非正交多址接入通信系統(tǒng)性能分析

李偉琪 王浩 賈子彥

摘 要：為解決5G時代頻譜資源緊張問題，非正交多址接入技術(shù)（Non-Orthogonal Multiple Assess，NOMA）成為最佳選擇。對NOMA技術(shù)基本原理及關(guān)鍵技術(shù)如功率復用疊加編碼技術(shù)和串行干擾消除（Successive Interference Cancellation，SIC）技術(shù)進行了闡述。研究了下行鏈路中基于功率域NOMA通信系統(tǒng)的誤碼性能，得到合適的功率分配比范圍。在此基礎(chǔ)上加入Turbo碼，并對加入Turbo碼后的NOMA系統(tǒng)誤碼性能進行了比較分析。

關(guān)鍵詞：非正交多址接入技術(shù);功率復用;疊加編碼;串行干擾消除;Turbo碼;誤碼性能

DOI：10. 11907/rjdk. 182311

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）004-0163-05

0 引言

隨著移動用戶數(shù)量的急劇增加和物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，面向2020年的第五代移動通信系統(tǒng)（5G）研究已在全球展開。2013年，中國成立了IMT-2020（5G）推進組，發(fā)布了《5G愿景與需求白皮書》，提到了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)指標及8個具有代表性的5G應用場景[1-2]。2015年，由全球八大移動通信運營商成立的NGMN發(fā)布了《5G白皮書》[3]，為保證5G運行提供基礎(chǔ)設施、服務平臺以及終端功能。目前，5G研究的關(guān)鍵技術(shù)[4-6]有大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入、新型網(wǎng)以及新型多址接入技術(shù)等。其中，新型多址接入技術(shù)有華為提出的基于多維調(diào)制和稀疏碼擴頻的稀疏碼分多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）技術(shù)[7]，中興提出的基于復數(shù)多元碼及增強疊加編碼的多用戶共享接入（Multi-UserSharedAccess，MUSA）技術(shù)[8]，大唐提出的基于非正交特征圖樣的圖樣分割多址接入（Pattern Division Multiple Access，PDMA）技術(shù)[9]，以及日本NTT? DoCoMo公司研究的功率域非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技術(shù)[10-11]。功率域NOMA技術(shù)基本原理是在發(fā)送端主動引入干擾信息，在功率域?qū)τ脩粜盘栠M行疊加，在接收端采用串行干擾抵消技術(shù)進行解調(diào)[12-13]。研究表明，與OFDM技術(shù)相比，采用該方法可使無線接入宏蜂窩的總吞吐量提高50%左右。

目前，對NOMA技術(shù)的研究主要集中在功率分配算法[13-18]和多用戶檢測技術(shù)[19-20]對系統(tǒng)性能的影響上，缺少信道編碼對NOMA系統(tǒng)性能影響的分析研究。因此，本文首先搭建基本的功率域NOMA系統(tǒng)模型，獲得最佳功率分配范圍，然后在此基礎(chǔ)上重點研究Turbo碼對NOMA系統(tǒng)誤碼性能的影響。

1 非正交多址技術(shù)

非正交多址接入技術(shù)基本思想是，在發(fā)送端主動引入干擾信息，采用非正交的方式發(fā)送用戶信息，接收端通過干擾消除實現(xiàn)用戶的正確解碼[14-19]。NOMA技術(shù)主要包括碼域NOMA和功率域NOMA兩種類型。不同于碼分多址接入（Code Division Multiple Access，CDMA）技術(shù)，碼域NOMA所用的擴頻序列是稀疏序列或相關(guān)系數(shù)較低的非正交互相關(guān)序列，目前較為流行的碼域疊加技術(shù)是SCMA技術(shù)[8]。而基于功率域的NOMA通信系統(tǒng)中，發(fā)射端對同一頻帶的多用戶采用功率復用技術(shù)進行疊加，不同用戶根據(jù)信道條件分配不同功率，疊加編碼后經(jīng)過信道到達接收端進行多用戶信號檢測。接收端利用串行干擾消除（Successive Interference Cancellation，SIC）接收機，將不同用戶按照功率大小排序，然后進行干擾消除，實現(xiàn)多用戶信息的正確解調(diào)，達到區(qū)分多用戶目的[19-20]。NOMA技術(shù)既可用于上行也可用于下行鏈路，本文主要研究用于下行鏈路的基于功率域的NOMA系統(tǒng)[15]，其基本模型如圖1所示。

