無線網(wǎng)絡(luò)中的功率域非正交多址接入技術(shù)

王 鋼，許 堯，周若飛，張嘉賀

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 通信技術(shù)研究所，黑龍江 哈爾濱 150001；2.北京郵電大學(xué) 國際學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)工程， 北京 100876)

0 引言

隨著智能終端和媒體業(yè)務(wù)的多樣化發(fā)展，無線移動(dòng)通信逐漸成為人類社會(huì)信息網(wǎng)絡(luò)中的主要通信方式，智能物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)則將成為未來無線移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的主要載體。為實(shí)現(xiàn)超高清視頻、沉浸式多媒體交互等高服務(wù)質(zhì)量業(yè)務(wù)體驗(yàn)，未來移動(dòng)通信系統(tǒng)將面臨諸多挑戰(zhàn)[1]：超高用戶體驗(yàn)速率、超高頻譜效率、超高連接密度及超低切換時(shí)延等。因此，如何進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)的頻譜效率以滿足更高的業(yè)務(wù)需求成為當(dāng)前亟待解決的難題。縱觀移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展史，多址接入技術(shù)決定了通信系統(tǒng)的基本容量及設(shè)備的復(fù)雜度，隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)性能要求的不斷提高，每一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展均離不開新型多址技術(shù)的使用和推廣。由于接收機(jī)復(fù)雜度的限制，前四代移動(dòng)通信系統(tǒng)均采用了正交多址接入技術(shù)(Orthogonal Multiple Access，OMA)。因此，開發(fā)新型多址接入技術(shù)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高頻譜效率提供了新思路。

近幾年，功率域非正交多址接入(Power Domain Non-orthogonal Multiple Access，PD-NOMA)因其優(yōu)越的頻譜效率而備受關(guān)注，并被公認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中一種有前途的多址接入方案[2-3]。一方面，非正交多址技術(shù)可在有限資源下增大現(xiàn)有用戶設(shè)備的接入密度，提升系統(tǒng)容量。另一方面，其通過改進(jìn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)免調(diào)度接入，減少網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備間的信令開銷，從而縮短用戶設(shè)備的接入時(shí)延[4]。

通過深入分析未來無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用場(chǎng)景的特點(diǎn)，PD-NOMA主要解決兩大類問題：第一類是小區(qū)邊緣、高速移動(dòng)等惡劣環(huán)境下小區(qū)平均容量、邊緣用戶容量受限的問題。其利用遠(yuǎn)近效應(yīng)可獲得比正交多址更高的容量增益，大幅提升小區(qū)邊緣用戶的吞吐量性能；第二類是對(duì)于智能家居、智能電網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能農(nóng)業(yè)及智能抄表等業(yè)務(wù)，需要網(wǎng)絡(luò)支持海量設(shè)備連接及大連接帶來的控制信道開銷過大的問題。

綜上，為滿足未來無線密集網(wǎng)絡(luò)海量接入和超大容量的需求，功率域非正交多址接入技術(shù)成為未來移動(dòng)通信的演進(jìn)趨勢(shì)和突破方向。然而，該技術(shù)從理論到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化目前仍存在較多阻礙，比如接收機(jī)復(fù)雜度過高及解碼錯(cuò)誤傳播等。本文主要對(duì)功率域非正交多址接入技術(shù)及其研究現(xiàn)狀、趨勢(shì)和挑戰(zhàn)進(jìn)行介紹，以期推動(dòng)該技術(shù)成果轉(zhuǎn)化并為相關(guān)讀者提供借鑒。

1 NOMA技術(shù)簡述

1.1 NOMA技術(shù)分類

為提高系統(tǒng)頻譜效率，相關(guān)研究人員已提出多種NOMA技術(shù)。如圖1所示，現(xiàn)存NOMA技術(shù)按復(fù)用域大致分為3類。其中，功率域NOMA和碼域NOMA分別在功率域和碼域?qū)崿F(xiàn)復(fù)用。碼域NOMA采用稀疏序列或低相關(guān)的非正交序列區(qū)分用戶，且共享碼域外全部的可用資源(時(shí)頻資源)。

