非正交多址接入中疊加碼調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)研究

馬 驍，李 丹，張景云

（陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710119）

隨著5G通信技術(shù)的不斷發(fā)展，作為5G核心技術(shù)的非正交域多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-4]。NOMA 有別于傳統(tǒng)的正交傳輸，其在發(fā)送端采用非正交發(fā)送，通過(guò)在功率域分配不同發(fā)射功率段來(lái)區(qū)分不同用戶信息，接收端通過(guò)串行干擾抵消[5]（Successive Interference Cancellation，SIC）實(shí)現(xiàn)各用戶數(shù)據(jù)的正確解調(diào)。這種通過(guò)不同功率區(qū)分用戶信息的方式，相較于傳統(tǒng)時(shí)頻域正交技術(shù)，更加不直觀，學(xué)生僅通過(guò)課堂教學(xué)難以理解和接受。

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)頻分多址（Frequency Division MultipleAccess，F(xiàn)DMA）、時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、及正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）等利用正交化資源為基礎(chǔ)的多址接入方式[6-7]。其中TDMA 將不同用戶的信息映射到不同時(shí)隙段，解決不同用戶間的干擾問(wèn)題；FDMA 通過(guò)劃分相互正交的頻率段，實(shí)現(xiàn)不同用戶的無(wú)干擾傳輸；而OFDMA 聯(lián)合考慮時(shí)頻域，劃分出不同的時(shí)頻資源塊，來(lái)承載不同用戶的信息。而非正交多址接入技術(shù)為不同用戶分配與之對(duì)應(yīng)的傳輸功率，接收端根據(jù)接收信號(hào)功率的差別，進(jìn)行相應(yīng)解調(diào)。這種利用功率域?qū)崿F(xiàn)多址接入的方式，相較于時(shí)頻域更加抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中更加難以理解和掌握。

綜上所述，為使學(xué)生緊跟通信技術(shù)發(fā)展前沿，有必要設(shè)計(jì)一套綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，促進(jìn)學(xué)生理解掌握非正交多址接入技術(shù)的原理。通過(guò)模擬沙盤(pán)教學(xué)方法和基于軟件無(wú)線電聯(lián)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解疊加信號(hào)特征和調(diào)制過(guò)程、串行干擾抵消作用和非正交多址接入技術(shù)的工作原理。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有相關(guān)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)TDMA、FDMA以及OFDMA等以時(shí)頻域?yàn)榛A(chǔ)的正交多址接入技術(shù)，而對(duì)于非正交多址接入技術(shù)，缺乏具有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)。

為解決上述問(wèn)題，讓學(xué)生能夠更加形象的理解非正交多址的基本工作機(jī)理?？偨Y(jié)了如圖1 所示的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與任務(wù)總體設(shè)計(jì)思路框架圖。分析了基于功率域非正交多址技術(shù)的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，包括：①單用戶多個(gè)業(yè)務(wù)的功率復(fù)用問(wèn)題；②多用戶信號(hào)的功率域疊加問(wèn)題；③接收端獨(dú)立的串行干擾抵消問(wèn)題。

圖1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與任務(wù)總體框架

針對(duì)教學(xué)重難點(diǎn)，利用模擬沙盤(pán)思想，設(shè)計(jì)了非正交多址接入技術(shù)沙盤(pán)推演教學(xué)方法。讓學(xué)生扮演傳輸過(guò)程的不同模塊，完成不同功能，使得學(xué)生能夠清晰深入地觀察學(xué)習(xí)各模塊的工作原理和流程。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)重難點(diǎn)，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

①功分復(fù)用信號(hào)與16QAM 調(diào)制信號(hào)星座圖對(duì)比實(shí)驗(yàn)。理解高階調(diào)制信號(hào)和功分復(fù)用信號(hào)星座點(diǎn)的相似性和區(qū)別。利用點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行16QAM 調(diào)制傳輸和兩路QPSK 的功率域復(fù)用[8-9]疊加信號(hào)傳輸，讓學(xué)生觀察對(duì)比兩種信號(hào)的區(qū)別和聯(lián)系，從星座圖的角度理解功率域信號(hào)特征。

