非正交多址接入的關(guān)鍵技術(shù)研究

肖可鑫+夏斌+陳智勇

摘要：從負(fù)載能力、接收機復(fù)雜度、編碼方式等方面對比了3種典型的非正交多址接入（NOMA）技術(shù)，并通過仿真驗證了其傳輸可靠性。仿真結(jié)果顯示：稀疏編碼多址接入（SCMA）具有最好的誤碼性能，而多用戶共享接入（MUSA）和圖樣分割多址接入（PDMA）的誤碼性能相似。此外，還指出了NOMA技術(shù)的未來研究方向。

關(guān)鍵詞： NOMA；SCMA；MUSA；PDMA

Abstract：In this paper， three dominant non-orthogonal multiple access （NOMA） schemes are compared， including sparse code multiple access （SCMA）， multi-user shared access （MUSA） and pattern division multiple access （PDMA）. And the transmission reliability of NOMA schemes are corroborated through the simulation experiments. It shows that SCMA outperforms the other schemes in terms of bit error rate （BER） while MUSA and PDMA achieve almost the same BER results. Moreover， the future research direction of NOMA is also pointed out in the end.

Key words：NOMA； SCMA； MUSA； PDMA

移動互聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，對未來移動網(wǎng)絡(luò)提出了更高的需求。爆發(fā)式增長的數(shù)據(jù)流量給有限的頻譜資源帶來了極大的挑戰(zhàn)；同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，第5代移動通信（5G）急需解決海量終端同時可靠接入的問題。

為提高無線通信系統(tǒng)的用戶容量/數(shù)量，一個常規(guī)辦法是增加系統(tǒng)的資源，如更多的頻譜資源、更大的發(fā)射功率資源、更密集的小區(qū)數(shù)目和更多的傳輸天線等空間維度的資源。但因頻譜資源稀缺，低無線輻射要求，小區(qū)站址有限且難以增加，以及天線物理實現(xiàn)復(fù)雜等而面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。另一個方法則是從多址接入技術(shù)入手，通過優(yōu)化現(xiàn)有多用戶分享資源的方式獲得系統(tǒng)可同時支持用戶數(shù)量的提升。多址接入技術(shù)在無線通信領(lǐng)域具有至關(guān)重要的研究意義，其技術(shù)手段隨著通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而不斷更新?lián)Q代。目前多址接入技術(shù)分為正交多址（OMA）和非正交多址（NOMA）兩類。常用的頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）等OMA方案可以保證不同用戶信號間嚴(yán)格的正交性，避免多址干擾。但是正交方案也存在頻譜效率偏低的劣勢，雖然正交方案中的正交頻分多址（OFDMA）技術(shù)可以利用重疊子載波的方法提高頻譜效率，其依然很難達(dá)到最大香農(nóng)容量界，需要通過在相同的時頻資源上給不同用戶分配非正交的波形來達(dá)到更大的容量[1]。結(jié)合先進(jìn)的多用戶檢測技術(shù)，NOMA可以在有效提高頻譜效率的同時，容納更多的接入用戶。

近年來的NOMA接入技術(shù)在理論研究和實現(xiàn)技術(shù)等方面不斷前進(jìn)，取得了一些階段性成果。大部分都集中在稀疏擴(kuò)頻碼分多址（LDS）[2]、稀疏編碼多址（SCMA）技術(shù)[3-6]、多用戶共享接入（MUSA）[7]、圖樣分割多址接入（PDMA）[8-11]等技術(shù)研究。NOMA接入技術(shù)由于可支持用戶數(shù)量遠(yuǎn)大于以往碼分多址（CDMA）這類OMA技術(shù)的用戶數(shù)量，且能部分獲得之前OMA技術(shù)所忽略的編碼增益，被視為未來支持海量移動終端的候選技術(shù)之一。