圖1 NOMA方案的分類

碼域NOMA可分為低密度擴(kuò)頻CDMA (Low-density Spreading CDMA，LDS-CDMA)、低密度擴(kuò)頻OFDM (Low-density Spreading OFDM， LDS-OFDM)及稀疏碼分多址(Sparse Code Multiple Access，SCMA)。LDS-CDMA及LDS-OFDM均采用低密度擴(kuò)頻序列以降低原有系統(tǒng)中碼片干擾的影響。相比LDS-CDMA，SCMA將信息比特映射和擴(kuò)展相結(jié)合，將比特直接映射到不同的稀疏碼字，可實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度接收并進(jìn)一步提升性能。另外，基于復(fù)數(shù)域擴(kuò)展序列和疊加編碼的多用戶共享接入技術(shù)(Multi-user Shared Access，MUSA)也是一種十分有潛力的碼域NOMA技術(shù)，其可實(shí)現(xiàn)免調(diào)度用戶接入，但系統(tǒng)性能和接收機(jī)復(fù)雜度對(duì)采用的擴(kuò)展序列十分敏感。

此外，也存在一些其他NOMA技術(shù)，包括圖樣分割多址(Pattern Division Multiple Access，PDMA)和空分多址(Spatial Division Multiple Access，SDMA)。PDMA的基本思想是最大化用戶間差異性后最小化用戶間重疊，然后在碼域、空間域或二者混合域進(jìn)行復(fù)用。SDMA則是在傳統(tǒng)CDMA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，不使用特定擴(kuò)頻序列，而是使用用戶特定的信道脈沖響應(yīng)進(jìn)行用戶區(qū)分。其適用于上行鏈路用戶數(shù)量遠(yuǎn)大于基站接收天線數(shù)目的場(chǎng)景。

1.2 PD-NOMA基本原理

PD-NOMA技術(shù)在發(fā)送端采用功率域疊加編碼(Superposition Coding,SC)，主動(dòng)引入干擾信息，在接收端通過串行干擾消除(Successive Interference Cancellation，SIC)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)正確解調(diào)，是一種公認(rèn)的可達(dá)到高斯標(biāo)量信道容量的NOMA接入方案。圖2給出典型的兩用戶下行NOMA方案，其中中心接收機(jī)U1和邊緣接收機(jī)U2所需信息分別為x1和x2，則發(fā)射機(jī)對(duì)兩信號(hào)進(jìn)行功率域疊加編碼獲得發(fā)送信號(hào):

(1)

式中，Pt為發(fā)射功率，a1,a2分別為接收機(jī)U1，U2對(duì)應(yīng)的用戶功率分配系數(shù)，且滿足a1>a2，a1+a2=1。

接收機(jī)處的接收信號(hào)可表示為：

y1=h1xs+n1，

(2)

y2=h2xs+n2，

(3)

圖2 典型的兩用戶下行NOMA方案

為解碼出疊加信息，NOMA在接收機(jī)處采用SIC算法，該算法利用不同用戶之間的信號(hào)強(qiáng)度差異實(shí)現(xiàn)解碼。執(zhí)行SIC算法之前，接收機(jī)將根據(jù)用戶的信號(hào)強(qiáng)度對(duì)用戶進(jìn)行排序，以便接收機(jī)按信號(hào)強(qiáng)度依次解碼和分離信號(hào)。假設(shè)PD-NOMA方案中兩用戶同時(shí)使用1 Hz帶寬，用戶1和用戶2的可達(dá)速率為：

(3)

(4)

正交多址方案中則是用戶1使用βHz，用戶2使用(1-β)Hz，用戶1和用戶2的可達(dá)速率為：

(5)

(6)

由式(3)～式(4)可以看出，NOMA方案可通過控制用戶的功率分配比來調(diào)整用戶吞吐量。從數(shù)值計(jì)算可以看出NOMA的容量域要比OMA要大。