②基于串行干擾抵消的用戶逐級(jí)分離解調(diào)實(shí)驗(yàn)。串行干擾抵消技術(shù)是非正交多址在接收端分離不同用戶信號(hào)及消除多址干擾的關(guān)鍵技術(shù)。該實(shí)驗(yàn)根據(jù)串行干擾抵消基本思想，觀察多用戶檢測(cè)和多用戶信號(hào)逐級(jí)判決，加深學(xué)生對(duì)串行干擾抵消技術(shù)中多用戶檢測(cè)、逐級(jí)判決、幅度恢復(fù)、消除干擾、逐級(jí)解調(diào)等過(guò)程的理解和掌握。

③面向上下行的功率域非正交多址數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)?；诠β视虻姆钦欢嘀方尤爰夹g(shù)在上下行傳輸時(shí)有較大的不同，下行傳輸時(shí)，不同用戶信號(hào)在基站的基帶疊加后再變換為射頻信號(hào)發(fā)送；而上行傳輸時(shí)，不同用戶信號(hào)在信道中進(jìn)行疊加，兩種不同疊加方式使接收端信號(hào)形式有所不同。因此需分別對(duì)上行和下行傳輸進(jìn)行學(xué)習(xí)以深入掌握功率域非正交多址接入的原理。

根據(jù)以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的具體要求，開(kāi)發(fā)了基于MATLAB 和軟件無(wú)線電平臺(tái)的綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)達(dá)到了以下教學(xué)目標(biāo)：①觀察和理解高階調(diào)制信號(hào)與功率域疊加信號(hào)區(qū)別；②了解串行干擾抵消原理及其在非正交多址中的作用；③掌握和理解基于功率域的非正交多址接入技術(shù)的基本原理。

2 基于模擬沙盤(pán)的教學(xué)設(shè)計(jì)

通過(guò)合理設(shè)置三個(gè)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察功率域疊加信號(hào)的特征和解調(diào)的過(guò)程，理解串行干擾抵消在多用戶信號(hào)分離和解調(diào)中的作用。最終通過(guò)撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告和回答思考題進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)非正交多址接入技術(shù)的認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生的思考能力。

非正交多址接入技術(shù)作為下一代通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵核心技術(shù)之一，需向?qū)W生進(jìn)行詳細(xì)講解，讓學(xué)生掌握和理解其工作過(guò)程和原理，區(qū)分功率疊加信號(hào)特征與高階調(diào)制信號(hào)的區(qū)別，理解非正交多址與基于時(shí)頻域的正交多址技術(shù)在功率分配中的不同，掌握串行干擾抵消技術(shù)在多用戶信號(hào)分離和解調(diào)中的作用，能進(jìn)行簡(jiǎn)單的非正交多址接入上下行工作過(guò)程及原理的分析。

針對(duì)教學(xué)重難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于模擬沙盤(pán)的教學(xué)方法[10-12]。如圖2 所示，在教學(xué)中，通過(guò)讓學(xué)生扮演不同的通信模塊，模擬整個(gè)通信過(guò)程。每個(gè)學(xué)生完成一個(gè)功能，學(xué)生之間利用文字和圖片進(jìn)行信息的傳遞，教師進(jìn)行時(shí)間方面的同步。通過(guò)這樣的教學(xué)方法，學(xué)生能夠形象具體地觀察整個(gè)端到端傳輸過(guò)程，理解流程中每個(gè)模塊的功能和工作原理。通過(guò)在教學(xué)中引入模擬沙盤(pán)方式，有效地提高了學(xué)生對(duì)非正交多址接入技術(shù)的理解，也為后續(xù)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象打下良好的基礎(chǔ)。

