面向5G的非正交多址接入技术的比较_张长青

NOMA 是典型的仅有功率域应用的非正交多址 接入技术，也是所有非正交多址接入技术中最简单的 一种。由于 NOMA 采用的是多个用户信号功率域的 简单线性叠加，对现有其他成熟的多址技术和移动通 信标准的影响不大，甚至可以与 4G 正交频分多址技术 （OFDMA， Orthogonal Frequency Division Multiple Access）简单地结合。在 4G LTE 系统多址接入技术中， 每个时域频域资源单元只对应一个用户信号，由于时 域和频域各自采用了正交处理方案，所以确定了资源 单元就确定了用户信号，确定了通信用户，即 4G 消除 用户信号间干扰是通过频域子载波正交和时域符号 前插入循环前缀实现的。在 NOMA 技术中，虽然时 域频域资源单元对应的时域和频域可能同样采取正 交方案，但因每个资源单元承载着非正交的多个用户 信号，要区别同一资源单元中的不同用户，只能采用 其他技术。
交多址接入技术都已达到了香农定理信道容量的极 限，这说明非正交多址接入技术在满足 5G 设计理念和 技术要求等方面，具有强大的竞争优势。
目前，以我国为主的全球多家公司正在积极研发 面向 5G 的非正交多址接入技术，虽然它们的重点各有 不同，但目标只有一个，都想占据 5G 技术的制高点，掌 控 5G 技术的专利权，在未来移动通信领域谋得一席之 地。为此，笔者在简单分析了在非正交多址接入技术 中非常重要的串行干扰消除技术后，重点分析了当前 几种引人瞩目的非正交多址技术的基本原理，比较了 它们各自的技术优劣，并根据《5G 愿景与需求白皮书》 的基本标准，从基站和终端特点出发分析了哪些技术 更适合 5G 需求，提出了一些建议，以供相关技术人员 参考。
在 SIC 接收机中，第 1 个用户信号的检测并不能 从 这 种 干 扰 消 除 算 法 中 获 益 ，但 因 为 它 是 最 强 的 信 号，所以将它放在最前面进行检测也是最精确的。弱 信号可以从这种干扰消除算法中获得最大好处。因 此，接收信号必须按功率的大小由强到弱进行排序。 SIC 技术是消除多址干扰最简单最直观的方法之一， 性能上比传统检测器有较大提高，结构简单、实现容 易，适合 5G 系统的设计要求，但因运算复杂度与用户 数呈线性关系，同一资源单元上叠加的用户数不能太 多。SIC 接收机还存在每一级干扰消除都会带入一个 比 特 的 延 迟 、用 户 功 率 发 生 变 化 时 系 统 需 要 重 新 排 序、若初始信号比特估计不可靠则会对后级检测产生 极大影响等缺点。
·44·
图Hale Waihona Puke 2 NOMA 下行链路发收端信号处理流程
专家视点
《电信网技术》2015 年 11 月第 11 期
到下一级。 UE2 侧：当发射功率强度不同的 3 个用户信号同
时进入 UE2 的 SIC 接收机时，终端同样先对 UE3 信号 进行解码、重构、删除干扰，并由终端 UE2 根据相关算 法不断评估、比较 UE2 信道，由于 UE2 发射信号较强， 在对 UE3 处理后，终端就能得到最大的 SNR，所以终端 将直接解码 UE2 信号并发送到下一级。
空中接口承载用户信息的无线资源主要有，频域、 时域、空域、码域和功率域，前 3 种有子载波正交、接入 循环前缀和适当空间距离等成熟技术保证多用户多址 接入的独立性，后两种在多用户信息区分方面只能通 过 串 行 干 扰 消 除 （SIC，Successive Interference Cancellation）技术保证。由于码域和功率域无法保证 叠加用户的正交，在移动通信系统中大凡用到后两种 资源的都叫非正交多址接入技术。非正交多址接入是 一种多资源混用技术，有 5 种资源同时应用的，也有 3/4 种资源应用的，技术难度各有不同，但理论上所有非正
□TELECOMMUNICATIONS NETWORK TECHNOLOGY No.11
EXPERT VIEWPOINT
面向 5G 的非正交多址接入技术的比较
张长青 中国移动通信集团湖南有限公司岳阳分公司高级工程师
摘 要 5G 将会满足人们在居住、工作、休闲和交通等各种场景的多样化业务需求，具有连续广 域覆盖、热点区高容量、低时延和高可靠、低功耗和大连接等应用特点。保证这些特点顺利应用的条件 是移动通信的关键技术——多址接入。当今 5G 多址接入技术研究中最热门，也是最有选择优势的，莫 过于非正交多址接入技术。本文分析了串行干扰消除 SIC 技术，分析了目前最流行的 NOMA、MUSA、 SCMA 和 PDMA 等非正交多接入技术的工作原理，并比较了这 4 种多址接入技术各自特有的优点和存 在的问题，最后在 5G 多址接入技术应用方面还提出了一些建议，可为关心、规划和设计 5G 系统的人们 提供一定参考。
·42·
专家视点
《电信网技术》2015 年 11 月第 11 期
的等效分集度，就需要在发送端为多用户设计一致的 等效分集度，而发送分集度的构造方式，可以在功率、 空间、编码等多种信号域进行。可见 SIC 技术在非正 交多址接入方式中的重要性。
