A Tutorial on Decoding Techniques of Sparse Code Multiple Access

Sparse Code Multiple Access (SCMA) is a disruptive code-domain non-orthogonal multiple access (NOMA) scheme to enable future massive machine-type communication networks. As an evolved variant of code division multiple access (CDMA), multiple users in SCMA are separated by assigning distinctive sparse codebooks (CBs). Efficient multiuser detection is carried out at the receiver by employing the message passing algorithm (MPA) that exploits the sparsity of CBs to achieve error performance approaching to that of the maximum likelihood receiver. In spite of numerous research efforts in recent years, a comprehensive one-stop tutorial of SCMA covering the background, the basic principles, and new advances, is still missing, to the best of our knowledge. To fill this gap and to stimulate more forthcoming research, we provide a holistic introduction to the principles of SCMA encoding, CB design, and MPA based decoding in a self-contained manner. As an ambitious paper aiming to push the limits of SCMA, we present a survey of advanced decoding techniques with brief algorithmic descriptions as well as several promising directions

Implementation of New Multiple Access Technique Encoder for 5G Wireless Telecomunication Networks

RÉSUMÉ Les exigences de la connectivité mobile massive de différents appareils et de diverses applications déterminent les besoins des prochaines générations de technologies mobiles (5G) afin de surmonter les demandes futures. L'expansion significative de la connectivité et de la densité du trafic caractérisent les besoins de la cinquième génération de réseaux mobiles. Par conséquent, pour la 5G, il est nécessaire d'avoir une densité de connectivité beaucoup plus élevée et une plus grande portée de mobilité, un débit beaucoup plus élevé et une latence beaucoup plus faible. En raison de l'exigence d'une connectivité massive, de nombreuses nouvelles technologies doivent être améliorées: le codage des canaux, la technique d'accès multiple, la modulation et la diversité, etc. Par conséquent, compte tenu de l'environnement 5G, surcoût de signalisation et de la latence devrait être pris en compte [1]. En outre, l'application de la virtualisation des accès sans fil (WAV) devrait également être considérée et, par conséquent, il est également nécessaire de concevoir la plate-forme matérielle prenant en charge les nouvelles normes pour la mise en œuvre des émetteurs-récepteurs virtuels. L'une des nouvelles technologies possibles pour la 5G est l'accès multiple pour améliorer le débit. Par conséquent, au lieu d'OFDMA utilisé dans la norme LTE (4G), l'application d'une nouvelle technique d'accès multiple appelée Sparse Code Multiple Access (SCMA) est investiguée dans cette dissertation. SCMA est une nouvelle technique d'accès multiple non orthogonale du domaine fréquentiel proposée pour améliorer l'efficacité spectrale de l'accès radio sans fil [2]. L'encodage SCMA est l'un des algorithmes les plus simples dans les techniques d'accès multiple qui offre l'opportunité d'expérimenter des méthodes génériques de mise en oeuvre. En outre, la nouvelle méthode d'accès multiple est supposée fournir un débit plus élevé. Le choix du codage SCMA avec moins de complexité pourrait être une approche appropriée. La cible fixée pour cette recherche était d'atteindre un débit d’encodage de plus de 1 Gbps pour le codeur SCMA. Les implémentations de codage SCMA ont été effectuées à la fois en logiciel et en matériel pour permettre de les comparer. Les implémentations logicielles ont été développées avec le langage de programmation C. Parmi plusieurs conceptions, la performance a été améliorée en utilisant différentes méthodes pour augmenter le parallélisme, diminuer la complexité de calcul et par conséquent le temps de traitement.----------ABSTRACT The demands of massive mobile connectivity of different devices and diverse applications at the same time set requirments for next generations of mobile technology (5G). The significant expansion of connectivity and traffic density characterize the requirements of fifth generation mobile. Therefore, in 5G, there is a need to have much higher connectivity density, higher mobility ranges, much higher throughput, and much lower latency. In pursuance of the requirement of massive connectivity, numerous technologies must be improved: channel coding, multiple access technique, modulation and diversity, etc. For instance, with 5G, the cost of signaling overhead and latency should be taken into account [1]. Besides, applying wireless access virtualization (WAV) should be considered and there is also a need to have effective implementations supporting novel virtual transceiver. One of the possible new technologies for 5G is exploiting multiple access techniques to improve throughput. Therefore, instead of OFDMA in LTE (4G), applying a new multiple access technique called Sparse Code Multiple Access (SCMA) is an approach considered in this dissertation. SCMA is a new frequency domain non-orthogonal multiple access technique proposed to improve spectral efficiency of wireless radio access [2]. SCMA encoding is one of the simplest multiple access technique that offers an opportunity to experiment generic implementation methods. In addition, the new multiple access method is supposed to provide higher throughput, thus choosing SCMA encoding with less complexity could be an appropriate approach. The target with SCMA was to achieve an encoding throughput of more that 1Gbps. SCMA encoding implementations were done both in software and hardware to allow comparing them. The software implementations were developed with the C programing language. Among several designs, the performance was improved by using different methods to increase parallelism, decrease the computational complexity and consequently the processing time. The best achieved results with software implementations offer a 3.59 Gbps throughput, which is 3.5 times more that the target. For hardware implementation, high level synthesis was experimented. In order to do that, the C based functions and testbenches which were developed for software implementations, were used as inputs to Vivado HLS