泛应用于无线通信系统中，如3G移动通信系统、卫星通信系统等。
然而，DS-CDMA系统在接收信号时需要进行多用户干扰消除，即多用户检测。
多用户检测是DS-CDMA系统的关键技术之一，它能够解决多用户在同一信道上传输时的干扰问题，保证接收到正确的信息。
目前，DS-CDMA系统中的多用户检测算法主要分为两类，一类是利用先验知识的检测算法，一类是不利用先验知识的盲检测算法。
相对于利用先验知识的检测算法，盲检测算法不需要知道用户的编码序列，因此可以在一定程度上提高系统的灵活性和适应性，并且也可以应用于一些情况下未知用户编码的场景。
然而，由于盲检测算法需要通过迭代计算来解决多用户检测问题，因此计算复杂度较高，且在实际情况下存在误差率较高的问题。
因此，对于盲多用户检测算法的研究，具有重要的理论和应用价值。
二、研究内容和方法本文将以DS-CDMA系统中的盲多用户检测算法为重点，研究盲多用户检测算法在DS-CDMA系统中的应用和优化。
具体内容包括以下两个方面：（1）盲多用户检测算法的基本原理和数学模型在这个方面，我们将对盲多用户检测算法的数学模型进行分析，具体包括盲多用户检测算法中的统计模型、信号模型、噪声模型等，并且重点研究盲多用户检测算法中的迭代计算方法，包括泛函迭代法、最小平方误差方法、统计信号处理方法等。
（2）盲多用户检测算法在DS-CDMA系统中的应用和优化在这个方面，我们将研究盲多用户检测算法在DS-CDMA系统中的应用和优化方法。
一种低复杂度SCMA多用户检测算法
一种低复杂度SCMA多用户检测算法朱翠涛;吴蓓【摘要】为了进一步降低稀疏码多址接入系统中多用户检测算法的复杂度,提出了一种基于部分资源块高斯近似的多用户检测算法.首先对资源块优势等级进行比较;然后选择译码优势等级高的n个资源块使用加权消息传递算法,剩下的资源块使用高斯近似消息传递算法.同时联合资源块和用户优势等级,在每次迭代后对译码优势等级较高的用户直接译码并剔除,使得后续每轮迭代的复杂度依次降低.仿真结果表明,通过合理选择资源块个数,可以在保证检测性能的同时,有效地降低检测复杂度.因此,提出的算法较好地实现了译码性能和复杂度之间的平衡.【期刊名称】《西安电子科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(046)004【总页数】7页(P80-86)【关键词】稀疏码多址接入;消息传递算法;资源块;高斯近似【作者】朱翠涛;吴蓓【作者单位】中南民族大学智能无线通信湖北省重点实验室,湖北武汉 430074;中南民族大学智能无线通信湖北省重点实验室,湖北武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TN929.5稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access，SCMA)，是应5G需求设计产生的一种非正交多址技术。
其非正交叠加的码字个数可以成几倍大于使用的资源块个数，从而大大提高了频谱利用率。
为了使稀疏码多址接入成为更具竞争力的空口技术，需要解决的关键问题是性能优良的码本设计及低复杂度的多用户检测算法。
笔者研究的重点在于多用户检测算法。
利用稀疏码多址接入码字的稀疏结构[1]，基站能够通过低复杂度的消息传递算法(Message Passing Algorithm，MPA)实现接近最大后验概率检测和最大似然检测。
然而，在多用户情况下，各用户的发送信号在接收端叠加[2]，随着用户数的增加，消息传递算法译码的复杂度将呈指数增长。
为了减少复杂度，文献[3]提出了线性滤波高斯近似置信传播算法，迭代地消除干扰。
基于变量节点门限的scma多用户检测算法
译码，原始的 MPA 算法复杂度较高，为了降低多用户检测算法复杂度，提出了一种变量节点门限的 SCMA 多用户检测
算法。在每次消息更新后，对用户的变量节点可信度进行判断，当某一用户的所有变量节点传输码字可信度最大的位置
均相同，且所有变量节点满足预设门限时，将该用户提前译码，已译码用户在以后的迭代中不再继续更新，从而降低算法
的复杂度。仿真结果表明，提出算法在收敛速度和 BER 性能方面明显优于门限 MPA 算法，和原始 MPA 算法相比，该算
法在保证 BER 性能的同时极大地降低了算法的复杂度。
关键词：稀疏码分多址接入；多用户检测；消息传递算法；低复杂度
中图分类号：TN929.5
文献标识码：A
文章编号：1673-1131（2019）12-0001-04
