面向異構多層多小區的多級服務質量跳頻稀疏碼分多址通信系統

曾 琦 鐘 俊 劉 星

(四川大學電氣工程學院 成都 610065)

1 概述

隨著多種無線通信業務快速增長，未來無線通信網絡呈現多層異構特征(例如宏/微/微微小區)。與傳統單一架構網絡相比，無線異構網絡具有多層小區非協作相互重疊、海量用戶隨機接入，頻譜資源有限、多層網絡不同傳輸服務質量需求(Qualityof-Service, QoS)等特點[1,2]。多層異構無線通信網絡架構如圖1所示。在這種網絡架構下，屬于不同網絡層的用戶(或小區)很難實現完全同步接入，同時，海量用戶接入帶來嚴重的同層/跨層(小區內/小區間)等多種干擾。因此，在有限頻譜資源下，如何設計網絡容量大、頻譜效率高、干擾少、多級QoS的無線通信傳輸方式，是實現多層異構通信網絡的關鍵問題。

圖1 異構多層多小區無線通信網絡架構(以兩層QoS網絡為例)

作為一種極具潛力的非正交多址技術--稀疏碼分多址(Sparse Code Multiple Access, SCMA)已成為B5G/6G蜂窩通信的關鍵技術之一。SCMA通過有效的稀疏碼本設計，并借助基于消息傳遞算法的多用戶檢測，可在有限的頻譜資源塊(Resource Blocks, RBs)上實現大規模用戶接入[3]。SCMA網絡設計和SCMA碼本設計已經成為當前學術界的研究熱點[4-6]。但是，目前關于SCMA系統的研究存在一些不足。現有的SCMA系統假設每個用戶碼本通過若干個固定的子載波持續發送SCMA碼字。當一些子載波遭受干擾或頻率選擇性衰落時，SCMA系統將無法獲得優異的誤碼率性能。此外，現有的研究工作[3-6]僅關注單個小區網絡的SCMA碼本設計，無法實現多層多小區的有效接入。因此，十分有必要在SCMA基礎上融合多種通信信號處理，將傳統單小區SCMA網絡擴展為異構多層多小區網絡體制。對于無線通信中廣泛存在的干擾和信道衰落，跳頻技術(Frequency-Hopping, FH)理所當然地成為最佳的可選技術之一。FH技術通過頻點隨機跳變，靈活地獲取空閑或者優質頻帶，有效地避免干擾和惡劣衰落的影響[7-9]。雖然跳頻已經廣泛應用于多種無線通信系統中(如WiFi、藍牙和戰術數據鏈等)[9]，但對于頻譜資源少、海量用戶異步接入和多級QoS的多層異構無線網絡，傳統跳頻無法完全滿足這些需求。對跳頻技術進行適當改進，使其在未來多層異構網絡架構中仍可發揮強大的技術生命力。

為了解決上述的部分問題，近期出現了基于FH的SCMA系統初步研究(FH/SCMA)[10-13]，這些成果為本文進一步研究異構多層多小區多QoS網絡奠定了基礎。FH與SCMA具有多樣的結合方式，其中一種方式為：跳頻技術依據特定跳頻圖案，改變本小區復用SCMA碼字的物理傳輸信道，以避免信道衰落和干擾的影響；同時實現了多小區接入(跳頻序列即為小區地址碼)。然而，文獻[10]中的FH/SCMA系統采用了隨機跳頻圖案，這導致了由于存在頻率碰撞而產生的小區間干擾，更無法實現多級QoS需求。文獻[11]針對FH/SCMA中跳頻的需求，使用2次同余提出了一種適合FH/SCMA的最佳跳頻圖案，但這種FH/SCMA方案僅適用于單小區上行鏈路。在前期研究中，文獻[13]將傳統的單小區SCMA擴展為多小區SCMA，并設計了一種實現正交FH/SCMA的跳頻圖案。文獻[13]僅能實現所有SCMA小區具有相同級別傳輸性能；也就是說，只能實現同層多小區網絡架構。綜合上述研究成果來看，FH/SCMA系統中的FH技術是至關重要的，決定了該系統的諸多性能。但上述研究存在一些不足：這些研究都只能實現單小區FH/SCMA或同層多小區FH/SCMA，這些網絡設計均無法實現多層多級QoS傳輸需求。

