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        面向5G的非正交多址接入技術(shù)(NOMA)淺析

        2015-04-13 04:15:14張長(zhǎng)青中國移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽分公司湖南岳陽414000
        郵電設(shè)計(jì)技術(shù) 2015年11期
        關(guān)鍵詞:多址頻域時(shí)域

        張長(zhǎng)青(中國移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽分公司,湖南岳陽414000)

        0 前言

        2013年5月,韓國三星電子宣布,率先開發(fā)出了首個(gè)5G核心技術(shù)支撐的移動(dòng)無線傳輸網(wǎng)絡(luò),在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了1 Gbit/s的無線數(shù)據(jù)傳輸速率,是目前LTE最高下行速率的10 倍。一年后,瑞典愛立信宣布,其研發(fā)的5G無線技術(shù)部分在測(cè)試中,實(shí)驗(yàn)室理想狀態(tài)下的傳輸速率高達(dá)5 Gbit/s,這意味著愛立信的5G 無線傳輸速率是目前LTE最高下行速率的50倍,標(biāo)志著無線傳輸速率再創(chuàng)新高。顯然,這些研究工作僅限于5G系統(tǒng)中無線傳輸?shù)囊徊糠?,整個(gè)5G系統(tǒng)包括的技術(shù)特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還遠(yuǎn)非如此。也就是說,迄今為止還沒有一個(gè)權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)5G系統(tǒng)做出一個(gè)全面科學(xué)完整的定義,普遍只是對(duì)5G系統(tǒng)作了愿景般的描述。

        根據(jù)《5G 愿景與需求白皮書》描述,5G 具有覆蓋廣、速度快、連接設(shè)備多、功耗低、時(shí)延低等特點(diǎn)。可為用戶提供廣泛的無縫業(yè)務(wù)體驗(yàn),即使在高速移動(dòng)環(huán)境下,也能實(shí)現(xiàn)100 Mbit/s 以上的用戶體驗(yàn)速率;可為用戶提供光纖般的接入速率,使用戶能在局部熱點(diǎn)地區(qū)享受到普遍可達(dá)1 Gbit/s極高數(shù)據(jù)傳輸?shù)捏w驗(yàn)速率;接近“零”的時(shí)延可為用戶提供在無線互聯(lián)網(wǎng)上無人汽車駕駛的激情體驗(yàn),保證遠(yuǎn)程控制在百公里時(shí)速汽車的時(shí)延只在幾毫秒的安全響應(yīng)內(nèi);低功耗多設(shè)備連接則說明5G能夠締造萬物互聯(lián),不僅具有無數(shù)設(shè)備的連接能力,人與人、人與物、物與物間的通信也是如此方便簡(jiǎn)單,使得移動(dòng)通信技術(shù)能廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、家庭和社會(huì)領(lǐng)域。

        目前5G 研究的關(guān)鍵性技術(shù)主要有大規(guī)模的MI?MO天線陣列、全雙工、編碼與調(diào)制、超密集組網(wǎng)、非正交多址接入(NOMA)、高頻段通信、濾波器組多載波系統(tǒng)(FBMC)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(CDN)等。作為5G關(guān)鍵技術(shù)之一,NOMA技術(shù)在同一個(gè)子載波、同一個(gè)OFDM符號(hào)對(duì)應(yīng)的同一個(gè)資源單元上,根據(jù)不同的信號(hào)功率為多個(gè)用戶使用,可達(dá)到多址接入的目的。由于系統(tǒng)在頻域和時(shí)域上仍然保持各子載波正交和每個(gè)OFDM符號(hào)前插入CP,NOMA 技術(shù)的基礎(chǔ)仍是成熟的OFDM 技術(shù),實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較小。

        本文分析了5G系統(tǒng)中NOMA的工作原理,尤其是NOMA 技術(shù)中的關(guān)鍵檢測(cè)技術(shù)——串行干擾消除(SIC)技術(shù),分析了NOMA技術(shù)在發(fā)射端和接收端存在的困難,指出其實(shí)現(xiàn)難度,為了解5G提供有益的幫助。

