免調度非正交多址技術及其接收機設計

邱剛 田力 王沙 袁志鋒

摘要：主要探討5G非正交多址（NOMA）及相應的接收機設計。NOMA在與免調度傳輸結合時，其收發(fā)機的設計除了需要考慮多用戶干擾抑制及分集增益的最大化以外，還需要考慮實際的用戶檢測和識別以及存在碰撞情況下的非理想信道估計。在經典的最小均方誤差估計結合串行干擾消除（MMSE-SIC）接收機算法基礎上，針對幾種不同的免調度實現(xiàn)方案給予相應的解決方案。仿真結果表明：所提方案在誤差傳播抑制和復雜度降低等方面均有較好的性能增益，在實際系統(tǒng)中可以同時滿足免調度及高過載的業(yè)務需求。

關鍵詞： NOMA；免調度傳輸；海量機器類通信（mMTC）

Abstract： 5G Non-Orthogonal Multiple Access （NOMA） and the associated receiver design are discussed in this paper. When NOMA is combined with non-scheduled transmission， the suppression of multi-user interference and the maximization of diversity gain should be considered for the design of transceiver. It is also necessary to consider the realistic user detection， identification and the non-ideal channel estimation under contention-based transmission. Based on the classical minimum mean square error - successive interference cancellation （MMSE-SIC） receiver algorithm， the corresponding solutions are given for several different implementation schemes. Simulation results demonstrate that the system performance in terms of error propagation minimization and complexity reduction can be enhanced， and the true grant-free transmission and high overloading capability can be achieved.

Key words： NOMA； grant-free transmission； massive machine-type-communications （mMTC）

與長期演進（LTE）類似，第5代通信系統(tǒng)（5G）仍然首選正交多址作為基本的多址方式，但與此同時非正交多址（NOMA）也受到廣泛的關注和研究，在第3代合作伙伴項目（3GPP）Rel.15中成功立項并有望在1～2 Y內完成標準化[1]。與正交多址相比，非正交多址可以在上下行系統(tǒng)容量、接入能力等方面提供性能增益[2-4]。此外，上行NOMA技術天然容易與免調度接入相結合，進一步降低系統(tǒng)接入時延、信令開銷以及終端功耗等[5-6]。

在基于免調度的接入假設下，用戶終端（UE）可以自發(fā)地進行上行傳輸，而不需要發(fā)起調度請求等待調度，因此可以節(jié)省信令開銷并降低時延和功耗。由于UE自發(fā)地進行上行傳輸，多個用戶之間不可避免會形成競爭接入。雖然可以通過預配置或預留資源的方式避免競爭，但在一般情況下由于基站對UE何時會發(fā)起免調度傳輸并不知情，資源利用率會相對較低，因此采用競爭接入的方式更為合適。NOMA技術的優(yōu)勢就在于：即使多個用戶共享同一份資源并在相同的資源上進行，采用先進接收機仍可以實現(xiàn)多用戶分離及成功解調。免調度和非正交多址的結合作為一種通用技術適用于多種場景，例如：針對海量機器類通信（mMTC）可以增加用戶連接數(shù)及系統(tǒng)容量；對于高可靠低時延（uRLLC）業(yè)務可以降低時延及頻譜效率，并能使移動寬帶中的小包業(yè)務降低功耗，使初始接入由傳統(tǒng)的4步簡化為2步（2-step RACH）等[7-8]。

一個典型的NOMA系統(tǒng)設計包括發(fā)射端處理和高級接收機設計。如圖1所示，通常發(fā)射端是采用低碼率編碼、比特級交織或加擾，或符號級擴展等方式降低用戶譜效，從而在復用更多用戶的同時減輕用戶間的干擾，進而使得接收端可以利用先進接收機進行多用戶分離。典型的接收機包括基于最小均方誤差和串行干擾消除（MMSE-SIC）的接收機、基于匹配濾波和串行干擾消除（MF-SIC）的接收機、基于最大似然（ML）的接收機，以及基于消息傳遞算法（MPA）的接收機等[9-10]。接收機的選擇與發(fā)射端的處理密切相關。

接收機的設計對NOMA系統(tǒng)尤其是其硬件實現(xiàn)的可行性和復雜度至關重要，在真實的免調度系統(tǒng)中接收機設計除了多用戶檢測算法的理論推導以外，還需要考慮很多實際因素，例如：非理想的用戶識別、非理想信道估計、時頻和頻偏估計、復雜度降低等。

