SCMA系统中低复杂度MPA多用户检测算法研究

摘要

移动通信技术已发展到第五代(5th-Generation，5G)，作为非正交多址技术的一种，稀疏码多址接入(Sparse Code Multiple Access，SCMA)技术能利用码字稀疏性解决5G海量接入的问题。SCMA系统主要使用消息传递算法(Message Passing Algorithm，MPA)作为多用户检测的方法，由于MPA计算复杂度较高，现有对其改进的算法主要从简化因子图和加快收敛速度出发加以改进，但研究发现，简化因子图分支会因部分消息未收敛而使误差扩散，造成BER(Bit Error Ratio,BER)性能下降。串行更新的MPA算法收敛虽更快，但会增加计算时延。因此，需进一步降低MPA的复杂度，同时获得复杂度与BER性能、计算时延的平衡。论文将以低复杂度的MPA多用户检测算法为研究对象，主要研究内容如下: (1)通过对MPA算法的研究发现，算法复杂度较高的主要原因在于每次迭代更新因子图中的所有消息。利用各码字消息收敛速度不同的特点，每次迭代选择更新一定比例的收敛较慢的码字消息，减少误差扩散，论文研究提出了动态选择消息更新的MPA算法(Dynamically Select Message to update-Message Passing Algorithm，DSM-MPA)。通过减少总的消息更新次数来降低MPA的复杂度，减少了因部分消息未收敛造成的误差扩散。选择合适的比重因子，DSM-MPA算法BER性能与原始MPA基本相同，优于动态因子图MPA等算法，复杂度明显降低。 (2)针对DSM-MPA算法选择的码字消息收敛性具有随机和波动性，无法适应信道条件的变化这一问题，通过设定特定收敛阈值判定消息的实际收敛性，减少选择消息时的随机和波动性，本文研究提出了硬判决选择消息更新的MPA算法(Judgment-Message Passing Algorithm，J-MPA)。所有消息更趋近于原收敛值，弥补了由随机和波动性带来的BER性能损失，并且信道条件越好，复杂度越低，能够适应信道变化。 (3)DSM-MPA和J-MPA属于并行MPA，收敛速度较慢，论文研究了收敛更快的串行残差MPA(R-aided MPA，RA-MPA)算法。针对RA-MPA算法计算时延较大的问题，通过分组更新分支降低计算时延，研究提出了基于节点分组更新的快收敛MPA算法(User Node-Message Passing Algorithm，UN-MPA)。根据各用户节点的置信度逐个更新各节点组分支，组内分支以并行方式更新。算法保持了串行MPA算法的快收敛及低复杂度特性的同时，BER性能与RA-MPA及MPA等算法基本一致，且优于DSM-MPA算法。通过并行更新用户节点上的边缘分支，算法计算时延低于RA-MPA算法。在BER性能、计算复杂度及时延这三个性能上有着很好的平衡。