MIMO?NOMA 傳輸機(jī)制研究綜述：存在問題與新方法探索

宋榮方，王 鴻

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003)

第五代移動(dòng)通信（5G）網(wǎng)絡(luò)正在世界范圍內(nèi)全面部署，與此同時(shí)人們開始聚焦于6G 無線通信網(wǎng)的研究，以滿足2030 年以后的業(yè)務(wù)需求。 與5G 網(wǎng)絡(luò)相比，6G 無線通信網(wǎng)絡(luò)必須具備更高的頻譜／能量／成本效率、更高的數(shù)據(jù)速率（Tb／s）、更低的時(shí)延（10 倍以上）、更大的連接數(shù)（100 倍以上），以及更廣的覆蓋范圍（接近100%）［1］。 為了達(dá)到這些要求，必須在空中接口和傳輸技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等方面有進(jìn)一步創(chuàng)新和突破。

多址方式是移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要標(biāo)志，非正交多址（Non?orthogonal Multiple Access，NOMA）因其具有比正交多址（Orthogonal Multiple Access，OMA）更高的容量、較好的用戶間公平性、更低的時(shí)延，以及可靈活支持較大的并發(fā)連接數(shù)，曾被認(rèn)為是5G 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，持續(xù)受到學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注［2－10］。 然 而， NOMA 取 代 正 交 頻 分 多 址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）的愿景在5G 系統(tǒng)中并未實(shí)現(xiàn)。 在3GPP標(biāo)準(zhǔn)化工作方面，NOMA 的應(yīng)用尚處于初級(jí)階段。3GPP LTE?A Rel.13 研究項(xiàng)目提出采用下行鏈路多用戶疊加傳輸（Multiuser Superposition Transmission，MUST）的非正交多址［11－13］，以增強(qiáng)下行鏈路系統(tǒng)吞吐量和小區(qū)邊緣性能，并在3GPP NR Rel.14 階段設(shè)立工作項(xiàng)目對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化［14－15］，但MUST 僅作為輔助的可選模式納入Rel.15。 Rel.14 和Rel.15 研究項(xiàng)目中關(guān)于上行鏈路NOMA 的提案眾多［5－6，16］；然而，最終沒有通過工作項(xiàng)目進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，但3GPP 全會(huì)同意在后續(xù)版本中繼續(xù)研究NOMA 的潛在技術(shù)方案。 盡管到目前為止尚未在上行鏈路物理層對(duì)NOMA 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，但是為了支持物聯(lián)網(wǎng)中面向異步小數(shù)據(jù)包傳輸?shù)纳闲墟溌反笠?guī)模接入，3GPP NR Rel.16 在已有的四步隨機(jī)接入信道（4?step RACH）基礎(chǔ)上，針對(duì)上行鏈路免調(diào)度（grant?free）傳輸?shù)膬刹诫S機(jī)接入信道（2?step RACH）（見圖1）進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化［17］，從而在媒體接入控制層為物理層采用NOMA 數(shù)據(jù)傳輸打下了基礎(chǔ)。 由于NOMA 的非正交特性，它不需要精準(zhǔn)的正交調(diào)度，從而降低信令開銷和時(shí)延，非常適合上行鏈路免調(diào)度兩步隨機(jī)接入信道的小數(shù)據(jù)包傳輸。

圖1 免調(diào)度兩步隨機(jī)接入

NOMA 在5G 標(biāo)準(zhǔn)化過程中遭遇挫折。 一方面是因?yàn)椴煌墓咎岢龅姆桨感问奖姸?，難以達(dá)成一致，沒有形成支持各種應(yīng)用場(chǎng)景的統(tǒng)一的NOMA框架［1］；另一方面，NOMA 技術(shù)尚需進(jìn)一步研究，以增強(qiáng)性能優(yōu)勢(shì)，降低復(fù)雜度，預(yù)期在后5G（beyond 5G，B5G）系統(tǒng)中得到應(yīng)用［18］。

本文針對(duì)功率域NOMA 展開綜述。 多用戶在相同空／時(shí)／頻域上疊加傳輸，接收端通過串行干擾刪除（Successive Interference Cancellation，SIC）區(qū)分不同用戶，實(shí)現(xiàn)一個(gè)資源塊上多個(gè)用戶同時(shí)傳輸［19］。 由于功率域NOMA 的收發(fā)機(jī)與OMA 兼容性較好，因此頗受工業(yè)界歡迎。 但在這種系統(tǒng)中，先解調(diào)用戶需將后解調(diào)用戶的信號(hào)當(dāng)作噪聲處理，當(dāng)同一資源塊上并發(fā)用戶數(shù)增加時(shí)，為確保用戶的信干噪比達(dá)到設(shè)定的閾值，以獲得一定的服務(wù)質(zhì)量，先解調(diào)用戶的發(fā)射功率將隨用戶數(shù)增加呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)；另一方面，后解調(diào)用戶需刪除先解調(diào)用戶的重構(gòu)信號(hào)后再解調(diào)自身信號(hào)，故若在同一資源塊上同時(shí)接入過多用戶，采用串行干擾刪除不僅會(huì)造成較大的接收復(fù)雜度，還會(huì)引起嚴(yán)重的誤差傳播［20－22］。 如果對(duì)用戶進(jìn)行分簇，實(shí)現(xiàn)NOMA 與OMA 混合多址，降低接收機(jī)復(fù)雜度，減少誤差傳播，則必須運(yùn)行復(fù)雜的分簇最優(yōu)化算法［23－25］。 這些因素阻礙了功率域NOMA 在大連接系統(tǒng)中的應(yīng)用。

