張宏莉 韓玲 王星妍

(中國(guó)信息通信研究院泰爾終端實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

0 引言

傳統(tǒng)的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)主要采用多址接入技術(shù)，包括時(shí)分多址接入技術(shù)(Time Division Multiple Access，TDMA)、頻分多址接入技術(shù)(Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA)、碼分多址接入技術(shù)(Code Division Multiple Access，CDMA)等，這些均屬于正交多址接入技術(shù)(Orthogonal Multiple Access，OMA)。正交多址接入技術(shù)的用戶數(shù)量受到其可用正交資源數(shù)量的限制，隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，在頻譜資源日漸緊張的今天，其頻譜資源利用效率和系統(tǒng)用戶容量已接近極限。

為進(jìn)一步提升頻譜效率，突破正交多址技術(shù)限制，學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界提出了一種被稱為非正交多址的接入技術(shù)(Non-Othogonal Multiple Access，NOMA)，使頻譜效率和系統(tǒng)容量進(jìn)一步提升。根據(jù)文獻(xiàn)[1-3]，早在2010年日本NTT DoCoMo公司就提出了多用戶信號(hào)功率相互疊加、接收端串行干擾消除(Successive Interference Cancellation，SIC)為基礎(chǔ)的功率域非正交多址接入技術(shù)；2014年，3GPP在4G LTE“多用戶疊加編碼傳輸(Multi-User Superposition Transmission，MUST)”研究項(xiàng)目中對(duì)下行NOMA技術(shù)進(jìn)行了研究；2018年，3GPP繼續(xù)在5G NR框架下開(kāi)展了上行非正交多址技術(shù)研究，并在R16階段形成了NR NOMA技術(shù)的研究報(bào)告[3]。

1 NOMA技術(shù)特點(diǎn)

NOMA在發(fā)送端采用功率復(fù)用或多址接入簽名碼，使多用戶信號(hào)能夠共享同一時(shí)頻資源塊，接收端采用SIC等多址干擾消除技術(shù)對(duì)不同用戶區(qū)分解碼。

(1)功率復(fù)用技術(shù)。功率復(fù)用技術(shù)的核心是在時(shí)域和頻域外增加一個(gè)功率的維度，利用不同用戶之間的信道增益差異進(jìn)行線性疊加傳輸[4]。功率復(fù)用技術(shù)是非正交多址技術(shù)中最簡(jiǎn)單的類型。由于功率域的引入系統(tǒng)可以放松時(shí)頻物理資源塊的正交性限制，從而使系統(tǒng)容量、頻譜效率得到提升。

(2)多址接入簽名碼技術(shù)。多址接入簽名碼技術(shù)是經(jīng)典的功率域非正交多址技術(shù)的演化升級(jí)版本，除了傳統(tǒng)的功率域，還引入了碼域的擴(kuò)頻、加擾、交織，甚至包含了空域編碼的多址信道標(biāo)簽，有助于進(jìn)一步減少非正交多址帶來(lái)的多址干擾(Multiple Access Interference，MAI)，提高接收機(jī)對(duì)多用戶信號(hào)的檢測(cè)性能。

(3)串行干擾消除技術(shù)。串行干擾消除技術(shù)的核心是對(duì)不同功率的多用戶信號(hào)進(jìn)行逐次干擾消除。接收信號(hào)中功率最大的信號(hào)最先被接收機(jī)檢測(cè)出來(lái)并被消除，然后根據(jù)功率大小依次對(duì)各用戶信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，最后完成對(duì)所有疊加信號(hào)的接收和解調(diào)。

2 NOMA技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)

NOMA技術(shù)性能優(yōu)勢(shì)如下。

(1)提升頻譜效率和系統(tǒng)容量。NOMA技術(shù)可以區(qū)分同一時(shí)間-頻率域上的不同的用戶，使得多個(gè)用戶可以在相同時(shí)間域和頻率域上進(jìn)一步復(fù)用資源。NOMA的系統(tǒng)過(guò)載率相對(duì)于OMA技術(shù)更高，更加接近多用戶系統(tǒng)的理論容量界，在保證一定的通信質(zhì)量的前提下進(jìn)一步增加了系統(tǒng)總吞吐量。由于資源的非正交分配，不同用戶的信號(hào)可以在相同的時(shí)頻資源上疊加，實(shí)際上相對(duì)于OMA系統(tǒng)進(jìn)一步拓展了可接入用戶的數(shù)量，提升了系統(tǒng)的用戶容量。

