SCMA codebook design approaches

Abstract

In 4G systems, Orthogonal Frequency-Division Multiple Access (OFDMA) has been used conventionally for multiple access purposes. This technique has low spectral efficiency since it allocates the resources orthogonally to each user. As an alternative to this technique, Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) has been proposed for new generation 5G systems as it allows different users to use the same resources and therefore, increases spectral efficiency. Sparse Code Multiple Access (SCMA) is a code-based NOMA technique and its performance depends on codebook design. In this thesis, four different approaches are proposed by examining the design of the conventional codebook, which is widely used in SCMA studies in the literature. In the first approach, the distances between the constellation set points have been increased while the total energy remains constant. In the second approach, the angle between the constellation set points on the sub-carriers in the codebook has been equally set. In the third approach, by applying the permutation method, it has been aimed to reduce the complexity in the codebook by multiplying the constellation set points on the first and second sub-carriers with the halfangle formula. In the fourth approach, a new constellation set points with the energy remaining constant has been designed. Considering the four different design approaches, the conventional codebook has been modified. Simulation results have shown that 1-2dB gain can be achieved using different design approaches in the high signal-to-noise-ratio (SNR) region.

4G sistemleri geleneksel olarak Dikgen Frekans-Bölmeli Çoklu Erişim (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA) tekniğini kullanırlar. Bu yöntemde her kullanıcıya kendisine ait bir kaynak tahsis edildiğinden spektral verimliliği düşüktür. Bu duruma alternatif olarak geliştirilen ve yeni nesil 5G sistemler için düşünülen Dikgenolmayan Çoklu Erişim (Non-orthogonal Multiple Access, NOMA) tekniği, farklı kullanıcıların aynı kaynakları kullanmasına izin verir ve böylece spektral verimlilik artırılır. NOMA'nın kod tabanlı yaklaşımı olan Seyrek Kodlu Çoklu Erişim (Sparse Code Multiple Access, SCMA) tekniğinin performansı kod kitabı tasarımına bağlıdır. Bu tez çalışmasında, literatürdeki SCMA çalışmalarında yaygın bir şekilde kullanılan geleneksel kod kitabının tasarımı incelenerek dört farklı yaklaşım önerilmiştir. Birinci yaklaşımda enerjsi sabit kalacak şekilde işaret kümesi noktaları arasındaki uzaklıklar artırılmıştır. İkinci yaklaşımda kod kitabındaki alt taşıyıcılarda bulunan işaret kümesi noktaları arasındaki açılar eşit olarak ayarlanmıştır. Üçüncü yaklaşımda permutasyon yöntemi uygulanarak, birinci ve ikinci alt taşıyıcıda bulunan işaret kümesi noktalarını yarım açı formülü ile çarparak kod kitabındaki karmaşıklığın azaltılması hedeflenmiştir. Dördüncü yaklaşımda ise enerjisi sabit kalacak şekilde yeni bir işaret kümesi noktaları tasarımı önerilmiştir. Özetle, dört farklı tasarım yaklaşımı kullanılarak yaygın olarak kullanılan kod kitabı modifiye edilmiştir. Benzetim çalışmaları göstermektedir ki yüksek işaret gürültü oranı (signal-to-noise-ratio, SNR) bölgesinde kullanılan yaklaşıma bağlı olarak 1-2dB'lik kazanç elde edilebilmektedir.