        1 非正交多址技術(shù)NO M A

        NOMA的基本思想是在發(fā)送端采用分配用戶發(fā)射功率的非正交發(fā)送,主動(dòng)引入干擾信息,在接收端通過SIC接收機(jī)消除干擾,實(shí)現(xiàn)正確解調(diào)。NOMA技術(shù)在時(shí)域仍然可以用OFDM符號(hào)為最小單位,符號(hào)間插入CP防止符號(hào)間干擾;在頻域仍然可以用子信道為最小單位,各子信道間采用OFDM技術(shù),保持子信道間互為正交、互不干擾;每個(gè)子信道和OFDM符號(hào)對(duì)應(yīng)的功率不再只給一個(gè)用戶,而是由多個(gè)用戶共享,但這種同一子信道和OFDM符號(hào)上的不同用戶的信號(hào)功率是非正交的,因而產(chǎn)生共享信道的多址干擾(MAI),為了克服干擾,NOMA 在接收端采用了串行干擾消除技術(shù)進(jìn)行多用戶干擾檢測(cè)和刪除,以保證系統(tǒng)的正常通信。

        圖1所示是OFDM技術(shù)頻域和時(shí)域平面上用戶信息承載的資源分配簡(jiǎn)圖,圖中頻域的最小單位是頻寬為15 kHz的子載波,時(shí)域的最小單位是時(shí)長(zhǎng)為1/14 ms的OFDM 符號(hào),每個(gè)資源單元是由1 個(gè)子載波和1 個(gè)OFDM 符號(hào)組成的資源平面。由于LTE 使用了MIMO多天線,空域也是LTE系統(tǒng)承載用戶信息的基本資源,但每個(gè)天線端口號(hào)對(duì)應(yīng)的都是一塊頻域時(shí)域資源平面,因而空域上系統(tǒng)的資源分配仍然是以頻域時(shí)域資源平面為單位。在功率域方面,由于頻域時(shí)域承載資源平面上承載的用戶信息功率一樣,所以LTE 系統(tǒng)中的OFDM 技術(shù)沒有開發(fā)用戶信息傳輸?shù)墓β视?,是二維平面資源承載系統(tǒng),無線信道的傳輸能力相對(duì)較弱。

        圖1 OFDM技術(shù)的資源分配情況

        圖2 所示是NOMA 技術(shù)中頻域、時(shí)域和功率域立體系統(tǒng)中用戶信息承載的資源分配簡(jiǎn)圖,對(duì)應(yīng)的頻域、時(shí)域平面與OFDM 資源平面一樣,不同的是它已開發(fā)了功率域應(yīng)用,即頻域、時(shí)域平面上的每個(gè)資源單元可以承載多個(gè)信號(hào)功率不同的用戶。顯然,NOMA 技術(shù)是三維立體資源承載系統(tǒng),無線信道的傳輸能力要比LTE強(qiáng)許多。當(dāng)然,由于功率域的引入,系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)將更加復(fù)雜,所以頻域的子載波頻寬可能并非是15 kHz,時(shí)域的OFDM 符號(hào)時(shí)長(zhǎng)可能并非是1/14 ms,但工作原理是一樣的。因功率域中各用戶的功率是非正交的,具有線性疊加性,由此而引起的同頻同時(shí)用戶的干擾不可避免,必須刪除這些干擾才能保證系統(tǒng)的正常工作。