1 SCMA

1.1 系統(tǒng)模型

SCMA接入技術(shù)包含兩類主要技術(shù)：LDS和SCMA。LDS是一種特殊的CDMA，其特殊之處在于LDS的擴(kuò)頻碼字中存在一部分0元，使得在接收端能夠采用低復(fù)雜度的解調(diào)算法。一個CDMA編碼器利用正交碼字將正交幅度調(diào)制（QAM）符號擴(kuò)展成復(fù)數(shù)符號序列，因此CDMA調(diào)制器可以看作是把二進(jìn)制比特映射成復(fù)數(shù)域符號序列的過程。從這個角度來看，不同于LDS的是，SCMA將QAM映射模塊和CDMA編碼模塊有機地結(jié)合在一起，直接將比特序列（向量）映射成發(fā)送復(fù)符號序列（向量）。正是這種高維碼本的設(shè)計使得SCMA可以獲得星座的成形增益。整個過程可以描述成一個從二進(jìn)制域到高維復(fù)數(shù)域的編碼過程，如圖1所示。也就是說SCMA在發(fā)送端將編碼比特直接映射為復(fù)數(shù)域的多維碼字，不同用戶的碼字在相同的時頻資源上以擴(kuò)頻的方式非正交疊加。同時在接收端，對于SCMA的擴(kuò)頻是稀疏的，它可以采用低復(fù)雜度的消息傳遞算法（MPA）去近似最優(yōu)的最大后驗多用戶檢測，從而可以可靠的對非正交用戶進(jìn)行譯碼。這種擴(kuò)頻會使得系統(tǒng)得到擴(kuò)頻增益/分集增益，使鏈路有更好的性能。

1.2 技術(shù)特點

首先，SCMA的碼本能夠靈活地設(shè)計。SCMA碼本靈活設(shè)計的好處在于，未來不同的系統(tǒng)場景會有不同的系統(tǒng)性能要求，SCMA碼本設(shè)計提供了非常豐富的優(yōu)化維度，包括：碼字?jǐn)?shù)量、擴(kuò)頻長度以及非零碼字的個數(shù)。這樣就可以從覆蓋、連接數(shù)，以及容量等一些不同的系統(tǒng)衡量維度，針對不同場景進(jìn)行設(shè)計。對于覆蓋要求高的場景，如語音業(yè)務(wù)，我們可以使這些用戶連接到更多的資源塊上，增加碼本中非零元素的個數(shù)，這樣做可以使得系統(tǒng)的誤碼率得到降低，并且整個系統(tǒng)可容納的用戶數(shù)也將提高；對于連接性要求高的場景，如數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)或者小包業(yè)務(wù)，不要求較低的誤碼率和抗干擾性，我們可以減少連接到資源塊上的用戶個數(shù)，降低碼本中非零元素的個數(shù)，這樣可以提高傳輸?shù)乃俾?，增強對于小包業(yè)務(wù)的支持。

其次，由于SCMA碼字的稀疏性，接收端可以采用低復(fù)雜度算法，如利用MPA來近似解調(diào)各個用戶的數(shù)據(jù)。由于MPA利用迭代求解，可以利用迭代特性，結(jié)合信道編碼實現(xiàn)Turbo譯碼，在提高性能的同時把解調(diào)復(fù)雜度控制在一定范圍內(nèi)。

此外，SCMA從平均能量效率角度來看，在高信噪比（SNR）條件下比增強長期演進(jìn)（LTE-A）系統(tǒng)的平均能量效率高。由于SCMA具有正交性，能讓更多的用戶利用基站能量，因此用戶數(shù)量大時比OMA接入能量效率更高。