2 PD-NOMA研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

日本NTT DoCoMo公司于2010年提出PD-NOMA的概念，并實(shí)測(cè)表明PD-NOMA 可提升約50%的宏蜂窩系統(tǒng)容量[5]。為實(shí)現(xiàn)高頻譜效率通信，研究人員相繼在PD-NOMA方向開展大量工作，并取得了許多重要研究成果。目前國內(nèi)外針對(duì)PD-NOMA的研究主要包括：單天線PD-NOMA、多天線PD-NOMA、協(xié)作PD-NOMA、認(rèn)知PD-NOMA、能效PD-NOMA、可見光通信PD-NOMA及PD-NOMA的性能優(yōu)化。

2.1 單天線PD-NOMA

單天線PD-NOMA在該領(lǐng)域研究中起步最早，也最為基礎(chǔ)。按研究重點(diǎn)可分為通信理論研究及信息理論研究兩大類。通信理論方面主要側(cè)重方案設(shè)計(jì)及性能評(píng)估，繼NTT DoCoMo公司之后，文獻(xiàn)[6]率先提出一種下行單天線PD-NOMA方案，并從系統(tǒng)級(jí)層面證明其頻譜效率的優(yōu)越性。而文獻(xiàn)[7]在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論了該方案中的用戶資源分配、SIC誤差傳播、信令開銷及高速場(chǎng)景應(yīng)用等問題，為深入研究PD-NOMA提供了極具價(jià)值的參考。文獻(xiàn)[8]將用戶隨機(jī)分布引入單天線PD-NOMA，獲得更加符合實(shí)際應(yīng)用的研究結(jié)果。此處歸納其結(jié)論： 恰當(dāng)設(shè)計(jì)功率分配系數(shù)及目標(biāo)速率可使PD-NOMA獲得比正交多址接入(OMA)更好的中斷性能。信息理論部分主要考慮PD-NOMA中采用編碼后的信道容量。針對(duì)單天線下行PD-NOMA，文獻(xiàn)[9]證明采用疊加編碼和臟紙編碼均可達(dá)到廣播信道的容量。文獻(xiàn)[10]則采用離散輸入和Turbo編碼，其可逼近信息論容量界。此外，文獻(xiàn)[11]在發(fā)射機(jī)僅知部分狀態(tài)信息條件下，從信息論角度分析了高斯信道下接收機(jī)分別采用SIC算法和聯(lián)合算法時(shí)的中斷容量，結(jié)果表明聯(lián)合算法相比SIC算法可實(shí)現(xiàn)10%的和速率增益或0.8 dB的功率增益。對(duì)于單天線PD-NOMA的研究已相對(duì)成熟，但是如何降低SIC接收機(jī)的復(fù)雜度仍是迫切需要解決的難題。

2.2 多天線PD-NOMA

多天線PD-NOMA 旨在進(jìn)一步提高單天線PD-NOMA的系統(tǒng)容量，其是PD-NOMA領(lǐng)域中重要課題之一。對(duì)于多輸入單輸出 (Multiple Input Single Output， MISO)場(chǎng)景，文獻(xiàn)[12]在發(fā)送端采用迫零預(yù)編碼并設(shè)計(jì)基于信道相關(guān)性的用戶聚類方法，實(shí)現(xiàn)最大化系統(tǒng)速率。文獻(xiàn)[13]是在用戶多天線場(chǎng)景中采用分簇思想研究其中斷性能、用戶配對(duì)等。對(duì)于多輸入多輸出(Multiple-input Multiple-output， MIMO)場(chǎng)景，文獻(xiàn)[14]研究了MIMO-NOMA在物聯(lián)網(wǎng) (Internet of Things,IoT) 中的應(yīng)用，采用短包及機(jī)會(huì)通信思想來設(shè)計(jì)適合物聯(lián)網(wǎng)的通信方案。該文獻(xiàn)對(duì)指導(dǎo)在PD-NOMA中采用短包通信以降低系統(tǒng)傳輸時(shí)延具有一定的啟發(fā)作用，是今后PD-NOMA領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。目前，PD-NOMA與MIMO結(jié)合的研究還處于起步階段，對(duì)其預(yù)編碼設(shè)計(jì)、功率分配和應(yīng)用均需進(jìn)一步研究。