1 免調度NOMA接入技術 的不同實現(xiàn)方案

1.1 基于SPS的免調度方案

基于半靜態(tài)調度（SPS）的免調度傳輸主要應用于無線資源控制（RRC）連接態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸，典型的應用有網絡電話（VoIP）業(yè)務以及uRLLC業(yè)務，其主要特點為UE的時頻資源是周期性預配置好的，如圖2所示，因此對于每一次的上行傳輸不需要發(fā)起調度請求，可以節(jié)省信令開銷和傳輸時延。基于SPS的免調度傳輸與NOMA技術的結合可以進一步提高資源利用率和頻譜效率，尤其是針對非周期業(yè)務而言。當多個UE共享相同的物理資源時，一般可以通過預配置的參考信號（RS）資源進行用戶識別。由于VoIP或是uRLLC業(yè)務的用戶負載一般相對較小，因此復用在相同時頻資源的UE可以配置正交的RS序列。由于每個UE資源配置的周期可以很小，所以其等待傳輸機會的時延也是相對可以接受的。對于節(jié)點（gNB）而言，每個時頻資源上的潛在復用用戶數(shù)是配置好的，但是每個發(fā)送時刻真實發(fā)起上行傳輸?shù)挠脩魯?shù)取決于用戶自己是否有緩存數(shù)據(jù)，因此接收端需要對活躍的UE進行盲檢測。

當業(yè)務對接入連接數(shù)或用戶負載非常高時，例如：在mMTC場景下，基于SPS的免調度傳輸方式則不太適用，因為：由于mMTC場景單小區(qū)需要支持的UE數(shù)目巨大（百萬級），且RS序列數(shù)量有限（通常只有幾個到幾十個），所以很難通過周期性預配置的方式來避免所有用戶的RS碰撞。另外，當潛在接入用戶數(shù)目太大時，為了最小化RS碰撞的影響，SPS資源分配的周期會非常長，由此導致資源利用率過低，尤其是對于mMTC中大部分用戶都是偶發(fā)小包的非周期性業(yè)務和大規(guī)模連接的情況下，會存在如下問題：

很難滿足mMTC業(yè)務延遲需求；

很難進行混合自動重傳請求（HARQ）重傳；

很難支持mMTC業(yè)務的各種數(shù)據(jù)包大?。?/p>

精準的定時需求或在接收下行同步信號預分配之前的很長一段時間內UE必須處于喚醒狀態(tài)，較難符合低能耗需求。

另外，對于移動用戶存在小區(qū)切換狀態(tài)下，相鄰的多個小區(qū)需要同時給該用戶預留周期性的資源，這進一步提高了每個小區(qū)潛在的接入用戶數(shù)，增加了預配置的難度。

1.2 基于前導或RS的免調度方案

由上節(jié)分析可以推斷出：當業(yè)務負載過高時UE資源間的碰撞幾乎是不可避免的，此時可以采用UE隨機選擇資源的方式減少不必要的信令開銷和等待時延，這里的資源包括時頻資源和RS序列。

為了便于UE識別和信道估計，可以考慮如圖2所示的前導序列加數(shù)據(jù)信道結構。前導序列可以認為是一種特殊的RS，用于識別不同的用戶，例如：基于Zadoff-Chu（ZC）序列可以作為前導序列設計的出發(fā)點，其已廣泛應用于物理隨機接入信道（PRACH）、SRS和多用戶多入多出（MU-MIMO）的解調參考信號（DMRS）中。為了克服mMTC用戶同步不精準的問題，前導可以采用與數(shù)據(jù)部分不同的子載波間隔，用以增加時偏估計的范圍，提升同步性能。

當用戶負載較高時，為了減少碰撞概率，即避免相同時頻資源上共享的多個UE選擇同樣前導序列，前導序列的資源池應該設計得足夠大。值得注意的是：ZC序列池的大小又受限于前導序列的長度。另一方面，為了保證信令開銷在可接受的范圍內，前導序列不能過長，因此ZC序列池大小是有限的。此外，多用戶盲檢測的復雜度與序列池大小成正相關的關系，即隨著序列池大小的增長，多用戶盲檢測復雜度也線性增加?？傊?，在前導加數(shù)據(jù)的解決方案中，前導的設計是至關重要的，應該折衷考慮帶寬、子載波間隔、根序列長度、循環(huán)移位等參數(shù)間的權衡。

