【NOMA技术原理及关键技术概述2000字】

NOMA技术原理及关键技术概述随着移动通信技术的飞速发展，未来对无线网络的需求呈现爆发式增长。第四代移动通信技术（4G）以正交频分多址（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA）技术为基础，但随着移动新业务需求的持续增长以及通讯设备的增多，该技术不能满足未来移动通信网络的需求，因此第五代移动通信技术（5G）需要拥有更高的频谱效率和更快的传输速率。非正交多址（NOMA）技术可在5G网络中提高频谱效率并实现大规模连接。1.1NOMA原理非正交多址（NOMA）技术的原理是在发送端采用非正交发送，将多个用户的信息叠加在同一时域/频域/码域资源上传输，相同的无线资源上为多个用户同时提供服务，这样就会主动加入干扰信息，为了正确解码各用户信息，在接收端将采用串行干扰消除（successiveinterferencecancellation，SIC）技术实现解调，因此接收机的复杂度将会增加，但频谱效率也会提升。NOMA方案主要可分为两类：功率域复用和码域复用。在功率域复用中，为了获得更高的系统性能，根据用户信道的差异分配不同的功率系数[37]。在码域复用中，各用户分配不同的码并在相同的时频资源复用，例如多用户共享接入（Multi-usersharedaccess，MUSA）[38]、稀疏码多址（sparsecodemultipleaccess，SCMA）[39]和低密度扩频（low-densitySpreadSpectrum，LDS）[40]等。除了以上两种复用外，还有图样分割多址（PatternDivisionMulTIpleAccess，PDMA）[41]和位分复用（BitDivisionMultiplexing，BDM）[42]技术。目前主要研究的是功率域NOMA，因此本文主要介绍功率域非正交多址（PD-NOMA）技术。不同用户在同一子信道中采用的是非正交传输，但其各个子信道间依然采用正交频分复用（OrthogonalFrequencyDivisionMultiple，OFDM）技术，即每个子信道互不干扰并正交，但对于每个子信道不在服务于一个用户，而是多个用户共享该子信道，此时就会产生用户间相互干扰问题，在接收端需要采用SIC技术进行多用户检测。在发送端，对同一子信道上的不同用户采用功率复用技术发送叠加信号，不同用户的发送功率按照相关算法进行分配，一般而言信道质量差的用户将分配较大的发射功率，信道质量较好的用户分配较低的发射功率，SIC接收机将根据用户信号功率大小的不同，按照一定顺序进行解码并消除其他用户的干扰，使各用户接收到需要的信息，实现正确解调。在正交多址接入（OrthogonaMultipleAccess，OMA）中，例如OFDMA，无论信道质量的好坏，各用户都会分配特定的时频资源，因此整个系统的频谱效率和吞吐量都会降低。相反在NOMA中，同一频率资源分配给不同信道条件的用户，并在接收端通过SIC技术消除干扰，从而有效的提升系统的频谱效率和吞吐量。图2-6为OFDMA与NOMA在频率-功率对比图。文献[43]首次提出基于NOMA的下行传输方案，并证明采用NOMA技术可以显著提升系统吞吐量并提高小区边缘用户的服务质量。与正交多址接入（OMA）相比，采用PD-NOMA技术可以显著提升频谱效率[44]。OFDMANOMA功率功率频率频率OFDMANOMA功率功率频率频率图2-6：OFDMA与NOMA在频率-功率对比图1.2NOMA关键技术功率复用技术与串行干扰消除技术是PD-NOMA中的关键技术。功率复用技术：传统多址方案中并没有充分利用该技术，不同于简单的功率控制，各个用户的发射功率是由基站通过相关算法得到。由于各用户将在同频资源块中传输，为了获取系统性能的最大增益，需要对用户分配不同的发射功率，根据用户信号功率的不同，接收机以各用户的信号功率为判决依据，排列出消除干扰用户的先后顺序，最终完成解码。串行干扰消除技术：为了获得更高的频谱效率，在发送端主动引入干扰，类似于码分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）系统，但会遇到多址干扰（MultipluAccessInterference，MAI）问题。在第三代移动通信（3G）研究过程中，已有很多消除多址干扰的成果，其中包括SIC技术。NOMA在接收端采用SIC接收机来实现多用户检测并消除干扰。SIC的基本原理为在接收端对接收信号逐个进行判决，并按一定的顺序排列，按顺序依次对各用户信号解码，在解码顺序靠后的信号时，将先解码用户信号的估计值从总叠加信号中去除，达到消除多址干扰的目的，再进行解码。通过对下行PD-NOMA网络模型分析，可直观的体现功率复用技术和串行干扰消除技术。PD-NOMA的基本原理如图2-7所示。考虑两用户的情况，在发送端，不同发送功率的信号在频率域完全复用，仅通过发送功率的大小区分；在接收端，根据信道增益的不同，通过串行干扰消除（SIC）方法依次解出所有用户信号。下面对两用户PD-NOMA系统的可达速率进行分析：h2h1解码U2信息SIC解码U1信息去除U2信息解码U2信息User1Uh2h1解码U2信息SIC解码U1信息去除U2信息解码U2信息User1User2基站频率P2P1图2-7：下行PD-NOMA系统模型图在PD-NOMA系统中，发送叠加信号可表示为：（2-1）总发射功率，在接收端接收到的叠加信息表示为：（2-2）（2-3）其中和表示基站到各用户的信道，和表示各用户传输中的噪声干扰，其功率密度谱为和。由于用户2位于小区边缘，为了保证用户2的通信质量，增大用户2的发射功率，从图2-7左侧频率-功率图可以观察到，用户1和用户2在同一频率资源传输信息，且>。接收机解码信息时，先将接收信号按照的大小进行升序排列，然后从小到达依次解调。假设各用户的干扰噪声相同，由于用户2为小区边缘用户，信道质量差，因此有>，所以各用户都先对用户2的信息进行解码。对于用户1，首先求解用户2信息，再从接