2.3 協(xié)作PD-NOMA

該部分研究根據(jù)有無中繼參與協(xié)作又可詳細(xì)分為無中繼協(xié)作PD-NOMA、協(xié)作中繼PD-NOMA、直傳中繼協(xié)同傳輸(Coordinated Direct and Relay Transmission，CDRT)PD-NOMA等。

2.3.1 無中繼協(xié)作PD-NOMA

無中繼協(xié)作PD-NOMA一般指的是強(qiáng)用戶協(xié)助弱用戶，此方向在協(xié)作PD-NOMA研究中起步較早。2015年，文獻(xiàn)[15]首次提出協(xié)作PD-NOMA方案，分析了其中斷概率和分集階數(shù)。此方案在海量用戶場(chǎng)景下系統(tǒng)復(fù)雜度過高且不確定是否存在性能增益，而用戶配對(duì)則為解決此問題提供了新思路。為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)能效，文獻(xiàn)[16]提出協(xié)作模式動(dòng)態(tài)切換的協(xié)作PD-NOMA方案，即近用戶用作解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode-and-Forward，DF)中繼并在全雙工和半雙工切換，從而實(shí)現(xiàn)更好的遍歷和速率性能。協(xié)作PD-NOMA方案相比非協(xié)作方案均存在頻譜效率損失的問題。文獻(xiàn)[17]為解決此問題提出一種混合上下行協(xié)作PD-NOMA方案以實(shí)現(xiàn)頻譜效率和信號(hào)接收可靠性之間更好的折衷。雖然目前對(duì)于無中繼協(xié)作PD-NOMA方案的研究成果較為豐富，但是更加新穎有效的方案仍有待進(jìn)一步研究。

2.3.2 協(xié)作中繼PD-NOMA

協(xié)作中繼PD-NOMA部分的研究最為多樣化。文獻(xiàn)[18]在下行蜂窩系統(tǒng)中提出了一種存在直達(dá)鏈路的協(xié)作PD-NOMA方案，并推導(dǎo)證明該方案相比OMA方案可提供更好的頻譜效率和用戶公平性。隨后，文獻(xiàn)[19-20]將類似方案推廣至Nakagami-m衰落信道及多天線中繼網(wǎng)絡(luò)中，使其更具一般性。文獻(xiàn)[21]提出共享全雙工中繼的PD-NOMA網(wǎng)絡(luò)方案，其中源-目的節(jié)點(diǎn)對(duì)共享一個(gè)專用的全雙工DF中繼，這為設(shè)計(jì)協(xié)作中繼PD-NOMA方案提供了一個(gè)全新的思路。為彌補(bǔ)中繼傳輸帶來的頻譜效率損失，端到端(Device-to-Device，D2D)輔助協(xié)作中繼[22]、緩沖輔助中繼[23]、虛擬的全雙工中繼技術(shù)[24]及中繼選擇[25]被引入?yún)f(xié)作中繼PD-NOMA方案中，這些方案在一定程度上可有效提高系統(tǒng)頻譜效率。此外，文獻(xiàn)[26]提出了MIMO信道下的協(xié)作PD-NOMA方案，并實(shí)現(xiàn)了從基站到小區(qū)邊緣用戶的可達(dá)速率最大化。文獻(xiàn)[27]研究了非再生大規(guī)模MIMO中繼PD-NOMA系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有MIMO-NOMA、中繼輔助NOMA和大規(guī)模正交MIMO方案更高的容量性能。

2.3.3 直傳中繼協(xié)同傳輸PD-NOMA

該部分研究相比上述兩部分仍處于起步階段，其主要用于解決深度陰影衰落和小區(qū)覆蓋范圍過小的問題。文獻(xiàn)[28]首次提出基于PD-NOMA的下行CDRT方案，其利用PD-NOMA固有特性消除部分用戶干擾，實(shí)現(xiàn)較高的頻譜效率。文獻(xiàn)[29]將該思想引入上行蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，并分析了采用非理想SIC接收機(jī)時(shí)的系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[30]對(duì)文獻(xiàn)[28]進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種動(dòng)態(tài)傳輸方案，在保證系統(tǒng)遍歷和速率的前提下進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性，且該方案可同時(shí)服務(wù)更多的用戶。