1.3 基于純數(shù)據(jù)的免調度方案

上述兩種方案都依賴于基于前導或參RS的用戶識別，由于RS的資源數(shù)往往是有限的，因此對于用戶隨機選擇資源的免調度系統(tǒng)來說其性能會不可避免地受到碰撞的影響。另一種可以嘗試的方案是：不依賴RS而進行盲的用戶識別，其思想主要是盡可能利用數(shù)據(jù)本身和調制符號星座圖統(tǒng)計特征來支持免調度和多用戶盲檢測。多用戶盲檢測是指當兩個UE選擇相同的物理資源時，仍可以對具有較高信號與干擾加噪聲比（SINR）的強用戶進行解碼，主要是利用擴展碼和星座圖的先驗信息和接收信號統(tǒng)計特征對強用戶數(shù)據(jù)符號星座圖的變化進行盲估計和盲均衡，從干擾信號中恢復強用戶信號從而成功解碼。此時數(shù)據(jù)中最好明確含有UE ID，一旦數(shù)據(jù)解碼成功，便可以實現(xiàn)UE識別。由于沒有RS，其初始盲信道估計的準確性也較為受限，但成功解碼后的數(shù)據(jù)還可進一步用于優(yōu)化信道估計，通過碼字級干擾消除最小化誤差傳播，同時也可以用于解碼具有較低SINR的UE。基于純數(shù)據(jù)的免調度解決方案的優(yōu)勢有：可以省去前導或DMRS的開銷，提升系統(tǒng)頻譜效率；由于系統(tǒng)性能不受前導或參考信號資源數(shù)的限制，可以實現(xiàn)更高的過載能力。

2 接收機設計

2.1 傳統(tǒng)的MMSE-SIC

傳統(tǒng)的碼字級MMSE-SIC 接收機主要應用于基于理想UE識別，即當多用戶的資源（時頻資源、擴頻序列、RS序列）均由基站預配置時的NOMA方案中。接收機處理過程如下。

在該用戶信號經過信道譯碼和循環(huán)冗余校驗（CRC）校驗并譯碼成功后，會進行串行干擾消除（SIC）的流程，即對該用戶信號進行重構，再從接收到的總信號中消除重構的信號，然后嘗試對SINR次高的用戶進行均衡和譯碼，以此類推直到所有用戶都成功譯碼，或所有的剩余用戶都無法譯碼正確。

2.2 傳統(tǒng)MMSE-SIC的改進

（1）串并聯(lián)合干擾消除（HIC）

HIC是一種結合SIC和并行干擾消除的改進方案，其接收機流程如圖3所示。與單純的SIC流程相比，HIC會根據(jù)公式（5）中統(tǒng)計的SINR的大小，嘗試對具有較高SINR的多個用戶并行進行解碼，而不是逐一解碼用戶。在大多數(shù)情況下，HIC可縮短處理延遲。與傳統(tǒng)的SIC相比，由于每個用戶有多個解碼機會，所以綜合譯碼性能可以得到提升。

（2）數(shù)據(jù)輔助的信道估計改進

由于非理想的信道估計會導致干擾消除存在殘余誤差，即譯碼正確的信號無法完美重構及消除，尤其是較高功率UE的殘留信號將對弱功率UE造成干擾，因此誤差傳播對于SIC接收機是至關重要的。本小節(jié)介紹一種利用譯碼正確的用戶數(shù)據(jù)進行信道估計增強的方案。

（3）復雜度降低

一般來講，MMSE-SIC接收機的復雜度相對于最大似然估計類接收機是比較低的，它的復雜度隨著UE數(shù)量呈線性增長。由上述公式可以看出：MMSE-SIC的復雜度主要源于矩陣求逆。矩陣求逆在某些情況下，如擴頻長度太長或者有接收天線太多時，可能會非常高。在這種情況下，我們可以利用MMSE矩陣的復對稱性，在不降低準確性的前提下，通過增量矩陣求逆技巧諸如Sherman-Morrison公式[11]或其他的降維算法，降低矩陣求逆的復雜度。

此外，傳統(tǒng)碼字級MMSE-SIC需要計算每個符號的協(xié)方差矩陣并對每個符號進行相應的矩陣逆處理。事實上，在NOMA的典型應用場景如mMTC或URLLC場景中，用戶的移動速率較低，而且包不會很大，因此大多數(shù)情況下數(shù)據(jù)包在時域的信道變化很小。公式（4）中的協(xié)方差矩陣可以通過在多個符號上進行平均得到，不需要逐符號進行求逆操作，從而可以在保證較小的損失精度下進一步減少矩陣求逆數(shù)，降低MMSE-SIC接收機復雜度。

