5G非正交多址接入中干擾消除技術(shù)研究

郭永娜，王　鋼，鄭黎明,劉春剛

(哈爾濱工業(yè)大學 通信技術(shù)研究所，黑龍江 哈爾濱 150001 )

?

5G非正交多址接入中干擾消除技術(shù)研究

郭永娜，王鋼，鄭黎明,劉春剛

(哈爾濱工業(yè)大學 通信技術(shù)研究所，黑龍江 哈爾濱 150001 )

針對現(xiàn)有正交多址技術(shù)不能滿足5G海量連接的場景對更高容量的需求，對非正交多址接入技術(shù)進行研究。首先對非正交多址接入技術(shù)進行介紹，非正交多址接入技術(shù)多用戶數(shù)據(jù)不正交，且占用相同的時頻資源進行發(fā)送，在該項技術(shù)中，接收機的設計算法尤為重要。之后對干擾消除接收機進行了研究，研究了MMSE-SIC算法，但該算法在用戶負載大時，時延較大。結(jié)合并行干擾消除技術(shù)的優(yōu)點提出了準并行干擾消除算法，該算法相較于MMSE-SIC時延減小近50%，但性能下降較大。針對高負載場景提出改進干擾消除算法，在保證性能下降不大時，縮短了高負載情況下系統(tǒng)時延。

非正交多址接入；串行干擾消除；準并行干擾消除；MMSE

0　引言

在傳統(tǒng)移動通信技術(shù)中，通常采用正交多址接入技術(shù)，在時域、頻域、碼域分別正交的TDMA、FDMA、CDMA，以及在LTE中采用的正交時頻資源的OFDMA。5G將會面臨海量用戶接入，以及物聯(lián)網(wǎng)的應用場景對系統(tǒng)容量提出更高的要求，采用正交多址接入技術(shù)對于多用戶通信來說在接收端實現(xiàn)較為簡單，但是面對5G對容量更高的要求，傳統(tǒng)的正交多址技術(shù)顯然無法滿足。從多用戶信息論的角度看，非正交多址接入明顯優(yōu)于正交多址接入，對于下行廣播信道和上行接入信道，非正交多址接入在獲取系統(tǒng)容量[1]方面均是最優(yōu)的。引入非正交多址接入技術(shù)，主動在發(fā)送端引入干擾，并在接收端使用干擾消除技術(shù)，可以達到多用戶通信的信道容量極限。

非正交多址接入[2]目前主要通過發(fā)送端功率域非正交和碼域非正交技術(shù)實現(xiàn)，功率域非正交多址技術(shù)主要是由日本DoCoMo公司提出的NOMA[3]技術(shù)，而碼域非正交多址技術(shù)研究包括華為公司提出的SCMA[4]技術(shù)和中興公司提出的MUSA[5]技術(shù)。對NOMA技術(shù)的研究主要集中在兩用戶的功率分配和干擾消除接收機算法研究。而SCMA技術(shù)研究一方面是發(fā)送端復雜的稀疏碼星座設計，另一方面接收機采用MPA算法實現(xiàn)，尋求復雜度更低的簡化MPA算法也是研究重點。MUSA在發(fā)送端采用非正交碼擴頻，接收端采用串行干擾消除接收機[6]，實現(xiàn)較SCMA復雜度更低，而該項技術(shù)的難點及突破點在于接收端的干擾消除技術(shù)，所以本文著重對基于碼域非正交多址技術(shù)MUSA接收端干擾消除技術(shù)的性能進行研究。

1　非正交多址接入上行系統(tǒng)

1.1功率域非正交多址接入

NOMA[3,7]是在發(fā)送端主動引入干擾信息，在接收端采用串行干擾消除技術(shù)接收機。NOMA主要針對兩用戶場景進行研究。兩用戶在不同的信道條件下，對信道條件差的用戶分配較大的功率，對信道條件好的用戶分配較小的功率。然后將兩用戶的信息通過疊加編碼，占用相同的時頻資源進行發(fā)送。因為接收機對功率大的用戶更為敏感，所以對于信道條件差功率大的用戶，可以將功率小的另外一個用戶信息直接當做干擾進行解調(diào)獲得相應信息。而對于信道條件較好的用戶，分配功率較小，此時，在接收端采用干擾消除接收機，首先對功率較大的信息進行解調(diào)譯碼，然后重構(gòu)消除該用戶的信息，之后再解調(diào)得到所需用戶的信息。所以對于NOMA技術(shù)研究重點在于對兩用戶進行合理的功率分配和接收端的干擾消除技術(shù)。

1.2碼域非正交多址接入

碼域非正交多址技術(shù)是指多用戶通過碼域擴頻和非正交疊加在相同的時頻資源上發(fā)送信息，接收端通過線性處理和干擾消除技術(shù)來接收信息。對于發(fā)送端擴頻碼字設計，直接影響其非正交性能和接收機的復雜度。接收機的設計直接決定接收的性能。