2.4 能效PD-NOMA

能量效率作為未來無線通信的關(guān)鍵指標(biāo)之一，已吸引眾多學(xué)者對(duì)綠色通信進(jìn)行深入研究。由于香農(nóng)信息容量定理證明能量消耗最小化和頻譜效率最大化無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)，所以如何權(quán)衡二者成為能效PD-NOMA研究方向之一。在PD-NOMA中采用能量收集[31](Energy Harvesting，EH)和無線攜能[32](Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)技術(shù)可進(jìn)一步改善傳統(tǒng)方案的能效。文獻(xiàn)[33]將SWIPT應(yīng)用于用戶隨機(jī)分布的PD-NOMA網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)果證明使用SWIPT不僅不影響分集增益，而且可實(shí)現(xiàn)低中斷高吞吐量性能。文獻(xiàn)[34]則是將SWIPT和發(fā)射天線選擇混合設(shè)計(jì)，以解決多輸入單輸出PD-NOMA系統(tǒng)中小區(qū)邊緣用戶的中斷性能和公平性問題。

2.5 可見光通信中的PD-NOMA

研究人員在光通信中應(yīng)用PD-NOMA技術(shù)以期實(shí)現(xiàn)其高頻譜效率。文獻(xiàn)[35]首先將PD-NOMA方案引入可見光通信(Visible Light Communication，VLC)中，并證明了其可靠性優(yōu)于正交頻分多址方案。在可見光網(wǎng)絡(luò)中采用PD-NOMA需考慮VLC網(wǎng)絡(luò)特性，例如有限帶寬、照明限制的最大發(fā)射功率及信道阻塞問題。對(duì)于信道阻塞問題，可通過調(diào)整接收機(jī)的視場(chǎng)和發(fā)射機(jī)的半角度來控制信道值。此外，也可通過優(yōu)化上述兩參數(shù)值實(shí)現(xiàn)PD-NOMA-VLC網(wǎng)絡(luò)的性能提升。例如，文獻(xiàn)[36]將直流偏置光正交頻分復(fù)用(Direct Current Optical OFDM，DCO-OFDM)和PD-NOMA結(jié)合，提出一種PD-NOMA-DCO-OFDM系統(tǒng)，并通過優(yōu)化半功率角和功率分配因子實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和速率最大化。

2.6 認(rèn)知PD-NOMA

傳統(tǒng)PD-NOMA通過差異化功率分配實(shí)現(xiàn)用戶間公平性，但其無法嚴(yán)格保證用戶的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)目標(biāo)。為此，將認(rèn)知無線電思想引入PD-NOMA以設(shè)計(jì)功率分配策略，進(jìn)而嚴(yán)格保證部分或全部用戶的QoS要求。文獻(xiàn)[37]提出基于PD-NOMA的頻譜共享認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)協(xié)作傳輸方案，次級(jí)發(fā)射機(jī)用作中繼，并通過NOMA信令同時(shí)發(fā)送主次消息，該方案比現(xiàn)有OMA方案可獲得更高的頻譜利用率。文獻(xiàn)[38]為提高二級(jí)網(wǎng)絡(luò)連通性，將PD-NOMA應(yīng)用于大規(guī)模底層認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)，此方案不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中的PD-NOMA，用戶疊加信號(hào)功率受限以避免對(duì)主接收機(jī)產(chǎn)生過度干擾。目前，認(rèn)知PD-NOMA仍很大程度上依賴于特定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]，兩技術(shù)協(xié)同的去特殊化需進(jìn)一步深入研究解決。

2.7 PD-NOMA的性能優(yōu)化

該部分研究旨在優(yōu)化PD-NOMA方案的系統(tǒng)性能，具有多個(gè)研究方向，主要涵蓋PD-NOMA中的資源分配、公平性、用戶配對(duì)及物理層安全等相關(guān)問題。

