浅谈非正交多址技术

浅谈非正交多址技术(NOMA)摘要：在频谱资源紧缺的今天，作为一项潜在的5G关键技术，能很好地提高频谱效率的非正交多址接入（NOMA）越来越受到人们的关注。本文将先简述非正交多址技术的技术原理与特点，与3G，4G时代的技术性能对比以及与面向5G的其他多址接入技术作对比，来分析非正交多址技术（NOMA）的性能优势。关键字：非正交多址技术，5G。1非正交多址技术(NOMA)的基本原理NOMA的基本思想是在发送端采用非正交传输，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除（SIC）实现正确解调。虽然采用SIC接收机会提高设计接收机的复杂度，但是可以很好地提高频谱效率，NOMA的本质即为通过提高接收机的复杂度来换取良好的频谱效率.下面我们做一个简单的推导来简述原理。假设UE1位于小区中心，信道条件较好；UE2位于小区边缘，信道条件较差。我们根据UE的信道条件来给UE分配不同的功率，信道条件差的分配更多功率，即UE2分配的功率比UE1多。发射端假设基站发送给UE1的符号为x1，发送给UE2的数据为x2，功率分配因子为a。则基站发送的信号为s=sqrt(a)x1+sqrt(1-a)x2因为UE2位于小区边缘，信道条件较差，所以我们给UE2分配较多的功率，即0a0.5。接收端UE2收到的信号为y2=h2s+n2=h2(sqrt(a)x1+sqrt(1-a)x2)+n2因为UE2的信号x2分配的功率较多，所以UE2可以直接把UE1的信号x1当作噪声，直接解调解码UE2的信号即可。UE1收到的信号为y1=h1s+n1=h1(sqrt(a)x1+sqrt(1-a)x2)+n1因为UE1的信号x1分配较少的功率，所以UE1不能直接调节解码UE1自己的数据。相反，UE1需要先跟UE2一样先解调解码UE2的数据x2。解出x2后，再用y1减去归一化的x2得到UE1自己的数据，y1-h2sqrt(1-a)x2.最后再解调解码UE1自己的数据。2非正交多址技术的技术特点2.1NOMA在接收端采用SIC接收机来实现多用户检测。串行干扰消除技术的基本思想是采用逐级消除干扰策略，在接收信号中对用户逐个进行判决，进行幅度恢复后，将该用户信号产生的多址干扰从接收信号中减去，并对剩下的用户再次进行判决，如此循环操作，直至消除所有的多址干扰。2.2发送端采用功率复用技术。SIC接收机在接收端消除多址干扰（MAI），需要在接收信号中对用户进行判决来排出消除干扰的用户的先后顺序，而判决的依据就是用户信号功率大小。基站在发送端会对不同的用户分配不同的信号功率，来获取系统最大的性能增益，同时达到区分用户的目的，这就是功率复用技术。功率复用技术在其他几种传统的多址方案没有被充分利用，其不同于简单的功率控制，而是由基站遵循相关的算法来进行功率分配2.3不依赖用户反馈CSI。在现实的蜂窝网中，因为流动性、反馈处理延迟等一些原因，通常用户并不能根据网络环境的变化反馈出实时有效的网络状态信息。虽然在目前，有很多技术已经不再那么依赖用户反馈信息就可以获得稳定的性能增益，但是采用了SIC技术的NOMA方案可以更好地适应这种情况，从而NOMA技术可以在高速移动场景下获得更好的性能，并能组建更好的移动节点回程链路。3非正交多址技术(NOMA)的与CDMA和OFDM技术优势比较3G采用直接序列码分多址（DirectSequenceCDMA，DS-CDMA）技术，手机接收端使用Rake接收器，由于其非正交特性，就得使用快速功率控制（Fasttransmissionpowercontrol，TPC)来解决手机和小区之间的远-近问题。