5G非正交多址關(guān)鍵技術(shù)研究和性能評估

張宏莉 韓玲 王星妍

(中國信息通信研究院泰爾終端實驗室，北京 100191)

0 引言

傳統(tǒng)的蜂窩移動通信系統(tǒng)主要采用多址接入技術(shù)，包括時分多址接入技術(shù)(Time Division Multiple Access，TDMA)、頻分多址接入技術(shù)(Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA)、碼分多址接入技術(shù)(Code Division Multiple Access，CDMA)等，這些均屬于正交多址接入技術(shù)(Orthogonal Multiple Access，OMA)。正交多址接入技術(shù)的用戶數(shù)量受到其可用正交資源數(shù)量的限制，隨著系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化，在頻譜資源日漸緊張的今天，其頻譜資源利用效率和系統(tǒng)用戶容量已接近極限。

為進一步提升頻譜效率，突破正交多址技術(shù)限制，學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界提出了一種被稱為非正交多址的接入技術(shù)(Non-Othogonal Multiple Access，NOMA)，使頻譜效率和系統(tǒng)容量進一步提升。根據(jù)文獻[1-3]，早在2010年日本NTT DoCoMo公司就提出了多用戶信號功率相互疊加、接收端串行干擾消除(Successive Interference Cancellation，SIC)為基礎(chǔ)的功率域非正交多址接入技術(shù)；2014年，3GPP在4G LTE“多用戶疊加編碼傳輸(Multi-User Superposition Transmission，MUST)”研究項目中對下行NOMA技術(shù)進行了研究；2018年，3GPP繼續(xù)在5G NR框架下開展了上行非正交多址技術(shù)研究，并在R16階段形成了NR NOMA技術(shù)的研究報告[3]。

1 NOMA技術(shù)特點

NOMA在發(fā)送端采用功率復(fù)用或多址接入簽名碼，使多用戶信號能夠共享同一時頻資源塊，接收端采用SIC等多址干擾消除技術(shù)對不同用戶區(qū)分解碼。

(1)功率復(fù)用技術(shù)。功率復(fù)用技術(shù)的核心是在時域和頻域外增加一個功率的維度，利用不同用戶之間的信道增益差異進行線性疊加傳輸[4]。功率復(fù)用技術(shù)是非正交多址技術(shù)中最簡單的類型。由于功率域的引入系統(tǒng)可以放松時頻物理資源塊的正交性限制，從而使系統(tǒng)容量、頻譜效率得到提升。

(2)多址接入簽名碼技術(shù)。多址接入簽名碼技術(shù)是經(jīng)典的功率域非正交多址技術(shù)的演化升級版本，除了傳統(tǒng)的功率域，還引入了碼域的擴頻、加擾、交織，甚至包含了空域編碼的多址信道標簽，有助于進一步減少非正交多址帶來的多址干擾(Multiple Access Interference，MAI)，提高接收機對多用戶信號的檢測性能。

(3)串行干擾消除技術(shù)。串行干擾消除技術(shù)的核心是對不同功率的多用戶信號進行逐次干擾消除。接收信號中功率最大的信號最先被接收機檢測出來并被消除，然后根據(jù)功率大小依次對各用戶信號進行檢測，最后完成對所有疊加信號的接收和解調(diào)。

2 NOMA技術(shù)的性能優(yōu)勢

NOMA技術(shù)性能優(yōu)勢如下。

(1)提升頻譜效率和系統(tǒng)容量。NOMA技術(shù)可以區(qū)分同一時間-頻率域上的不同的用戶，使得多個用戶可以在相同時間域和頻率域上進一步復(fù)用資源。NOMA的系統(tǒng)過載率相對于OMA技術(shù)更高，更加接近多用戶系統(tǒng)的理論容量界，在保證一定的通信質(zhì)量的前提下進一步增加了系統(tǒng)總吞吐量。由于資源的非正交分配，不同用戶的信號可以在相同的時頻資源上疊加，實際上相對于OMA系統(tǒng)進一步拓展了可接入用戶的數(shù)量，提升了系統(tǒng)的用戶容量。

(2)改善小區(qū)邊緣用戶性能。非正交多址技術(shù)為保障通信質(zhì)量和用戶公平性，會為小區(qū)邊緣用戶和信道條件較差的用戶配置更高的功率。仿真顯示，采用NOMA技術(shù)方案時，小區(qū)邊緣用戶的吞吐量得到有效提升。