        圖2 NOMA技術(shù)的資源分配情況

        NOMA 是一種融合了3G 的SIC 和4G 的OFDM 的新技術(shù),既克服了3G 系統(tǒng)中的遠(yuǎn)近效應(yīng)問題,又解決了4G 系統(tǒng)中的同頻干擾問題。NOMA 是真正利用頻域、時(shí)域、功率域的多用戶復(fù)用技術(shù),其中解決頻域子載波間干擾的技術(shù)仍然是各子載波間的正交,解決時(shí)域OFDM符號(hào)間干擾的技術(shù)仍然是嚴(yán)格的子幀同步和添加的GP,解決功率域各用戶功率間干擾的技術(shù)則是串行干擾消除技術(shù)SIC。在發(fā)送端,NOMA采用功率復(fù)用(或功率分配)技術(shù),使同一子信道上的不同用戶信號(hào)功率按照相關(guān)算法分配,使得到達(dá)接收端的每個(gè)用戶的信號(hào)功率不一樣。在接收端,NOMA 采用SIC 技術(shù),根據(jù)不同用戶信號(hào)功率大小按照一定順序進(jìn)行干擾消除,達(dá)到區(qū)分不同用戶的目的。

        圖3 NOMA技術(shù)原理簡(jiǎn)圖

        圖3所示為在OFDM基礎(chǔ)上的NOMA多址技術(shù)原理簡(jiǎn)圖,發(fā)送端在IFFT變換模塊后增加了用戶信號(hào)功率復(fù)用模塊,接收端在FFT 變換模塊前增加了串行干擾消除SIC模塊。因?yàn)樵诎l(fā)射端只有在頻域的正交子載波被分離出來后,才能對(duì)每個(gè)子載波上不同用戶的信號(hào)功率采用復(fù)用技術(shù),使之嚴(yán)格按照信道增益情況分配不同的發(fā)射功率。同樣在接收端的FFT變換前通過干擾消除將每個(gè)子載波上不同信號(hào)功率的用戶分離出來后,再參與子載波解碼。NOMA 的基本信號(hào)波形可設(shè)置為OFDM 波形,NOMA 在功率域疊加多個(gè)用戶信號(hào)時(shí)可形成一個(gè)疊加編碼,當(dāng)用戶之間信道差異很大(或路徑損耗差值很大)時(shí),NOMA 的性能增益要比OFDM有所提高。

        2 串行干擾消除(S IC)技術(shù)

        NOMA技術(shù)是一個(gè)集頻域、時(shí)域、功率域?yàn)橐惑w的多址技術(shù),可在同一子載波、同一OFDM符號(hào)對(duì)應(yīng)的資源單元上,同時(shí)承載信號(hào)功率不同的多個(gè)用戶。這種承載方式的最大問題是,大量疊加在一起的不同用戶信號(hào)不可避免地存在明顯的同步同時(shí)干擾。由于這些多址干擾(MAI)可以當(dāng)作是一種有著強(qiáng)烈結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)的偽隨機(jī)序列信號(hào),可以利用這些偽隨機(jī)序列的已知結(jié)構(gòu)信息和統(tǒng)計(jì)信息(如相關(guān)性)來進(jìn)一步消除這些干擾,提高系統(tǒng)的性能,這類抗MAI 技術(shù)又叫多用戶檢測(cè)技術(shù)。多用戶檢測(cè)技術(shù)是根據(jù)信息論中的最佳聯(lián)合檢測(cè)理論提出的一類有效的抗MAI 技術(shù),SIC 就是多用戶檢測(cè)技術(shù)之一。

        SIC技術(shù)的簡(jiǎn)單原理是逐步減去最大功率用戶信號(hào)中的MAI,SIC 接收機(jī)對(duì)接收的多個(gè)用戶信號(hào),先按照功率的大小順序操作,逐一進(jìn)行數(shù)據(jù)判決,功率較大的信號(hào)優(yōu)先,判出一個(gè)就減去該用戶信號(hào)的MAI,進(jìn)行幅度恢復(fù),并對(duì)剩下的用戶再次進(jìn)行判決,如此循環(huán)操作,直到消除所有信號(hào)中的MAI為止。SIC技術(shù)在NO?MA 系統(tǒng)中又叫SIC 接收機(jī),SIC 接收機(jī)在性能上與傳統(tǒng)檢測(cè)器相比有較大提高,在硬件上的改動(dòng)不大,易于實(shí)現(xiàn)。SIC 接收機(jī)的每一級(jí)都需要有一個(gè)字符的時(shí)延,在信號(hào)功率發(fā)生變化時(shí)需要重新排序,上級(jí)判決對(duì)下級(jí)判決的影響很大,如果上級(jí)判決不可靠或判決出錯(cuò)誤,就會(huì)引起下級(jí)各級(jí)性能嚴(yán)重下降。