圖2 模擬沙盤(pán)式教學(xué)示意圖

為進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)教學(xué)重難點(diǎn)的理解和掌握，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。首先進(jìn)行功分復(fù)用信號(hào)與高階調(diào)制信號(hào)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)從星座圖角度入手，讓學(xué)生對(duì)比功率疊加信號(hào)與較熟悉的高階調(diào)制信號(hào)星座圖的區(qū)別和聯(lián)系，直觀感受和理解功率域信號(hào)疊加，思考這兩種信號(hào)在本質(zhì)上的不同，增加對(duì)信號(hào)功率域疊加的認(rèn)識(shí)。另一難點(diǎn)是接收端多用戶信號(hào)分離和解調(diào)。為使學(xué)生理解此過(guò)程，設(shè)計(jì)了用戶信號(hào)分離實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)大功率層和小功率層用戶信號(hào)處理的區(qū)別，觀察接收端每步處理后的星座圖特點(diǎn)，理解串行干擾抵消的工作原理和作用。在此基礎(chǔ)上，利用軟件無(wú)線電平臺(tái)，設(shè)計(jì)模擬了蜂窩網(wǎng)上下行傳輸實(shí)驗(yàn)，借助頻譜儀讓學(xué)生直觀地理解功率域疊加信號(hào)在同時(shí)同頻傳輸時(shí)如何解決多址干擾[13-14]問(wèn)題，思考用戶信息如何在功率域進(jìn)行區(qū)分，及上行傳輸與下行傳輸?shù)牟煌琜15]。

為加深學(xué)生理解，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，要求學(xué)生認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求學(xué)生正確記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程、星座圖、頻譜結(jié)構(gòu)圖，認(rèn)真回答思考題。

3 實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

每一代多址技術(shù)的研究與應(yīng)用都離不開(kāi)其對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)復(fù)用技術(shù)，如頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用等。同樣，功分復(fù)用技術(shù)作為非正交多址接入技術(shù)的基礎(chǔ)，不同于傳統(tǒng)復(fù)用技術(shù)在時(shí)頻域劃分資源，功分復(fù)用技術(shù)在功率域進(jìn)行資源劃分，以同時(shí)服務(wù)多個(gè)數(shù)據(jù)流。功分復(fù)用中，收發(fā)兩端分別采用串行干擾抵消技術(shù)進(jìn)行解調(diào)和基于疊加碼原理的調(diào)制方式。

3.1 功分復(fù)用原理

以三路信號(hào)為例，發(fā)射機(jī)根據(jù)共享同一時(shí)/頻/空域的不同用戶的信道狀況自適應(yīng)地劃分和分配不同的功率段，并產(chǎn)生疊加信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。在此過(guò)程中可以通過(guò)功率控制算法，使信道容量逼近最大，從而提高接收機(jī)分離多路信號(hào)的性能。不同數(shù)據(jù)流對(duì)應(yīng)的功率段S1，S2，…，Sm可以由下式確定。

其中，B、h、σ2和C分別表示信道帶寬、信道衰減、噪聲功率和數(shù)據(jù)流目標(biāo)傳輸速率?？梢?jiàn)，功率段的長(zhǎng)度與服務(wù)速率成非線性關(guān)系。

另一方面，第i個(gè)功率段提供的實(shí)時(shí)速率可由式（2）表示。因此，當(dāng)信道衰減h改變時(shí)，不同功率段的服務(wù)速率變化量是不同的。當(dāng)信道衰減h降低時(shí)，服務(wù)速率減少量隨著i的減小而增大。這個(gè)結(jié)果表明，功率段的排序?qū)τ谛诺赖聂敯粜杂兄蔷€性影響。

