面向5G的非正交多址接入技術（NOMA）淺析

張長青（中國移動通信集團湖南有限公司岳陽分公司，湖南岳陽414000）

0 前言

2013年5月，韓國三星電子宣布，率先開發(fā)出了首個5G核心技術支撐的移動無線傳輸網絡，在實驗室實現(xiàn)了1 Gbit/s的無線數(shù)據(jù)傳輸速率，是目前LTE最高下行速率的10 倍。一年后，瑞典愛立信宣布，其研發(fā)的5G無線技術部分在測試中，實驗室理想狀態(tài)下的傳輸速率高達5 Gbit/s，這意味著愛立信的5G 無線傳輸速率是目前LTE最高下行速率的50倍，標志著無線傳輸速率再創(chuàng)新高。顯然，這些研究工作僅限于5G系統(tǒng)中無線傳輸?shù)囊徊糠?，整個5G系統(tǒng)包括的技術特點和網絡架構還遠非如此。也就是說，迄今為止還沒有一個權威機構對5G系統(tǒng)做出一個全面科學完整的定義，普遍只是對5G系統(tǒng)作了愿景般的描述。

根據(jù)《5G 愿景與需求白皮書》描述，5G 具有覆蓋廣、速度快、連接設備多、功耗低、時延低等特點?？蔀橛脩籼峁V泛的無縫業(yè)務體驗，即使在高速移動環(huán)境下，也能實現(xiàn)100 Mbit/s 以上的用戶體驗速率；可為用戶提供光纖般的接入速率，使用戶能在局部熱點地區(qū)享受到普遍可達1 Gbit/s極高數(shù)據(jù)傳輸?shù)捏w驗速率；接近“零”的時延可為用戶提供在無線互聯(lián)網上無人汽車駕駛的激情體驗，保證遠程控制在百公里時速汽車的時延只在幾毫秒的安全響應內；低功耗多設備連接則說明5G能夠締造萬物互聯(lián)，不僅具有無數(shù)設備的連接能力，人與人、人與物、物與物間的通信也是如此方便簡單，使得移動通信技術能廣泛地應用于工業(yè)、家庭和社會領域。

目前5G 研究的關鍵性技術主要有大規(guī)模的MI?MO天線陣列、全雙工、編碼與調制、超密集組網、非正交多址接入（NOMA）、高頻段通信、濾波器組多載波系統(tǒng)（FBMC）、軟件定義網絡（SDN）、網絡功能虛擬化（NFV）、內容分發(fā)網絡（CDN）等。作為5G關鍵技術之一，NOMA技術在同一個子載波、同一個OFDM符號對應的同一個資源單元上，根據(jù)不同的信號功率為多個用戶使用，可達到多址接入的目的。由于系統(tǒng)在頻域和時域上仍然保持各子載波正交和每個OFDM符號前插入CP，NOMA 技術的基礎仍是成熟的OFDM 技術，實現(xiàn)難度相對較小。

本文分析了5G系統(tǒng)中NOMA的工作原理，尤其是NOMA 技術中的關鍵檢測技術——串行干擾消除（SIC）技術，分析了NOMA技術在發(fā)射端和接收端存在的困難，指出其實現(xiàn)難度，為了解5G提供有益的幫助。

1 非正交多址技術NO M A

NOMA的基本思想是在發(fā)送端采用分配用戶發(fā)射功率的非正交發(fā)送，主動引入干擾信息，在接收端通過SIC接收機消除干擾，實現(xiàn)正確解調。NOMA技術在時域仍然可以用OFDM符號為最小單位，符號間插入CP防止符號間干擾；在頻域仍然可以用子信道為最小單位，各子信道間采用OFDM技術，保持子信道間互為正交、互不干擾；每個子信道和OFDM符號對應的功率不再只給一個用戶，而是由多個用戶共享，但這種同一子信道和OFDM符號上的不同用戶的信號功率是非正交的，因而產生共享信道的多址干擾（MAI），為了克服干擾，NOMA 在接收端采用了串行干擾消除技術進行多用戶干擾檢測和刪除，以保證系統(tǒng)的正常通信。