2.3 基于前導/RS方案的接收機處理

與傳統(tǒng)的基于理想用戶發(fā)現(xiàn)的MMSE-SIC相比，在基于前導或RS的傳輸方案中，接收機需要額外考慮基于前導/RS的實際用戶檢測和識別。

對于前導和數(shù)據(jù)一次性傳輸?shù)姆桨?，其接收機流程如圖4所示。首先需要完成前導序列的盲檢測，其中前導序列資源池是預定義的，例如：前導序列采用ZC序列，則可以使用諸如根索引、循環(huán)移位（CS）、正交碼（OCC）或頻分復用（FDM）的相關參數(shù)用作區(qū)分用戶的前導ID。可通過序列滑動窗相關，將相關峰值與一定虛警率下的門限值進行對比，檢測該用戶是否激活。一旦識別了用戶的前導ID，則可以根據(jù)預定義的映射規(guī)則來確定該UE所使用的擴頻序列。檢測到的UE數(shù)、識別出的擴頻序列，以及基于前導序列的信道估計將用于后續(xù)MMSE-SIC接收機的處理，該部分與圖1所示的傳統(tǒng)MMSE-SIC的數(shù)據(jù)處理過程類似。

關于免調度傳輸應該考慮的實際問題應包括：

（1）虛警率。由于gNB不知道UE實際選擇的前導序列，所以前導檢測到的UE數(shù)可能大于實際發(fā)送的UE數(shù)。此時，gNB便會在MMSE-SIC過程中嘗試解碼虛警用戶，這就引入了額外的復雜度。由于虛警用戶的信道估計和SINR通常很低，對協(xié)方差矩陣的計算和實際發(fā)送用戶的信道均衡影響幾乎可以忽略不計，因此總體的接收機性能不會受影響。

（2）漏檢率。漏檢率又分為2種：由低信噪比引起的漏檢。在這種情況下，前導檢測到的用戶數(shù)小于實際發(fā)送的UE數(shù)，基站接收端不會對漏檢用戶進行數(shù)據(jù)譯碼的嘗試，因而漏檢用戶的數(shù)據(jù)就認為是丟包了。對于其他正確檢測出的用戶來說，由于漏檢用戶的信道未知，其干擾無法通過MMSE均衡掉，所以整體性能也會有所影響。同時漏檢用戶的信噪比（SNR）通常也是比較低的，所以漏檢對其他UE的解調性能影響不大。另一種為由碰撞引起的漏檢，即如果兩個或兩個以上的UE選擇相同的前導序列，則最多只有一個前導序列ID被檢測到，這意味著將只有一個用戶可能被檢出。同時其相應的信道估計表現(xiàn)為多個UE信道響應之和，從而會導致干擾難以消除而引起系統(tǒng)性能的顯著下降。

基于以上分析，前導或RS的碰撞對免調度NOMA的傳輸性能有著重要的影響。一個可行的思路是通過SIC減輕前導序列碰撞問題，即當發(fā)生碰撞時（雖然gNB不知道前導是否碰撞，但gNB可假定檢測到的前導序列總是被多個用戶共享），如果其中一個強用戶仍能夠成功譯碼，則可通過如2.2節(jié)中所述的方法利用譯碼正確的數(shù)據(jù)對該用戶的信道估計進行增強，然后重構并消除該用戶的信號，gNB將嘗試利用相同的前導序列在殘留信號中尋找之前因為碰撞被覆蓋掉的漏檢用戶。

2.4 盲MMSE-SIC檢測

純數(shù)據(jù)解決方案的接收機過程參見圖5。由于沒有用于用戶識別的參考信號，所以需要對數(shù)據(jù)本身進行盲信道估計、盲均衡和譯碼，其處理流程與傳統(tǒng)的MMSE-SIC有明顯區(qū)別，詳細的實現(xiàn)過程如下：

（1）假設每個UE具有K個數(shù)據(jù)符號，且假設在這些符號內每個用戶的快衰落是恒定的，那么對于每個擴頻后的發(fā)送數(shù)據(jù)符號，其對應的接收信號可以表示為[y=i=1Nhisixi+n]，其中[hi]代表第i個 UE 的包含路損、陰影衰落、快速衰落效應的信道沖擊響應，[si]是第i個 UE隨機選取的擴頻碼，[xi]為第i個UE的調制符號，N是UE總數(shù)，n是加性高斯白噪聲（AWGN）噪聲。

（2）聯(lián)立所有符號上的接收信號，表示為[L×K]維的矩陣[Yl]，其中L是擴頻長度，統(tǒng)計得到接收信號的協(xié)方差矩陣為[R=Y1Y1H/K]。