        SIC接收機(jī)的檢測(cè)方案采用的是多級(jí)分層逐步檢測(cè)機(jī)制,每一級(jí)只檢測(cè)一個(gè)用戶信號(hào),如果在同一資源單元上疊加了K個(gè)用戶信息,則SIC接收機(jī)需要K個(gè)級(jí)層的檢測(cè)。由于系統(tǒng)對(duì)所有用戶信息操作的順序是根據(jù)其信號(hào)功率值排列進(jìn)行的,又因?yàn)樽顝?qiáng)的用戶信號(hào)最容易被系統(tǒng)捕獲,所以功率越大的用戶信號(hào)越有優(yōu)先處理權(quán)。也就是說,每次接收端輸出的信號(hào)都是經(jīng)過SIC 判決和除去MAI 后的最大功率的用戶信號(hào),由于這時(shí)信號(hào)的SNR 值最大,可以將MAI 降到最低,且信號(hào)越弱獲益越大,大大增加了檢測(cè)的可靠性。多級(jí)分層結(jié)構(gòu)采用將上一級(jí)輸出信號(hào)作為下一級(jí)輸入信號(hào),不斷重復(fù)著“檢測(cè)、估計(jì)、消除、檢測(cè)……”的循環(huán)操作,直到解碼所有用戶信號(hào)。

        圖4 所示為SIC 接收機(jī)工作原理簡(jiǎn)圖。設(shè)有3 個(gè)用戶信號(hào)分別為x1(t)、x2(t)、x3(t),且x1(t)

        圖4 SIC接收機(jī)工作原理

        從上式中可以看出,SIC 接收機(jī)接收到的是從無線信道的空中接口過來的包括信道干擾和白噪聲干擾在內(nèi)的所有用戶信號(hào)。SIC 接收機(jī)在第一級(jí)檢測(cè)之前,先要將從發(fā)射機(jī)送來的并為SIC 接收機(jī)接收到的所有用戶信號(hào),按照信號(hào)功率的大小進(jìn)行排序,大致估計(jì)各信號(hào)的幅度。由于x3(t)信號(hào)功率最強(qiáng),對(duì)應(yīng)的SNR 也最大,系統(tǒng)首先對(duì)最大信號(hào)x3(t)進(jìn)行匹配濾波、判決,與估計(jì)幅度比對(duì)等處理操作,找到最大用戶信號(hào)x3(t)并輸出到下一級(jí)。留下的信號(hào)只有x2(t)最大了,SIC 接收機(jī)繼續(xù)按照功率順序依次執(zhí)行相同操作,完成對(duì)所有的用戶信號(hào)檢測(cè),輸送到下一級(jí)。

        需要注意的是,在SIC 接收機(jī)中的信號(hào)檢測(cè)過程中,很重要的一點(diǎn)就是用戶檢測(cè)順序。這里進(jìn)行排序是根據(jù)用戶的信號(hào)功率進(jìn)行的。在NOMA 中,發(fā)送端會(huì)采用功率復(fù)用技術(shù)對(duì)不同的用戶進(jìn)行功率分配,通常情況下,信道增益高的用戶會(huì)少分配一些功率資源,信道增益低的用戶會(huì)多分配一些功率資源。這些信號(hào)到達(dá)接收端后,每個(gè)用戶的信號(hào)功率會(huì)不一樣,對(duì)應(yīng)的SNR 值也不會(huì)不同,甚至影響SIC 接收機(jī)的SNR。SIC接收機(jī)根據(jù)用戶的信號(hào)功率進(jìn)行排序,依次對(duì)不同的信號(hào)進(jìn)行解調(diào),達(dá)到區(qū)分用戶的目的。