從上述理論可以看出，基于功率域的復(fù)用方式其信號(hào)在傳輸時(shí)會(huì)根據(jù)不同功率層的功率大小進(jìn)行疊加[16-18]。以每個(gè)單路信號(hào)QPSK 調(diào)制為例，兩路信號(hào)疊加過(guò)程如圖3 所示。例子中，上層用戶使用功率為S1的功率層進(jìn)行傳輸，如左上角四角星型星座圖所示，為4 個(gè)獨(dú)立的星座點(diǎn)，每個(gè)星座點(diǎn)到原點(diǎn)的功率為S1。下層用戶采用功率為S2的功率層進(jìn)行傳輸，如左下角圓形的星座圖所示，也為4 個(gè)獨(dú)立的星座點(diǎn)。與小功率不同，每個(gè)星座點(diǎn)到原點(diǎn)的功率為更大的S2。功分復(fù)用機(jī)制中，兩路信號(hào)將同時(shí)同頻發(fā)送，因此兩路信號(hào)將進(jìn)行疊加。疊加過(guò)程中，小功率信號(hào)的星座點(diǎn)將疊加在大功率信號(hào)星座點(diǎn)的周圍，形成新的星座圖。疊加后的信號(hào)星座圖如圖3右側(cè)所示，共16個(gè)六角星形星座點(diǎn)。其中4個(gè)圓形為原大功率層信號(hào)星座點(diǎn)位置，小功率信號(hào)四角星形點(diǎn)疊加在大功率信號(hào)上形成新的16 個(gè)六角星形的星座圖。實(shí)際接收端接收到的是16 個(gè)六角星形星座點(diǎn)的信號(hào)。

圖3 疊加信號(hào)星座圖變換示意圖

需說(shuō)明的是，與16QAM 信號(hào)相比，兩種信號(hào)雖然都有16 個(gè)星座點(diǎn)，但是在16QAM 信號(hào)中，各個(gè)星座點(diǎn)之間的距離，即功率關(guān)系是不能改變的，而功分復(fù)用信號(hào)其星座點(diǎn)之間的功率關(guān)系由單路信號(hào)的功率層決定，因此是可以變化的。同時(shí)，16QAM 信號(hào)僅能攜帶一路數(shù)據(jù)信息，而功分復(fù)用信號(hào)能夠根據(jù)需要攜帶多路數(shù)據(jù)信息。這一點(diǎn)是同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)中需要學(xué)習(xí)和注意的。

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由開(kāi)放無(wú)線研究平臺(tái)（Wireless Open Access Research Platform，WARP）和MATLAB R2018b組成。其中WARP 是一款基于FPGA 設(shè)計(jì)的軟件無(wú)線電平臺(tái)，可以在不同層次上靈活地實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線通信協(xié)議。WARP 采用Virtex-6 FPGA，單板可支持2×2MIMO，支持2.4G/5GHz 無(wú)線。由圖4 結(jié)構(gòu)圖可以看出，WARP 的兩個(gè)收發(fā)通道完全相互獨(dú)立，實(shí)驗(yàn)中可以利用一個(gè)WARP 板卡同時(shí)模擬兩個(gè)獨(dú)立用戶的行為，即可單獨(dú)利用任何一個(gè)通道進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)調(diào)制和功率映射。

圖4 WARP結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接圖如圖5 所示，實(shí)驗(yàn)上位機(jī)與WARP 平臺(tái)經(jīng)雙絞線與交換機(jī)相連，WARP信號(hào)發(fā)射端口與頻譜儀相連。上位機(jī)作為WARP 控制端，運(yùn)行MATLAB 仿真程序并將運(yùn)行數(shù)據(jù)經(jīng)交換機(jī)傳輸?shù)絎ARP 進(jìn)行發(fā)送，接收端口接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)交換機(jī)傳輸回上位機(jī)端，并在MATLAB 中顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接圖

4 實(shí)驗(yàn)方案

4.1 功分復(fù)用與高階調(diào)制信號(hào)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的16QAM 傳輸，以及基于多路信息的功分復(fù)用傳輸。其中16QAM 傳輸將一路信息通過(guò)16QAM 調(diào)制后傳輸至接收端，如圖6 所示，接收端對(duì)16QAM 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。而功分復(fù)用傳輸是在發(fā)送端產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，將兩個(gè)業(yè)務(wù)分配到大功率層和小功率層，分別進(jìn)行QPSK 調(diào)制，并將已調(diào)信號(hào)進(jìn)行疊加后發(fā)送，如圖7 所示，在接收端對(duì)收到的疊加信號(hào)進(jìn)行多用戶檢測(cè)和串行干擾抵消，進(jìn)而對(duì)兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立解調(diào)，恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。其中，星座圖6 和圖7，橫軸為信號(hào)的同相分量，縱軸為信號(hào)的正交分量。