2.7.1 資源分配

PD-NOMA中功率分配策略的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)吞吐量和接收可靠性。設(shè)計(jì)合理的功率分配可靈活控制各用戶吞吐量及系統(tǒng)公平性。最優(yōu)資源分配方案是在整個(gè)合法搜索空間內(nèi)搜索最優(yōu)解，因此復(fù)雜性有可能過高。值得指出的是，目前多數(shù)資源分配無法通過求導(dǎo)等數(shù)學(xué)運(yùn)算獲得最優(yōu)解析解，一般則是采用凸優(yōu)化、貪婪算法及動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法等實(shí)現(xiàn)低復(fù)雜度下求解近似最優(yōu)解。優(yōu)化算法和逼近理論最優(yōu)解是一個(gè)值得研究的課題。此外，動(dòng)態(tài)功率分配也是未來需要關(guān)注的方向之一。

2.7.2 公平性

如前所述，PD-NOMA采用SIC接收機(jī)，此特性導(dǎo)致用戶速率不等。在某些嚴(yán)格要求公平性的情況下，PD-NOMA的方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化將變得尤為重要。目前，公平性衡量[39]、公平調(diào)度[40]及公平功率分配算法[41]是PD-NOMA公平性問題上的研究熱點(diǎn)。此外，若發(fā)射機(jī)可知瞬時(shí)信道狀態(tài)信息，那么用戶間公平性可通過最大化最小可達(dá)速率來實(shí)現(xiàn)。

近年來，已有多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)陷波特性的UWB天線被設(shè)計(jì)出來[2-10]。如在天線輻射體上蝕刻各種形狀的縫隙或者槽線以及缺陷地等結(jié)構(gòu)來獲得所需頻段上的陷波。例如，天線尺寸大，沒有實(shí)現(xiàn)小型化，集成難度大；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給天線制作帶來了一定困難。

2.7.3 用戶配對(duì)

PD-NOMA中的用戶配對(duì)基本思想為將多用戶進(jìn)行分組，組內(nèi)采用PD-NOMA，組間采用OMA。其旨在解決2個(gè)問題:一是降低海量用戶場(chǎng)景下PD-NOMA的系統(tǒng)復(fù)雜度；二是針對(duì)PD-NOMA系統(tǒng)干擾受限特性，通過用戶配對(duì)實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。文獻(xiàn)[42]研究了用戶配對(duì)PD-NOMA系統(tǒng)性能的影響，結(jié)論表明配對(duì)用戶信道差異越大，其系統(tǒng)性能增益越大。文獻(xiàn)[43]提出一種基于比例公平的兩步用戶配對(duì)法，其通過設(shè)定先決條件來減少計(jì)算量，此法相比基于樹搜索的功率分配法復(fù)雜度更低。

2.7.4 物理層安全

在PD-NOMA的物理層安全中存在2種竊聽器：一種是外部被動(dòng)竊聽器，發(fā)送端無法識(shí)別其信道；另一種是內(nèi)部主動(dòng)竊聽器，發(fā)送端可識(shí)別其信道。為此，PD-NOMA物理層安全主要解決2個(gè)問題：防范外部竊聽者和防范內(nèi)部竊聽者。對(duì)于外部竊聽者，一般通過設(shè)計(jì)最優(yōu)功率分配策略和波束形成方案，在滿足每個(gè)用戶的QoS要求下最大化保密和速率。防范內(nèi)部竊聽者十分具有挑戰(zhàn)，因?yàn)镾IC接收機(jī)的固有特性造成極可能出現(xiàn)內(nèi)部竊聽者。文獻(xiàn)[44]針對(duì)防范內(nèi)部竊聽提出3條準(zhǔn)則：① SIC過程不附加任何額外處理；② 用戶無法獲取其他用戶的信息；③ 信道空間對(duì)比獨(dú)立。此外，可預(yù)見PD-NOMA物理層安全研究領(lǐng)域?qū)?huì)擴(kuò)展到協(xié)作傳輸，認(rèn)知無線電及全雙工等場(chǎng)景。

