非正交多址接入技術及其應用研究*

雷拓峰，程乃平，倪淑燕，張愛迪

（1.航天工程大學 電子與光學工程系，北京 101416；2.航天工程大學研究生院，北京 101416）

0 引言

頻譜是自然界中不可再生的寶貴資源。在以往的無線電通信中，每個用戶都會被分配一部分頻譜，各用戶通過占據不同頻譜資源進行通信。但是，隨著無線通信需求的增長，傳統的通信模式不能滿足未來移動通信的需求。面向5G 移動網絡通信海量連接、超低時延和高可靠性的要求，尤其是在當下頻譜資源日益寶貴的情形下，如何有效提高通信系統的頻譜使用效率，是未來通信需要解決的關鍵問題[1]。目前，大部分的中低頻段的頻譜已經分配完畢，高頻段、特高頻段（毫米波）目前仍處于科研階段，并沒有大面積普及推廣，因此幾乎沒有新的頻譜可供更多的新型業務使用。雖然無線電頻譜資源匱乏，但是統計結果顯示，大部分的中低段頻譜在大多數時間都沒有被充分利用。如圖1 所示，美國芝加哥市和弗吉尼亞的無限電頻譜利用率最高的只是在電視所使用的頻段，其他頻段并沒有被充分利用，總體的平均利用率為30%[2]。

圖1 頻譜利用率比較

1 NOMA 技術發展現狀

盡管OFDM 已經很大程度提高了頻譜利用率，但是第一代到第四代通信系統都是采用正交的頻譜資源接入用戶，使得頻譜利用率很低，故都不能滿足5G 海量連接、高頻譜以及低時延的需求。然而，非正交多址技術（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）通過在相同的時頻資源疊加多個用戶發送的信息，進而使用過載方式提升系統的頻譜利用率，目前被認為是5G 中一個關鍵且具有前途的候選技術[1]。NOMA 技術的核心是通過疊加編碼（Superposition Coding，SC）發射機和串行干擾消 除(Successive Interference Cancellation，SIC） 接收機為多用戶提供服務[3]。NOMA 技術解決了用戶通信的公平性，提高了頻譜利用率。該技術可以劃分為基于功率域的多路復用和基于碼域的多路復用兩種工作模式，使得不同信道的多用戶能夠共享同一資源塊。功率域的NOMA 技術通過對各個用戶分配適當的功率，可以在頻譜利用率和用戶公平性之間實現良好的平衡。對于碼域的多路復用技術，國內外各大電信公司分別提出了自己的非正交多址方案。例如，華為公司基于系數特性的系數碼分多址（Sparse Code Multiple Access，SCMA）、高通的資源擴展多址（Resource Spread Multiple Access，RSMA）以及大唐基于圖樣矩陣的圖樣分割多址接入（Pattern Division Multiple Access，PDMA） 等。此外，NOMA 技術還具有很好的擴展性，可以和MIMO 技術結合（稱為MIMO-NOMA）進一步提高頻譜利用率。目前，文獻[4]已經證明了MIMONOMA 系統相比于MIMO-OMA 系統具有更高的系統容量，因此未來NOMA 技術發展前景廣闊。盡管5G 技術已經在全球廣泛展開，但是基站的建設以及地形等因素限制了其廣泛推廣。由于衛星通信不受基站部署影響，可以為地面通信難以覆蓋的區域提供服務，因此也有很多學者對衛星上應用NOMA技術進行了相關研究。文獻[5]研究了在多普勒情況下，LEO 通信衛星系統下行鏈路NOMA 性能分析，并對GEO 衛星場景的NOMA 性能進行了簡要分析；文獻[6]討論了5G 中多衛星中繼傳輸的相關技術和難點問題；文獻[7]在多波束衛星NOMA 框架下，提出了一種新的信道估計算法。此外，為滿足衛星通信中5G 的需求，文獻[8]介紹了NOMA 在各種衛星架構中的應用概況，且有學者研究了衛星的信道模型以進一步提高通信容量[9]。因此，對于我國發展2030 空天一體化網絡重大項目而言，研究NOMA 技術具有非常重要的意義。