(3)更小時延和低信令開銷[5]。在目前研究的一些NOMA技術(shù)方案中，NOMA可以設(shè)計成免調(diào)度的接入方案，終端可以使用開環(huán)功控選擇合適的功率一次性上傳數(shù)據(jù)，無需與基站進行多次交互，減少了接入時延，降低了信令交互的開銷。

(4)更強的系統(tǒng)魯棒性?；诠β视虻腘OMA系統(tǒng)對接收端反饋的信道狀態(tài)信息CSI的準確性的敏感度降低，在傳輸信道狀態(tài)不發(fā)生大幅、快速改變的情況下，不準確的信道狀態(tài)信息不會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生嚴重影響。同時，由于接收端采用了SIC技術(shù)，系統(tǒng)具備一定的干擾消除能力，減少了干擾對通信的影響。

3 NOMA技術(shù)的備選技術(shù)方案

為區(qū)分同一時頻資源上的不同用戶，一個行之有效的手段就是為每個用戶分配多址接入簽名碼(MA Signature)。3GPP TR 38.812研究報告總結(jié)了當前主要通信企業(yè)的NOMA上行信號處理方案和多址接入簽名碼的設(shè)計方案。圖1給出了5G NOMA上行信號處理的流程，在5G原有正交信號處理流程的基礎(chǔ)上通過替換或增加相應(yīng)的信號處理環(huán)節(jié)實現(xiàn)用戶上行信號的非正交化。

圖1 5G NOMA上行信號處理流程

目前，多址接入簽名碼方案包含以下幾類。

3.1 比特級處理技術(shù)(Bit Level Processing Based)

比特級處理技術(shù)的原理是通過為不同用戶配置特定的隨機序列或交織圖案，達到區(qū)分不同用戶的目的。比特級處理技術(shù)目前有兩種技術(shù)路線：UE特定比特級加擾和UE特定比特級交織。

(1)UE特定比特級加擾技術(shù)現(xiàn)有兩種技術(shù)方案：低碼率擴頻方案(Low Code Rate Spreading，LCRS)和非正交編碼多址接入方案(Non-Orthogonal Coded Multiple Access，NCMA)。比特級加擾的非正交多址接入方案使用了與3GPP R15 PUSCH相同的上行信號處理流程。

(2)UE特定比特級交織技術(shù)目前也有兩種技術(shù)方案：交織域多址接入方案(Interleave Division Multiple Access，IDMA)和交織網(wǎng)格多址接入方案(Interleave-Grid Multiple Access，IGMA)。UE特定的交織圖案作為多址接入簽名碼使用。

3.2 符號級處理技術(shù)(Symbol Level Processing)

符號級處理技術(shù)有如下類型。

3.2.1 使用NR原有調(diào)制方式的UE特定擴頻

使用NR原有調(diào)制方式的UE特定擴頻技術(shù)一般采用低正交相關(guān)或低密度的符號級擴頻序列。符號級擴頻序列是這一類方案設(shè)計的核心。目前，研究的擴頻序列包括韋爾奇界等式序列(Welch Bound Equality，WBE)、量化復(fù)值序列(Complex-Valued Sequences with Quantized Elements，CSQE)、ETF(Equiangular Tight Frames)/格拉斯曼序列(Grassmannian Sequence，GS)、廣義韋爾奇等式序列(Generalized Welch-Bound Equality，GWBE)、稀疏擴頻圖案序列、QPSK序列以及多用戶干擾參數(shù)準則序列(MUI-Qualified)。

(1)采用韋爾奇界等式序列有兩種技術(shù)方案：韋爾奇界擴頻多址接入(Welch-bound Spreading Multiple Access，WSMA)和資源擴頻多址接入(Resource Spread Multiple Access，RSMA)。這兩種方案使用的韋爾奇界等式序列在設(shè)計上要遵從簽名碼矢量集的相關(guān)函數(shù)平方之和的邊界要求。

(2)采用量化復(fù)值函數(shù)序列的方案只有多用戶共享接入技術(shù)(Multi-User Shared Access，MUSA)。MUSA碼序列是一種低相關(guān)性的復(fù)數(shù)域星座式短序列多元碼。MUSA在相同時頻資源用戶層數(shù)上要優(yōu)于功率域NOMA技術(shù)。