眾所周知，大規(guī)模多入多出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術(shù)是利用空間域大幅提升系統(tǒng)頻譜效率或可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。 然而，基于多用戶MIMO 的空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）系統(tǒng)所支持的連接數(shù)（如果終端為多天線多流工作模式，則為所有終端設(shè)備的數(shù)據(jù)流數(shù)目之和）受限于基站天線數(shù)；而且，如果僅僅依靠SDMA，難以區(qū)分具有相近／相同方位信息的終端。因此，有必要在MIMO 或者大規(guī)模MIMO 基礎(chǔ)上疊加NOMA，實(shí)現(xiàn)MIMO 和NOMA 的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、深度融合，以滿足未來大規(guī)模無線系統(tǒng)中巨流量和大連接需求（例如，全息通信、虛擬現(xiàn)實(shí)／增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、超清視頻、遠(yuǎn)程醫(yī)療，以及大量智能手機(jī)、平板電腦等終端設(shè)備上的通信服務(wù)）。 另外，由于多天線的復(fù)用增益與分集增益可以相互折中，因此，也可以滿足高可靠傳輸需求。 不同于單入單出（Single Input Single Output，SISO）功率域NOMA 系統(tǒng)，將NOMA概念擴(kuò)展到基站與終端設(shè)備均配置多天線而形成的MIMO?NOMA 系統(tǒng)中，用戶信道是矩陣形式，其不能根據(jù)信道強(qiáng)弱來進(jìn)行排序，從而難以根據(jù)信道來確定串行干擾刪除時(shí)用戶的解調(diào)順序。 因此，MIMO?NOMA 傳輸方案設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性［5，26］，近年來被持續(xù)深入研究。 在接入用戶較多時(shí)，通過波束成形，采用分簇方式實(shí)現(xiàn)SDMA 與NOMA 的混合多址是最常見的方案［22，27－39］，以減少同一簇，即同一資源塊上的NOMA 用戶數(shù)，從而減少誤差傳播，降低接收機(jī)復(fù)雜度。 MIMO?NOMA 文獻(xiàn)非常豐富，后面將從功率效率、多用戶收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化、數(shù)據(jù)流配置，以及誤差傳播控制等方面詳細(xì)分析并指出現(xiàn)有MIMO?NOMA 主要方案的局限性。

1 MIMO?NOMA 研究現(xiàn)狀

MIMO?NOMA 結(jié)構(gòu)（后續(xù)描述中，NOMA 均指功率域NOMA）主要可以分為兩類：分簇法和用戶特定波束成形法。 下面重點(diǎn)對(duì)此進(jìn)行回顧與分析，并指出其固有的局限性，然后簡(jiǎn)單回顧多小區(qū)MIMO?NOMA 和智能反射表面（ Intelligent Reflecting Surface，IRS）輔助的MIMO?NOMA 研究狀況。

1.1 基于分簇的MIMO?NOMA

MIMO?NOMA 最常見的結(jié)合方式是分簇結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 基于分簇的MIMO?NOMA

文獻(xiàn)［35－36］提出采用隨機(jī)波束成形的方法，在基站發(fā)送端隨機(jī)生成多個(gè)波束成形矢量。 首先發(fā)送參考信號(hào)，接收端據(jù)此估計(jì)出等效信道質(zhì)量信息（Channel Quality Information，CQI）并反饋給基站，基站根據(jù)報(bào)告的CQI 進(jìn)行多用戶調(diào)度（分簇），每個(gè)波束成形矢量對(duì)應(yīng)一簇NOMA 用戶。 在數(shù)據(jù)傳輸階段，接收端先采用干擾抑制接收機(jī)消除來自其他波束的干擾，再采用SIC 技術(shù)刪除簇內(nèi)用戶間干擾。由于采用隨機(jī)波束成形方式，部分用戶與基站間的等效信道增益會(huì)很小，為滿足該部分用戶的傳輸速率需求，需要消耗較大的發(fā)射功率；另外，這種系統(tǒng)要求用戶接收天線數(shù)不小于基站發(fā)射天線數(shù)。 文獻(xiàn)［37］在基站發(fā)射端采用單位矩陣預(yù)編碼情況下（每一簇用戶擁有同一個(gè)單位預(yù)編碼矢量），導(dǎo)出了每個(gè)用戶的接收端檢測(cè)矢量閉式解，使發(fā)射功率最小化。 文獻(xiàn)［35－37］的本質(zhì)具有相似性：均針對(duì)下行傳輸，而且每個(gè)用戶均為單流傳輸，不具有一般性。作為MIMO?NOMA 的典型方案，Ding 等［38］基于信號(hào)對(duì)齊技術(shù)提出了適用于MIMO?NOMA 上／下行鏈路的通用傳輸方法。 在該方案中，首先根據(jù)路徑損耗，將用戶隨機(jī)配對(duì)分簇，同一簇用戶存在路徑損耗差異，但未必在同一物理位置方向。 對(duì)于上行鏈路，先通過用戶預(yù)編碼，將同簇用戶信號(hào)對(duì)齊到相同方向，簇間干擾通過基站均衡器來消除，簇內(nèi)用戶信號(hào)通過SIC 進(jìn)行分離；而對(duì)于下行鏈路，根據(jù)上下行對(duì)偶原則，先通過用戶的接收波束成形，將同簇用戶信號(hào)對(duì)齊到相同方向，簇間干擾通過基站預(yù)編碼來消除，簇內(nèi)用戶信號(hào)通過SIC 進(jìn)行分離。 基于文獻(xiàn)［38］的信號(hào)對(duì)齊分簇方案，文獻(xiàn)［39］研究了MIMO?NOMA在超可靠低時(shí)延通信（Ultra?Reliable Low Latency Communications，URLLC）場(chǎng)景下的應(yīng)用（終端設(shè)備多天線工作于分集模式，以增強(qiáng)可靠性）。 作為MIMO?NOMA 的特例，如果用戶側(cè)僅配置單天線，則形成多入單出（Multiple Input Single Output，MISO）或單入多出（Single Input Multiple Output，SIMO）NOMA 多用戶系統(tǒng)。 在此情形下，用戶側(cè)不具備信號(hào)對(duì)齊或者干擾刪除功能，只能將位于相近物理方位（或者說信道信息相關(guān)性較大）的用戶作為一簇［22］。 基站隨機(jī)生成多個(gè)正交矢量作為基準(zhǔn)矢量，通過計(jì)算每個(gè)用戶的信道矢量與基準(zhǔn)矢量的夾角，對(duì)用戶進(jìn)行分簇。 如果同簇用戶的方位信息差異較大，經(jīng)過波束成形后，必然存在有些用戶與基站間的等效信道增益很小，從而消耗較大功率。 對(duì)于未經(jīng)信號(hào)對(duì)齊的其他分簇MIMO?NOMA 系統(tǒng)，情況與此類似，同樣可能存在功率效率低的問題。

