王 磊

（南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210093）

0 引 言

第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)需要傳輸速度更快、通話質(zhì)量更好、容量更大的移動(dòng)通信系統(tǒng)。為了滿足5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中鏈接密度的要求，引入了非正交多址技術(shù)（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)。針對(duì)非正交技術(shù)的某些缺陷，通信領(lǐng)域又在非正交多址技術(shù)之上提出了很多優(yōu)化方案。本文簡(jiǎn)單了介紹了非正交多址技術(shù)的發(fā)展，并在此之上展開對(duì)新提出的結(jié)構(gòu)匹配追蹤算法的理論研究及實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。最后對(duì)本文進(jìn)行簡(jiǎn)單總結(jié)。

1 簡(jiǎn) 介

物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展提出了對(duì)第5代（5G）無線通信系統(tǒng)更高的挑戰(zhàn)。5G的一個(gè)關(guān)鍵要求是連接密度預(yù)計(jì)比4G高10倍，即至少106km2[1]。然而，在現(xiàn)有的正交多址（Orthogonal Multiple Access，OMA）方案中，可支持用戶的數(shù)量嚴(yán)格受到可用正交資源數(shù)量的限制，這使得OMA難以滿足未來5G系統(tǒng)中大規(guī)模連接的需求[2]。因此，更有效的多重訪問對(duì)于處理產(chǎn)生大量零星流量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備至關(guān)重要，這些設(shè)備大多數(shù)時(shí)間處于非活動(dòng)狀態(tài)，并且在沒有人工干預(yù)的情況下會(huì)隨時(shí)隨地的接入或離開無線網(wǎng)絡(luò)[1]。為了解決這個(gè)問題，很多人都在積極研究非正交多址技術(shù)，非正交多址技術(shù)可以通過使用用戶之間有限的非正交資源來支持大規(guī)模連接，但代價(jià)是增加了接收機(jī)的復(fù)雜度[1]。

在當(dāng)前的LTE系統(tǒng)中，基站利用請(qǐng)求許可過程來調(diào)度上行鏈路傳輸，但是上行鏈路請(qǐng)求和下行鏈路調(diào)度會(huì)導(dǎo)致較大的傳輸延時(shí)和信令開銷，這在5G中是不可以接受的。因此，希望得到免授權(quán)傳輸?shù)纳闲墟溌種OMA系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，用戶可以在沒有復(fù)雜請(qǐng)求授予過程的情況下隨機(jī)地發(fā)送數(shù)據(jù)，因此需要?jiǎng)討B(tài)用戶檢測(cè)技術(shù)來恢復(fù)信號(hào)。

近日，有些專家對(duì)非正交多址提出了以動(dòng)態(tài)多用戶檢測(cè)（Multi-user Detection，MUD）為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)匹配追蹤算法。此算法結(jié)合壓縮感知來檢測(cè)幾個(gè)連續(xù)時(shí)隙中的動(dòng)態(tài)多用戶信號(hào)。這種方法的靈感來自對(duì)結(jié)構(gòu)化用戶活動(dòng)稀疏性的觀察。在系統(tǒng)中可以將用戶分為活躍用戶集分成兩個(gè)不同的部分，即普通活躍用戶集和動(dòng)態(tài)活躍用戶集。而基于結(jié)構(gòu)匹配追蹤的動(dòng)態(tài)多用戶檢測(cè)所作的就是首先檢測(cè)所有時(shí)隙中的普通活動(dòng)用戶集，然后分別在每個(gè)單個(gè)時(shí)隙中檢測(cè)動(dòng)態(tài)活躍用戶集[3]。

本文對(duì)此算法進(jìn)行了介紹并在本文最后給出了驗(yàn)證結(jié)果。

2 系統(tǒng)模型及算法介紹

以具有一個(gè)基站的典型上行鏈路NOMA系統(tǒng)和k個(gè)用戶為例，假設(shè)基站和每個(gè)用戶都配備一個(gè)單一天線。在經(jīng)信道編碼和調(diào)制之后，活動(dòng)用戶k發(fā)送符號(hào)xk取自復(fù)雜星座集X。然后傳輸符號(hào)xk被調(diào)制到一個(gè)長(zhǎng)度為J的擴(kuò)頻序列sk上，現(xiàn)在重點(diǎn)考慮J

其中，snk是擴(kuò)散序列sk的第n個(gè)分量，和vn是副載波上的高斯噪聲，均值為零、方差為σ2。gnk是用戶k在第n個(gè)副載波上的信道增益，所有這些都是相同并且獨(dú)立分布的。在算法中考慮瑞利衰落信道，這鐘信道模型得到了廣發(fā)的應(yīng)用。結(jié)合了所有子載波上接收的信號(hào)，然后接收信號(hào)信號(hào)矢量為y=[y1,y2,…yN]，可以表示為