2 NOMA 與認知無線電

認知無線電作為一種新興的技術，主要致力于為通信網絡提供靈活的頻譜共享和接入，是可以解決未來頻譜資源匱乏的一種方式。它的基本原理是對周圍的頻譜信息進行周期性檢測，根據檢測的環境信息智能調整系統參數，完成認知通信。該項技術可以靈活使用有限的頻譜，從而有效調用頻譜，提高頻譜的利用率。通常情況下，一個認知無線電頻譜管理系統由認知、決策、共享和頻譜遷移4 個方面組成[10]，如圖2 所示。頻譜感知技術是認知無線電技術的關鍵，只有通過頻譜感知才能測出此時沒有被充分利用的頻譜，進而提高頻譜利用率。

圖2 頻譜管理系統

目前，大多數用戶通信仍然采用正交多址接入方式。但是，隨著物聯網技術的應用，接入用戶數的海量增長，目前的正交多址方式不足以承受物聯網通信帶來的巨大負荷。NOMA 作為一種非正交多址接入技術，可以有效解決這一問題。

將NOMA 技術與認知無線電技術結合，可以動態地為用戶分配資源。當接入用戶的信道質量較差時，基站可以給用戶分配更多的功率，以保證各個用戶之間的公平性。此外，因為采用NOMA 技術，每一個用戶都有相應其他用戶的信息，可以采用信道質量好的用戶作為“中繼站”為其他用戶提供中繼信息。NOMA 技術也可以結合認知無線電系統中的其他相關技術，如NOMA-OFDM 技術是NOMA技術結合認知無線電OFDM 技術而來的，被稱為認知NOMA-OFDM 系統。它可以將檢測的整個頻譜劃分為數個子載波，在每個子載波上利用NOMA 技術接入多用戶進行服務。相比傳統的ODFM 技術，認知NOMA-OFDM 系統可以自適應調整各子載波的間距、子載波功率和調制方式等來避免外界干擾，且支持多用戶接入子載波，在充分提高用戶通信速率的同時，更加強調各個用戶之間的公平性。正因為NOMA 技術具有非常良好的兼容性且能夠結合認知無線電技術為用戶動態分配資源[11]，所以NOMA技術是5G 發展的關鍵技術之一。

3 NOMA 技術在5G 中的應用

目前，非正交多址有多種方案，研究較多的是基于功率域的非正交多址技術（Power-domain Nonorthogonal Multiple Access，PD-NOMA）。此外，還有各大通信公司研究的基于碼域的多路復用技術。面向新興通信發展，MIMO-NOMA 技術也有望應用于5G 中提升用戶服務質量。

3.1 PD-NOMA 技術

PD-NOMA 是從功率域區分不同用戶的信息。在發射端，每個用戶分配不同的功率，在接收端可以利用串行干擾消除技術（Successive Interference Cancellation，SIC）提取信號信息。假設一個基站為K 個用戶提供服務，那么每個接收機的下行信號可以表示為：

其中，si為發射信號，pi為系統功率，hi為信道狀態的信息，n表示噪聲。

對于兩用戶的PD-NOMA 系統而言。在接收端采用SIC 接收機分離信號中的信息時，首先把用戶2 看作噪聲，解調出用戶1 的信息，其次利用接收端的信號y減去用戶1 的信息，最終解調用戶2 的信息?；驹砣鐖D3 所示。

3.2 SCMA 技術

稀疏碼分多址接入技術是華為公司推出的非正交多址技術，由CDMA 和低密度擴散矩陣接入（Low-Density Signatures Multiple Access，LDSMA）結合產生。CDMA 的原理是為每個用戶分配相互正交的擴頻正交碼字，因為長度N的擴頻碼字最多可以產生N個相互正交的碼字，所以CDMA 技術無法實現系統的過載，即用戶數不能大于碼組數。LDSMA 是對CDMA 技術的改進，LDSMA 將擴頻碼字插入“0”元素，使得擴頻序列具備稀疏性，因此實現了用戶數大于資源數的系統過載，同時降低了接收端的檢測復雜度[12]。但是，在LDSMA 系統中，用戶信息是先通過QAM 調制再進行系數擴頻。而在SCMA 系統中，數據的調制和擴頻過程被融合為一個步驟，SCMA 通過預設的編碼直接將用戶信息映射到與之對應的碼字。通常情況下，SCMA 系統中碼本數量大于載波數量。碼本數量是與SCMA 資源塊子載波數量K和每個碼本的非零元素相關的，過載因子等于碼本數量除以子載波數量。假設一個碼本尺寸為M=4 的碼本，子載波數量K=4，碼本數量C=6，碼本與子載波的映射矩陣可以表示為：