SCMA 技术是低密度信号[（4] Low-Density Signature，LDS） 技术的扩展。SCMA 技术将正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）和 LDS 编码融合成一步完成，每个用 户有特定的码本，码本具有稀疏性。在发送端，用户将比特数 据流直接映射成多维码字，多个用户的不同码字在相同资源 上进行叠加。在接收端，利用消息传递算法[（5] Message Passing Algorithm，MPA）来进行多用户检测。
非正交多址接入SCMA系统多用户检测技术研究
无线通信技术的迅速发展
随着无线通信技术的不断进步，人们对于高速、高效、可靠的无 线通信需求日益增强。
非正交多址接入技术的出现
为了满足不同的应用需求，非正交多址接入技术应运而生，成为 无线通信领域的研究热点。
多用户检测技术的挑战
在非正交多址接入系统中，多用户检测技术面临着巨大的挑战， 特别是随着用户数量的不断增加和信号质量的恶化。
研究意义
1 2
提高系统容量和性能
通过研究非正交多址接入scma系统多用户检测 技术，可以提高系统的容量和性能，满足日益 增长的无线通信需求。
推动无线通信技术的发展
该研究还可以推动无线通信技术的发展，为未 来的无线通信系统提供新的思路和方法。
3
解决多用户检测技术的挑战
通过深入研究和探索，有望解决多用户检测技 术在非正交多址接入系统中的挑战，提高系统 的整体性能和稳定性。
性能分析与优化
通过理论分析和仿真实验，研究机器学习方法在SCMA系统中的性能表现，并针对其存在的问题和不足进行优化设计。
技术难点与展望
技术难点分析
信号检测与恢复
用户配对与调度
复杂度与计算效率
在非正交多址接入（NOMA） SCMA系统中，多个用户同时 发送和接收信号，存在严重的 多址干扰和噪声干扰。如何有 效地检测和恢复用户的信号是 一个技术难点。
在未来研究中，需要进一步解决 NOMA和SCMA等非正交多址技术 的安全性和隐私保护问题，以确保 其在实际应用中的可靠性。
非正交多址接入scma系统概述
scma系统基本原理
概述
SCMA是一种非正交多址接入 技术，通过将信息编码到多个 SCMA码字上，实现多用户同
时发送和接收信息。
基于加权消息传递的SCMA多用户检测算法
基于加权消息传递的SCMA多用户检测算法郑建宏;李玉菱;田枚【摘要】Aiming at the slow convergence rate of message passing algorithm (MPA) leading to higher complexity in sparse code multiple access (SCMA) system,a SCMA multiuser signal detection method based on weighted message passing was proposed.Weighted factors were introduced to change the initial probability of each superposed constellation points,and therefore the constellation points closed to the received signal might obtain larger initial probabilities which made the convergence rate of the iterative process better.The simulation results show that the proposed scheme can obtain good trade-off between complexity and bit error rate (BER) performance compared with the original MPA algorithm.%针对稀疏码多址接入(sparse code multiple access,SCMA)技术中,消息传递算法(message passing algorithm,MPA)收敛速度较慢导致复杂度较高的问题,提出一种基于加权消息传递的SCMA多用户信号检测改进算法.在原始MPA的基础上,通过引入权重因子改变每个叠加星座点的初始概率,使靠近接收信号的星座点可以获得更大的初始概率,加快迭代过程的收敛速度.仿真结果表明,与原始MPA算法相比,改进算法在误比特率(bit error rate,BER)和复杂度之间达到了较理想的平衡.【期刊名称】《计算机工程与设计》【年(卷),期】2018(039)004【总页数】5页(P928-932)【关键词】稀疏码多址接入;消息传递算法;多用户检测;加权消息传递;非正交多址接入【作者】郑建宏;李玉菱;田枚【作者单位】重庆邮电大学通信核心芯片、协议及系统应用创新团队,重庆400065;重庆邮电大学通信核心芯片、协议及系统应用创新团队,重庆 400065;重庆邮电大学通信核心芯片、协议及系统应用创新团队,重庆 400065【正文语种】中文【中图分类】TN929.50 引言与4G相比，5G不再局限于人与人的连接，更加入了人与物、物与物的连接。