對于多層異構網絡的多級QoS需求，大多數已有研究均從功率控制、功率分配和接入控制等方法來實現[1,14]。為了獲得全局最優的多級QoS需求，這類方法一般需要進行全網跨層的最優化設計，然而對于屬于不同應用的多層網絡和大規模用戶接入，進行全網最優設計是很難實現的。本文為了實現異構多層FH/SCMA網絡的多級QoS目標，從跳頻序列設計的全新角度，通過精確地控制跳頻序列的漢明相關特性(頻點碰撞分布)實現兩級的誤碼率性能(Bit-Error Rate, BER)。從跳頻序列設計及其性能來看，傳統跳頻序列以頻點滿足獨立均勻分布為主要目標，依此目標產生了許多傳統最優的跳頻序列集合[7,9,15-17]，但是頻點的均勻特性決定了這類跳頻序列只能產生同一級別的頻點碰撞概率(對于任一用戶，頻點發生1次碰撞的概率均為1/q，其中q為頻點集合大小)，由此導出跳頻系統的同一級傳輸質量(同一級BER性能)。本文提出的多級QoS跳頻序列，在滿足傳統跳頻序列性能的同時，還需滿足特定的多級漢明相關特性，因此這類跳頻序列設計具有更多的技術挑戰。

本文各節安排如下，首先介紹傳統SCMA系統結構，由此歸納傳統SCMA系統在多小區接入方式、多級QoS需求、抗信道衰落干擾影響等方面的局限性，進而引出本文提出的多層異構FH/SCMA通信網絡及其對跳頻圖案性能的特性需求。其次，針對多小區接入、多級QoS需求、抗信道衰落干擾的要求，在傳統偽隨機跳頻序列基礎上，通過一系列數學變換得到一類具有多級漢明相關、隨機性較好的新跳頻圖案。這類跳頻序列集合正好滿足多層多級FH/SCMA通信需求。進而，將新型跳頻圖案應用于多層多小區FH-SCMA系統中，通過仿真驗證其多級BER性能表現。

2 系統模型

本節首先介紹傳統SCMA系統及其信號處理流程?？偨Y傳統SCMA系統在抗頻率選擇性衰落、抗多層干擾、多層多小區接入和多層QoS等關鍵問題的不足。為了解決這些問題，進而提出適用于異構多層多小區的具有多級QoS的新型FH/SCMA系統。

2.1 傳統SCMA系統及問題描述

本文考慮一個單小區SCMA系統的上行鏈路，具有K個頻率資源塊(Resource Block, RB)和J個用戶，每個用戶發送M進制數據。通過設計的J個(K×M)維SCMA碼本將J個用戶數據復用到這K個RB上。該小區J個用戶使用的SCMA碼本集合可以表示為

其中，P表示總發射功率，并且假設J個用戶等功率分配。n是(K×1)維的加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise, AWGN)向量。n中每個元素滿足均值為0、方差為N0/2的正態分布。

圖2陰影部分表示SCMA碼字中非零元素。傳統SCMA系統通過在固定分配的RB上傳輸該非0信息[3,4,6]。圖2中，用戶j的SCMA碼字始終在第2和第4個RB上傳輸。然而在實際的無線通信中，可用頻帶中全部或部分可能會受到深度頻率選擇性衰落或干擾攻擊等因素影響，當影響的頻帶正好是發送SCMA非0元素的RB時，SCMA碼字傳輸會受到較大干擾，該用戶的傳輸性能會一直處于較差水平。反之，當SCMA非0元素在非干擾的RB上傳輸時，用戶性能一直處于最優。這樣會導致SCMA網絡中用戶傳輸體驗極不平衡。另外，當前SCMA系統通常部署在單小區網絡中，如何將傳統SCMA擴展到多層多小區場景，并保證較低的多層(多小區)干擾、較好的抗信道衰落能力，將是十分必要的研究工作。