（3）由于不知道具體有多少個用戶存在于該時頻資源上，因此需要遍歷擴頻序列池中的每個擴頻序列，并進行聯(lián)合信道均衡和解擴[smHR-1y]。以[siH]為例，均衡后的候選信號流見公式（9）：

（4）如果該擴頻序列對應的用戶是有發(fā)送數(shù)據(jù)的，則接收信號中存在相對應的數(shù)據(jù)流分量，其盲均衡后的信號星座點通常是原始信號星座點的線性失真。對于未被任何用戶使用的擴頻序列對應的數(shù)據(jù)流分量，則其盲均衡后的星座點不會存在明顯的結構性，更像是噪聲一般散亂的分布。這里我們只考慮前者，對盲均衡后的星座點補償縮放和相位旋轉后便可將原始星座點周圍的估計信號放回原位，[x∧j=hjHAsiHR-1y]，并計算每個候選信號流的誤差向量幅度（EVM）和等效SINR。

（5）對SINR進行排序，選擇具有最高SINR的多個候選信號流（考慮復雜度和可靠性，如6個）并嘗試對其進行譯碼。對每個候選信號流[x∧j]，還考慮到星座點相位模糊的可能性，因此有必要將信號的多種可能性輸入到譯碼器進行解碼，例如：對于二進制相移鍵控（BPSK）星座點，[x∧j]和[-x∧j]都應該被送去譯碼嘗試。每個信號流是否能譯碼成功取決于CRC校驗的結果。

盲MMSE-SIC過程的其余部分和SIC流程結束的判定都與傳統(tǒng)的MMSE-SIC相同。類似于基于前導的解決方案，盲MMSE-SIC檢測也應該考慮虛警率和漏檢率，但由于盲信道估計主要依賴于數(shù)據(jù)本身，所以可以避免碰撞的問題。

3 仿真結果

我們采用多用戶共享接入（MUSA）[5]作為非正交多址方案示例進行仿真對比。MUSA為一種基于低互相關的符號級擴展方案，本例中采用擴展長度為4的序列，其擴展序列的元素取值于{1，-1，j，-j}。圖6中首先對比了理想信道估計下MUSA性能隨用戶負載的變化情況，其中調制方式為QPSK，采用Turbo編碼且碼率為1/2，接收機采用理想的MMSE-SIC或MMSE-HIC。從仿真結果可以看出：在同時接入的用戶數(shù)小于或等于16時，基于MUSA的非正交多址可以逼近單用戶的性能，此時過載率（即用戶數(shù)除以擴展序列長度）為400%。當過載率進一步提升至500%即20個用戶時，基于MMSE-SIC的MUSA會有1.5 dB的性能損失，而采用改進的MMSE-HIC接收機后性能略有提升。

需要注意的是：雖然理想信道估計下NOMA技術本身在支持20個用戶時并沒有明顯性能損失，但是在真實信道估計下，如果仍采用基于導頻的發(fā)射方案，那么由于導頻端口的限制，例如：LTE系統(tǒng)最多只支持8個導頻端口，當用戶數(shù)多于8個時就會發(fā)生導頻碰撞，其信道估計準確度難以保證，即同一資源上復用的用戶數(shù)會受到較大限制。圖7進一步給出了基于純數(shù)據(jù)方案的MUSA性能。仿真假設為免調度傳輸，調制方式為BPSK，Turbo編碼碼率為1/2，接收機采用盲MMSE-SIC的檢測方案，同時考慮實際的用戶發(fā)現(xiàn)和真實信道估計。從仿真結果來看：隨著用戶數(shù)增多，系統(tǒng)的鏈路性能如誤塊率方面有所下降，但是由于純數(shù)據(jù)的免調度傳輸方案并沒有導頻碰撞的限制，所以該仿真結果是表明其真實能支持的用戶數(shù)。

4 結束語

本文中我們主要討論了NOMA以及其接收機設計，理論分析和評估了幾種免調度NOMA實現(xiàn)方案的優(yōu)缺點，并針對不同的免調度傳輸信道結構，基于MMSE-SIC接收機分別進行了針對性的優(yōu)化和改進，并通過鏈路級仿真評估了所提方案和接收算法在用戶接入過載能力方面的性能。

致謝

本研究得到中興通訊袁弋非博士、曹偉博士、嚴春林博士、李衛(wèi)敏工程師、戴建強工程師、胡宇洲工程師的大力幫助，謹致謝意！

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