(3)等角緊框架ETF/格拉斯曼序列使用了一種更嚴格的韋爾奇界等式序列以縮小兩條序列相關(guān)性的最大值。NCMA方案使用了ETF/格拉斯曼序列。格雷斯曼序列設(shè)計問題可理解為最大化序列對間的最小弦距。格雷斯曼序列還可以通過M-QAM星座產(chǎn)生M-QAM量化格雷斯曼序列。

(4)廣義韋爾奇等式序列是韋爾奇等式序列的擴展，考慮了功率域差異對序列相關(guān)性的影響[6]。用戶特定廣義韋爾奇界多址接入方案(User-specific Generalized Welch Bound Multiple Access，UGMA)采用了該序列。

(5)稀疏擴頻圖案序列在擴頻碼序列中包含了零元素，根據(jù)稀疏擴頻圖案中的零元素的個數(shù)是否相等，具體可分為等權(quán)重序列、非等權(quán)重序列。等權(quán)重序列即為稀疏碼多址接入技術(shù)(Sparse Code Multiple Access，SCMA)，非等權(quán)重序列為圖樣分割多址接入技術(shù)(Pattern Division Multiple Access，PDMA)。SCMA在多址技術(shù)上采用了低密度擴頻和濾波OFDM(Filtered-OFDM)兩項關(guān)鍵技術(shù)。擴頻用碼本的碼字稀疏，不同用戶信號之間不易產(chǎn)生干擾，而濾波OFDM指結(jié)合子載波濾波技術(shù)使資源單元RE的子載波間隔和OFDM符號時長可調(diào)，以滿足5G空口業(yè)務(wù)多樣性和靈活性要求[7-8]。PDMA主要基于多用戶不等分集的PDMA圖樣矩陣實現(xiàn)時頻—功率—空間多維非正交信號疊加傳輸，以獲取更高的多用戶復(fù)用、分集增益[9]。

(6)QPSK序列的產(chǎn)生方法與NR DMRS序列產(chǎn)生的方法相同，通過對某個序列進行循環(huán)移位可以得到其他的序列。相同根值但不同循環(huán)移位量的2個QPSK序列的相關(guān)性為0，不同根值的序列的QPSK序列的相關(guān)性則很低。非正交編碼接入方案(Non-Orthogonal Coded Access，NOCA)采用了該序列。

3.2.2 使用非NR原有調(diào)制方式的UE特定擴頻

現(xiàn)有的方案中稀疏碼多址接入方案SCMA采用了非NR原有調(diào)制方式的UE特定擴頻技術(shù)。SCMA采用了與傳統(tǒng)QAM星座調(diào)制不同的一種高維調(diào)制，SCMA可以增大星座點之間的歐幾里得距離，進而降低用戶間干擾，最終提高多用戶疊加信號中解調(diào)出用戶信號的成功率。

3.2.3 符號級加擾

現(xiàn)有方案中資源擴頻多址接入RSMA使用了短碼擴頻和長碼加擾的符號級MA簽名碼方案。擾碼序列可以是UE組級的也可以是小區(qū)級的；也可以是Gold序列或ZC序列，或者二者的組合。

3.2.4 填零的UE特定交織

現(xiàn)有方案中交織網(wǎng)格多址接入IGMA使用了符號級交織方案。UE根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置要求獲取數(shù)據(jù)矩陣的稀疏密度信息和填零位置序號，然后將符號序列映射到資源元素RE上，并對映射的符號進行符號級交織。

3.3 UE特定稀疏RE映射(UE-Specific Sparse RE Mapping)

非正交多址接入技術(shù)方案SCMA、PDMA、IGMA采用了稀疏RE映射作為MA簽名碼方案。根據(jù)相同共享資源的用戶數(shù)量，可以確定用戶簽名碼稀疏度參數(shù)和填零RE的數(shù)量，并盡可能使相同資源上同時出現(xiàn)不同用戶的概率降到最低。

3.4 OFDM符號交錯傳輸圖案(OFDM Symbol Staggered Transmission Pattern)

目前，只有異步編碼多址接入技術(shù)(Asynchronous Coded Multiple Access，ACMA)采用OFDM符號交錯傳輸圖案作為MA簽名碼。每個用戶特定的起始發(fā)射時間為該用戶的關(guān)鍵特征。根據(jù)該方案設(shè)計[10]，每個NOMA用戶的起始時間分布與前N-1個時隙上某個OFDM符號，并在第N個時隙結(jié)束時結(jié)束所有用戶的傳輸。