SCMA在發(fā)送端采用高維星座調(diào)制技術(shù)和稀疏擴頻技術(shù)，通過設計發(fā)送端碼本，將用戶數(shù)據(jù)稀疏共享相同的時頻資源。發(fā)送端設計類似LDS稀疏碼的設計，接收端同樣采用消息傳遞算法(MPA),通過不斷的迭代來獲得用戶數(shù)據(jù)。但MPA算法實現(xiàn)復雜度較高，且需要不斷迭代過程來提高性能。

MUSA[6]是典型的碼域非正交接入技術(shù)，在發(fā)送端采用復數(shù)多元碼序列進行擴頻。在CDMA系統(tǒng)中，在發(fā)送端引入正交PN序列進行擴頻，在非正交系統(tǒng)中，擴頻若采用長PN序列，則會增加接收端處理復雜度，若采用短PN序列，其用戶之間低相關性又不能保證。此類序列即使很短時(如長度為8，甚至4時)，也能保持相對較低的互相關。且同一碼組中含有大量的碼元組合，可以滿足海量連接。例如，其中一類MUSA復數(shù)擴展序列，其序列中每一個復數(shù)的實部虛部取值于一個多元實數(shù)集合。甚至一種非常簡單的MUSA擴展序列，其元素的實部虛部取值于一個簡單三元集合{-1,0,1}，也能取得相當優(yōu)秀的性能。該簡單序列中元素相應的星座圖如圖1所示。

圖1　復數(shù)域多元碼星座圖

碼域非正交多址接入上行系統(tǒng)模型在發(fā)送端首先對用戶數(shù)據(jù)進行編碼，然后對編碼之后的數(shù)據(jù)進行非正交擴頻處理，再將擴頻后的數(shù)據(jù)疊加到相同的時頻資源上進行發(fā)送。而在接收端，首先對接收的數(shù)據(jù)進行線性處理，然后利用串行干擾消除技術(shù)依次檢測、重構(gòu)、消去，從而獲得用戶的信息。

2　干擾消除技術(shù)

干擾消除技術(shù)基本思想是首先對多址干擾做出估計，然后從接收數(shù)據(jù)中減去多址干擾，從而提高檢測的準確性。根據(jù)消去多址干擾的次序可以分為串行干擾消除和并行干擾消除[9]。串行干擾消除對干擾進行逐個消除，檢測性能較好，但是時延較大；并行干擾消除對接收數(shù)據(jù)干擾進行并行消除，進行迭代提高準確性，時延較小，但是實現(xiàn)復雜度較高。

2.1串行干擾消除

串行干擾消除[10-11]的基本思想是按照一定順序依次判決檢測各個用戶的數(shù)據(jù)，并將檢測出的數(shù)據(jù)依次消去，直至檢測出所有用戶的數(shù)據(jù)。首先對接收到的數(shù)據(jù)進行排序以便確定檢測順序，用戶的功率越大，越容易被接收機識別，所以可以選擇按照SINR進行排序，選出SINR最大的用戶。然后對SINR最大的用戶進行線性檢測，常用的線性檢測方案由于ZF和MMSE，根據(jù)檢測方式不同串行干擾方式還可以分為ZF-SIC和MMSE-SIC，ZF-SIC較MMSE-SIC實現(xiàn)簡單，但性能較差，本文選擇MMSE-SIC方式對用戶數(shù)據(jù)進行檢測。然后對檢測出的SINR最大的用戶數(shù)據(jù)進行解碼判決，若譯碼正確，則對譯出的碼進行重新編碼、擴展得到重構(gòu)的用戶數(shù)據(jù)，之后從接收到的數(shù)據(jù)中減去重構(gòu)數(shù)據(jù)，從而消除該數(shù)據(jù)對其他用戶數(shù)據(jù)的多址干擾；若譯碼錯誤，則不進行消除過程。然后再重復上述步驟，對剩余的數(shù)據(jù)進行SINR排序，選擇SINR最大的用戶數(shù)據(jù)，依次進行以上步驟，直至檢測出所有的用戶數(shù)據(jù)。由于接收機對功率大的用戶數(shù)據(jù)更為敏感，所以采用SINR排序方式，先消除SINR最大的數(shù)據(jù)，在消除SINR最大數(shù)據(jù)時，其他用戶數(shù)據(jù)干擾較小，這樣可以在保證用戶性能的同時獲得更高的信道容量[11]。

接收信號在頻域的表達式為：

(1)

式中，Hk為信道系數(shù)，Wk為非正交擴頻碼，Sk為編碼后的用戶信息，N為信道噪聲。

可以將其等效為：

(2)