基于变量节点稳定性的SCMA多用户检测算法
基于变量节点稳定性的SCMA多用户检测算法范鹏; 李旭东【期刊名称】《《现代计算机（专业版）》》【年(卷),期】2019(000)032【总页数】5页(P3-7)【关键词】稀疏码分多址接入; 多用户检测; 消息传递算法; 低复杂度【作者】范鹏; 李旭东【作者单位】西华大学理学院成都 610039【正文语种】中文0 引言随着第四代移动通信系统（The Fourth Generation Mobile Communication Systems，4G）的大规模商业化及其技术的不断成熟，第五代移动通信系统（The Fifth Generation Mobile Communication Systems，5G）已成为全球研发的焦点[1-2]。
目前，我国工信部已正式发放5G 商用牌照，与4G 相比，5G 在频谱资源利用率和终端设备接入量均有很大的提高。
非正交多址接入技术[3]（Non-Orthogonal Multiple-Access，NOMA）拥有频谱效率较高的特点，在5G 通信中有着广泛的应用。
作为NOMA技术的一种，SCMA[4-5]利用码本的稀疏性能够连接大量不同的终端用户，并同时为终端用户服务。
在发送端，每个用户将数据比特直接映射为SCMA 码本中的多维码字，多个用户的码字进行叠加，使得同一频谱资源上可以承载多个用户，大幅度地提高了系统容量。
在接收端，接收信号是多个用户码字和噪声的叠加，需要对接收信号通过多用户检测（Multi-user Detection，MUD）技术来实现用户译码。
利用SCMA 码序列的稀疏性，在接收端使用复杂度相对较低的消息传递算法（Message Passing Algorithm，MPA）[6]进行译码。
该系统中多个用户共享频率资源，来成倍提高系统容量和频谱利用率，同时，基于MPA 的MUD 极大地降低了联合最优最大后验概率（Maximum-A-Posteriori，MAP）的复杂度。
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SCMA系统多用户检测算法研究
稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA),作为一个前景广阔的5G无线空口技术,是一种基于码本的频谱效率较优的非正交多址接入技术,现有的SCMA多用户检测算法主要是消息传递算法(Message Passing
Algorithm,MPA),MPA算法是一种接近最优的最大后验概率检测算法性能的次优的多用户检测算法,该算法在迭代过程中,函数节点与变量节点的消息在因子图中并行传递,即首先更新函数节点消息,然后更新变量节点消息,本质上该算法是基于并行策略的思想。
本文针对现有的SCMA系统接收端基于并行传递的MPA算法(Parallel MPA,PMPA)存在信息收敛不理想以及算法复杂度过高的问题,从提升误比特率(Bit Error Ratio,BER)性能和降低算法复杂度两个角度改进PMPA
算法,得到两类改进算法,即基于串行策略的MPA算法(Serial MPA,SMPA)和基于残差的动态消息调度策略的MPA算法(Residual Dynamic MPA,R-DMPA)。
SMPA算法以函数节点或变量节点为序,具体地提出基于函数节点串行更新的MPA算法(Function Node Serial MPA,FN-SMPA)和基于变量节点串行更新的MPA算法(Variable Node Serial MPA,VN-SMPA),SMPA算法按串行方式进行消息更新与传递,保证更新消息能够立即进入当前迭代过程,改善了消息传递的收敛速
率;R-DMPA算法引入了残差的概念对节点更新的顺序进行排序,优先更新残差值大的节点消息,相较于PMPA和SMPA算法,R-DMPA算法的收敛速率更快,已更新的消息能够更快地融入到当前迭代过程。
仿真结果验证了EXIT图分析的正确性。
最后通过外信息转移图(Extrinsic Information Transfer,EXIT)这一数学工具从理论上分析MPA算法的收敛特性。
首先将SCMA接收机检测器分为函数节点译码器和变量节点译码器,然后给出译
码器EXIT图的理论分析,最后通过比较PMPA算法、VN-SMPA算法和R-DMPA算法的EXIT曲线估算出达到收敛状态所需的迭代次数。
理论与仿真结果表明,R-DMPA算法的收敛速率最快。