3 PD-NOMA的應(yīng)用

本節(jié)介紹目前PD-NOMA在實(shí)際應(yīng)用中所面臨的挑戰(zhàn)，包括接收機(jī)設(shè)計(jì)、信令開銷、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化等。

3.1 接收機(jī)設(shè)計(jì)

如上所述，PD-NOMA采用SIC接收機(jī)，而SIC接收機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中仍將面臨解碼復(fù)雜度高和錯(cuò)誤傳播兩大問題。接收端采用SIC接收機(jī)需要解碼其他用戶信息后解碼自身信息，這就導(dǎo)致接收機(jī)復(fù)雜度隨著用戶數(shù)目的增長而快速增加。目前，用戶配對(duì)可為實(shí)現(xiàn)性能增益與復(fù)雜度折衷提供思路。此外，一旦SIC接收機(jī)解碼發(fā)生錯(cuò)誤，剩余待解信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生誤差，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤傳播。當(dāng)用戶數(shù)量較小，可通過設(shè)計(jì)碼塊或非線性檢測(cè)來降低錯(cuò)誤傳播的影響[45]。目前，盡管存在一些非完美SIC對(duì)PD-NOMA影響的研究工作，但是其研究深度尚淺。因此，非完美SIC對(duì)PD-NOMA影響的數(shù)學(xué)分析研究仍是一個(gè)有價(jià)值的研究方向。

3.2 信令開銷

3.3 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

未來物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要超可靠和低延遲通信(Ultra-reliable and Low Latency Communications，URLLC)，機(jī)器間通信(Machine Type Communications，MTC)作為其中一個(gè)重要新興領(lǐng)域，其所涉及的最常見通信形式是短數(shù)據(jù)包通信。當(dāng)數(shù)據(jù)包很短時(shí)，元數(shù)據(jù)可能與有效負(fù)載的長短相同，從而導(dǎo)致現(xiàn)有方法的傳輸結(jié)果非常不理想。設(shè)計(jì)支持短數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臒o線協(xié)議需要新的原則，這些原則將直接影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前，有關(guān)PD-NOMA系統(tǒng)采用短數(shù)據(jù)包[46]的研究工作較少，其將是未來研究方向之一。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)化

下行MUST已被寫入第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project，3GPP)的(Long Term Evolution，LTE)標(biāo)準(zhǔn)中[2]，其主要目標(biāo)是增強(qiáng)單小區(qū)下行鏈路多用戶傳輸方案，使LTE能夠支持小區(qū)內(nèi)下行共享信道的多用戶疊加傳輸。為此，研究項(xiàng)目重點(diǎn)評(píng)估實(shí)際部署場(chǎng)景下的系統(tǒng)級(jí)增益和復(fù)雜度，研究結(jié)果表明PD-NOMA可提高系統(tǒng)容量。目前，5G中的PD-NOMA的標(biāo)準(zhǔn)化工作仍在進(jìn)行當(dāng)中。

4 結(jié)束語

功率域非正交多址接入作為未來無線通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的重要使能技術(shù)之一，已吸引大量研究人員對(duì)其展開研究。功率域非正交多址接入的研究成果歸納為7個(gè)方面：單天線PD-NOMA、多天線PD-NOMA、協(xié)作PD-NOMA、認(rèn)知PD-NOMA、能效PD-NOMA、可見光通信PD-NOMA及PD-NOMA的性能優(yōu)化，本文分別探討了上述方向的研究方法、現(xiàn)存問題及下一步研究思路。雖然有關(guān)功率域非正交多址接入的研究取得了一定的成果，但其實(shí)際應(yīng)用仍面臨諸多難題。為此，依次從接收機(jī)設(shè)計(jì)、信令開銷、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)化討論了其面臨的挑戰(zhàn)。針對(duì)功率域非正交接入，仍需大量研究以充分發(fā)揮其高頻譜效率優(yōu)勢(shì)并推進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。