上述基于信號(hào)對(duì)齊的分簇方案［38－39］中，要求終端設(shè)備的天線數(shù)大于基站天線數(shù)的二分之一，這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。 另外，上行用戶預(yù)編碼與基站均衡器（下行用戶接收波束成形與基站預(yù)編碼）分別用來進(jìn)行信號(hào)對(duì)齊和抑制簇間干擾，這種“兩步設(shè)計(jì)法”會(huì)產(chǎn)生如下問題：如果對(duì)齊后的等效信道方向夾角很小，在簇間干擾抑制過程中也會(huì)損失大部分有用信號(hào)；即使提前設(shè)定信號(hào)對(duì)齊方向，以避免相近空間角度，但如果某一簇分配的方向靠近該簇中某個(gè)用戶信道奇異值最小的方向，會(huì)得到很低的等效信道增益。 此時(shí)，為了達(dá)到預(yù)定的信干噪比閾值，需要的瞬時(shí)發(fā)射功率急劇增大。 圖3為采用該方案的MIMO?NOMA 上行鏈路傳輸系統(tǒng)所需瞬時(shí)發(fā)射總功率的仿真結(jié)果。 仿真條件為：小區(qū)半徑為500 m，遠(yuǎn)處和近處用戶的譜效需求分別為5 b／s／Hz和7.5 b／s／Hz，基站和終端天線數(shù)均為8，終端設(shè)備多天線工作于分集模式，用戶總數(shù)為16，每一簇用戶數(shù)為2，用戶隨機(jī)分布在小區(qū)內(nèi)。 結(jié)果顯示，瞬時(shí)發(fā)射功率波動(dòng)區(qū)間很大，即該類型MIMO?NOMA 傳輸方案的性能嚴(yán)重依賴瞬時(shí)信道。這一結(jié)果是由于傳統(tǒng)的基于信號(hào)對(duì)齊的分簇結(jié)構(gòu)難以進(jìn)行簇間多用戶收發(fā)聯(lián)合設(shè)計(jì)造成的，用戶側(cè)預(yù)編碼／接收波束成形的功能是進(jìn)行同簇用戶的信號(hào)對(duì)齊。 此外，對(duì)于MIMO 多流傳輸，其簇內(nèi)每個(gè)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)流數(shù)受限于該簇對(duì)齊的信道數(shù)，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流靈活配置，而每個(gè)用戶期望的數(shù)據(jù)流數(shù)可能是不同的［40］，從而難以滿足未來無線系統(tǒng)多樣化終端設(shè)備的差異化業(yè)務(wù)需求。

圖3 不同信道樣本下多用戶瞬時(shí)發(fā)射總功率（信號(hào)對(duì)齊分簇法）

1.2 基于用戶特定波束成形的MIMO?NOMA

考慮兩用戶情形，文獻(xiàn)［41－42］提出基于最小歐氏距離的下行預(yù)編碼方案，利用預(yù)編碼設(shè)計(jì)來優(yōu)化系統(tǒng)誤符號(hào)率性能。 文獻(xiàn)［43－44］提出了兩用戶MIMO?NOMA 下行鏈路“和速率”優(yōu)化方案。 在相同的系統(tǒng)模型下，文獻(xiàn)［45］利用信道矩陣QR 分解提出一種低復(fù)雜度的NOMA 下行分層傳輸方案，并且利用統(tǒng)計(jì)信道狀態(tài)信息（ Channel State Information，CSI）進(jìn)行層間功率分配實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平均速率最大化。 文獻(xiàn)［46］考慮了一般的多用戶情況以及非理想CSI 因素，提出了魯棒的下行鏈路傳輸方案。 文獻(xiàn)［47］研究了非完美信道信息下兩用戶MIMO?NOMA 系統(tǒng)“和速率”最大化問題。 以上文獻(xiàn)［41－47］均考慮了MIMO?NOMA 下行傳輸。 上述文獻(xiàn)與分簇法有所不同。 對(duì)于基于分簇的下行鏈路，同一簇用戶具有相同的基站預(yù)編碼矩陣／矢量。而上述文獻(xiàn)中每個(gè)用戶具有不同的預(yù)編碼矩陣，將之稱為基于用戶特定波束成形的方法，如圖4 所示，以區(qū)別于分簇法。