圖1所示是OFDM技術頻域和時域平面上用戶信息承載的資源分配簡圖，圖中頻域的最小單位是頻寬為15 kHz的子載波，時域的最小單位是時長為1/14 ms的OFDM 符號，每個資源單元是由1 個子載波和1 個OFDM 符號組成的資源平面。由于LTE 使用了MIMO多天線，空域也是LTE系統(tǒng)承載用戶信息的基本資源，但每個天線端口號對應的都是一塊頻域時域資源平面，因而空域上系統(tǒng)的資源分配仍然是以頻域時域資源平面為單位。在功率域方面，由于頻域時域承載資源平面上承載的用戶信息功率一樣，所以LTE 系統(tǒng)中的OFDM 技術沒有開發(fā)用戶信息傳輸?shù)墓β视?，是二維平面資源承載系統(tǒng)，無線信道的傳輸能力相對較弱。

圖1 OFDM技術的資源分配情況

圖2 所示是NOMA 技術中頻域、時域和功率域立體系統(tǒng)中用戶信息承載的資源分配簡圖，對應的頻域、時域平面與OFDM 資源平面一樣，不同的是它已開發(fā)了功率域應用，即頻域、時域平面上的每個資源單元可以承載多個信號功率不同的用戶。顯然，NOMA 技術是三維立體資源承載系統(tǒng)，無線信道的傳輸能力要比LTE強許多。當然，由于功率域的引入，系統(tǒng)的抗干擾技術將更加復雜，所以頻域的子載波頻寬可能并非是15 kHz，時域的OFDM 符號時長可能并非是1/14 ms，但工作原理是一樣的。因功率域中各用戶的功率是非正交的，具有線性疊加性，由此而引起的同頻同時用戶的干擾不可避免，必須刪除這些干擾才能保證系統(tǒng)的正常工作。

圖2 NOMA技術的資源分配情況

NOMA 是一種融合了3G 的SIC 和4G 的OFDM 的新技術，既克服了3G 系統(tǒng)中的遠近效應問題，又解決了4G 系統(tǒng)中的同頻干擾問題。NOMA 是真正利用頻域、時域、功率域的多用戶復用技術，其中解決頻域子載波間干擾的技術仍然是各子載波間的正交，解決時域OFDM符號間干擾的技術仍然是嚴格的子幀同步和添加的GP，解決功率域各用戶功率間干擾的技術則是串行干擾消除技術SIC。在發(fā)送端，NOMA采用功率復用（或功率分配）技術，使同一子信道上的不同用戶信號功率按照相關算法分配，使得到達接收端的每個用戶的信號功率不一樣。在接收端，NOMA 采用SIC 技術，根據(jù)不同用戶信號功率大小按照一定順序進行干擾消除，達到區(qū)分不同用戶的目的。

圖3 NOMA技術原理簡圖

圖3所示為在OFDM基礎上的NOMA多址技術原理簡圖，發(fā)送端在IFFT變換模塊后增加了用戶信號功率復用模塊，接收端在FFT 變換模塊前增加了串行干擾消除SIC模塊。因為在發(fā)射端只有在頻域的正交子載波被分離出來后，才能對每個子載波上不同用戶的信號功率采用復用技術，使之嚴格按照信道增益情況分配不同的發(fā)射功率。同樣在接收端的FFT變換前通過干擾消除將每個子載波上不同信號功率的用戶分離出來后，再參與子載波解碼。NOMA 的基本信號波形可設置為OFDM 波形，NOMA 在功率域疊加多個用戶信號時可形成一個疊加編碼，當用戶之間信道差異很大（或路徑損耗差值很大）時，NOMA 的性能增益要比OFDM有所提高。

2 串行干擾消除（S IC）技術

NOMA技術是一個集頻域、時域、功率域為一體的多址技術，可在同一子載波、同一OFDM符號對應的資源單元上，同時承載信號功率不同的多個用戶。這種承載方式的最大問題是，大量疊加在一起的不同用戶信號不可避免地存在明顯的同步同時干擾。由于這些多址干擾（MAI）可以當作是一種有著強烈結構性特點的偽隨機序列信號，可以利用這些偽隨機序列的已知結構信息和統(tǒng)計信息（如相關性）來進一步消除這些干擾，提高系統(tǒng)的性能，這類抗MAI 技術又叫多用戶檢測技術。多用戶檢測技術是根據(jù)信息論中的最佳聯(lián)合檢測理論提出的一類有效的抗MAI 技術，SIC 就是多用戶檢測技術之一。