(2)改善小區(qū)邊緣用戶性能。非正交多址技術(shù)為保障通信質(zhì)量和用戶公平性，會(huì)為小區(qū)邊緣用戶和信道條件較差的用戶配置更高的功率。仿真顯示，采用NOMA技術(shù)方案時(shí)，小區(qū)邊緣用戶的吞吐量得到有效提升。

(3)更小時(shí)延和低信令開(kāi)銷[5]。在目前研究的一些NOMA技術(shù)方案中，NOMA可以設(shè)計(jì)成免調(diào)度的接入方案，終端可以使用開(kāi)環(huán)功控選擇合適的功率一次性上傳數(shù)據(jù)，無(wú)需與基站進(jìn)行多次交互，減少了接入時(shí)延，降低了信令交互的開(kāi)銷。

(4)更強(qiáng)的系統(tǒng)魯棒性。基于功率域的NOMA系統(tǒng)對(duì)接收端反饋的信道狀態(tài)信息CSI的準(zhǔn)確性的敏感度降低，在傳輸信道狀態(tài)不發(fā)生大幅、快速改變的情況下，不準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。同時(shí)，由于接收端采用了SIC技術(shù)，系統(tǒng)具備一定的干擾消除能力，減少了干擾對(duì)通信的影響。

3 NOMA技術(shù)的備選技術(shù)方案

為區(qū)分同一時(shí)頻資源上的不同用戶，一個(gè)行之有效的手段就是為每個(gè)用戶分配多址接入簽名碼(MA Signature)。3GPP TR 38.812研究報(bào)告總結(jié)了當(dāng)前主要通信企業(yè)的NOMA上行信號(hào)處理方案和多址接入簽名碼的設(shè)計(jì)方案。圖1給出了5G NOMA上行信號(hào)處理的流程，在5G原有正交信號(hào)處理流程的基礎(chǔ)上通過(guò)替換或增加相應(yīng)的信號(hào)處理環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)用戶上行信號(hào)的非正交化。

圖1 5G NOMA上行信號(hào)處理流程

目前，多址接入簽名碼方案包含以下幾類。

3.1 比特級(jí)處理技術(shù)(Bit Level Processing Based)

比特級(jí)處理技術(shù)的原理是通過(guò)為不同用戶配置特定的隨機(jī)序列或交織圖案，達(dá)到區(qū)分不同用戶的目的。比特級(jí)處理技術(shù)目前有兩種技術(shù)路線：UE特定比特級(jí)加擾和UE特定比特級(jí)交織。

(1)UE特定比特級(jí)加擾技術(shù)現(xiàn)有兩種技術(shù)方案：低碼率擴(kuò)頻方案(Low Code Rate Spreading，LCRS)和非正交編碼多址接入方案(Non-Orthogonal Coded Multiple Access，NCMA)。比特級(jí)加擾的非正交多址接入方案使用了與3GPP R15 PUSCH相同的上行信號(hào)處理流程。

(2)UE特定比特級(jí)交織技術(shù)目前也有兩種技術(shù)方案：交織域多址接入方案(Interleave Division Multiple Access，IDMA)和交織網(wǎng)格多址接入方案(Interleave-Grid Multiple Access，IGMA)。UE特定的交織圖案作為多址接入簽名碼使用。

3.2 符號(hào)級(jí)處理技術(shù)(Symbol Level Processing)