圖2 傳統SCMA系統碼字傳輸與資源塊示意圖

2.2 多層多小區的FH/SCMA網絡

針對上節提出的問題，本文設計的異構多層多小區FH/SCMA網絡架構如圖3所示。該網絡中，每個微小區采用傳統SCMA方式將J個用戶數據復用在K個RB上，然后對復用后的SCMA符號進行跳頻，實現FH/SCMA系統。不同微小區采用不同的跳頻圖案(跳頻序列)，也就是說，跳頻序列可視為微小區地址碼。通過對跳頻序列集精細化的設計，使得該跳頻序列集合具有多層漢明相關特性值，從而實現多層微小區接入和多層多級QoS傳輸質量。為了便于分析，本文以下章節考慮兩層多小區FH/SCMA網絡架構。如圖3所示，該兩層多小區的FH/SCMA網絡中，具有高QoS層(High QoS,HQoS)的小區采用具有較好性能的跳頻序列集合CH；低QoS層(LowQoS, LQoS)的小區采用性能較差的跳頻序列集合CL。 這里C={CH;CL}即為本文提出的具有兩級QoS特性的新型跳頻序列集合。如何實現這樣的序列將在下一節論述。

圖3 異構兩層多小區FH/SCMA網絡的收發端模型

這里值得注意的是，由于異構多層網絡屬于不同的無線應用，不同層之間實現全網完全同步是十分困難的，因此本文考慮符合實際情況的多層多小區準同步接入方式，即各層小區(用戶)之間接入允許較小的相對時延τr。并假設FH/SCMA系統采用每一跳發送1個M元符號(即1跳發送1個SCMA碼字)。在第l個符號持續時間上，兩層多小區所有用戶的復用信號可以寫為

在接收端，假設HQoS層的微小區1基站為期望接收端，并且期望收發端已經完全實現同步，即收發端跳頻序列完全同步且τ1=0。接收信號rl經過解跳后，得到跳頻序列相互碰撞應盡可能少。以實現較小的層內干擾。

(4) HQoS層和LQoS層之間，多小區使用的跳頻序列相互碰撞盡可能少，以實現較小的跨層干擾。

(5) HQoS層的跳頻碰撞概率應小于LQoS層的跳頻碰撞概率(即HQoS的跳頻序列漢明相關值小于LQoS層的跳頻序列漢明相關值)。從而實現兩級QoS傳輸質量。

由跳頻序列設計知識可知，前3條要求是傳統偽隨機跳頻序列設計的要求；后面兩條是兩級QoS跳頻序列的附加要求，因此，構造這類具有兩級漢明相關跳頻序列的工作是十分具有挑戰的。

3 兩級QoS跳頻序列構造方法

通過前面的分析可知，為了降低異構兩層多小區FH/SCMA系統中信道衰落和本層/跨層干擾的影響，并實現多級QoS，跳頻技術及跳頻序列特性是關鍵部分。為了同時實現上述目標，跳頻序列特性需滿足以下要求(在給定集合FG中RB組個數Q的前提下)：

(1) 跳頻序列中，FG中每個RB組的使用次數和位置應滿足均勻性，該特性可有效抑制信道衰落和干擾影響。

(2) 跳頻序列條數R應盡可能多，以提供更強的多小區接入能力。跳頻序列周期L盡可能長，以提供更好的安全性。

(3) HQoS層內(和LQoS層內)， 多小區使用的

3.1 構造方法

步驟1 由于構造的跳頻序列首先需滿足傳統偽隨機跳頻特性，本文選取文獻[17]得到的最優跳頻序列作為基序列S。將其分為兩部分，得到S1和S2兩個子序列集。這兩個序列子集的序列長度均為L，序列數目分別為M和1。S1和S2子序列集表示為

