用于5G无线传输的稀疏码多址(SCMA)介绍
5G无线电接入还是基于OFDM的波形，而且具有非正交波形和多址功能。
非正交多址方法以更大的灵活性和鲁棒性以及对大量连接的适应性有效地支持更高的容量。这些属性有助于为eMBB服务提供更好的用户体验，甚至可以与其他业务类型以及为5G（如mMTC和URLLC服务）确定的其他用例混合使用。
关于非正交多址方案，有一种叫稀疏码多址（SCMA： Sparse Code Multiple Access）的技术。
SCMA简介
图1说明了SCMA的基本系统模型，其中数据流的编码比特直接映射到基于多维星座构建的码本中的码字。如图1所示，SCMA实现的基本结构将类似于LTE传输模型，但关键区别在于调制和扩频的联合设计。SCMA利用低密度扩频，该扩频已在CDMA中的LDS（low density signature）技术中使用，下文称为稀疏扩频。图1所示的模型可用于上行和下行。
为便于说明，SCMA映射和多址过程解释如下：
a） 码本映射
SCMA将具有类似于LTE的层映射，即可以将一个或多个SCMA层分配给用户/数据流。不同之处在于，在每个SCMA层，SCMA还将进行从信息比特到码字的映射，即，SCMA调制器将输入比特映射到从特定层的SCMA码本中选择的复杂多维码字。SCMA码字是稀疏的，即它们的条目中只有少数是非零的，其余的是零。与SCMA层相对应的所有SCMA码字都具有非零条目的唯一位置，为简单起见称为稀疏模式。
图2显示了一个包含用于传输6个数据层的6个码本的码本集的示例。可以看出，每个码本都有8个多维复杂码字，分别对应于8个星座点。每个码字的长度为4，与扩展长度相同。在传输时，基于输入比特序列选择每个层的码字。在下行中，如图2所示，来自不同层的码字在OFDM调制器之前被组合。在上行中，对于单层UE传输，每个SCMA码字首先被馈送到OFDM调制器，导致来自不同用户的多个独立SCMA层的空中传输。
b） 多址接入流程
图3显示了6个用户使用图2所示的SCMA层特定码本进行多址接入的示例。每个用户都被分配了一个SCMA码本（在该示例中，用户i使用layer i的码本，i＝1，2，…，6）。在FEC编码器（例如，turbo编码器）之后，每个用户的编码比特根据其分配的码本映射到SCMA码字。SCMA码字在OFDM音调上进一步组合，并且符号按照SCMA块来传输，类似于LTE中的资源块概念。
使用SCMA的多址接入的主要特征可以总结如下：
码域非正交信号叠加：它允许在每个资源元素（RE）上叠加来自不同用户的多个符号。例如，在图3中，在RE 1上，来自UE1、3和5的符号彼此重叠。每个RE上的叠加图案可以静态配置或半静态配置。
稀疏扩展：SCMA使用稀疏扩展来减少符号冲突的数量。例如，在图3中，来自不同UE的3个符号在每个RE上冲突，而不是6个（在非稀疏扩展的情况下）。
多维调制：SCMA使用多维调制，而不是CDMA中的线性扩展。
SCMA的特点是其码本。码本也是SCMA与其他非正交多址方案的区别。SCMA码本的设计基于稀疏扩展模式设计和多维调制设计的联合优化。通常，码本设计的目的是在整个多维星座中的点之间提供良好的距离特性（欧几里德或乘积），以最大化编码/整形增益。
SCMA码本的另一个特征是在每个RE上具有较少数量的投影点的可能性。这是由于码本的多维性质，允许两个星座点在一些非零分量上碰撞，因为它们仍然可以在其他非零分量之上分离。下面的图4显示了一个例子，其中对应于01和10的星座点在第一个色调上碰撞，但在第二个色调上分离，使得投影点的数量等于3而不是4。
对于上下行链路，编码操作涉及用SCMA调制器替换QAM调制器，该调制器将编码比特直接映射到来自标准化码本的多维码字。
解码操作将现有LTE接收机的单用户信道均衡和QAM解映射器替换为SCMA解调器，SCMA解调机联合检测叠加的数据层。由于SCMA码本的稀疏性，可以采用低复杂度消息传递算法（MPA：message passing algorithm）来获得具有合理复杂度的接近最大似然（ML：maximum likelihood）检测性能。
通过上文中给出的所有这些特性，SCMA可以通过高容量、大规模连接、低开销等方式使5G新无线传输受益。例如，在图3中，扩展长度4可以支持6个数据层，从而导致150%的过载系数。码域扩展中的稀疏性进一步减少了层间干扰，使得在合理的接收机复杂度下可以容忍更多的符号冲突。此外，通过使用投影点数较少的SCMA码本，多维调制提供了更节能的传输，并进一步降低了复杂度。这使得SCMA成为一个重要组件，用于支持小的和零星到达的分组的低时延和低开销的无授权传输。此外，SCMA可以很容易地适应于提供开环多用户复用，在单小区和多小区场景中都具有用户的混合码和功率域叠加，这提供了改进的系统容量和统一的用户体验，以及对干扰和信道老化的更大灵活性和鲁棒性。
