面向5G移動通信的新型多址接入技術-SCMA

從移動通信發展歷程來看，通信幾乎每隔十年就會換代升級，從80年代的1G通信主要是以語音為主，調制方式是FDMA；90年代2G通信發展了短信傳輸，調制方式有CDMA,TDMA等；2000年前后3G通信出現，傳輸速率加快，能很好接受圖片，調制方式CDMA,TDMA；以及2010年后，4G通信也是我們目前正在使用的，速率更快，能夠傳輸視頻等，調制方式OFDM。5G通信時代即將來臨，各地廠商都表明在2019年夏天將出5G手機，目前5G組網工作正在展開。

5G通信系統的總體愿景“信息隨心至，萬物觸手及”。如圖1所示，5G主要業務是移動互聯網和物聯網。移動物聯網包括4K/8K視頻下載、云存儲、虛擬顯示、遠程教育等。物聯網業務包括智能交通、智能家居、環保、醫療等。這些場景就要求了5G通信必須有以下特點：1.連續廣域覆蓋 2.熱點高容量 3.低功耗大連接 4.低時延高可靠等特性。

圖1 5G場景與技術指標

SCMA簡介

SCMA（Sparse Code Multiple Access，稀疏碼分多址接入）技術是由華為公司所提出的第二個第五代移動通信網絡全新空口核心技術，引入稀疏編碼對照簿，通過實現多個用戶在碼域的多址接入來實現無線頻譜資源利用效率的提升。SCMA碼本設計是其核心，碼本設計主要是兩大部分：1.低密度擴頻；2.高維QAM調制。將這兩種技術結合，通過共軛、置換、相位旋轉等操作選出具有最佳性能的碼本集合，不同用戶采用不同的碼本進行信息傳輸。碼本具有稀疏性是由于采用了低密度擴頻方式，從而實現更有效的用戶資源分配及更高的頻譜利用；碼本所采用的高維調制通過幅度和相位調制將星座點的歐式距離拉得更遠，保證多用戶占有資源的情況下利于接收端解調并且保證非正交復用用戶之間的抗干擾能力。

以上對SCMA進行了一個總的概述，下面分別來理解哈什么是高維調制？什么是低密度擴頻？這樣做有什么好處呢。

1.低密度擴頻技術

舉例而言，現實生活中，如果一排位置僅有4個座位，但有6個人要同時坐上去，怎么辦？解決的辦法是這6個人擠著坐這4個座位。同理，在未來的第五代移動通信系統之中，如果某一組子載波之中僅有4個子載波，但是卻有6個用戶由于同時對某種業務服務有需求而要接入到系統之中，怎么辦？低密度擴頻技術就“應運而生”了：如圖3所示，把單個子載波的用戶數據擴頻到4個子載波上，然后，6個用戶共享這4個子載波。可見，之所以被稱之為“低密度擴頻”，是因為用戶數據僅僅只占用了其中的兩個子載波（圖3中有顏色的格子部分），而另外兩個子載波則是空載的（圖3中的白色格子）——于是，這就相當于6個乘客同時擠著坐4個座位——另外，這也是SCMA（Sparse Code Multiple Access，稀疏碼分多址接入）中“Sparse（稀疏）”的來由。

2.高維調制技術

傳統的調制技術之中，僅涉及幅度與相位這兩個維度。那么，在多維/高維調制技術之中，除了“幅度”與“相位”，多出來的是什么維度的呢？其實，多維/高維調制技術之中所調制的對象仍然還是相位和幅度，但是最終卻使得多個接入用戶的星座點之間的歐氏距離拉得更遠，多用戶解調與抗干擾性能由此就可以大大地增強。每個用戶的數據都使用系統所統一分配的稀疏編碼對照簿進行多維/高維調制，而系統又知道每個用戶的碼本，于是，就可以在相關的各個子載波彼此之間不相互正交的情況下，把不同用戶的數據最終解調出來。作為與現實生活之中相關場景的對比，上述這種理念可以理解為：雖然無法再用座位號來區分乘客，但是可以給這些乘客貼上不同顏色的標簽，然后結合座位號，還是能夠把乘客區分出來。

圖 4 高維調制示意圖

大家可能很難理解為什么明明就只有兩維調制的相位和幅度怎么就拉開歐式距離呢？以圖4為例，圖4是一個高維想象圖，我們可以看見在二維圖時，小狗圖像密集在圓內，而在三維圖形中，方體內的球體的小狗被拉向對角處，在機器學習中，這被稱之為維度災難。我們可以在腦海中，構建出這樣一幅景象：本來很密集的星座圖（2維），通過提升維度，它們之間的相互距離不斷拉大，類似于上圖中小狗與小狗之間的距離，這就很容易理解，上面的話了，所調制的對象不變，但是由于提升維度，造成歐式距離增大，從而更容易分離出來，也便于后面的多用戶檢測了，perfect！

總結

今天主要是給大家科普一下5G的多址技術，綜合使用SCMA的兩大關鍵技術（低密度擴頻技術與多維/高維調制技術），SCMA（Sparse Code Multiple Access，稀疏碼分多址接入）技術可使得多個用戶在同時使用相同無線頻譜資源的情況下，引入碼域的多址，大大提升無線頻譜資源的利用效率，而且通過使用數量更多的子載波組（對應服務組），并調整稀疏度（多個子載波組中，單用戶承載數據的子載波數），來進一步地提升無線頻譜資源的利用效率。

SCMA的實現基于兩步：

1.實現碼本資源到物理頻域資源映射的映射矩陣（matrix mapping）；

2.實現二進制比特流到碼本映射的復數域星座圖(complex domain constellation design)；

(b1,b2)-----復數域星座映射（二維）------>(x1,x2,x3,x4)------一個碼字到兩個物理資源塊的映射（每個資源塊實現一個復信號的傳輸）------->f1:x1+jx2 ? f2:x3+jx4

上述過程實現了一個碼字在兩個物理資源塊上的傳輸。

而在普通的OFDM中，一個(b1,b2)-----星座映射------>(x1,x2)------映射到一個物理資源塊（每個資源塊實現一個復信號的傳輸）------->f1:x1+jx2

5G IoT

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