圖4 基于用戶特定波束成形的MIMO?NOMA

Liu 等在文獻(xiàn)［48］中將這種方法稱為基于波束成形的方法（Beamformer?Based MIMO?NOMA），Huang等在文獻(xiàn)［31］中稱之為單簇MIMO?NOMA。 在該方法中，盡管每個(gè)用戶具有不同的波束成形矢量／矩陣，但波束成形的設(shè)計(jì)不是以空分多址為目的。 因此，基站天線數(shù)可以小于用戶數(shù)。 為了進(jìn)行收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)，首先，MIMO 信道不像單天線信道，無法根據(jù)信道強(qiáng)弱進(jìn)行排序，所以只能預(yù)定義串行干擾刪除時(shí)用戶的解調(diào)順序（例如根據(jù)路徑損耗進(jìn)行排序，可以認(rèn)為用戶信道矩陣中每個(gè)元素的路徑損耗相同），從而根據(jù)要求得出可達(dá)速率或誤符號(hào)率性能等表達(dá)式，最后建立優(yōu)化問題對(duì)用戶波束成形矢量／矩陣進(jìn)行求解。

相比分簇法，用戶特定波束成形MIMO?NOMA的優(yōu)點(diǎn)是在不考慮誤差傳播的情況下，系統(tǒng)性能優(yōu)于分簇法。 這是因?yàn)槭紫仍诓豢紤]誤差傳播時(shí)，通過SIC，先解調(diào)用戶對(duì)后解調(diào)用戶的干擾可以被完全刪除；其次，多天線的自由度不必用來抑制用戶間的干擾，而可以用來提升系統(tǒng)的陣列增益和分集增益；最后，因?yàn)槊總€(gè)用戶對(duì)應(yīng)一個(gè)波束成形矩陣／ 矢量，用戶特定波束成形法的優(yōu)化自由度大于分簇法。圖5 為采用這種方案所需瞬時(shí)發(fā)射總功率的仿真結(jié)果（仿真條件與圖3 相同）。 顯然，用戶特定波束成形法所需的發(fā)射功率遠(yuǎn)小于分簇法。

圖5 不同信道樣本下多用戶瞬時(shí)發(fā)射總功率（特定波束成形法）

基于用戶特定波束成形的MIMO?NOMA 存在的主要問題是：該結(jié)構(gòu)不能利用空分多址的優(yōu)勢(shì)，必須對(duì)占用相同時(shí)頻資源塊的所有用戶實(shí)施串行干擾刪除。 當(dāng)存在解碼錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的誤差傳播；而分簇法只要對(duì)簇內(nèi)用戶進(jìn)行串行干擾刪除。

1.3 多小區(qū)MIMO?NOMA

與基于注水功率分配的機(jī)會(huì)通信策略不同，在NOMA 傳輸模式下，功率分配更傾向小區(qū)邊緣用戶，以確保公平性。 這樣小區(qū)邊緣用戶經(jīng)受的小區(qū)間干擾也會(huì)變大。 在多小區(qū)環(huán)境中，相鄰小區(qū)預(yù)編碼／波束成形的聯(lián)合設(shè)計(jì)可以有效緩解小區(qū)間干擾［49］。作為單小區(qū)基于信號(hào)對(duì)齊的分簇MIMO?NOMA 在多小區(qū)情形下的推廣，考慮兩小區(qū)下行鏈路，文獻(xiàn)［50］將小區(qū)空間分為兩層，提出了外層邊緣用戶利用多小區(qū)干擾對(duì)齊技術(shù)設(shè)計(jì)預(yù)編碼來消除小區(qū)間干擾，內(nèi)層用戶采用接收波束成形將信號(hào)對(duì)齊到某個(gè)外層用戶的波束上，實(shí)現(xiàn)每個(gè)小區(qū)的每個(gè)波束（簇）上有兩個(gè)用戶進(jìn)行NOMA 傳輸。 相同作者在協(xié)作多點(diǎn)傳輸（Coordinated Multi?Point，CoMP）模式下，提出了多小區(qū)MIMO?NOMA 系統(tǒng)預(yù)編碼的設(shè)計(jì)思路［51］。 采用CoMP 技術(shù)，小區(qū)邊緣用戶的發(fā)射功率明顯減小，其原因是在多點(diǎn)傳輸時(shí)，小區(qū)邊緣用戶間干擾變成了有用信息。 不同于文獻(xiàn)［50－51］中多小區(qū)單流傳輸方案，在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，基于分簇法，文獻(xiàn)［52］提出了支持多小區(qū)多流傳輸?shù)念A(yù)編碼方案，在根據(jù)遠(yuǎn)近隨機(jī)選擇用戶進(jìn)行配對(duì)條件下，對(duì)基站預(yù)編碼矩陣進(jìn)行了優(yōu)化。 文獻(xiàn)［53］也研究了多小區(qū)下行NOMA 系統(tǒng)中的協(xié)作多點(diǎn)傳輸問題，但只考慮了基站和用戶端均配置單天線的情況。 筆者在文獻(xiàn)［54－55］中研究了采用空時(shí)分組編碼（Space?Time Block Coding，STBC）的兩小區(qū)三用戶“協(xié)作兩點(diǎn)傳輸”MIMO?NOMA 系統(tǒng)上行鏈路功率最小化預(yù)編碼設(shè)計(jì)，并獲得了最優(yōu)解的閉合表達(dá)式。 在異構(gòu)多小區(qū)（異構(gòu)蜂窩網(wǎng)）中，多小區(qū)間干擾情況更加復(fù)雜，既有同層干擾又有跨層干擾［56－60］，并且，小區(qū)間協(xié)作傳輸情況多種多樣［61］。 文獻(xiàn)［62］提出了一種NOMA 與OMA 混合組網(wǎng)的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)，小蜂窩采用單天線NOMA 技術(shù)，宏蜂窩采用大規(guī)模MIMO?OMA 技術(shù)。 文獻(xiàn)［63］分析了基于分簇的MIMO?NOMA 在多小區(qū)密集網(wǎng)絡(luò)中的性能。