表1梳理了當前3GPP的5G NOMA備選技術(shù)方案的提出公司和每種方案支持的技術(shù)類型[3]。

表1 5G非正交多址備選技術(shù)方案

4 非正交多址的接收技術(shù)方案

針對目前5G的各類非正交多址備選技術(shù)方案，接收機的信號檢測算法主要包含最小均方差MMSE、匹配濾波器MF、基本信號估計ESE、最大后驗概率估計MAP、消息傳遞算法MPA、期望傳遞算法EPA等，干擾消除技術(shù)存在硬消除、軟消除、混合消除以及串行、并行、串并混合等多種手段。

3GPP TR38.812中研究的接收機技術(shù)方案包括MMSE-IRC、MMSE-硬消除、MMSE-軟消除、ESE+SISO、EPA+混合消除等。根據(jù)3GPP的仿真分析，MMSE-IRC和MMSE-硬消除接收機的實現(xiàn)復(fù)雜度相對較低。

5 非正交多址的仿真性能評估

3GPP在NR非正交多址接入研究項目中，針對mMTC、eMBB、URLLC等部署場景，對各NOMA技術(shù)方案的性能進行了鏈路級和系統(tǒng)級的仿真評估。

5.1 鏈路級評估結(jié)果

3GPP對mMTC、eMBB、URLLC等5G部署場景的共35種具體信道場景進行BLER 和SNR仿真評估。3GPP采用的鏈路級仿真參數(shù)參見表2。通過比較各公司提交的鏈路級仿真結(jié)果，大致形成如下結(jié)論。

(1)對于低傳輸塊大小，單UE頻譜利用率<0.15 bit/s/Hz，總頻譜利用率<1.8 bit/s/Hz，只要仿真參數(shù)配置合理，各個NOMA /MA簽名碼方案的性能差距較小。

(2)對于中、高傳輸塊大小，單UE頻譜利用率在0.3～0.55 bit/s/Hz，總頻譜利用率<3.6 bit/s/Hz，仿真參數(shù)配置合理，不同NOMA /MA簽名碼方案的性能差距也較小。LDPC低編碼速率(<0.5)的仿真結(jié)果要由于高編碼速率(>0.5)。

(3)各技術(shù)方案均顯示UE數(shù)量越多，性能惡化越明顯。

5.2 系統(tǒng)級評估結(jié)果

系統(tǒng)級仿真中，3GPP設(shè)置了基準的仿真參數(shù)(見表3)，各公司的實際開展的仿真時在時頻資源配置、接收機類型、鏈路-系統(tǒng)映射關(guān)系可能與基準參數(shù)配置不盡相同。系統(tǒng)級仿真重點評估給定負載時的高層包到達率PDR(mMTC場景和eMBB場景)、滿足可靠性和時延用戶比例(URLLC場景)，并鼓勵各公司提供資源利用率曲線。

表3 3GPP非正交多址系統(tǒng)級仿真參數(shù)

根據(jù)各公司提交的仿真結(jié)果，評估結(jié)果如下。

(1)mMTC場景，丟包率PDR為1% Packet/s/cell時，共有6家企業(yè)提交了仿真結(jié)果，部分企業(yè)的仿真結(jié)果相對于基準方案有40%～100%的增益，但個別企業(yè)仿真結(jié)果認為未顯示出增益。

(2)URLLC場景，丟包率PDR為1% Packet/s/cell時，共有3家企業(yè)提交了仿真結(jié)果，其中2家顯示相對于基準方案增益最高可到300%，1家無增益。

(3)eMBB場景，丟包率PDR為1% Packet/s/cell時，共有6家企業(yè)提交了仿真結(jié)果，2家企業(yè)的結(jié)果相對于基站方案有2～4倍的增益，2家顯示有20%～40%的增益，另外2家無增益或少許增益。

6 結(jié)束語

從目前的NOMA技術(shù)在3GPP研究進展來看，僅完成技術(shù)前期研究階段的工作，尚未進入標準化的實操，離真正實現(xiàn)標準化仍有距離。NOMA技術(shù)未來可以考慮在NOMA-MIMO結(jié)合技術(shù)、最優(yōu)低密度擴頻碼本設(shè)計、優(yōu)化消息傳遞算法、性能和復(fù)雜度折中的最優(yōu)接收機設(shè)計等方面開展更深入的研究，以提高該技術(shù)的實用性，更好地滿足5G后續(xù)演進乃至6G的系統(tǒng)可靠性和性能要求。