SIC 技术是非正交多址接入方式接收端必备的技 术，是一种针对多用户接收机的低复杂度算法，该技术 可以顺次地从多用户接收信号中恢复出用户数据。在 常规匹配滤波器（MF，Matched Filter）中，每一级都提 供一个用于再生接收到的来自用户信号的用户源估 计，适当地选择延迟、幅度和相位，并使用相应的扩频 序列对检测到的数据比特进行重新调制，从原始接收 信号中减去重新调制的信号（即干扰消除），将得到的 差值作为下一级输入，在这种多级结构中，这一过程重 复进行，直到将所有用户全部解调出来，SIC 接收机利 用串联方法可以方便地消除同频同时用户间的干扰。
关键词 串 行 干 扰 消 除 非 正 交 多 址 接 入 多 用 户 共 享 接 入 稀 疏 码 多 址 接 入 图 样 分 割 多址接入
1 引言
5G 技术将会在广覆盖、高容量、低时延、高可靠、 低功耗、大连接等方面为未来移动通信系统的应用，开 创出日新月异和空前繁荣的新型移动通信时代。5G 将是一个全球标准，其覆盖的广域性、传输的高速性、 连接的海量性和应用的多样性，使得空口技术必须具 有相当的灵活性和应变能力。也就是说，5G 的空中接 口应该是一个标准既多元又统一、可解决当代所有接 入问题、灵活适配各种移动业务的无线信道，不管是自 动驾驶要求的 1ms 低时延，还是 3D 全息影像拥有的 Gbpit/s 超高速，或者是每平方公里几十万个物联网传 感器的连接数，都能应付自如，真正做到“用无常道，事 无轨度，动静屈伸，唯变所适”，使移动通信系统传统的 网络能力问题不复存在。
基站侧：基站在对用户信号进行下行发射功率复 用时，由于三用户与基站的信道质量不同，系统根据各 自不同的 SNR 和相关算法分配给 UE1 的发射信号功 率最弱，UE2 的发射信号功率中等，UE3 的发射信号功 率最强。
UE1 侧：当发射功率强度不同的 3 个用户信号同 时进入 UE1 的 SIC 接收机时，由于强度高的信号最易 被 SIC 接收机感知，若想正确解调出 UE1 信号，终端 必先逐次对 UE3 和 UE2 信号解码、重构、删除干扰， 并由终端 UE1 根据相关算法不断评估、比较 UE1 信 道，在得到最好的 SNR 后，最后解码 UE1 信号并发送
图 1 所示为串行干扰消除检测器 SIC 接收机的原 理结构框图，由 n 个用户信号排序模块和 n 级干扰消除 模块组成，其中每级干扰消除模块包括用户匹配滤波 器、MF 检测器和再生器三部分，再生器又包括多个功 能。当接收天线将通过无线信道传输的包括多个用户 信息和噪声的传输信号发送给 SIC 接收机时，SIC 接收 机首先通过用户信号排序功能模块将多用户信号按功 率强弱依次排序，其次 SIC 接收机再通过多级干扰消 除模块，从强信号到弱信号依次进行干扰消除。如第 1 级干扰消除功能的主要步骤为：
2 串行干扰消除 SIC 技术分析
为了满足 5G 系统的高频谱效率和高连接数目的 需求，采用多个用户在相同资源单元上重叠发送的非 正交多址接入方式很有必要，而这种接入技术的使用 也完全是因为相关器件和非线性检测技术发展到了一 定的水平，尤其是理论上基于 SIC 的非线性多用户检 测 ，无 论 是 上 行 还 是 下 行 都 能 保 证 信 道 容 量 达 到 最 佳。另外，在 SIC 检测方式中，因多用户处于不同的检 测层，为了保证多用户在接收端检测后能够获得一致
可以看出，第 1 级干扰消除模块已经检索出了信 号强度最大的用户信号 b1，由于 b1 是 r(t)中功率最大 的信号，具有最大信噪比（SNR，Signal to Noise Ratio）， 很容易被第 1 级干扰消除模块检索。第 2 级干扰消除 模块在收到第 1 级送来的已经清除用户 1 信号干扰的 r1(t)多用户信号后，又重复第 1 级干扰消除模块的工 作，同样检索出强度最大的用户 2 信号 b2，并再生出已 经清除用户 2 信号干扰的 r2(t)多用户信号发给第 3 级。如此重复操作，直到将 n 个多用户信号 b1、b2、…、 bn 全部分离出来。因为每 1 级都将该级用户信号作为 干扰消除，再生器中估计并消除的是收到的能量最强 的用户信号，而能量最强的信号是最容易被检测到的， 所以 SIC 接收机能很方便地检测出所有用户信号。
（1）用户 1 匹配滤波器将多用户信号 r(t)中功率最 强的用户信号 y1 过滤出来。
（2）传统的 MF 检测器对 y1 做出正确判决，最后检 测出用户信号 b1。
（3）再生器根据用户 1 信号 b1、估计幅度 a1、估 计定时 t1 和扩频序列 s1 等再生出用户 1 的时域估计 值 g1。
（4）再生器从多用户信号 r(t)中减去时域估计 g1， 生成新的已清除用户 1 信号干扰的信号 r1(t)给第 2 级。
设在基站某扇区内有 3 个用户 UE1、UE2、UE3，它 们的信道响应分别为 h1、h2、h3，信道对应的信噪比分 别为 20、10、0dB。显然，h1 的信道质量最好、增益最 高，因而 SNR 最大；h2 的信道质量中等；h3 的信道质量 最差。下面根据 NOMA 原理来分析 NOMA 下行链路 中基站和终端侧的基本工作过程。