圖2　MMSE-SIC流程圖

具體步驟如下：

③ 選取SINR最大的用戶K進行MMSE檢測；

④ 對檢測的結(jié)果進行譯碼判決，若判決正確，則重構(gòu)并減去用戶K的發(fā)送數(shù)據(jù)更新待檢測數(shù)據(jù)，若判決錯誤，不更新待檢測數(shù)據(jù)；

⑤ 重復步驟①～④。

2.2準并行干擾消除

2.2.1并行干擾消除過程

并行干擾消除[12-13]首先對接收到用戶的數(shù)據(jù)進行粗略檢測，然后將檢測的K個用戶數(shù)據(jù)作為第一次迭代的初始化數(shù)據(jù)，然后重構(gòu)出所有用戶數(shù)據(jù)的估計值。進一步檢測某一用戶數(shù)據(jù)時，將其他用戶數(shù)據(jù)的估計值從接收數(shù)據(jù)中減去，得到較為準確的信號，并進一步進行檢測過程，這樣可以并行處理，同時得到所有用戶數(shù)據(jù)的進一步估計值。為了提高準確度，通常進行反復迭代處理，最后一次迭代得到的數(shù)據(jù)即為檢測到的用戶數(shù)據(jù)。并行干擾消除實現(xiàn)復雜度較高，且需要反復迭代提高性能。但是并行干擾消除過程時延較小，結(jié)合串行干擾消除和并行干擾消除的優(yōu)點，提出準并行干擾消除算法，每次消除并行消除兩個較大的用戶數(shù)據(jù)，為了降低復雜度和時延，不進行迭代。

2.2.2準并行干擾消除處理過程

串行干擾消除技術(shù)在用戶數(shù)目較多時，逐個消除的方案會帶來較大時延，且每次消除之后都要對剩余用戶進行重新排序，運算復雜度較高。而并行干擾技術(shù)對多個用戶進行并行處理，時延較小，但是處理復雜度又過高，不適合5G通信場景。

所以本文提出準并行干擾消除方案，具體流程如圖3所示：在接收端首先對接收到的用戶進行SINR計算，選出SINR最大的兩個用戶K和J，對這兩個用戶分別進行并行的線性檢測、譯碼判決，然后進行判決，用戶K判決正確，則進行重構(gòu)消去K的數(shù)據(jù)，用戶J判決正確，則進行重構(gòu)消去J的數(shù)據(jù)，反之，判決錯誤，則不進行數(shù)據(jù)更新。這樣在硬件操作上可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)并行處理過程，大大縮短了檢測的時延。

圖3　準并行干擾消除流程圖

但是本方案還有不足，在傳統(tǒng)的MMSE-SIC過程，是對接收到的信號逐個消去，而改進后的處理過程，是對SINR最大的兩個用戶數(shù)據(jù)進行并行同時消去，這樣這兩個功率較大的用戶數(shù)據(jù)不能消除對方的多址干擾，性能會有所下降。

2.3改進干擾消除算法過程

對比MMSE-SIC和準并行干擾消除算法，MMSE-SIC對用戶數(shù)據(jù)逐個消除，誤差小，誤碼性能好，但是時延較大；而準并行干擾消除算法對兩個SINR最大的用戶進行并行消除，將時延縮短為50%，但是兩個SINR最大的用戶在進行檢測的過程中都會受到較大的干擾，所以性能較差。所以，提出一種自適應干擾消除算法，當用戶數(shù)目較少時，系統(tǒng)能夠忍受一定的時延，則選用MMSE-SIC方案來獲得好的誤碼性能，當用戶數(shù)目較多時，時延大，由于準并行干擾消除算法誤差較大，則設定消除用戶數(shù)目門限，小于該門限的用戶采用MMSE-SIC方案，大于該門限的用戶采用準并行消除方案，這樣在保證較小時延的其情況下相較于準并行干擾消除方案提升了性能。

3　仿真結(jié)果

對碼域非正交多址上行接入系統(tǒng)進行仿真，采用Turbo碼進行編碼，利用4元復數(shù)擴頻序列進行非正交擴頻，在接收端采用線性處理MMSE檢測和干擾消除接收機，仿真其在AWGN信道下的性能。

對MMSE-SIC、準并行干擾消除和改進的干擾消除方案分別進行仿真，得到結(jié)果如圖4所示。

圖4　MMSE-SIC準并行方案對比仿真

圖4給出BLER和系統(tǒng)過載率曲線圖，過載率的定義是系統(tǒng)用戶數(shù)目和擴頻碼長度的比值。在4元擴頻系列條件下，過載率為300%即是存在12個用戶?？梢钥闯觯瑐鹘y(tǒng)的MMSE-SIC方案在BLER為0.1時可以達到過載率為300%，而采用準并行干擾消除之后過載下降為200%，改進的干擾消除算法可以達到280%過載。改進的干擾消除算法在用戶負載較大時能保證性能較好，且減小了系統(tǒng)時延。