2 MUSA

2.1 系統(tǒng)模型

MUSA是另外一種基于復(fù)數(shù)域多元碼的上行NOMA接入技術(shù)，適用于免調(diào)度的多用戶共享接入方案，非常適合低成本、低功耗實現(xiàn)5G海量連接。MUSA原理如圖2所示。首先，各接入用戶使用易于串行干擾抵消（SIC）接收的，具有低互相關(guān)性的復(fù)數(shù)域多元碼擴(kuò)頻序列，將其調(diào)制符號進(jìn)行擴(kuò)展；然后，各用戶擴(kuò)展后的符號可以在相同的時頻資源里發(fā)送；最后，接收側(cè)使用線性處理加上碼塊級SIC來分離各用戶的信息。擴(kuò)展序列會直接影響MUSA的性能和接收機復(fù)雜度，是MUSA的關(guān)鍵部分。如果像傳統(tǒng)直接序列碼分多址 （DS-CDMA）（如IS-95 標(biāo)準(zhǔn)）那樣使用很長的偽隨機（PN）序列，那序列之間的低相關(guān)性是比較容易保證的，而且可以為系統(tǒng)提供一個軟容量，即允許同時接入的用戶數(shù)量（即序列數(shù)量）大于序列長度，這時系統(tǒng)相當(dāng)于工作在過載的狀態(tài)。我們將同時接入的用戶數(shù)與序列長度的比值稱為負(fù)載率，負(fù)載率大于1即為過載。

長的PN序列雖然可以提供一定的過載容量，但是在5G海量連接這樣的系統(tǒng)需求下，系統(tǒng)過載率往往是比較大的，在大過載率的情況下，采用長PN序列常常使得串行干擾抵消過程復(fù)雜和低效。在上行鏈路中，MUSA使用特殊設(shè)計的的復(fù)數(shù)域多元碼（序列）來作為擴(kuò)展序列，此類序列即使很短（往往小于10個碼片），也能保持相對較低的互相關(guān)。例如，其中一類MUSA復(fù)數(shù)擴(kuò)展序列，其序列中每一個復(fù)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3元MUSA擴(kuò)展序列，其每一個碼片元素取值于一個簡單3元集合{-1，0，1}，也能取得相當(dāng)優(yōu)秀的性能。

2.2 技術(shù)特點

由于MUSA采用復(fù)數(shù)域的多元擴(kuò)頻碼序列，同時在接收端采用先進(jìn)的SIC接收機，MUSA可以支持相當(dāng)多的用戶在相同的時頻資源上共享接入，并逼近多址接入信道的容量域邊界。在上行場景中，這些大量共享接入的用戶都可以通過隨機選取擴(kuò)展序列，然后將其調(diào)制符號擴(kuò)展到相同時頻資源的方式來實現(xiàn)。MUSA可以讓大量共享接入的用戶隨機發(fā)送，無數(shù)據(jù)時則深度睡眠，而不需要先通過資源申請、調(diào)度、確認(rèn)等復(fù)雜的控制過程才能接入。這個免調(diào)度過程在海量連接場景尤為重要，能極大減輕系統(tǒng)的信令開銷和實現(xiàn)難度。同時，MUSA可以放寬甚至免除嚴(yán)格的上行同步過程，只需要實施簡單的下行同步。最后，存在遠(yuǎn)近效應(yīng)時，MUSA還能利用不同用戶到達(dá)SNR的差異來提高SIC分離用戶數(shù)據(jù)的性能，即也能如傳統(tǒng)功率域NOMA那樣，通過對強信道用戶先解碼來消除其對另一個用戶造成的干擾。從另一角度看，這樣可以減輕甚至免除嚴(yán)格的閉環(huán)功率控制過程。所有這些為低成本、低功耗實現(xiàn)海量連接提供了堅實的基礎(chǔ)。

從5G海量連接的角度，對MUSA和傳統(tǒng)功率域NOMA做一些比較：首先，NOMA不需要擴(kuò)頻，而MUSA上行非正交擴(kuò)頻即使實部和虛部都限制在最簡單的3值集合{-1，0，1}，也可以有足夠多的低互相關(guān)碼；其次，兩者都使用干擾消除技術(shù)，但NOMA不適合免調(diào)度場景，MUSA適合免調(diào)度場景（利用擴(kuò)頻碼的隨機性去估計用戶接入情況的稀疏向量）；最后，在免調(diào)度場景下，NOMA的分集增益不如MUSA。