多小區(qū)情形下的研究是以單小區(qū)為基礎(chǔ)的，單小區(qū)MIMO?NOMA 中存在的問題在多小區(qū)中依然存在。 另外，在多小區(qū)環(huán)境下，各小區(qū)NOMA 傳輸策略相互影響。

1.4 IRS 輔助的MIMO?NOMA

目前的移動(dòng)通信系統(tǒng)采取的信號(hào)發(fā)射和接收策略是基于“被動(dòng)”適應(yīng)傳播環(huán)境的理念，例如自適應(yīng)調(diào)制編碼（Adaptive Modulation Coding，AMC）、預(yù)編碼、多用戶調(diào)度，以及各種自適應(yīng)接收技術(shù)等，即認(rèn)為環(huán)境是無法改變的。 而智能反射表面的出現(xiàn)使人們改變了這一看法，人們可以通過“主動(dòng)”改變環(huán)境來提升系統(tǒng)性能，進(jìn)行“發(fā)射?環(huán)境?接收”的聯(lián)合優(yōu)化，從而找到了5G 技術(shù)（例如超密集網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模MIMO 和毫米波通信）之外的新途徑［64－68］，為6G 的實(shí)現(xiàn)提供了新的候選技術(shù)。

文獻(xiàn)［69－78］研究了IRS 輔助的NOMA 系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。 其中文獻(xiàn)［69］在基站采用單天線時(shí)，通過聯(lián)合設(shè)計(jì)功率分配與IRS 反射系數(shù)，使系統(tǒng)速率性能最優(yōu)化；文獻(xiàn)［70－71］和文獻(xiàn)［72－73］分別研究了IRS 輔助的單小區(qū)和兩小區(qū)NOMA 系統(tǒng)功率最小化問題，但只考慮了IRS?SISO?NOMA；文獻(xiàn)［74－75］在基站采用多天線時(shí)，基于“分簇法”，對(duì)基站的波束成形和IRS 的反射系數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，使系統(tǒng)性能最佳化；文獻(xiàn)［76－78］在基站采用多天線時(shí)，基于“用戶特定波束成形法”，對(duì)基站的波束成形和IRS 的反射系數(shù)進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)發(fā)射功率最小化。 這些研究工作的核心問題是如何高效求解復(fù)雜的非凸優(yōu)化問題。

2 群體串行干擾刪除的提出

根據(jù)兩用戶非對(duì)稱下行鏈路加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN）信道容量域（見圖6）可知，把所有功率分配給信道最強(qiáng)的用戶（即在多用戶域采用注水功率分配）能實(shí)現(xiàn)多用戶“和速率”最大化，從而出現(xiàn)了衰落信道下基于動(dòng)態(tài)時(shí)分多址的“機(jī)會(huì)通信”概念（每個(gè)時(shí)隙選擇信道最強(qiáng)用戶進(jìn)行通信）。 正因?yàn)槿绱?，蜂窩系統(tǒng)中的機(jī)會(huì)通信、機(jī)會(huì)調(diào)度技術(shù)曾被深入研究，并在第三代移動(dòng)通信CDMA 2000 1x EV?DO 下行鏈路中得到實(shí)際應(yīng)用［79］。 這種通信方式存在的主要問題是：如果一些用戶的信道狀況從統(tǒng)計(jì)上弱于其他用戶，則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的公平性問題和時(shí)延問題。 盡管采用比例公平調(diào)度可以實(shí)現(xiàn)吞吐量和公平性間的折中，但吞吐量只能位于圖6 所示容量域的虛線上。 因此，鑒于NOMA 在公平性和容量等方面的綜合優(yōu)勢(shì)，近年來掀起了NOMA 研究熱潮。

圖6 兩用戶非對(duì)稱下行鏈路AWGN 信道容量域

在基站配置多天線情況下，如果用戶數(shù)超過基站天線數(shù)，機(jī)會(huì)通信則體現(xiàn)為每個(gè)時(shí)隙優(yōu)選一組用戶進(jìn)行SDMA 通信［80］，使吞吐量最大化，從而實(shí)現(xiàn)組內(nèi)SDMA 與組間DTDMA 的混合多址方式。 多用戶選擇／調(diào)度問題在第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中研究較多。 盡管吞吐量實(shí)現(xiàn)了最大化，但同樣存在公平性問題。 這啟發(fā)我們利用單天線與多天線系統(tǒng)間的對(duì)偶性（見表1），提出組內(nèi)SDMA 與組間NOMA 相結(jié)合的混合多址新思想，以兼顧吞吐量與公平性。 組間NOMA 的核心即是本文提出的群體串行干擾刪除（Group Successive Interference Cancellation，GSIC）。