符號(hào)級(jí)處理技術(shù)有如下類型。

3.2.1 使用NR原有調(diào)制方式的UE特定擴(kuò)頻

使用NR原有調(diào)制方式的UE特定擴(kuò)頻技術(shù)一般采用低正交相關(guān)或低密度的符號(hào)級(jí)擴(kuò)頻序列。符號(hào)級(jí)擴(kuò)頻序列是這一類方案設(shè)計(jì)的核心。目前，研究的擴(kuò)頻序列包括韋爾奇界等式序列(Welch Bound Equality，WBE)、量化復(fù)值序列(Complex-Valued Sequences with Quantized Elements，CSQE)、ETF(Equiangular Tight Frames)/格拉斯曼序列(Grassmannian Sequence，GS)、廣義韋爾奇等式序列(Generalized Welch-Bound Equality，GWBE)、稀疏擴(kuò)頻圖案序列、QPSK序列以及多用戶干擾參數(shù)準(zhǔn)則序列(MUI-Qualified)。

(1)采用韋爾奇界等式序列有兩種技術(shù)方案：韋爾奇界擴(kuò)頻多址接入(Welch-bound Spreading Multiple Access，WSMA)和資源擴(kuò)頻多址接入(Resource Spread Multiple Access，RSMA)。這兩種方案使用的韋爾奇界等式序列在設(shè)計(jì)上要遵從簽名碼矢量集的相關(guān)函數(shù)平方之和的邊界要求。

(2)采用量化復(fù)值函數(shù)序列的方案只有多用戶共享接入技術(shù)(Multi-User Shared Access，MUSA)。MUSA碼序列是一種低相關(guān)性的復(fù)數(shù)域星座式短序列多元碼。MUSA在相同時(shí)頻資源用戶層數(shù)上要優(yōu)于功率域NOMA技術(shù)。

(3)等角緊框架ETF/格拉斯曼序列使用了一種更嚴(yán)格的韋爾奇界等式序列以縮小兩條序列相關(guān)性的最大值。NCMA方案使用了ETF/格拉斯曼序列。格雷斯曼序列設(shè)計(jì)問(wèn)題可理解為最大化序列對(duì)間的最小弦距。格雷斯曼序列還可以通過(guò)M-QAM星座產(chǎn)生M-QAM量化格雷斯曼序列。

(4)廣義韋爾奇等式序列是韋爾奇等式序列的擴(kuò)展，考慮了功率域差異對(duì)序列相關(guān)性的影響[6]。用戶特定廣義韋爾奇界多址接入方案(User-specific Generalized Welch Bound Multiple Access，UGMA)采用了該序列。

(5)稀疏擴(kuò)頻圖案序列在擴(kuò)頻碼序列中包含了零元素，根據(jù)稀疏擴(kuò)頻圖案中的零元素的個(gè)數(shù)是否相等，具體可分為等權(quán)重序列、非等權(quán)重序列。等權(quán)重序列即為稀疏碼多址接入技術(shù)(Sparse Code Multiple Access，SCMA)，非等權(quán)重序列為圖樣分割多址接入技術(shù)(Pattern Division Multiple Access，PDMA)。SCMA在多址技術(shù)上采用了低密度擴(kuò)頻和濾波OFDM(Filtered-OFDM)兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。擴(kuò)頻用碼本的碼字稀疏，不同用戶信號(hào)之間不易產(chǎn)生干擾，而濾波OFDM指結(jié)合子載波濾波技術(shù)使資源單元RE的子載波間隔和OFDM符號(hào)時(shí)長(zhǎng)可調(diào)，以滿足5G空口業(yè)務(wù)多樣性和靈活性要求[7-8]。PDMA主要基于多用戶不等分集的PDMA圖樣矩陣實(shí)現(xiàn)時(shí)頻—功率—空間多維非正交信號(hào)疊加傳輸，以獲取更高的多用戶復(fù)用、分集增益[9]。

(6)QPSK序列的產(chǎn)生方法與NR DMRS序列產(chǎn)生的方法相同，通過(guò)對(duì)某個(gè)序列進(jìn)行循環(huán)移位可以得到其他的序列。相同根值但不同循環(huán)移位量的2個(gè)QPSK序列的相關(guān)性為0，不同根值的序列的QPSK序列的相關(guān)性則很低。非正交編碼接入方案(Non-Orthogonal Coded Access，NOCA)采用了該序列。