當(dāng)x=[y1,y2,…yN]時(shí)，表示所有用戶的傳輸信號(hào)矢量，H為大小為N×K的信道等效矩陣，它第n行k列的元素等于gnksnk，而噪聲矢量v=[v1,v2,…vN]T遵從CN(0,σ2IN)[3]分布。

圖1 過載因子為150%的上行鏈路NOMA系統(tǒng)的擴(kuò)頻、多路復(fù)用以及信號(hào)檢測(cè)

3 結(jié)構(gòu)化匹配算法下的多用戶檢測(cè)

在實(shí)際應(yīng)用中，雖然用戶可以隨機(jī)訪問或離開系統(tǒng)，但是一些用戶通常在一些連續(xù)的時(shí)隙中傳輸他們的信息。這樣，在幾個(gè)連續(xù)時(shí)隙中，活動(dòng)用戶組將不會(huì)完全改變，即在這些連續(xù)時(shí)隙中只有一部分活動(dòng)用戶可能不同。特別的，從連續(xù)時(shí)段J中接收的信號(hào)y=[y[1],y[2],…,y[J]]重構(gòu)的信號(hào)為x=[x[1],x[2],…,x[J]]，所以可以得出：

式中，H[j]等價(jià)與第j個(gè)時(shí)隙的信道矩陣并且它可以在不同的時(shí)隙中發(fā)生改變。而v[j]是在第j個(gè)時(shí)隙中的高斯矢量。假設(shè)x[j]的稀疏程度為S，也就是說x[j]中非零的最大元素是S。假設(shè)x[j]被定義為

然后，活躍用戶在連續(xù)時(shí)間J內(nèi)的間隙可以被表示為：

公共活動(dòng)用戶集的大小定義為|Γc|=L≤S，因此任意時(shí)隙內(nèi)活躍用戶數(shù)限制在S-L之間。

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，即便在要繁忙時(shí)段，活躍用戶數(shù)通常也比潛在用戶數(shù)要小得多。這意味著在5G大規(guī)模連接的典型特征中，只有一小部分用戶可以在同一段時(shí)間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。而且，在上行鏈路免授權(quán)系統(tǒng)中，這通常導(dǎo)致零星通信，多用戶檢測(cè)問題其實(shí)是一個(gè)稀疏信號(hào)恢復(fù)問題。因此，可以把x[1],x[2],…,x[J]看作是稀疏發(fā)送矢量。此外，由于只有一部分活躍用戶可能在幾個(gè)連續(xù)時(shí)隙中不同，所以結(jié)構(gòu)化稀疏性可以通過公共活動(dòng)用戶集獲得。通過利用這種結(jié)構(gòu)化的稀疏性，有些學(xué)者提出基于結(jié)構(gòu)化匹配追蹤（Structured Matching Pursuit，SMP）的動(dòng)態(tài)多用戶檢測(cè)來檢測(cè)連續(xù)時(shí)隙中多用戶信號(hào)。以下是其算法[3]：

以上算法主要包括兩個(gè)部分：一是檢測(cè)普通的活躍用戶，另一個(gè)是檢測(cè)動(dòng)態(tài)活躍用戶。普通活躍用戶可以從具有最大累積能量的用戶中檢測(cè)，即：

而動(dòng)態(tài)活躍用戶可以由迭代式（第12步）式檢測(cè)。

最后，重建信號(hào)可以表示為：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上算法描述，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并與傳統(tǒng)的非正交匹配跟蹤算法下多用戶檢測(cè)進(jìn)行了比較。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)化匹配追蹤算法下的動(dòng)態(tài)多用戶檢測(cè)可以比傳統(tǒng)的非正交匹配跟蹤算法下的動(dòng)態(tài)多用戶檢測(cè)系統(tǒng)可以產(chǎn)生大約1 dB的增益。

圖2 信噪比下的誤比特率性能比較，超載因子200，持續(xù)時(shí)隙為J=20

5 結(jié) 語

結(jié)構(gòu)化匹配追蹤算法下的動(dòng)態(tài)多用戶檢測(cè)結(jié)合用戶產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)化活動(dòng)稀疏性共同實(shí)現(xiàn)了上行鏈路NOMA系統(tǒng)中多個(gè)連續(xù)時(shí)隙內(nèi)的多用戶檢測(cè)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，此算法可以實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)性能，有效的減小5G系統(tǒng)中上行鏈路中可能產(chǎn)生的時(shí)延和信令開銷。對(duì)于以后非正交多址技術(shù)的研究具有重要的意義。