表1 單天線與多天線系統(tǒng)傳輸策略對(duì)偶性

3 基于GSIC 的MIMO?NOMA 傳輸機(jī)制

NOMA 與MIMO 或者大規(guī)模MIMO 仍屬B5G／6G 無線系統(tǒng)中的使能技術(shù)，其相互融合是滿足B5G／6G 無線通信中巨流量、大連接需求的有效方法。 針對(duì)MIMO?NOMA 研究現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為，現(xiàn)有MIMO?NOMA 主要傳輸方案尚未實(shí)現(xiàn)兩者的高度融合。 對(duì)于信號(hào)對(duì)齊分簇法，難以實(shí)現(xiàn)簇間多用戶收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而造成用戶瞬時(shí)發(fā)射功率大幅波動(dòng)；以及存在用戶數(shù)據(jù)流不能靈活配置，從而難以支持用戶多樣化終端設(shè)備的差異化業(yè)務(wù)需求等問題。 對(duì)于用戶特定波束成形法，沒有利用空分多址的優(yōu)勢(shì)，從而導(dǎo)致誤差傳播難以控制的問題。 為此，我們將“群體串行干擾刪除”新概念（或稱為“廣義串行干擾刪除”），應(yīng)用于MIMO?NOMA 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)MIMO?NOMA 深度融合的傳輸機(jī)制。 傳統(tǒng)的SIC 是以單個(gè)用戶作為一個(gè)實(shí)體來進(jìn)行順序的信號(hào)解調(diào)和干擾刪除的，而GSIC 是把一群用戶作為一個(gè)整體（也可認(rèn)為把一群用戶作為一個(gè)虛擬用戶），通過對(duì)群體（虛擬用戶）進(jìn)行排序，順序地對(duì)群體用戶進(jìn)行解調(diào)和干擾刪除。 群體內(nèi)的用戶可以采用空分多址或者其他正交多址方式，而群體間實(shí)施NOMA 傳輸。 這與NOMA 研究中常用的分簇（組）法不同，在傳統(tǒng)的分簇法中，簇內(nèi)用戶采用NOMA，而簇間采用OMA。 基于GSIC 的MIMO?NOMA 創(chuàng)新結(jié)構(gòu)如圖7所示，同一群體的用戶與基站間的路徑損耗相近。

圖7 基于GSIC 的MIMO?NOMA

以上新結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)／特點(diǎn)：

（1） 有利于對(duì)群體內(nèi)用戶采用多用戶MIMO 技術(shù)，進(jìn)行多用戶收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，使發(fā)射功率最小化。

（2） 群體內(nèi)每個(gè)終端設(shè)備數(shù)據(jù)流數(shù)不必相同，可以相互協(xié)調(diào)、靈活配置，從而支持未來無線網(wǎng)絡(luò)中不同類型終端設(shè)備的差異化業(yè)務(wù)需求。

（3） 群體間采用GSIC 進(jìn)行NOMA 傳輸，在考慮誤差傳播條件下，通過優(yōu)化群體數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能（如功耗、能效、容量和連接數(shù)等）最優(yōu)化。

（4） 基于用戶特定波束成形的結(jié)構(gòu)僅僅是新結(jié)構(gòu)的一個(gè)特例（此時(shí)每個(gè)群體內(nèi)的用戶數(shù)設(shè)定為1）。 因此，新結(jié)構(gòu)屬于MIMO?NOMA 相結(jié)合的統(tǒng)一表示形式，從而便于優(yōu)化模型的建立與性能比較。

這些優(yōu)點(diǎn)／特點(diǎn)表明，基于GSIC 的傳輸機(jī)制，能實(shí)現(xiàn)MIMO?NOMA 深度融合。

圖8 進(jìn)一步展示了新結(jié)構(gòu)與分簇結(jié)構(gòu)工作機(jī)制的顯著不同。 新結(jié)構(gòu)以群體內(nèi)多用戶收發(fā)聯(lián)合設(shè)計(jì)為顯著特征，充分挖掘多維優(yōu)化自由度，實(shí)現(xiàn)MIMO?NOMA 深度融合，克服傳統(tǒng)MIMO?NOMA 結(jié)構(gòu)的局限性。

圖8 基于GSIC 的新結(jié)構(gòu)與基于SIC 的分簇結(jié)構(gòu)比較

圖9 展示了在相同誤差傳播條件下（即SIC 階數(shù)一樣），基于GSIC 的新結(jié)構(gòu)與基于SIC 的信號(hào)對(duì)齊分簇結(jié)構(gòu)的功率消耗比較。 提出的新結(jié)構(gòu)比分簇法功耗降低10 dB 左右［81］，初步驗(yàn)證了GSIC 新思想的可行性與優(yōu)越性。 仿真條件為：小區(qū)半徑為500 m，AWGN 功率為－99 dBm，路徑損耗指數(shù)為3.5，基站與終端設(shè)備天線數(shù)均為8，每個(gè)終端設(shè)備數(shù)據(jù)流數(shù)為1，即多天線工作于分集模式，距離基站較近用戶速率需求為較遠(yuǎn)用戶的2 倍。 對(duì)于GSIC 結(jié)構(gòu)，群體數(shù)為2，每個(gè)群體用戶數(shù)為8；對(duì)于基于SIC 的分簇結(jié)構(gòu)，簇?cái)?shù)為8，每簇用戶數(shù)為2。 性能比較是在公平條件下進(jìn)行的。

圖9 新方法與傳統(tǒng)方法的功耗比較

圖10 系統(tǒng)發(fā)射總功率與群體數(shù)的關(guān)系

4 GSIC 在無小區(qū)／多小區(qū)／IRS 輔助MIMO?NOMA 系統(tǒng)中的應(yīng)用展望

基于GSIC 的MIMO?NOMA 深度融合傳輸架構(gòu)，可以進(jìn)一步拓展至無小區(qū)、多小區(qū)以及IRS 輔助的MIMO?NOMA 無線系統(tǒng)，以適應(yīng)實(shí)際的通信環(huán)境和B5G／6G 這一新時(shí)代的到來。

4.1 基于GSIC 的無小區(qū)MIMO?NOMA

針對(duì)如圖11 所示的無小區(qū)系統(tǒng)［82－84］，文獻(xiàn)［84］指出，與分布式處理相比，采用最小均方誤差接收機(jī)的集中式處理不僅使頻譜效率最大化，而且能大大降低前傳鏈路信令開銷。 基于GSIC 的集中式處理無小區(qū)MIMO?NOMA 與單小區(qū)的主要區(qū)別在于，在對(duì)用戶進(jìn)行群體劃分時(shí)提出基于用戶與多個(gè)接入點(diǎn)（Access Point，AP）之間的等效路徑損耗的方法。 部署5 個(gè)AP 的等效路徑損耗等高線示意圖如圖12 所示，位于數(shù)值相同／相近的等高線上的用戶可作為一個(gè)群體。

