【基本链路】稀疏码分多址SCMA基础链路Matlab仿真

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🔥 内容介绍

稀疏码分多址 (Sparse Code Multiple Access, SCMA) 作为一种新兴的非正交多址接入 (Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA) 技术，近年来受到学术界和工业界的广泛关注。SCMA通过码本设计和稀疏扩频，在频率、时间或码域上允许不同用户复用相同的资源块，从而显著提升频谱效率和系统容量。本文将深入探讨SCMA的基础链路，从原理、优势、关键技术以及面临的挑战等方面进行详细分析。

一、 SCMA 基础链路原理

SCMA的核心思想是将多个用户的数据流映射到稀疏码本中的不同码字，然后在同一资源块上进行传输。与传统的正交多址接入 (Orthogonal Multiple Access, OMA) 技术相比，SCMA允许用户之间进行一定程度的干扰，但通过精心设计的码本和接收端的解调算法，可以有效地抑制和消除这些干扰，从而实现更高的频谱效率。

具体而言，SCMA的基础链路包含以下几个关键组成部分：

• 码本设计： 码本是SCMA系统的核心，其设计直接影响系统的性能。码本由一组稀疏码字组成，每个码字对应一个用户。稀疏性是SCMA的关键特征，每个码字中只有少数几个非零元素，这使得接收端可以利用稀疏性进行高效的信号检测。码本的设计需要考虑多种因素，包括最小欧氏距离、码字之间的互相关性、码字的稀疏度等。不同的码本设计方法适用于不同的信道条件和系统需求。

• 用户数据映射： 每个用户的数据流首先被映射到对应的码本中的码字。这种映射关系可以是固定的，也可以根据信道条件进行动态调整。通常，每个用户的数据流被分割成小块，然后根据一定的映射规则，将每个数据块映射到码本中的一个码字。

• 稀疏扩频： 将映射后的码字进行稀疏扩频，即将每个码字中的非零元素扩展到整个资源块上。这种扩频过程可以采用多种方式，例如直接将非零元素复制到整个资源块上，或者采用一定的调制方式对非零元素进行调制。

• 叠加传输： 所有用户的扩频信号在同一资源块上进行叠加传输。由于码字的稀疏性，叠加后的信号中只有少数几个资源块被多个用户占用，这使得接收端可以更容易地分离出不同用户的信号。

• 接收端解调： 接收端接收到叠加后的信号后，需要对不同用户的信号进行分离和解调。由于码字的稀疏性和码本的设计特性，接收端可以采用多种高效的解调算法，例如消息传递算法 (Message Passing Algorithm, MPA) 和最大后验概率算法 (Maximum A Posteriori, MAP)。这些算法利用码字的稀疏性，迭代地更新对每个用户信号的估计，最终实现对用户数据的解调。

二、 SCMA 的优势

相比于传统的 OMA 技术和其他的 NOMA 技术，SCMA 具有以下几个显著的优势：

• 更高的频谱效率： SCMA允许用户之间复用相同的资源块，从而显著提升频谱效率。理论上，SCMA 的频谱效率可以超过 OMA 的正交传输极限。

• 更好的系统容量： 由于 SCMA 可以容纳更多的用户同时接入，因此可以提升系统的容量。

• 更低的延迟： SCMA 可以采用较短的码字长度，从而降低传输延迟。

• 更高的用户公平性： SCMA 可以通过码本设计来保证不同用户的服务质量，从而提高用户公平性。

• 更高的可靠性： SCMA 可以利用码字的稀疏性进行错误检测和纠正，从而提高传输的可靠性。

• 更强的抗干扰能力： SCMA 可以通过码本设计来降低用户之间的干扰，从而提高系统的抗干扰能力。

三、 SCMA 的关键技术

SCMA 的实现依赖于多种关键技术，包括：

• 码本设计： 码本设计是 SCMA 的核心，其性能直接影响系统的整体性能。优秀的码本设计需要满足多种要求，包括最小欧氏距离大、互相关性低、稀疏度高等。常用的码本设计方法包括代数设计方法和计算机搜索方法。代数设计方法具有理论基础，可以保证码本的性能，但通常比较复杂。计算机搜索方法可以根据实际需求进行优化，但需要消耗大量的计算资源。

• 信号检测算法： 接收端的信号检测算法是 SCMA 的关键技术之一。常用的信号检测算法包括 MPA、MAP 和球形译码算法 (Sphere Decoding Algorithm)。MPA 算法是一种迭代算法，利用码字的稀疏性进行高效的信号检测。MAP 算法可以实现最佳的信号检测性能，但计算复杂度较高。球形译码算法可以有效地降低计算复杂度，但性能可能会略有下降。

• 资源分配： 资源分配是 SCMA 的重要组成部分，其目的是将资源块分配给不同的用户，以实现最佳的系统性能。资源分配算法需要考虑多种因素，包括用户的信道条件、业务需求和服务质量要求。常用的资源分配算法包括比例公平算法 (Proportional Fairness Algorithm) 和最大最小公平算法 (Max-Min Fairness Algorithm)。

• 功率控制： 功率控制是 SCMA 的关键技术之一，其目的是控制不同用户的发射功率，以保证用户的服务质量和系统的稳定运行。功率控制算法需要考虑多种因素，包括用户的信道条件、干扰水平和发射功率限制。常用的功率控制算法包括注水算法 (Water-Filling Algorithm) 和博弈论算法 (Game Theory Algorithm)。

四、 SCMA 面临的挑战

尽管 SCMA 具有诸多优势，但其在实际应用中仍然面临着一些挑战：

• 码本设计的复杂度： 优秀的码本设计需要考虑多种因素，并且需要消耗大量的计算资源。

• 信号检测算法的复杂度： 接收端的信号检测算法复杂度较高，尤其是在用户数量较多或者信道条件较差的情况下。

• 资源分配的复杂性： 资源分配算法需要考虑多种因素，并且需要实时更新资源分配方案。

• 功率控制的动态性： 功率控制算法需要根据信道条件和干扰水平进行动态调整。

• 同步问题： 由于SCMA是非正交接入技术，对同步精度要求较高。任何同步误差都可能导致严重的性能下降。

• 实际部署的复杂性： SCMA 在实际部署中需要考虑多种因素，包括基站的硬件配置、信道环境和用户设备的能力。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 李东博,贾敏,张良,等.基于卷积神经网络的低轨星地链路端到端稀疏码多址接入方法:CN202110639045.3[P].CN202110639045.3[2025-02-13].

[2] 尤思·维莱彭撒娃,阿里瑞扎·白野斯特,侯赛因·尼克泊.使用稀疏码多址接入的下行链路开环多用户协同多点传输的系统和方法:CN201580050421.8[P].CN106716865A[2025-02-13].

📣 部分代码

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