圖3 PD-NOMA 的原理

其中行代表子載波，列代表數據層（碼本），1 元素表示該碼本占用該子載波，0 元素表示該碼本沒有占用該子載波。可以看出，每個碼本只占用部分子載波，同時每個子載波上并非承載所有的碼本數據，從而減少多用戶之間的干擾[13]。當子載波數量確定后，改變非零元素的數量，可容納的碼本數量隨之改變，進而帶來不同的過載因子。實際系統中可以根據接入數量需求調整子載波數量和碼本非零元素的數量，因此SCMA 系統具有靈活的伸縮擴展性[13]。

采用SCMA 具備的優勢：避免了星座符號映射，可以直接完成碼字的映射獲得賦形增益；低密度擴頻可以降低接收端解碼的復雜度，且便于采用最大似然算法實現多用戶消息的恢復。

3.3 MUSA 技術

多用戶共享接入多址技術（Multi-user Shared Access，MUSA）是國內中興電信公司提出的非正交多址方案，支持免調度傳輸，可以在低成本、低功耗下實現大量用戶的過載通信[14]。相比于CDMA系統采用的長偽隨機序列擴頻，MUSA 采用低互相關的復數域進行調制擴頻，減少了系統的復雜度。

在MUSA 原理框架下，各用戶隨機選取碼組序列，用戶信號通過低互相關的復數域多元碼序列進行調制擴頻，然后將其調制符號擴展至相同的時頻資源塊[15]。MUSA 與第三代通信系統技術的不同點在于MUSA 將擴頻序列設計為復數域的。假若所選擇的復數實部和虛部都是±1，則每個用戶可以隨機選擇集合{1+i,1-i,-1+i,-1-i}中的一種作為擴頻序列。采用這種方式，對于一個長度為L 的擴頻序列，擴頻的序列可以達到為4L。

MUSA 技術的優點：實現難度較小，技術的原理簡單，并且系統的復雜度可控；擴頻序列的選擇具有隨機性，可以平均干擾進而提高解碼的準確性[16]。

3.4 PDMA 技術

圖樣分割多址技術（Pattern Division Multiple Access，PDMA）是大唐電信公司提出的新型非正交多址接入技術。在發射端給每個用戶分配不同的“圖樣”，將用戶所在的時域、頻域、功率域或空域的信息等進行多維度擴展。采用SIC 檢測時，多用戶會因為檢測順序不同，從而使得系統的分集度不同。為了保證每個用戶性能的公平性，使每個用戶獲得基本一致的分集度，即每個用戶性能不會有太大的差別，因此需要設計靈活的特征圖樣矩陣。每個用戶的圖樣是一個二進制向量，其維度是每個符號占據的資源數，“1”代表該用戶信息映射到此資源的位置，“0”代表在此資源的位置上不發送該用戶信息。PDMA 圖樣中每一列中“1”的個數表示相應用戶的發送分集度，也就是將本用戶的信息分散到多個獨立的副本上進行發送[1]。PDMA技術利用信號的分集度提升系統的可靠性，編碼原理如圖4 所示。

以空域PDMA 圖樣為例，假設PDMA 的圖樣矩陣為：

該圖樣矩陣表示3 個數據流從2 根天線發送，天線1 發送數據1 和數據2 的信息，天線2 發送數據1 和數據3 的信息，每根天線發送兩個數據流信息如圖5 所示。通過PDMA 圖樣分割，可以實現兩根天線傳輸3 個獨立的數據[17]。

圖5 空域PDMA

3.5 MIMO-NOMA

此外，NOMA 也可以結合多天線技術（Multiple Input Multiple Output，MIMO），充分利用空間域的額外維度。MIMO-NOMA 是利用功率域和波束形成技術來提高通信速率的有效技術。先在發射端采用MIMO 技術對不同區域進行波束賦形，之后在每個波束范圍內采用NOMA 技術對多用戶進行服務，如圖6 所示。目前，MIMO-NOMA 的研究集中在用戶功率分配的公平性和最大化總通信速率和各態歷經通信容量等方面上[3,18-20]，且文獻[21]已經證明了MIMO-NOMA 技術在傳輸速率和能量利用率上優于傳統的MIMO-OMA 技術。在未來5G 的發展中，MIMO-NOMA 也有望得到實際的應用。