        3 NO M A 多址技術(shù)應(yīng)用的困難

        從原理上看,NOMA是最簡(jiǎn)單的非正交多址技術(shù),因?yàn)镹OMA 技術(shù)是多個(gè)用戶調(diào)制符號(hào)的直接線性疊加,這種功率域的線性疊加是一種獨(dú)立的承載資源的簡(jiǎn)單疊加,理論上對(duì)現(xiàn)有的其他成熟技術(shù)沒有多大影響,對(duì)當(dāng)前應(yīng)用的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的影響也較小,甚至可以與OFDM 簡(jiǎn)單結(jié)合,所以NOMA 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)難度理論上相對(duì)較小。然而這僅僅是對(duì)上行鏈路而言,對(duì)于下行鏈路,不管是發(fā)射端,還是接收端,NOMA 技術(shù)本身帶來的影響非同一般,存在的困難甚至在短期內(nèi)還無法解決。

        在NOMA 的下行鏈路中,對(duì)于基站的發(fā)射機(jī),面對(duì)小區(qū)內(nèi)眾多用戶進(jìn)行發(fā)射功率復(fù)用分配時(shí),系統(tǒng)參考的主要數(shù)據(jù)是基站與終端間無線信道的信噪比SNR,由于終端是動(dòng)態(tài)的,這使得系統(tǒng)對(duì)發(fā)射機(jī)的處理和響應(yīng)能力要求很高;對(duì)于終端的SIC接收機(jī),由于功率域疊加的傳輸需要有比特級(jí)的干擾消除,SIC 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度同樣不容小覷,而系統(tǒng)對(duì)終端的結(jié)構(gòu)和耗能的要求同樣很高。在《5G 愿景與需求白皮書》中“高速度、低功耗、微時(shí)延”是系統(tǒng)的基本標(biāo)準(zhǔn),所有面向5G的技術(shù)都必須以這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為參考,所以NOMA技術(shù)距離應(yīng)用還有一段較遠(yuǎn)的路要走。

        圖5 NOMA下行鏈路發(fā)收端信號(hào)處理流程

        圖5所示為NOMA系統(tǒng)下行鏈路發(fā)收端信號(hào)的處理流程。設(shè)在基站某扇區(qū)內(nèi)有3 個(gè)用戶UE1、UE2、UE3,它們的信道響應(yīng)分別為h1、h2、h3,信道對(duì)應(yīng)的信噪比分別為20、10、0 dB。顯然h1的信道質(zhì)量最好、增益最高,因而信噪比最高。h2的信道質(zhì)量中等,h3的信道質(zhì)量最差。下面根據(jù)NOMA 原理來分析NOMA 下行鏈路中,基站側(cè)和終端側(cè)的基本工作情況。

        基站側(cè):基站在對(duì)用戶信號(hào)進(jìn)行下行發(fā)射功率復(fù)用分配時(shí),由于3個(gè)用戶與基站的信道質(zhì)量不同,系統(tǒng)根據(jù)各自不同的SNR值,以及相關(guān)算法分配給UE1的發(fā)射信號(hào)功率最小,UE2的發(fā)射信號(hào)功率中等,UE3的發(fā)射信號(hào)功率最大,即用戶的信道越弱,基站提供的下行信號(hào)的發(fā)射功率越強(qiáng)。

        UE1 側(cè):當(dāng)3 個(gè)發(fā)射功率強(qiáng)度不同的用戶信號(hào)同時(shí)進(jìn)入U(xiǎn)E1 的SIC 接收機(jī)時(shí),由于強(qiáng)度高的信號(hào)最易被SIC接收機(jī)感知,若想正確解調(diào)出UE1信號(hào),終端必先逐次對(duì)UE3 和UE2 信號(hào)解調(diào)、解碼、重構(gòu)、刪除干擾,并由終端UE1 根據(jù)相關(guān)算法不斷評(píng)估、比較UE1信道,在得到最好的SNR 值后,最后解碼出UE1 信號(hào)送到下一級(jí)。