SIC技術的簡單原理是逐步減去最大功率用戶信號中的MAI，SIC 接收機對接收的多個用戶信號，先按照功率的大小順序操作，逐一進行數(shù)據(jù)判決，功率較大的信號優(yōu)先，判出一個就減去該用戶信號的MAI，進行幅度恢復，并對剩下的用戶再次進行判決，如此循環(huán)操作，直到消除所有信號中的MAI為止。SIC技術在NO?MA 系統(tǒng)中又叫SIC 接收機，SIC 接收機在性能上與傳統(tǒng)檢測器相比有較大提高，在硬件上的改動不大，易于實現(xiàn)。SIC 接收機的每一級都需要有一個字符的時延，在信號功率發(fā)生變化時需要重新排序，上級判決對下級判決的影響很大，如果上級判決不可靠或判決出錯誤，就會引起下級各級性能嚴重下降。

SIC接收機的檢測方案采用的是多級分層逐步檢測機制，每一級只檢測一個用戶信號，如果在同一資源單元上疊加了K個用戶信息，則SIC接收機需要K個級層的檢測。由于系統(tǒng)對所有用戶信息操作的順序是根據(jù)其信號功率值排列進行的，又因為最強的用戶信號最容易被系統(tǒng)捕獲，所以功率越大的用戶信號越有優(yōu)先處理權。也就是說，每次接收端輸出的信號都是經過SIC 判決和除去MAI 后的最大功率的用戶信號，由于這時信號的SNR 值最大，可以將MAI 降到最低，且信號越弱獲益越大，大大增加了檢測的可靠性。多級分層結構采用將上一級輸出信號作為下一級輸入信號，不斷重復著“檢測、估計、消除、檢測……”的循環(huán)操作，直到解碼所有用戶信號。

圖4 所示為SIC 接收機工作原理簡圖。設有3 個用戶信號分別為x1（t）、x2（t）、x3（t），且x1（t）

圖4 SIC接收機工作原理

從上式中可以看出，SIC 接收機接收到的是從無線信道的空中接口過來的包括信道干擾和白噪聲干擾在內的所有用戶信號。SIC 接收機在第一級檢測之前，先要將從發(fā)射機送來的并為SIC 接收機接收到的所有用戶信號，按照信號功率的大小進行排序，大致估計各信號的幅度。由于x3（t）信號功率最強，對應的SNR 也最大，系統(tǒng)首先對最大信號x3（t）進行匹配濾波、判決，與估計幅度比對等處理操作，找到最大用戶信號x3（t）并輸出到下一級。留下的信號只有x2（t）最大了，SIC 接收機繼續(xù)按照功率順序依次執(zhí)行相同操作，完成對所有的用戶信號檢測，輸送到下一級。

需要注意的是，在SIC 接收機中的信號檢測過程中，很重要的一點就是用戶檢測順序。這里進行排序是根據(jù)用戶的信號功率進行的。在NOMA 中，發(fā)送端會采用功率復用技術對不同的用戶進行功率分配，通常情況下，信道增益高的用戶會少分配一些功率資源，信道增益低的用戶會多分配一些功率資源。這些信號到達接收端后，每個用戶的信號功率會不一樣，對應的SNR 值也不會不同，甚至影響SIC 接收機的SNR。SIC接收機根據(jù)用戶的信號功率進行排序，依次對不同的信號進行解調，達到區(qū)分用戶的目的。

3 NO M A 多址技術應用的困難

從原理上看，NOMA是最簡單的非正交多址技術，因為NOMA 技術是多個用戶調制符號的直接線性疊加，這種功率域的線性疊加是一種獨立的承載資源的簡單疊加，理論上對現(xiàn)有的其他成熟技術沒有多大影響，對當前應用的移動通信標準的影響也較小，甚至可以與OFDM 簡單結合，所以NOMA 技術的實現(xiàn)難度理論上相對較小。然而這僅僅是對上行鏈路而言，對于下行鏈路，不管是發(fā)射端，還是接收端，NOMA 技術本身帶來的影響非同一般，存在的困難甚至在短期內還無法解決。

在NOMA 的下行鏈路中，對于基站的發(fā)射機，面對小區(qū)內眾多用戶進行發(fā)射功率復用分配時，系統(tǒng)參考的主要數(shù)據(jù)是基站與終端間無線信道的信噪比SNR，由于終端是動態(tài)的，這使得系統(tǒng)對發(fā)射機的處理和響應能力要求很高；對于終端的SIC接收機，由于功率域疊加的傳輸需要有比特級的干擾消除，SIC 接收機的結構復雜度同樣不容小覷，而系統(tǒng)對終端的結構和耗能的要求同樣很高。在《5G 愿景與需求白皮書》中“高速度、低功耗、微時延”是系統(tǒng)的基本標準，所有面向5G的技術都必須以這個標準為參考，所以NOMA技術距離應用還有一段較遠的路要走。

