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(fù)用疊加編碼技術(shù)和串行干擾消除（Successive Interference Cancellation，SIC）技術(shù)進(jìn)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(jìn)行了比較分析。

關(guān)鍵詞：非正交多址接入技術(shù);功率復(fù)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(xiàn)標(biāo)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(jìn)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(biāo)及8個具有代表性的5G應(yīng)用場景[1-2]。2015年，由全球八大移動通信運(yùn)營商成立的NGMN發(fā)布了《5G白皮書》[3]，為保證5G運(yùn)行提供基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)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(kuò)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(fù)數(shù)多元碼及增強(qiáng)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(jìn)行疊加，在接收端采用串行干擾抵消技術(shù)進(jìn)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(diǎn)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(shí)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(kuò)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(fù)用技術(shù)進(jìn)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(dá)接收端進(jìn)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(jī)，將不同用戶按照功率大小排序，然后進(jìn)行干擾消除，實(shí)現(xiàn)多用戶信息的正確解調(diào)，達(dá)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(jī)接收信號的全過程。假設(shè)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(fù)用技術(shù)將兩個用戶信息進(jìn)行疊加編碼成疊加碼（Superposition Coding，SC）再進(jìn)行發(fā)射，功率復(fù)用原則實(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(yán)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(jìn)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(xiàn)[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(jī)傳送信息的技術(shù)。換句話說，它允許發(fā)射機(jī)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(jī)功率分配算法以及疊加編碼問題。SC編碼如圖2所示[12]。

設(shè)兩用戶都采用QPSK調(diào)制，擁有較低分配功率的強(qiáng)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(diǎn)，[s2]?。?0）代表的星座點(diǎn)，則疊加形成的星座點(diǎn)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(diǎn)。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(yīng)用SIC時，若對一個用戶進(jìn)行解碼，要把其它用戶信號視為干擾，然后再進(jìn)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(fù)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(diǎn)，然后利用弱用戶的星座點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)用戶的星座點(diǎn)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(shè)計與性能分析

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)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(shè)接入用戶數(shù)為2，且弱用戶的分配功率P2大于強(qiáng)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(jī)原理并采用最大似然（Maximum Likelihood，ML）譯碼實(shí)現(xiàn)解調(diào)，達(dá)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(jìn)行Turbo編碼處理，再對編碼后的信號進(jìn)行QPSK調(diào)制和功率分配。同樣接收端在相應(yīng)解調(diào)后要進(jìn)行Turbo譯碼處理才能恢復(fù)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(shè)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(qiáng)、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(qiáng)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(jìn)行信道編碼或改變調(diào)制方式等。

圖6是強(qiáng)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(qiáng)用戶的信號干擾越大，強(qiáng)用戶越難正確譯碼。

綜合以上誤碼曲線可以看出，適當(dāng)?shù)墓β史峙淇筛纳芅OMA系統(tǒng)性能。綜合考慮強(qiáng)、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(jìn)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(jìn)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?？梢钥闯?，隨著Turbo碼編碼器的碼率增加，強(qiáng)用戶的誤碼性能大幅度減弱。這是因?yàn)榇a率R的大小代表編碼過程中校驗(yàn)位的長短，R = 1/2表示輸入1位信息比特，輸出1位校驗(yàn)位。而R = 1/3時，輸出2位校驗(yàn)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(shí)際情況選取適當(dāng)?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(qiáng)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(jìn)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(yùn)算量，延長譯碼時間[22]。

圖8和圖9都只針對強(qiáng)用戶做了誤碼性能分析，未說明弱用戶的誤碼情況，這是因?yàn)樵谙到y(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(qiáng)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(shè)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(jìn)一步提高NOMA系統(tǒng)性能提供了改進(jìn)方向：能夠自適應(yīng)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。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）