3.2 例子

按照上節的構造算法，給出該跳頻序列的構造流程，并測試序列的兩級漢明相關特性。

步驟1 由文獻[17]構造得到一個基序列集合：

S= (1, 6, 11, 1, 6, 11, 2, 7, 12, 4, 9, 14, 2, 7,12); (2, 7, 12, 2, 7, 12, 3, 8, 13, 0, 5, 10, 3, 8, 13);(3, 8, 13, 3, 8, 13, 4, 9, 14, 1, 6, 11, 4, 9, 14); (4,9, 14, 4, 9, 14, 0, 5, 10, 2, 7, 12, 0, 5, 10); (0, 5,10, 0, 5, 10, 1, 6, 11, 3, 8, 13, 1, 6, 11);

4 基于多級QoS跳頻序列的FH/SCMA系統性能分析

首先研究本文提出的多層FH/SCMA網絡抵抗信道衰落(干擾)的能力。圖4給出了RBs中存在頻率選擇性衰落時兩層FH/SCMA小區的誤碼率曲線。為了驗證該新系統抵抗信道衰落的能力，該仿真中假設跨層干擾為0(僅考慮本層FH/SCMA系統)，也就是說，仿真HQoS層時，設LQoS層小區數N2=0；仿真LQoS層時，設HQoS層小區數N1=0。這樣更能體現跳頻技術在多層多小區SCMA系統的抗頻率選擇性衰落的能力。為了便于比較，本仿真還給出了采用傳統頻分復用(FDMA) SCMA多小區系統性能(即圖4中FDMA/SCMA所示)。由圖4可以看出，由于FDMA方式固定分配頻帶資源，因此當小區工作在非深度衰落頻段得到最優性能(Best-case)，當小區工作在深度衰落頻段得到最差性能(Worst-case)。而在本文提出的FH/SCMA網絡中，由于小區工作頻帶隨設計的跳頻序列跳變，使得每個小區受到信道深度衰落(干擾)的影響均勻化，誤碼率處于“最優-最差”性能之間(更接近于最優BER曲線)，本文提出FH/SCMA通信系統可有效地抵抗信道衰落的影響。同時，該異構網絡表現出兩級BER傳輸性能(HQoS層和LQoS層)。

圖4 RBs中存在頻率選擇性衰落時兩層FH/SCMA小區的誤碼率曲線

然后，考慮最大接入時延D下兩層多小區FH/SCMA系統的兩級傳輸性能，如圖5所示。這里主要考慮多層準同步接入(D＜=WT)和同步接入(D=0)兩種情況(在實際網絡中，多層網絡采用準同步接入方式更為普遍)。從圖中可以看出，采用本文提出的兩級漢明相關跳頻序列后，準同步接入FH/SCMA系統誤碼率性能優于同步接入的性能；同時，系統所呈現出的兩級傳輸特性(HQoS層和LQoS層)。系統BER特性規律與設計的跳頻序列漢明相關值密切相關。由于CH和CL兩個子序列集具有兩級漢明相關特性，同步接入(D=0)時的漢明相關值大于準同步接入(D＜=WT)時的漢明相關值(也可參見上節的序列例子結論)。對于傳統隨機跳頻序列，由于其頻點滿足任何時延下的獨立均勻分布，因此不同時延D下傳統隨機跳頻SCMA系統的誤碼率相互重合。在準同步接入時，采用本文提出的FH/SCMA方案，HQoS層和LQoS層的誤碼率均小于傳統隨機跳頻SCMA系統。