圖6 16QAM調(diào)制信號(hào)星座圖

圖7 功分復(fù)用星座圖

實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生通過(guò)觀察不同信號(hào)在不同位置的星座圖特點(diǎn)，理解高階調(diào)制和功分復(fù)用之間的區(qū)別和聯(lián)系，能夠正確地區(qū)分二者的星座圖的不同，對(duì)基于功率域的信號(hào)疊加有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)進(jìn)行非正交多址實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

4.2 下行場(chǎng)景的非正交多址與SIC實(shí)驗(yàn)

下行傳輸場(chǎng)景指基站向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，即一發(fā)多收實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)利用兩臺(tái)WARP 來(lái)分別模擬發(fā)送端和接收端。接收端利用WARP 的兩個(gè)獨(dú)立通道模擬兩個(gè)用戶，以此通過(guò)模擬一發(fā)兩收?qǐng)鼍斑M(jìn)行下行通信過(guò)程實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，模擬基站需將兩個(gè)獨(dú)立的業(yè)務(wù)分別發(fā)送給兩個(gè)用戶。發(fā)射端首先根據(jù)非正交多址的原理將兩個(gè)業(yè)務(wù)分配至不同的功率層，分別調(diào)制后進(jìn)行疊加，將疊加后的信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。注意此時(shí)發(fā)送的信號(hào)是在設(shè)備內(nèi)疊加的信號(hào)。在接收端，分配至大功率層的用戶將接收信號(hào)直接按照QPSK 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，而分配到小功率層的用戶使用串行干擾抵消技術(shù)，先對(duì)接收信號(hào)中的大功率信號(hào)進(jìn)行分離，再對(duì)下層信號(hào)利用QPSK 解調(diào)出原始數(shù)據(jù)信息實(shí)驗(yàn)圖如圖8 所示。

圖8 下行實(shí)驗(yàn)圖

實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)非正交多址接入技術(shù)下行傳輸?shù)哪M，要求學(xué)生理解一發(fā)多收?qǐng)鼍跋碌姆钦欢嘀饭β蕦臃峙浞椒ê驮?。通過(guò)觀察星座圖理解不同功率層用戶解調(diào)疊加信號(hào)的區(qū)別。掌握串行干擾抵消技術(shù)在功率域疊加信號(hào)分離和解調(diào)中的作用和原理。

4.3 面向上行場(chǎng)景的非正交多址傳輸實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)通過(guò)兩發(fā)一收來(lái)模擬上行傳輸場(chǎng)景。前面實(shí)驗(yàn)中疊加信號(hào)是在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行疊加后再發(fā)送到信道的，所以接收端接收到的兩個(gè)疊加后的信號(hào)經(jīng)歷了相同的信道傳輸。而在上行傳輸場(chǎng)景中，兩個(gè)用戶的信號(hào)是在空中進(jìn)行疊加，接收端接收到的信號(hào)雖然也是功率疊加信號(hào)，但是兩個(gè)信號(hào)經(jīng)歷了不同的信道，這使得解調(diào)時(shí)信道訓(xùn)練和估計(jì)更加復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)如圖9 所示。

圖9 上行實(shí)驗(yàn)圖

實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生著重觀察空中疊加信號(hào)的星座圖與之前實(shí)驗(yàn)中的區(qū)別，以及上行信道的差別對(duì)接收端的影響，思考這種變化的本質(zhì)和解決的方法。

5 結(jié)論

針對(duì)教學(xué)中較難理解和掌握的非正交多址接入技術(shù)，首先利用模擬沙盤(pán)的教學(xué)方法，通過(guò)讓學(xué)生對(duì)非正交多址接入中各環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬推演，幫助學(xué)生理解關(guān)鍵技術(shù)的原理和重點(diǎn)觀測(cè)對(duì)象。在此基礎(chǔ)上，從功率域信號(hào)疊加、接收端串行干擾抵消多用戶信號(hào)分離以及模擬上下行場(chǎng)景數(shù)據(jù)傳輸?shù)热齻€(gè)方面設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于面向功率的非正交域的多用戶信號(hào)疊加、傳輸以及接收處理等過(guò)程和原理的深入理解和掌握。