圖5 NOMA下行鏈路發(fā)收端信號處理流程

圖5所示為NOMA系統(tǒng)下行鏈路發(fā)收端信號的處理流程。設在基站某扇區(qū)內有3 個用戶UE1、UE2、UE3，它們的信道響應分別為h1、h2、h3，信道對應的信噪比分別為20、10、0 dB。顯然h1的信道質量最好、增益最高，因而信噪比最高。h2的信道質量中等，h3的信道質量最差。下面根據(jù)NOMA 原理來分析NOMA 下行鏈路中，基站側和終端側的基本工作情況。

基站側：基站在對用戶信號進行下行發(fā)射功率復用分配時，由于3個用戶與基站的信道質量不同，系統(tǒng)根據(jù)各自不同的SNR值，以及相關算法分配給UE1的發(fā)射信號功率最小，UE2的發(fā)射信號功率中等，UE3的發(fā)射信號功率最大，即用戶的信道越弱，基站提供的下行信號的發(fā)射功率越強。

UE1 側：當3 個發(fā)射功率強度不同的用戶信號同時進入UE1 的SIC 接收機時，由于強度高的信號最易被SIC接收機感知，若想正確解調出UE1信號，終端必先逐次對UE3 和UE2 信號解調、解碼、重構、刪除干擾，并由終端UE1 根據(jù)相關算法不斷評估、比較UE1信道，在得到最好的SNR 值后，最后解碼出UE1 信號送到下一級。

UE2 側：當3 個發(fā)射功率強度不同的用戶信號同時進入UE2 的SIC 接收機時，終端同樣先對UE3 信號進行解調、解碼、重構、刪除干擾，并由終端UE2 根據(jù)相關算法不斷評估、比較UE2 信道，由于UE2 發(fā)射信號較強，在對UE3 處理后，終端就能得到最好的SNR值，所以終端將直接解碼UE2信號并發(fā)送到下一級。

UE3 側：當3 個發(fā)射功率強度不同的用戶信號同時進入UE3 的SIC 接收機時，由于基站分配給UE3 的信號強度最高，包括發(fā)給UE1、UE2的信號和其他干擾信號在內的所有信號，都將受到抑制，信道的SNR 也很高，所以終端無需做其他處理，直接對UE3 信號解碼后送到下一級。

顯然，基站側，首先得了解各用戶的信道情況，由于用戶是移動的，基站必須不斷地檢測用戶信道，然后再不斷地按信道質量合理分配下行信道的發(fā)射功率，這種連續(xù)檢測分析和分配發(fā)射工作，不僅加重了基站的負擔，還延長了系統(tǒng)時延；終端側，由于終端是通過正確評估信道的SNR 值后，才能解碼出用戶信號，這種評估有較大的風險，因為每一臺終端都在不停地移動，不同終端與基站間的信道質量也在不停地改變，不僅終端要受到基站下發(fā)的信號強度不斷變化的影響，還要保證用戶通話的感知質量，終端的處理能力和結構的復雜性可想而知，尤其是同小區(qū)用戶數(shù)較多時。這種提高設備復雜度的做法與5G的基本標準相悖，而克服這些困難還有一定的難度。

4 結束語

NOMA 支持更多的終端同時接入網絡，在進行用戶信號功率復用時，無需知道或根本不依賴每個用戶及時的信道狀態(tài)信息CSI 的反饋，能在信道狀態(tài)很差的高速移動場景中獲得很好的性能，可以組建更好的移動節(jié)點回程網絡。NOMA在發(fā)送端首次采用功率復用技術，在基站應用相關算法，對大范圍內的用戶信號功率進行差異補償，即不同用戶分配不同的發(fā)射信號功率。NOMA技術通過對功率域有較大范圍信道增益差異的多用戶發(fā)射信號的疊加，將多用戶信道增益差異轉換為復用增益，極大地提高了多址接入的性能。NOMA 技術表面上并不復雜，其發(fā)射模塊和接收模塊，甚至可以認為是對OFDM 技術的簡單增補。但實現(xiàn)起來卻有一定困難，近期難以實現(xiàn)。因為NOMA技術在發(fā)射端和接收端采用的相關技術都會增加整個系統(tǒng)的復雜性和時延，必須找到更科學、更簡單的SIC接收機，才能使NOMA技術順利應用于5G系統(tǒng)。

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