圖11 無小區(qū)系統(tǒng)上行鏈路模型

圖12 無小區(qū)系統(tǒng)等效路徑損耗等高線

4.2 基于GSIC 的層間不完全協(xié)作異構(gòu)多小區(qū)MIMO?NOMA

這里所指的不完全協(xié)作是指每個(gè)小區(qū)只能獲得干擾小區(qū)的干擾協(xié)方差信息來進(jìn)行收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)。 關(guān)于同構(gòu)多小區(qū)的不完全協(xié)作收發(fā)協(xié)同優(yōu)化問題，由于多小區(qū)地位的等同性，只能通過多小區(qū)相互迭代方式來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)開銷大；而對(duì)于異構(gòu)多小區(qū)（異構(gòu)蜂窩網(wǎng)），可充分利用異構(gòu)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特殊性，簡(jiǎn)化收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)。

異構(gòu)多小區(qū)是未來蜂窩通信的重要形式，小蜂窩的引入使得網(wǎng)絡(luò)中干擾問題變得更加復(fù)雜。 此時(shí)系統(tǒng)中主要存在兩種干擾：跨層干擾與同層干擾。宏蜂窩與小蜂窩的干擾情況如圖13 所示（以上行為例）。 可以將基于GSIC 的MIMO?NOMA 融合新結(jié)構(gòu)分別應(yīng)用于宏蜂窩與小蜂窩用戶的收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)。 小蜂窩與宏蜂窩收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)是相互關(guān)聯(lián)的，小蜂窩與宏蜂窩需分別根據(jù)其他小區(qū)的干擾信息和本小區(qū)用戶的信道狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)收發(fā)機(jī)來對(duì)抗小區(qū)間與小區(qū)內(nèi)干擾。 迭代設(shè)計(jì)雖然可以找到一個(gè)局部最優(yōu)解，但是會(huì)帶來較大系統(tǒng)開銷。 可以考慮采用一種認(rèn)知NOMA 的工作方式，實(shí)現(xiàn)小蜂窩與宏蜂窩收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)解耦合。 以上行傳輸為例，小蜂窩用戶在進(jìn)行預(yù)編碼設(shè)計(jì)時(shí)，都要滿足其到宏蜂窩基站每根天線的干擾小于一個(gè)預(yù)設(shè)門限的要求。 因此，宏蜂窩在預(yù)編碼設(shè)計(jì)時(shí)，可認(rèn)為每根天線的干擾都達(dá)到預(yù)設(shè)的干擾溫度（即干擾門限）。 這樣，宏蜂窩用戶預(yù)編碼設(shè)計(jì)就與小蜂窩用戶預(yù)編碼實(shí)現(xiàn)了解相關(guān)。 把宏蜂窩看成蜂窩系統(tǒng)的主用戶，利用GSIC得到優(yōu)化的宏蜂窩用戶的預(yù)編碼矩陣。 小蜂窩被看成蜂窩系統(tǒng)的次用戶，根據(jù)宏用戶的預(yù)編碼矩陣評(píng)估宏蜂窩對(duì)小蜂窩的干擾協(xié)方差矩陣，并采用GSIC進(jìn)行預(yù)編碼設(shè)計(jì)。

圖13 異構(gòu)多小區(qū)層間不完全協(xié)作上行傳輸

4.3 基于GSIC 的協(xié)作多點(diǎn)傳輸同構(gòu)／異構(gòu)多小區(qū)MIMO?NOMA

復(fù)雜的多層異構(gòu)蜂窩模型包括同構(gòu)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模塊，在3GPP 標(biāo)準(zhǔn)中，為了提高蜂窩系統(tǒng)性能，引入?yún)f(xié)作多點(diǎn)傳輸技術(shù)。 系統(tǒng)中既有同構(gòu)協(xié)作多點(diǎn)傳輸，也有異構(gòu)協(xié)作多點(diǎn)傳輸，分別如圖14、圖15 所示（以上行為例）。 協(xié)作系統(tǒng)中干擾連接減少很多，部分干擾信號(hào)由于聯(lián)合接收變成了有用信號(hào)。 由于邊緣用戶的信號(hào)在多個(gè)基站間合并，達(dá)到設(shè)定目標(biāo)性能的發(fā)射功率將會(huì)降低，同時(shí)，對(duì)內(nèi)層非正交接入用戶的干擾也將減小，因此可降低系統(tǒng)總的功耗。另外，不同于單小區(qū)情形，邊緣協(xié)作用戶的預(yù)編碼不僅影響本小區(qū)內(nèi)層NOMA 用戶收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)，而且對(duì)相鄰小區(qū)內(nèi)層用戶收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)有影響。 并且，對(duì)于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作多點(diǎn)傳輸，因?yàn)楹暧脩糨^大的發(fā)射功率，內(nèi)層宏用戶對(duì)相鄰小蜂窩的干擾也不能忽略；同時(shí)，距離宏基站較近的小蜂窩也會(huì)對(duì)宏基站造成干擾。