3.2.2 使用非NR原有調(diào)制方式的UE特定擴(kuò)頻

現(xiàn)有的方案中稀疏碼多址接入方案SCMA采用了非NR原有調(diào)制方式的UE特定擴(kuò)頻技術(shù)。SCMA采用了與傳統(tǒng)QAM星座調(diào)制不同的一種高維調(diào)制，SCMA可以增大星座點(diǎn)之間的歐幾里得距離，進(jìn)而降低用戶間干擾，最終提高多用戶疊加信號(hào)中解調(diào)出用戶信號(hào)的成功率。

3.2.3 符號(hào)級(jí)加擾

現(xiàn)有方案中資源擴(kuò)頻多址接入RSMA使用了短碼擴(kuò)頻和長(zhǎng)碼加擾的符號(hào)級(jí)MA簽名碼方案。擾碼序列可以是UE組級(jí)的也可以是小區(qū)級(jí)的；也可以是Gold序列或ZC序列，或者二者的組合。

3.2.4 填零的UE特定交織

現(xiàn)有方案中交織網(wǎng)格多址接入IGMA使用了符號(hào)級(jí)交織方案。UE根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置要求獲取數(shù)據(jù)矩陣的稀疏密度信息和填零位置序號(hào)，然后將符號(hào)序列映射到資源元素RE上，并對(duì)映射的符號(hào)進(jìn)行符號(hào)級(jí)交織。

3.3 UE特定稀疏RE映射(UE-Specific Sparse RE Mapping)

非正交多址接入技術(shù)方案SCMA、PDMA、IGMA采用了稀疏RE映射作為MA簽名碼方案。根據(jù)相同共享資源的用戶數(shù)量，可以確定用戶簽名碼稀疏度參數(shù)和填零RE的數(shù)量，并盡可能使相同資源上同時(shí)出現(xiàn)不同用戶的概率降到最低。

3.4 OFDM符號(hào)交錯(cuò)傳輸圖案(OFDM Symbol Staggered Transmission Pattern)

目前，只有異步編碼多址接入技術(shù)(Asynchronous Coded Multiple Access，ACMA)采用OFDM符號(hào)交錯(cuò)傳輸圖案作為MA簽名碼。每個(gè)用戶特定的起始發(fā)射時(shí)間為該用戶的關(guān)鍵特征。根據(jù)該方案設(shè)計(jì)[10]，每個(gè)NOMA用戶的起始時(shí)間分布與前N-1個(gè)時(shí)隙上某個(gè)OFDM符號(hào)，并在第N個(gè)時(shí)隙結(jié)束時(shí)結(jié)束所有用戶的傳輸。

表1梳理了當(dāng)前3GPP的5G NOMA備選技術(shù)方案的提出公司和每種方案支持的技術(shù)類型[3]。

表1 5G非正交多址備選技術(shù)方案

4 非正交多址的接收技術(shù)方案

針對(duì)目前5G的各類非正交多址備選技術(shù)方案，接收機(jī)的信號(hào)檢測(cè)算法主要包含最小均方差MMSE、匹配濾波器MF、基本信號(hào)估計(jì)ESE、最大后驗(yàn)概率估計(jì)MAP、消息傳遞算法MPA、期望傳遞算法EPA等，干擾消除技術(shù)存在硬消除、軟消除、混合消除以及串行、并行、串并混合等多種手段。

3GPP TR38.812中研究的接收機(jī)技術(shù)方案包括MMSE-IRC、MMSE-硬消除、MMSE-軟消除、ESE+SISO、EPA+混合消除等。根據(jù)3GPP的仿真分析，MMSE-IRC和MMSE-硬消除接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相對(duì)較低。

5 非正交多址的仿真性能評(píng)估

3GPP在NR非正交多址接入研究項(xiàng)目中，針對(duì)mMTC、eMBB、URLLC等部署場(chǎng)景，對(duì)各NOMA技術(shù)方案的性能進(jìn)行了鏈路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的仿真評(píng)估。

