Strategies for multistage design of sparse code multiple access systems

Abstract

Múltiplo Acesso por Códigos Esparsos (SCMA) é um esquema de múltiplo acesso não-ortogonal (NOMA) por divisão de código. Neste esquema, J usuários compartilham K recursos ortogonais, sendo que o número de usuários é tipicamente maior do que o número de recursos, ou seja, J>K. Esse cenário é denominado sobrecarregado, de forma que é inevitável que ocorram colisões entre os usuários em alguns recursos. No SCMA, cada usuário espalha sua informação sobre os K recursos usando uma assinatura esparsa. Dessa maneira, o número de colisões em cada recurso é limitado a um número controlado e menor que o número total de usuários. A esparsidade das assinaturas permite o uso de um detector multiusuário baseado no algoritmo message-passing (MPA). Nesta tese, são apresentadas estratégias multi-estágio para o projeto de sistemas SCMA uplink. Um estado da arte das pesquisas relacionadas é apresentado, segmentando a área em três categorias de trabalhos: projeto de codebooks SCMA, algoritmos de detecção multiusuário e métodos de alocação de recursos. Uma das contribuições deste trabalho é um método de projeto de codebooks SCMA estruturados pelo espaço gerado por códigos de bloco. Com o método proposto, é possível projetar modulações M-árias N-dimensionais com diversidade de espaço de sinais N-1 usando alfabetos de tamanho relativamente pequeno q << M. Os codebooks projetados apresentam bom desempenho de taxa de erro de bit e mantêm uma ordem de complexidade do MPA aceitável. Uma segunda contribuição é um detector multiusuário baseado no MPA, utilizando seleção dinâmica de arestas e aproximação Gaussiana. Trata-se de uma modificação de um detector de baixa complexidade já conhecido na literatura, incluindo um limiar de seleção de arestas para ajustar o compromisso entre desempenho e ordem de complexidade de maneira paramétrica. Soluções analíticas para a ordem de complexidade média são derivadas para esse algoritmo. Os resultados mostram que é possível obter um desempenho de taxa-de-erro tão satisfatório quanto a solução original com uma ordem de complexidade média significativamente menor. Por fim, a tese apresenta também uma análise sobre o projeto da alocação de recursos e, consequentemente, das assinaturas de espalhamento. Essa análise considera a capacidade do canal SCMA como figura de mérito. Em particular, a capacidade simétrica e o desempenho de sistemas com taxa simétrica são discutidos pra projetos com assinaturas regulares e irregulares. Neste contexto, considera-se um cenário celular no qual os canais possuem desvanecimentos de larga e de pequena escala.

Abstract: Sparse Code Multiple Access (SCMA) is a code-domain non-orthogonal multiple access (NOMA). In this scheme, J users share K orthogonal resources, in a scenario where J>K. This scenario is said to be overloaded, since orthogonality is not possible and users will collide with each other in the resources. In SCMA, each user spreads its information using a sparse signature. Hence, the number of collisions in each resource is limited to a number significantly smaller than the number of users. The sparsity of the signatures allows for the use of a multiuser detector based on the message-passing algorithm (MPA). In this thesis, multi-stage design strategies for uplink SCMA are discussed. A state-of-the-art review of related researches is provided, where SCMA is divided into three categories: SCMA codebook design methods, multiuser detection algorithms and resource allocation methods. One contribution of this work is a design method of SCMA codebooks using the underlying structure of vector-subspaces generated by linear block codes. Using the proposed method, it is possible to design M-ary N-dimensional modulations with signal-space diversity N-1 using alphabets of relatively small size q << M. The designed codebooks have a good error-rate performance while keeping a feasible detection complexity order with the MPA. A second contribution is a threshold-based edge selection MPA. This is a modified receiver from an edge-selection MPA known in the literature, where the messages of each edge are calculated treating weak users as noise, according to a given threshold. A closed-form expression for the average complexity order of the algorithm is also derived. Results show that it is possible to adjust the threshold in order to obtain a good trade-off between error-rate and complexity order, outperforming the original method. Finally, a discussion on the resource allocation design for SCMA is presented. The analysis considers both complexity and information theory figures of merit. In particular, we discuss the achievable symmetric capacity and the error-rate performance of symmetric rate SCMA systems with regular and irregular spreading degrees. The scenario considers a wide-area network with both large-scale and small-scale fading channels.