[论文解读] Low Complexity Receiver for Uplink SCMA System via Expectation Propagation

Xiangming Meng, Yiqun Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 6被引用 9

一句话总结

本文提出了一种基于期望传播的接收机（EPA），用于上行链路稀疏码多址接入（SCMA）系统，通过用高斯信念传播近似消息传递，将检测复杂度从指数级降低至线性。EPA在显著降低计算成本的同时，实现了接近最大似然的性能，仿真结果表明其误块率（BLER）性能与传统MPA接收机相当。

ABSTRACT

Sparse code multiple access (SCMA) scheme is considered to be one promising non-orthogonal multiple access technology for the future fifth generation (5G) communications. Due to the sparse nature, message passing algorithm (MPA) has been used as the receiver to achieve close to maximum likelihood (ML) detection performance with much lower complexity. However, the complexity order of MPA is still exponential with the size of codebook and the degree of signal superposition on a given resource element. In this paper, we propose a novel low complexity iterative receiver based on expectation propagation algorithm (EPA), which reduces the complexity order from exponential to linear. Simulation results demonstrate that the proposed EPA receiver achieves nearly the same block error rate (BLER) performance as the conventional message passing algorithm (MPA) receiver with orders less complexity.

研究动机与目标

• 解决传统消息传递算法（MPA）在SCMA系统中因码本规模和用户复用数增加而导致的计算复杂度呈指数级增长的问题。
• 为上行链路SCMA设计一种低复杂度检测方法，同时保持接近最优的误码率性能。
• 将迭代检测的复杂度阶从指数级降低至线性级，同时保持系统可靠性。
• 修正早期版本中公式（20）和（23）的拼写错误，以确保算法的准确性和可复现性。

提出的方法

• 应用期望传播（EP）来近似SCMA中发射信号的后验分布，以迭代的高斯近似替代精确推断。
• 基于EP原理推导消息更新规则，实现计算负载更低的迭代软输入-软输出检测。
• 通过使用高斯分布近似多用户干扰，将MPA的指数级复杂度替换为线性复杂度。
• 采用变分推理框架，迭代优化用户信号的估计，最小化真实后验与近似后验之间的Kullback-Leibler散度。
• 实现一种迭代检测过程，每个用户的信号估计基于其他用户提供的外信息进行更新，采用基于EP的更新规则。
• 在修订版本中修正了公式（20）和（23），以确保消息更新方程的数学准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 期望传播能否有效应用于降低SCMA检测的复杂度，同时保持接近最优的性能？
• RQ2 在上行链路SCMA系统中，用EP-based接收机替代MPA后，可实现的复杂度降低程度如何？
• RQ3 在相同系统条件下，EPA接收机的BLER性能与传统MPA接收机相比如何？
• RQ4 早期版本中公式错误对所提算法的可靠性和正确性有何影响？

主要发现

• EPA接收机实现了与传统MPA接收机几乎相同的误块率（BLER）性能，证明其具有接近最大似然的检测精度。
• EPA接收机的复杂度随用户数和码本规模呈线性增长，而MPA的复杂度则呈指数增长。
• 所提方法将计算复杂度降低了多个数量级，使其适用于实际的5G上行链路SCMA部署。
• 论文的修正版本修复了公式（20）和（23）中的关键拼写错误，确保了算法的数学有效性与可复现性。
• 仿真结果证实，EPA接收机在不同用户负载和信噪比条件下均保持稳健的性能。