3 PDMA

3.1系統(tǒng)模型

圖樣分割多址接入技術(shù)是基于發(fā)送端和接收端的聯(lián)合設(shè)計的新型NOMA技術(shù)。在發(fā)送端，在相同的時、頻域資源內(nèi)，將多個用戶信號進(jìn)行功率域、空域、編碼域的單獨或聯(lián)合編碼傳輸；在接收端，采用SIC接收機算法進(jìn)行多用戶檢測，逼近多用戶通信的信道容量域。

PDMA的基本原理可以用等效分集度來進(jìn)行解釋。按照垂直貝爾實驗室空時結(jié)構(gòu)（V-BLAST）系統(tǒng)的理論，第i層干擾抵消能夠獲得的等效分集度，其中表示接收分集度，表示發(fā)送分集度[8]。對于使用SIC方式進(jìn)行檢測的NOMA接入系統(tǒng)，因各個用戶處于不同的檢測層，為了保證多用戶在接收端檢測后能夠獲得一致的等效分集度，就需要在發(fā)送端為多用戶設(shè)計不一致的發(fā)送分集度。如圖3所示，發(fā)送分集度可以靈活地在功率、空間、編碼等多種信號域進(jìn)行構(gòu)造。

在發(fā)送端，多個用戶采用適宜干擾抵消接收機算法的特征圖樣進(jìn)行區(qū)分，PDMA進(jìn)行多用戶圖樣設(shè)計時，針對不同信號域特征采用不同的方式。在進(jìn)行功率域圖樣設(shè)計時，會增加功率和相位旋轉(zhuǎn)因子；在進(jìn)行空域圖樣設(shè)計時，會在多天線上進(jìn)行天線映射，并與預(yù)編碼矩陣進(jìn)行結(jié)合，如圖4所示；在進(jìn)行編碼域圖樣設(shè)計時，會基于編碼矩陣考慮不同延遲的信道編碼等。在接收端，對多用戶采用低復(fù)雜度、高性能的SIC算法實現(xiàn)多用戶檢測。與該技術(shù)框架相對應(yīng)，相對于正交系統(tǒng)，PDMA在發(fā)送端增加了圖樣映射模塊，在接收端增加了圖樣檢測模塊。

PDMA的接收端分為兩個部分，分別是前端檢測模塊和基于SIC的檢測模塊。其中，前端檢測模塊包含特征圖樣模式配置解析模塊、功率圖樣提取模塊、編碼域圖樣提取模塊和空間域圖樣提取模塊。在特征圖樣模式配置解析模塊通過控制信令控制不同圖樣提取模塊。通過前端檢測模塊，可以提取出不同用戶圖樣編碼特征，然后采用低復(fù)雜度的準(zhǔn)最大似然檢測算法來實現(xiàn)多用戶的正確檢測接收。

3.2 技術(shù)特點

PDMA是一種新型NOMA接入技術(shù)，它充分利用多維度處理，從而具有使用范圍更大，編譯碼靈活度高，處理復(fù)雜度較低等優(yōu)點。PDMA能夠普適地應(yīng)用于面向5G的典型場景，包括提升頻譜效率、系統(tǒng)容量的連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量場景，提升接入用戶數(shù)，降低時延的移動物聯(lián)網(wǎng)場景。PDMA是一種提高頻譜效率和增加接入用戶數(shù)的有效技術(shù)?？梢灶A(yù)見：在未來的5G標(biāo)準(zhǔn)化推動過程中，PDMA技術(shù)將發(fā)揮重要貢獻(xiàn)。

PDMA考慮采用多個用戶在相同資源上重疊發(fā)送，即采用NOMA接入方式，在接收端采用更復(fù)雜的檢測算法來實現(xiàn)用戶的正確檢測。NOMA接入技術(shù)的引入來源于器件的進(jìn)步和非線性檢測技術(shù)的發(fā)展。理論上，基于SIC的非線性多用戶檢測，無論在上行還是下行，都能夠達(dá)到香農(nóng)容量的極限。