圖1描述了下行鏈路基于功率分配發(fā)送信號和SIC接收機接收信號的全過程。假設基站每個發(fā)射頻帶上疊加兩個用戶，且每個用戶僅有一個接收天線。在發(fā)射端，基站采用功率復用技術(shù)將兩個用戶信息進行疊加編碼成疊加碼（Superposition Coding，SC）再進行發(fā)射，功率復用原則實際是由基站到不同用戶終端的信道性能決定的?；景l(fā)射總功率一定，對于信道性能好的用戶稱之為強用戶，基站給其分配的發(fā)射功率較小。反之，信道性能差的用戶稱之為弱用戶，基站給其分配的發(fā)射功率較大。如圖1所示，在同一小區(qū)內(nèi)，強用戶距離基站較近，信道性能較好，給其分配的功率為P1，而弱用戶則在小區(qū)邊緣，信道性能較差，給其分配的功率為P2，P1 < P2。接收端主要完成多用戶信號的檢測。在下行鏈路中，SIC處理過程由用戶的接收機完成。由于發(fā)送過程是兩個用戶信息疊加在一起的，存在比較嚴重的多址干擾（Multiple Access Interference，MAI），因此需要先消除其他用戶帶來的多址干擾，再對用戶信號進行正確檢測。下面介紹SC編碼原理和SIC技術(shù)原理。

1.1 SC編碼原理

在文獻[20]中，SC是最早提出的一種通過單個信源同時向多個接收機傳送信息的技術(shù)。換句話說，它允許發(fā)射機同時傳輸多個用戶信息，但是怎樣保證每個接收器都能完整地接收到屬于自己的信息，涉及到發(fā)射機功率分配算法以及疊加編碼問題。SC編碼如圖2所示[12]。

設兩用戶都采用QPSK調(diào)制，擁有較低分配功率的強用戶[s1]疊加在有較高發(fā)射功率的弱用戶[s2]上。若[s1]取（01）表示的星座點，[s2]?。?0）代表的星座點，則疊加形成的星座點為圖2（c）中的[s]，表示信息為0110。[s1]和[s2]都有4種可能，所以最終形成的疊加信號[s]有著16種可能，即16個星座點。疊加信號[s]用公式表示為：

1.2 SIC接收原理

1.2.1 SIC原理

SIC的基本思想是連續(xù)解碼用戶信號，在解碼一個用戶信號之后，在下一個用戶信號被解碼之前從疊加信號中減去它。應用SIC時，若對一個用戶進行解碼，要把其它用戶信號視為干擾，然后再進行下一用戶解碼，需要從原始接收信號中減去已解碼出的信號再譯碼。重復上述過程直到解碼出所有用戶信號。

圖3為疊加信號（圖2（c））在接收端的解碼技術(shù)原理[12]。首先從接收信號中解碼弱用戶的星座點，然后利用弱用戶的星座點進行強用戶的星座點解碼。用公式表示用戶[n]（[n]=1，2）接收到的信號為：

1.2.2 SC解碼過程

2 系統(tǒng)設計與性能分析

2.1 系統(tǒng)整體設計

NOMA通信系統(tǒng)由發(fā)射端、信道和接收端3部分組成。在基本NOMA系統(tǒng)模型中，發(fā)射端假設接入用戶數(shù)為2，且弱用戶的分配功率P2大于強用戶的分配功率P1，用戶信息調(diào)制方式為QPSK調(diào)制方式;信道采用瑞利衰落信道模型，接收端利用SIC接收機原理并采用最大似然（Maximum Likelihood，ML）譯碼實現(xiàn)解調(diào)，達到區(qū)分多用戶信息目的[2]。與基本NOMA系統(tǒng)相比，基于Turbo碼的NOMA通信系統(tǒng)需在發(fā)射端先對用戶信息進行Turbo編碼處理，再對編碼后的信號進行QPSK調(diào)制和功率分配。同樣接收端在相應解調(diào)后要進行Turbo譯碼處理才能恢復原來的用戶信息。值得注意的是Turbo譯碼是將解調(diào)器輸出的軟信息送入譯碼器譯碼，所以要采用QPSK軟解調(diào)方式[18]。系統(tǒng)框架如圖4所示。