4　結(jié)束語

串行干擾消除在CDMA、LTE中都有應用，用于消除多用戶之間干擾。在非正交多址接入系統(tǒng)中，串行干擾消除技術(shù)無疑是接收機處理部分的最佳選擇。而面對較多用戶時較大的時延，系統(tǒng)是不可容忍的。準并行干擾消除降低了接近50%時延，但是性能下降較大。改進后的干擾消除算法，在用戶負載較小時采用MMSE-SIC方案，用戶負載較大時，對優(yōu)先消除的用戶采用MMSE-SIC，之后消除用戶采用并行兩用戶消除，這樣在用戶負載大的情況下，既保證了性能，又縮短了時延。

[1]Tse D,Viswanath P.Fundamentals of Wireless Communication[M].Cambridge :Cambridge University Press,2005.

[2]畢奇,梁林,楊姍,等.面向5G的非正交多址接入技術(shù)[J].電信科學,2015,31(5):14-21.

[3]Saito Y,Kishiyama Y,Benjebbour A,et al.Higuchi.Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) for Future Radio Access[C]//IEEE VTC Spring 2013,June 2013：1-5.

[4]Nikopour H,Baligh H.Sparse code multiple access[C]//Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC),2013 IEEE 24th International Symposium on.IEEE,2013:332-336.

[5]Nikopour H,Yi E,Bayesteh A,et al.SCMA for Downlink Multiple Access of 5G Wireless Networks[C]//Global Communications Conference.IEEE,2014:3940-3945.

[6]袁志鋒,郁光輝,李衛(wèi)敏.面向5G的MUSA多用戶共享接入[J].電信網(wǎng)技術(shù),2015(5)：28-31.

[7]張德坤.非正交多址系統(tǒng)功率分配及干擾消除算法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2015.

[8]Katayama H,Kishiyama Y,Higuchi,K.Inter-cell Interference Coordination Using Frequency Block Dependent Transmission Power Control and PF Scheduling in Non-orthogonal Access with SIC for Cellular Uplink[C]//Proceedings of 7th International Conference on Signal Processing and Communication Systems,Carrara,VIC,Italy,2013:1-5.

[9]姜曉琳,鄭黎明,王鋼,等.大規(guī)模MIMO中基于并行干擾消除多用戶檢測算法[J].無線電工程,2015,45(11):1-5.

[10]寇俊楠.LTE 鏈路接收端干擾消除技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學,2012.

[11]Madkour M F.Successive Interference Cancellation Algorithms for Downlink W-CDMA Communications[J].Wireless Communications,IEEE Transactions on,2002 (1):169-177.

[12]張東紅.CDMA多用戶檢測器線性統(tǒng)一模型與非線性改進算法研究[D].西安：西安電子科技大學,2010.

[13]阮賜朋.基于WCDMA的多用戶檢測算法的研究[D].武漢：武漢理工大學,2007.

Research on Interference Cancellation in Non-orthogonal Multiple Access System

GUO Yong-na,WANG Gang,ZHENG Li-ming,LIU Chun-gang

(Communication Research Center,Harbin Institute of Technology,Harbin Heilongjiang 150001,China)

Due tomass connectionsin5G mobile communication system,orthogonal multiple access can’t meet the requirement of higher channel capacity,then the research on non-orthogonal multiple access is needed.Firstly,the non-orthogonal multiple access is introduced.Multi-user data are not orthogonal,and occupy the same time-frequency resource for transmission.The core of the technology is the algorithm of the receiver.This paper mainly investigates interference cancellation algorithm.The MMSE-SIC receiver has good performance,but it brings great time delay when there are many users.Then the quasi parallel interference cancellationalgorithm with lower time delay is given,but the performance is bad.Finally,an improved interference cancellation algorithm is introduced.It has a littlecapacityloss,but reduces the time delaysignificantly when the user load is high.

Non-Orthogonal Multiple Access system; Successive Interference Cancellation;Quasi Parallel Interference Cancellation; MMSE

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.02

引用格式：郭永娜，王鋼，鄭黎明,等.5G非正交多址接入中干擾消除技術(shù)研究[J].無線電通信技術(shù),2016,42(5):06-09.

2016-05-13

國家自然科學基金項目(61401120)

郭永娜(1993—)，女，碩士研究生，主要研究方向：移動通信、物理層網(wǎng)絡編碼。王鋼(1962—)，男，教授，博士生導師，主要研究方向：信源信道編碼、物理層網(wǎng)絡編碼。

TN919.23

A

1003-3114(2016)05-06-4