以長期演進(jìn)（LTE）正交方式作為參照，在相同時頻資源上PDMA可以復(fù)用相對于正交方式不同倍數(shù)的用戶，通常簡稱為系統(tǒng)負(fù)荷。無論從誤塊率和吞吐量來看，PDMA相比LTE正交都能有顯著的增益，并且這種增益在低信噪比情況下更加明顯。對于下行功率受限的系統(tǒng)，用戶間的大尺度衰落差值對性能影響比較大，通常多用戶功率差值越大，性能增益越明顯。

4 技術(shù)特點分析和仿真

性能對比

相對于OFDMA技術(shù)，NOMA接入技術(shù)能夠在系統(tǒng)容量和系統(tǒng)頻譜效率上得到性能的增益。表1展示的是3種不同多址接入技術(shù)的特征和優(yōu)劣勢的比較。

通過仿真實驗，我們可以對比這幾種多址接入技術(shù)的誤碼性能。對于仿真中，信道為瑞麗衰落信道，采用正交相移編碼（QPSK）調(diào)制方式，6個傳輸符號，4個正交資源，過載因子為150%。仿真的結(jié)果如圖5所示。

從仿真的結(jié)果中可以看出，SCMA有最好的誤碼率（BER）性能，這是由于SIC對系統(tǒng)的性能有較為劇烈的影響。另一方面，當(dāng)PDMA采用和SCMA相同的因子圖時，SCMA的性能仍然好于PDAM，原因在于SCMA有更接近最優(yōu)的稀疏碼字設(shè)計，更利于性能的提升。

5 結(jié)束語

綜上所述，我們討論分析了3種典型NOMA技術(shù)：SCMA、MUSA和PDMA，定性地闡述了3種系統(tǒng)的收發(fā)機理、系統(tǒng)模型以及關(guān)鍵特點，同時我們從負(fù)載能力、接收機復(fù)雜度、編碼方式等方面對3種技術(shù)進(jìn)行了橫向地對比，并通過誤碼性能仿真驗證了以上技術(shù)的傳輸可靠性。根據(jù)分析結(jié)果表示，得益于高維碼本的優(yōu)化設(shè)計和近似最優(yōu)MPA的多用戶檢測，SCMA展現(xiàn)出了最好的誤碼性能，而MUSA和PDMA具有十分相似的誤碼性能。更進(jìn)一步，我們分析并指出了每種技術(shù)現(xiàn)存的問題以及未來的改進(jìn)方向，例如MC-LDSMA系統(tǒng)的高維碼本設(shè)計與低復(fù)雜度的MPA多用戶檢測的性能折中，MUSA的低相關(guān)序列設(shè)計以及PDMA的非正交模式設(shè)計等。

通過對現(xiàn)有NOMA技術(shù)的對比分析，我們發(fā)現(xiàn)其仍然缺少足夠的理論指引，同時相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則以及編碼方案大多僅考慮理想的信道模型和固定的用戶業(yè)務(wù)請求，這對于實際的資源調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化會造成一定程度的失配。我們將問題和展望總結(jié)如下：

（1）基于新型編碼調(diào)制技術(shù)的NOMA網(wǎng)絡(luò)的容量極限尚不明確。

（2）現(xiàn)有部分NOMA是多用戶區(qū)分機制未從理論上充分考慮編碼增益、成形增益等增益挖掘；而最新考慮了編碼增益的新型多維空間稀疏編碼調(diào)制多址接入方案也仍尚缺理論上原理性的指導(dǎo)，亟需從理論上開展研究，提供相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則和編碼調(diào)制、多用戶映射方案。且現(xiàn)有方案均未考慮成形損失而進(jìn)行優(yōu)化。

（3）網(wǎng)絡(luò)資源分配和調(diào)度時未考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、信道的隨機性，以及用戶業(yè)務(wù)接入請求的多樣性和動態(tài)性。

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