2.2 基本NOMA系統(tǒng)功率分配下的誤碼性能分析

本系統(tǒng)采用固定功率算法（Fixed Power Allocation，F(xiàn)PA）[19]。假設基站的發(fā)射總功率一致，在信道條件不變的情況下，對兩用戶分配不同的功率大小，通過MATLAB誤碼率仿真結(jié)果判斷不同功率分配大小對NOMA通信系統(tǒng)性能的影響，并得出最優(yōu)功率分配比范圍。仿真條件見表1，圖5和圖6為不同功率分配比下的強、弱用戶的誤碼率曲線。對于弱用戶，給其分配的功率P2始終大于強用戶的功率P1，功率比值[γ=P2P1]范圍為2～9。

圖5是弱用戶的誤碼曲線。從圖中可以看出，在信噪比（Signal-to-noise ratio，SNR）較小的情況下，隨著功率分配比[γ][ ]的增加，弱用戶的誤碼率逐漸降低。而在SNR較大的情況下，特別是在[γ>5]時，弱用戶的誤碼率曲線會產(chǎn)生平臺，說明功率分配的改善不再提高系統(tǒng)可靠性，要想繼續(xù)改善系統(tǒng)性能需要從其它方面入手，比如可進行信道編碼或改變調(diào)制方式等。

圖6是強用戶的誤碼曲線。從圖中可以看出在SNR<10dB的情況下，不同功率比[γ]下的誤碼率相差無幾。但在SNR>10dB的情況下，隨著[γ]的增加，誤碼率反而會呈上升趨勢。這說明在相同信道性能下，分配給弱用戶的功率越大，對強用戶的信號干擾越大，強用戶越難正確譯碼。

綜合以上誤碼曲線可以看出，適當?shù)墓β史峙淇筛纳芅OMA系統(tǒng)性能。綜合考慮強、弱用戶的誤碼性能，NOMA系統(tǒng)的最優(yōu)功率分配比范圍一般為[3<γ<5]。

2.3 基于Turbo碼NOMA系統(tǒng)的誤碼性能分析

為進一步提高NOMA系統(tǒng)性能，在基本NOMA系統(tǒng)上加入Turbo碼，此碼是通過迭代譯碼方法提高通信系統(tǒng)的譯碼性能，是一種接近香農(nóng)極限性能的信道編碼[21]。加入Turbo碼的NOMA系統(tǒng)理論上誤碼率性能優(yōu)于基本NOMA系統(tǒng)。下面給出不同條件下基于Turbo碼的NOMA系統(tǒng)誤碼曲線，并對仿真結(jié)果作出比較分析。表2是在表1基礎(chǔ)上基于Turbo碼的增加或修改的系統(tǒng)仿真條件。

圖7為有無Turbo碼的NOMA系統(tǒng)中兩用戶的誤碼率曲線。仿真條件為Turbo碼碼率R = 1/2，迭代次數(shù)為4。從圖7可知，即使在較低SNR下，加入Turbo碼的誤碼率明顯低于未加Turbo碼的誤碼率，甚至加入Turbo碼的弱用戶未出現(xiàn)誤碼情況。由此可見，基于Turbo碼的NOMA系統(tǒng)性能明顯優(yōu)于原基本系統(tǒng)。

為進一步研究Turbo碼對系統(tǒng)性能的影響，依據(jù)Turbo編碼器的碼率R以及譯碼器的迭代次數(shù)，研究這些條件參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

圖8是不同Turbo碼碼率R下的仿真結(jié)果。仿真條件為Turbo編碼迭代次數(shù)為4。可以看出，隨著Turbo碼編碼器的碼率增加，強用戶的誤碼性能大幅度減弱。這是因為碼率R的大小代表編碼過程中校驗位的長短，R = 1/2表示輸入1位信息比特，輸出1位校驗位。而R = 1/3時，輸出2位校驗位，這就提高了信號的糾錯能力，使得誤碼率降低。但R不是越小越好，否則會增加計算量，延長信息提取時間，一般根據(jù)實際情況選取適當?shù)木幋a率即可。

圖9是不同Turbo譯碼器的迭代次數(shù)下的仿真結(jié)果。仿真條件為碼率R = 1/2。可以看出，隨著Turbo碼譯碼器迭代次數(shù)的增加，強用戶的誤碼性能逐漸提高，但是在迭代到一定次數(shù)后性能趨于飽和。這是由于在多次迭代后，譯碼器已經(jīng)對輸入碼字有了一個輪廓，進一步的信息交換不能提供更多的新信息，再增加迭代次數(shù)只會增加運算量，延長譯碼時間[22]。

圖8和圖9都只針對強用戶做了誤碼性能分析，未說明弱用戶的誤碼情況，這是因為在系統(tǒng)加入Turbo碼后，弱用戶的誤碼率極小，在10-6以下，從而說明Turbo碼具有超強的糾錯能力，能夠極大提高通信質(zhì)量。

