基于5G无线通信的稀疏码多址接入系统的FPGA实现

稀疏码多址接入(SCMA)是一种多址接入技术，也就是基站如何同时服务和区分多个用户的一种方式。现在的2G、3G、4G无线通信系统中的多址接入方式是正交的，用户之间也是正交的，如TDMA、FDMA，这种正交多址接入方式的优点是整个系统相对简单，接收端可以不做多用户均衡，但不足是容纳的用户数量取决于正交的资源数量。因此，正交接入方式不能很好地适用未来5G大容量、海量连接低延时接入等需求。解决这个问题的一种简单想法是OFDM与CDMA结合，即在每个时频资源上以码分的方式叠加更多用户。由于每个资源块上叠加了N个用户，N是码字的数量，这导致译码端复杂度非常高。稀疏码多址接入(SCMA)就是应5G需求设计产生的一种非正交多址技术[sup][1][/sup]。SCMA系统中稀疏扩频的概念，将用户的数据在频域上扩散在有限的子载波上，每个资源块上等效的叠加用户数会大大减少，这就为接收端实现低复杂度提供可能性。
    在SCMA系统中，信息比特首先经过信道编码，编码后的比特经过SCMA调制码本映射成SCMA码字，码字以稀疏的方式扩频在多个资源块上，因此，其最大特点是非正交叠加的码字个数可以成倍大于使用的资源块个数。相比4G的OFDMA技术，它可以实现在同等资源数量条件下，同时服务更多用户，从而有效提升系统整体容量。本文中模拟6个数据流扩散在4个资源块的情况，也就是150%的过载。
    在发送端，每个用户有自己独立的码本，SCMA码本的设计过程可以看成稀疏扩频和多维调制的联合优化[sup][2][/sup]。用户根据输入的比特串来选择码本中不同的码字，将编码比特直接映射为复数域多维码字，然后不同用户的码字在相同的资源块上以稀疏的扩频方式非正交叠加。