5.1 鏈路級(jí)評(píng)估結(jié)果

3GPP對(duì)mMTC、eMBB、URLLC等5G部署場(chǎng)景的共35種具體信道場(chǎng)景進(jìn)行BLER 和SNR仿真評(píng)估。3GPP采用的鏈路級(jí)仿真參數(shù)參見(jiàn)表2。通過(guò)比較各公司提交的鏈路級(jí)仿真結(jié)果，大致形成如下結(jié)論。

(1)對(duì)于低傳輸塊大小，單UE頻譜利用率<0.15 bit/s/Hz，總頻譜利用率<1.8 bit/s/Hz，只要仿真參數(shù)配置合理，各個(gè)NOMA /MA簽名碼方案的性能差距較小。

(2)對(duì)于中、高傳輸塊大小，單UE頻譜利用率在0.3～0.55 bit/s/Hz，總頻譜利用率<3.6 bit/s/Hz，仿真參數(shù)配置合理，不同NOMA /MA簽名碼方案的性能差距也較小。LDPC低編碼速率(<0.5)的仿真結(jié)果要由于高編碼速率(>0.5)。

(3)各技術(shù)方案均顯示UE數(shù)量越多，性能惡化越明顯。

5.2 系統(tǒng)級(jí)評(píng)估結(jié)果

系統(tǒng)級(jí)仿真中，3GPP設(shè)置了基準(zhǔn)的仿真參數(shù)(見(jiàn)表3)，各公司的實(shí)際開(kāi)展的仿真時(shí)在時(shí)頻資源配置、接收機(jī)類型、鏈路-系統(tǒng)映射關(guān)系可能與基準(zhǔn)參數(shù)配置不盡相同。系統(tǒng)級(jí)仿真重點(diǎn)評(píng)估給定負(fù)載時(shí)的高層包到達(dá)率PDR(mMTC場(chǎng)景和eMBB場(chǎng)景)、滿足可靠性和時(shí)延用戶比例(URLLC場(chǎng)景)，并鼓勵(lì)各公司提供資源利用率曲線。

表3 3GPP非正交多址系統(tǒng)級(jí)仿真參數(shù)

根據(jù)各公司提交的仿真結(jié)果，評(píng)估結(jié)果如下。

(1)mMTC場(chǎng)景，丟包率PDR為1% Packet/s/cell時(shí)，共有6家企業(yè)提交了仿真結(jié)果，部分企業(yè)的仿真結(jié)果相對(duì)于基準(zhǔn)方案有40%～100%的增益，但個(gè)別企業(yè)仿真結(jié)果認(rèn)為未顯示出增益。

(2)URLLC場(chǎng)景，丟包率PDR為1% Packet/s/cell時(shí)，共有3家企業(yè)提交了仿真結(jié)果，其中2家顯示相對(duì)于基準(zhǔn)方案增益最高可到300%，1家無(wú)增益。

(3)eMBB場(chǎng)景，丟包率PDR為1% Packet/s/cell時(shí)，共有6家企業(yè)提交了仿真結(jié)果，2家企業(yè)的結(jié)果相對(duì)于基站方案有2～4倍的增益，2家顯示有20%～40%的增益，另外2家無(wú)增益或少許增益。

6 結(jié)束語(yǔ)

從目前的NOMA技術(shù)在3GPP研究進(jìn)展來(lái)看，僅完成技術(shù)前期研究階段的工作，尚未進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)操，離真正實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化仍有距離。NOMA技術(shù)未來(lái)可以考慮在NOMA-MIMO結(jié)合技術(shù)、最優(yōu)低密度擴(kuò)頻碼本設(shè)計(jì)、優(yōu)化消息傳遞算法、性能和復(fù)雜度折中的最優(yōu)接收機(jī)設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展更深入的研究，以提高該技術(shù)的實(shí)用性，更好地滿足5G后續(xù)演進(jìn)乃至6G的系統(tǒng)可靠性和性能要求。