3 結(jié)語

本文對功率域NOMA通信系統(tǒng)誤碼性能作了分析比較。先通過搭建的基本NOMA系統(tǒng)得出最佳功率比范圍，然后在此基礎(chǔ)上研究了信道編碼對系統(tǒng)性能的影響。采用Turbo信道編碼方式，通過仿真結(jié)果可知，加入Turbo碼能極大提高系統(tǒng)可靠性，但是在設計編碼器碼率和迭代次數(shù)時要注意適度即可。此外，本文為進一步提高NOMA系統(tǒng)性能提供了改進方向：能夠自適應的功率分配算法、更精確的信道估計算法以及合適的信道編碼譯碼算法等。

參考文獻：

[1] 中國無線電編輯部. IMT-2020（5G）推進組發(fā)布5G技術(shù)白皮書[J]. 中國無線電， 2015（5）：1-15.

[2] 袁弋非， 王欣暉， 趙孝武. 5G部署場景和潛在技術(shù)研究[J]. 移動通信， 2017， 41（6）：39-45.

[3] ANNUNZIATO A. 5G vision：NGMN-5G initiative[C]. Vehicular Technology Conference. IEEE， 2015：1-5.

[4] BOCCARDI F，HEATH R W，LOZANO A，et al. Five disruptive technology directions for 5G[J]. IEEE Communications Magazine， 2014， 52（2）：74-80.

[5] 趙國鋒，陳婧，韓遠兵，等. 5G移動通信網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 重慶郵電大學學報：自然科學版，2015，27（4）：441-452.

[6] MA Z，ZHANG Z Q，DING Z G，等. 5G 無線通信關(guān)鍵技術(shù)概述： 網(wǎng)絡架構(gòu)，物理層和 MAC 層的技術(shù)[J]. Science China Information Sciences，2015，58（4）：1-20.

[7] 羅艷. 基于SCMA的蜂窩系統(tǒng)下行鏈路無線資源管理研究[D]. 成都：西南交通大學，2016.

[8] 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.

[9] 康紹莉，戴曉明，任斌. 面向5G的PDMA圖樣分割多址接入技術(shù)[J]. 電信網(wǎng)技術(shù)，2015（5）：43-47.

[10] RAZAVI R，DIANATI M，IMRAN M A. Non-orthogonal multiple access （NOMA） for future radio access[C]. 5G Mobile Communications. Springer International Publishing， 2017：1-5.

[11] BENJEBBOUR A，SAITO Y，KISHIYAMA Y，et al. Concept and practical considerations of non-orthogonal multiple access （NOMA） for future radio access[C]. International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communications Systems. IEEE，2013：770-774.

[12] ISLAM S M R，AVAZOV N，DOBRE O A，et al. Power-domain non-orthogonal multiple access （NOMA） in 5g systems： potentials and challenges[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2016 （99）：1-2.

[13] 張長青. 面向5G的非正交多址接入技術(shù)（NOMA）淺析[J]. 郵電設計技術(shù)，2015（11）：49-53.

[14] 郭思炎，高澤華，譚雨夕，等. 面向5G的非正交多址接入技術(shù)比較[J]. 數(shù)據(jù)通信，2016（6）：29-32.

[15] ANXIN L I，LAN Y，CHEN X， et al. Non-orthogonal multiple access（NOMA） for future downlink radio access of 5G[J]. China Communications， 2015， 12（s1）：28-37.

[16] YANG Z，DING Z，F(xiàn)AN P，et al. A general power allocation scheme to guarantee quality of service in downlink and uplink NOMA systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications，2016，15（11）：7244-7257.

[17] 曹雍，楊震，馮友宏. 新的NOMA功率分配策略[J]. 通信學報， 2017，38（10）：157-165.

[18] 唐超. 一種基于SIC的NOMA下行鏈路信號檢測方法[J]. 郵電設計技術(shù)，2016（4）：41-44.

[19] 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.

[20] COVER T. Broadcast channels[J]. IEEE Transactions on Information Theory，1972， 18（1）：2-14.

[21] 邢莉，王忠，李興國，等. 基于Matlab的Turbo碼仿真研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（3）：19-21.

[22] 張磊，王錦. 幾種不同信道下Turbo碼的誤碼率性能分析[J]. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學學報，2014， 24（2）：34-36.

（責任編輯：杜能鋼）