圖5 最大接入時延D下，兩層異構FH/SCMA網絡的誤碼率性能

進而，研究基于兩級QoS跳頻序列異構多小區FH/SCMA網絡的同層干擾和跨層干擾情況。圖6給出了HQoS層小區誤碼率與多層小區數的關系。系統參數設置為：兩層網絡小區各用戶準同步接入，HQoS層小區個數N1={1,4}，LQoS層小區個數為N2={1,4}。從圖中可以看出，對于給定N2時，N1={1,4}的BER曲線基本重合；對于給定N1且N2增加時，HQoS層的誤碼率整體上升。上述現象說明，HQoS層的誤碼率性能與本層小區數N1無關，這是因為構造的HQoS子跳頻序列集合具有“無碰撞區正交”特性(Hm(|τ|≤W|CH)≡0)；HQoS層的性能只受來自LQoS層的跨層干擾影響(Hm(|τ|≤W|CH,CL)/=0)。圖7給出了LQoS層用戶受到同層干擾和跨層干擾影響時的誤碼率性能。仿真參數設置與圖6相同。由本仿真圖可以看出，LQoS層用戶數N2的增加(和HQoS用戶N1的增加)都會帶來LQoS層BER的增加，并且增加N1對LQoS的性能影響更加明顯。這說明，LQoS層的干擾主要來源于HQoS的跨層干擾，而LQoS的本層干擾相對較小。這一點也可以從構造的跳頻序列的漢明相關特性來解釋：在準同步接入時，CH和CL之間的漢明相關值Hm(|τ|≤W|CH,CL) 一般大于CL內的漢明相關值Hm(|τ|≤W|CL)。

圖7 LQoS層小區誤碼率受多層小區數的影響關系

圖6和圖7也給出了采用完全隨機跳頻SCMA系統性能。為了比較便于比較，完全隨機跳頻參數與兩級Q o S 跳頻圖案參數一致，即頻點個數為Q=15，小區個數為R=N1+N2。由于完全隨機跳頻模式中，頻點具有獨立的均勻分布特性，因此頻點碰撞概率與小區數R和頻點個數Q息息相關，無法完全消除頻點碰撞。從仿真圖看出，完全隨機跳頻模式無法提供差異化的BER性能且誤碼率較高。

5 結束語

隨著多種無線通信業務爆發式增長，未來無線通信網絡呈現異構多層多小區重疊覆蓋、大規模節點接入和多層多級QoS傳輸需求等特點。在有限頻譜資源下，如何實現網絡容量大、頻率效率高、干擾抑制佳的無線多層異構網絡，是本文主要解決的關鍵技術問題。本文從信號處理、序列設計與系統分析全方位角度，為多層異構網絡及其多級QoS傳輸需求提供了新的解決方案。

本文首先由傳統單小區SCMA網絡出發，歸納傳統SCMA技術在多小區接入方式、多級QoS需求、抗信道衰落干擾影響等方面的局限性。進而，提出了適合于多層多小區的FH/SCMA傳輸方案。該網絡中，跳頻技術及其跳頻序列對多層FH/SCMA系統性能起到關鍵作用。因此，本文另一研究成果為，提出并設計了一類具有兩級漢明相關特性的新型跳頻序列集合，從而為典型的異構兩層FH/SCMA系統實現干擾抑制、兩級QoS和兩級小區接入奠定了理論基礎。最后，通過仿真驗證了基于新型跳頻序列的FH/SCMA系統的多級BER性能和抑制多層干擾能力。研究成果證實了，新型的多級QoS跳頻序列的FH/SCMA系統可實現異構多層多小區接入，有效降低多層干擾(同層/跨層干擾)和衰落信道影響；同時，又可為HQoS層網絡和LQoS層網絡提供兩級BER性能(兩級QoS傳輸需求。)雖然本文主要研究兩級QoS跳頻序列，但構造思路可通過多種數學方法(交織、跡函數等)，進一步擴展為多級QoS跳頻序列并應用于多層多小區網絡中，這將是本文后續研究內容之一。