在发送端对距离小区中心比较近的用户进行功率限制，保证在到达接收端每个用户的功率相当。而4G网络则采用正交频分多址（OFDM）技术，OFDM不但可以克服多径干扰问题，而且和MIMO技术配合，极大的提高了数据速率。由于多用户正交，手机和小区之间就不存在远-近问题，快速功率控制就被舍弃，而采用AMC（自适应编码）的方法来实现链路自适应。可以根据链路状态信息自动调整调制编码方式，从而给用户提供最佳的传输速度，但是在一定程度上要依赖用户反馈的链路状态。跟CDMA和OFDMA相比，NOMA子信道之间采用正交传输，不会存在跟3G一样明显的远近效应问题，多址干扰（MAI）问题也没那么严重；由于可以不依赖用户反馈的CSI信息，在采用AMC和功率复用技术后，应对各种多变的链路状态更加自如，即使在高速移动的环境下，依然可以提供很好地速率表现；同一子信道上可以由多个用户共享，跟4G相比，在保证传输速度的同时，可以提高频谱效率，这也是最重要的一点。4非正交多址技术(NOMA)的与MUSA,SCMA和PDMA技术比较NOMA采用的是多个用户信号强度的线性叠加，硬件结构不复杂，技术性相对简单，SIC接收机设备实现难度较低，是非正交多址接入技术中最简单的一种。对现有其他成熟的多址技术和移动通信的标准的影响不大，可以与4GOFDMA简单地结合。同时因设备结构和技术原因，系统的最大功率域强度值非常有限，功率域能够划分用户的层次数也不可能太多。因此，NOMA技术的频率利用率很有限，与5G系统高速率、广覆盖、大容量、低时延、海量连接数的基本要求有一定距离，但其简单成熟的技术对5G系统规划设计多有帮助。MUSA通过对同一时频承载资源单元采用扩频编码技术，达到可以承载多用户信号的目的。虽然扩频技术是一种成熟技术，扩频码也是一种低互相关性复数域星座式短序列多元码，但由于扩频过程是在用户信号数据位上操作，扩频作用将会使用户信号码增加到扩频码数的倍数。所以，同时频承载资源单元的扩频用户数越多，扩频码本身的位数也将越多，通过扩频后的用户信号位数也将呈几何级数增加。虽然MUSA在同时频用户层数方面优于NOMA，但它是以降低系统性能为代价的，其技术的简单性也不适为5G的选择之一。SCMA采用的扩频码是一种可以使接收端复杂度较低的消息传递算法和多用户联合迭代法的稀疏码，同时SCMA还辅以F-OFDM时频资源分配的自适应方式，可以灵活地调整时频承载资源单元的大小，不仅可以适应系统空口接入众多业务中的各种需求，还能够一定程度上提高系统的频谱容量和多址接入效率。但因同是码域系统，同样存在MUSA的缺陷，尤其是稀疏码字以较多的扩频码倍数却只能换来较少的同时频用户层数。不过稀疏码的可调性，可帮助系统根据空口场景在用户数与系统性能之间平衡调整。显然，SCMA的整体性能要优于MUSA，其多址接入量和业务调整方式非常适应5G标准。PDMA是可以在时频承载资源的基础上灵活应用功率域、空域和码域的非正交多址接入技术，理论上系统可以同时采用功率域、空域和码域，所以PDMA的多址寻址能力最强，信道容量最大，频谱利用率最高。虽然PDMA采用了等效信道响应函数H方式，但特征图样域矩阵函数Hpdma取值并不简单，当系统能够正确获取到终端与基站间的信道响应函数Hch值后，Hpdma就是决定H正确与否的唯一因素，特别是当系统同时取功率域、空域和码域中的任意1、2个图样域，甚至是3个图样域时，Hpdma值的准确度很难把握。所以，PDMA的技术性是所有非正交多址接入技术中最复杂的一种，还需要投入较大的研究力量。参考文献1张长青面向5G的非正交多址接入技术的比较[M]《电信网技术》,2015(11):42-492王华华，李文彬，余永坤关于5G的非正交多址接入技术分析[M]无线互联科技2017