        UE2 側(cè):當(dāng)3 個(gè)發(fā)射功率強(qiáng)度不同的用戶信號(hào)同時(shí)進(jìn)入U(xiǎn)E2 的SIC 接收機(jī)時(shí),終端同樣先對(duì)UE3 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、重構(gòu)、刪除干擾,并由終端UE2 根據(jù)相關(guān)算法不斷評(píng)估、比較UE2 信道,由于UE2 發(fā)射信號(hào)較強(qiáng),在對(duì)UE3 處理后,終端就能得到最好的SNR值,所以終端將直接解碼UE2信號(hào)并發(fā)送到下一級(jí)。

        UE3 側(cè):當(dāng)3 個(gè)發(fā)射功率強(qiáng)度不同的用戶信號(hào)同時(shí)進(jìn)入U(xiǎn)E3 的SIC 接收機(jī)時(shí),由于基站分配給UE3 的信號(hào)強(qiáng)度最高,包括發(fā)給UE1、UE2的信號(hào)和其他干擾信號(hào)在內(nèi)的所有信號(hào),都將受到抑制,信道的SNR 也很高,所以終端無需做其他處理,直接對(duì)UE3 信號(hào)解碼后送到下一級(jí)。

        顯然,基站側(cè),首先得了解各用戶的信道情況,由于用戶是移動(dòng)的,基站必須不斷地檢測(cè)用戶信道,然后再不斷地按信道質(zhì)量合理分配下行信道的發(fā)射功率,這種連續(xù)檢測(cè)分析和分配發(fā)射工作,不僅加重了基站的負(fù)擔(dān),還延長(zhǎng)了系統(tǒng)時(shí)延;終端側(cè),由于終端是通過正確評(píng)估信道的SNR 值后,才能解碼出用戶信號(hào),這種評(píng)估有較大的風(fēng)險(xiǎn),因?yàn)槊恳慌_(tái)終端都在不停地移動(dòng),不同終端與基站間的信道質(zhì)量也在不停地改變,不僅終端要受到基站下發(fā)的信號(hào)強(qiáng)度不斷變化的影響,還要保證用戶通話的感知質(zhì)量,終端的處理能力和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性可想而知,尤其是同小區(qū)用戶數(shù)較多時(shí)。這種提高設(shè)備復(fù)雜度的做法與5G的基本標(biāo)準(zhǔn)相悖,而克服這些困難還有一定的難度。

        4 結(jié)束語

        NOMA 支持更多的終端同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò),在進(jìn)行用戶信號(hào)功率復(fù)用時(shí),無需知道或根本不依賴每個(gè)用戶及時(shí)的信道狀態(tài)信息CSI 的反饋,能在信道狀態(tài)很差的高速移動(dòng)場(chǎng)景中獲得很好的性能,可以組建更好的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)回程網(wǎng)絡(luò)。NOMA在發(fā)送端首次采用功率復(fù)用技術(shù),在基站應(yīng)用相關(guān)算法,對(duì)大范圍內(nèi)的用戶信號(hào)功率進(jìn)行差異補(bǔ)償,即不同用戶分配不同的發(fā)射信號(hào)功率。NOMA技術(shù)通過對(duì)功率域有較大范圍信道增益差異的多用戶發(fā)射信號(hào)的疊加,將多用戶信道增益差異轉(zhuǎn)換為復(fù)用增益,極大地提高了多址接入的性能。NOMA 技術(shù)表面上并不復(fù)雜,其發(fā)射模塊和接收模塊,甚至可以認(rèn)為是對(duì)OFDM 技術(shù)的簡(jiǎn)單增補(bǔ)。但實(shí)現(xiàn)起來卻有一定困難,近期難以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)镹OMA技術(shù)在發(fā)射端和接收端采用的相關(guān)技術(shù)都會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和時(shí)延,必須找到更科學(xué)、更簡(jiǎn)單的SIC接收機(jī),才能使NOMA技術(shù)順利應(yīng)用于5G系統(tǒng)。

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