圖14 同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上行協(xié)作多點(diǎn)傳輸

圖15 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上行協(xié)作多點(diǎn)傳輸

將參與協(xié)作多點(diǎn)傳輸?shù)挠脩襞c非協(xié)作多點(diǎn)傳輸?shù)挠脩纛A(yù)編碼分別設(shè)計(jì)，從邊緣協(xié)作用戶到內(nèi)層非協(xié)作用戶，逐層設(shè)計(jì)最優(yōu)預(yù)編碼矩陣。 在同構(gòu)多小區(qū)協(xié)作多點(diǎn)傳輸中，一般認(rèn)為內(nèi)層用戶距離受其干擾的蜂窩基站較遠(yuǎn)，可以忽略其對(duì)其他蜂窩的干擾。這樣，對(duì)內(nèi)層用戶只需根據(jù)邊緣用戶的當(dāng)前預(yù)編碼采用GSIC 來設(shè)計(jì)內(nèi)層用戶的預(yù)編碼。 對(duì)于異構(gòu)多小區(qū)協(xié)作多點(diǎn)傳輸，由于宏蜂窩用戶發(fā)射功率較大，即便在內(nèi)層的宏用戶也會(huì)對(duì)小蜂窩造成干擾，同時(shí)距離宏基站較近的小蜂窩也會(huì)對(duì)宏基站造成干擾，因此可參照層間不完全協(xié)作異構(gòu)多小區(qū)情形設(shè)計(jì)內(nèi)層用戶預(yù)編碼矩陣。

4.4 基于GSIC 的IRS 輔助MIMO?NOMA

IRS 的引入改變了信道的傳輸特性，此時(shí)既有基站與用戶之間固有的信號(hào)傳輸路徑，又有經(jīng)過IRS 反射的傳輸路徑。 不同的反射相位偏移會(huì)影響反射信號(hào)到達(dá)接收端的方向，可以通過優(yōu)化反射相位偏移，使得反射信號(hào)與固有信號(hào)相匹配，以增強(qiáng)接收端有用信號(hào)的強(qiáng)度。 因此，在IRS 輔助的MIMO?NOMA 系統(tǒng)中，增加了IRS 的相位偏移這一維度的優(yōu)化，需要對(duì)基站、終端收發(fā)機(jī)，以及IRS 的相位偏移進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)。 同時(shí)，考慮到在IRS 輔助系統(tǒng)中很難得到精確的信道狀態(tài)信息，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮非理想信道狀態(tài)信息對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

針對(duì)未來無線通信巨流量大連接傳輸需求，IRS與MIMO?NOMA 的深度融合是滿足這一應(yīng)用需求的高效技術(shù)手段。 為了克服已有設(shè)計(jì)架構(gòu)的局限性，可以采用如圖16 所示的基于GSIC 的IRS 輔助MIMO?NOMA 系統(tǒng)架構(gòu)（以上行為例），以實(shí)現(xiàn)IRS／MIMO／NOMA 融合新模式，構(gòu)建“發(fā)射機(jī)?傳播環(huán)境?接收機(jī)”三維聯(lián)合優(yōu)化新模型。

圖16 基于GSIC 的IRS 輔助上行MIMO?NOMA 系統(tǒng)

5 結(jié)束語

大規(guī)模MIMO 和NOMA 均屬未來無線通信中的使能技術(shù)，近五年來，出現(xiàn)了大量MIMO?NOMA研究論文，其主要傳輸結(jié)構(gòu)可分為分簇法和用戶特定波束成形法。 筆者認(rèn)為，這些傳輸結(jié)構(gòu)尚未實(shí)現(xiàn)兩者高度融合的傳輸機(jī)制，主要存在以下問題：

（1） 對(duì)于未經(jīng)信號(hào)對(duì)齊的分簇結(jié)構(gòu)，如果同簇用戶的方位信息差異較大，經(jīng)過波束成形后，必然存在有些用戶與基站間的等效信道增益很小，從而導(dǎo)致功率效率低的問題。

（2） 對(duì)于信號(hào)對(duì)齊的分簇結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)簇間多用戶收發(fā)機(jī)聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，同樣造成功率效率低的問題。

（3） 對(duì)于信號(hào)對(duì)齊的分簇結(jié)構(gòu)，存在用戶數(shù)據(jù)流難以靈活配置，從而難以支持未來大規(guī)模無線系統(tǒng)多樣化終端設(shè)備的差異化業(yè)務(wù)需求。

（4） 對(duì)于用戶特定波束成形的結(jié)構(gòu)，存在空分多址優(yōu)勢(shì)未被利用，從而導(dǎo)致誤差傳播難以控制的問題。

面向未來無線網(wǎng)絡(luò)巨流量大連接多業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，在考慮誤差傳播等非理想因素前提下，以功率最小化以及滿足用戶多樣化業(yè)務(wù)需求為主要目標(biāo)，我們提出“群體串行干擾刪除”新概念與新方法，探索NOMA 與MIMO 的深度融合傳輸機(jī)制，構(gòu)建兩者有機(jī)結(jié)合的統(tǒng)一框架。 可以將基于GSIC 的單小區(qū)MIMO?NOMA 進(jìn)一步拓展至異構(gòu)／同構(gòu)多小區(qū)情形，構(gòu)建群體內(nèi)、群體間、小區(qū)內(nèi)以及小區(qū)間協(xié)同優(yōu)化新模式；通過引入等效路徑損耗概念，可以將GSIC 應(yīng)用于無小區(qū)環(huán)境下的MIMO?NOMA。 本文最后進(jìn)一步展望了GSIC 在智能反射表面輔助的MIMO?NOMA 系統(tǒng)中的應(yīng)用，以構(gòu)建群體內(nèi)、群體間與傳播環(huán)境的聯(lián)合優(yōu)化新模型。 結(jié)合上述應(yīng)用場(chǎng)景，未來工作還可包括進(jìn)一步分析并揭示系統(tǒng)性能受有關(guān)非理想因素（例如導(dǎo)頻污染、誤差傳播、小區(qū)間非理想干擾信息和非理想信道狀態(tài)信息反饋等）影響的規(guī)律，為系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)提供理論支撐與技術(shù)支持。