圖6 MIMO-NOMA 技術原理

4 NOMA 技術在衛星通信中的應用

盡管地基相關的NOMA 技術已經有許多的研究成果，但是還是不能滿足未來移動通信發展的需求。在一些地面站難以部署的區域，如海洋、沙漠區域，難以保障其通信質量。目前，衛星通信主要采用的仍然是正交多址技術（Orthogonal Multiple Access，OMA）進行通信，但是單個正交資源塊只能服務一個用戶，制約了衛星網絡頻譜的利用率。截止2019 年1 月，全球互聯網使用人數44 億，普及率僅有57%[22]，即世界上仍然有約一半的人口沒有使用互聯網。面對這些龐大的用戶，Facebook、Oneweb、Google 和SpaceX 等科技巨頭已經開展了各自的行動計劃和試點項目。例如：Facebook 的雅典娜項目[23]，致力給偏遠農村地區提供互聯網接入；Google 公司正在建立星座系統[24]，為地面網絡無法覆蓋的區域提供服務；此外，還有SpaceX 的星鏈計劃[25]和歐盟的2020 地平線計劃、Sat5G 計劃等。

關于衛星NOMA 技術可以分為4 大類，如圖7所示[26]。

圖7 NOMA 在衛星上應用

基于合作用戶的模式。如圖7（a）所示，用戶p可以作為中繼節點為用戶q轉發信息。基于NOMA方案，用戶p攜帶用戶q的所有信息，所以用戶q的可靠性可以通過NOMA 之間的協作進一步提高。這對于人口密度較低的區域來說非常有發展前景。

基于地面基站中繼模式。如圖7（b）所示，如果用戶p和用戶q直接鏈路都不能通信，如有陰影遮擋則必須采用地面中繼站中繼轉發用戶信號。在兩個用戶訪問情況下，NOMA 只需要兩個時隙就可以滿足需求，而傳統的TDMA 方案需要4 個時隙。因此，采用NOMA 技術可以減少用戶服務的等待時間，提高用戶的可靠性[26]。

基于低軌中繼衛星的模式。如圖7（c）所示，假設通信衛星采用的是GEO 高軌衛星，由于大尺度衰落，用戶無法與衛星直接建立通信。此外，GEO 衛星傳播時延較長，約為270 ms，也不能滿足5G 的需求，所以需要低軌衛星作為中繼衛星轉發信息。該方案可以為兩個階段。第一階段GEO 衛星發射兩個不同時隙的信號給中繼衛星，中繼衛星采用SIC 終端進行解碼；第二階段將接收到的信號進行疊加組合，發送給地面用戶。

基于低軌中繼衛星提高信道質量。如圖7（d）所示，如果直接通信的鏈路質量較差，也可以采用該方案提高信號功率。地面用戶同時接收GEO/MEO 衛星和低軌中繼衛星的信號，對接收到的兩路信號進行解碼來提高信號質量。

5 總結展望

隨著5G 通信發展的需求，現有的頻譜資源已經不能滿足多用戶高速接入的需求，雖然采用更有效的頻譜調制技術可以提高頻譜的利用率，但是總體而言，僅存的頻譜資源不足以為5G 技術提供高速通信。NOMA 技術作為一種非正交多址方案，多個用戶可以共同占用同一頻譜資源進行通信，與傳統的正交多址方案相比，極大地提高了頻譜的利用率。此外，NOMA 技術具備很好的兼容性，可以和OFDM、MIMO 技術結合進一步提高通信的速率。目前，無論是高校研究所還是商業公司，都對非正交多址進行了深入研究，且已經開始部署使用相關技術。對于衛星NOMA 技術而言，由于高軌衛星時延較長，達不到5G 低時延的需求，因此5G 技術普遍采用低軌衛星。但是，高軌衛星可以作為整個系統的中樞，作為整個系統的調度衛星。如圖8所示，隨著2030 空天一體化網絡重大項目規劃，未來更多空間都需要海量數據的傳輸，因此將NOMA 技術應用在衛星通信中提高衛星通信的速率和接入用戶數量方面將具有非常重要的意義。

圖8 空天一體化網絡

6 結語

本文由提高頻譜資源利用率引入，分析了NOMA 技術的發展現狀，并且結合認知無線電技術討論了NOMA 技術在移動通信中如何提高頻譜利用率。此外，討論了5G 的NOMA 技術，對NOMA 技術兩種工作模式下的相關技術進行簡單闡述，并且分析了MIMO-NOMA 技術的基本原理及其優勢。最后，結合衛星通信分析了目前商業上衛星通信的發展趨勢以及NOMA 在衛星通信下的幾種方案，指出了發展衛星通信的必要性。