面向5G的基于稀疏码多址接入技术的多播传输研究

In the next generation (5G) systems, data service will be widely distributed in the indoor and hot spots. New mobile business emerge in endlessly, the requirements of a variety of applications such as high definition video, virtual reality and augmented reality for mobile communication are increasing, meanwhile the demands of the transmission rate, delay and the number of connections also are growing. Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) transmission can share the same data for multiusers by using the same resources, which can effectively improve the frequency utilization rate of the mobile communication system. However, due to the wide distribution of 5G network nodes, the increasing of the network structure and the number of service requirements, the transmission problems of multicast become more complex, moreover, network performance degradation is particularly highlighted because of the various channel conditions of the multicast transceiver, which makes the improvement of multicast transmission efficiency more difficult. In this project, non-orthogonal multiple access (NOMA) technology will be introduced into the multicast system and the SCMA-based multicast transmission strategy is proposed. By using the multicast transmission characteristic, it could improve the resource utilization rate, meanwhile the non-orthogonal multiple access technology can further enhance the efficiency of spectrum, expand the number of user connections with the limited resources, and improve the transmission efficiency of multicast. It provides a new idea for solving the problem of the lack of wireless resources in future broadband wireless mobile communication system, which has certain theoretical significance and practical value.

5G网络中，高清视频、虚拟现实、增强现实等各种应用对无线网络的传输速率、时延及连接数的要求日益提高。多媒体广播/组播技术可以利用同一时频资源为多个用户传输相同的业务，然而由于5G网络的异构性和业务的多样性，多播传输速率受限于信道状况最差用户这一特性更为凸显，限制了OFDMA多播频谱效率的进一步提升。本课题拟在5G中将非正交多址接入技术引入多播系统，研究单小区和多小区两种典型应用场景下基于SCMA的多播传输策略。首先，分析和推导两种场景中多播的网络容量区域及时延等性能参数的表达式，并分析各网络性能参数之间的制约关系。其次，根据得出的各性能参数的变化规律，进行SCMA的码本优化和分配，借助SCMA技术提升无线多播的传输性能及连接数。最后，对功率等资源进行合理调度，进一步提升传输性能。本项目研究为解决未来宽带无线移动通信系统中的无线资源匮乏问题提供一种新的思路，具有一定的理论研究意义和实用价值。

本课题通过研究基于SCMA的无线多播系统，充分利用两者的优势，即可以提升空口效率，又可以节省频谱资源，从性能分析、系统设计以及资源分配等方面，研究基于SCMA 的无线多播传输技术。.首先，对SCMA多播系统的性能进行理论分析与验证。推导了SCMA多播系统中用户平均中断概率的闭合表达式，并从理论分析和数值仿真两个角度验证了SCMA多播系统相比传统OMA多播系统在性能上的增益。针对SCMA码域多址的特性，研究SCMA多播系统的误比特率性能。分析了SCMA单播系统的BER上边界，在此上边界基础上结合无线多播的系统特性，推导了SCMA多播系统BER 上边界的一个闭合表达式，并推导了当多播组内用户数趋于无穷时系统BER上边界的一个渐进表达式，进而得到了发送信噪比和多播组内用户数对系统BER的影响。.其次，研究了基于SCMA的分层多播系统，用以改善传统多播系统总速率受限于组内信道增益最差用户的问题。本课题将分层信源编码引入到SCMA多播系统中，并根据信道状态信息的可用性提出了两种发送方案。第一种方案需要每个用户反馈CSI给基站，虽然产生大量的反馈开销，但是可以最大程度的保证所有用户都有最基本的服务。第二种方案则不需要每个用户的CSI，无法保证所有用户的基本服务质量。基于此本课题提出了一种最优的资源分配方案。仿真结果表明，两种分层多播发送方案的中断性能和系统总速率都优于传统多播，所提的资源分配算法可以有效提升系统性能。.最后，研究了基于SCMA的协作多播系统，利用协作分集增益来提升通信可靠性。本课题提出了一个基于SCMA的中继协作多播系统模型。首先通过数学理论推导了用户平均中断概率的精确表达式。其次，分析了高SNR场景下中断概率的渐进表达式，并根据该表达式利用理论分析以及数值策略求解了最优功率分配因子和中继位置。最后通过仿真结果验证了理论表达式的正确性，以及所提优化方案的有效性。相比直接多播系统，SCMA协作多播可以有效地降低用户的平均中断概率，尤其是在高SNR场景，所提的中继设计方案可以进一步提升系统性能。