適應于5G網絡的聯合功率域和編碼域的NOMA系統

陽敏輝 胡路平

1(湖南財經工業職業技術學院電子信息系 湖南 衡陽 421001)2(四川大學計算機學院 四川 成都 610065)

0 引 言

面向無線移動網絡中海量連接、超低時延、高可靠等需求[1]，如何有效地提高通信系統的頻譜效率以及系統容量，是亟需解決的關鍵問題。為了解決這些問題，研究人員提出了許多有效解決方案，其中多址技術利用正交的資源去區分不同的接入用戶，在改進頻譜效率中起著至關重要的作用。非正交多址(NOMA)[2]在相同的時頻資源內疊加多個用戶的發送信息，通過利用功率域在相同無線資源上為多個用戶服務，使用過載方式提高了頻譜利用率，是一種具有發展前景的5G及以上無線網絡的技術。目前已經提出各種NOMA方案，如功率域NOMA(Power Domain Non-Orthogonal Multiple Access，PD-NOMA)[3]、稀疏碼分多址(SCMA)[4]、圖樣分割多址(Pattern Division Multiple Access，PDMA)和低密度傳播(Low-Density Spreading，LDS)[5-6]等。這些多址技術本質上是在用戶中非正交地分配資源塊，以輔助大規模連接。

近年來，功率域非正交多址(PD-NOMA)和稀疏碼分多址(SCMA)技術是5G廣泛研究的關鍵多址技術。PD-NOMA給每個用戶分配不同的發送功率，多個用戶的信息在相同的時頻資源上疊加發送，進一步提升系統的頻譜效率和容量；SCMA把正交幅度調制和擴頻過程合并為稀疏碼本，直接將信道編碼后的數據映射成多維復數域碼字。文獻[7]從信息論的角度研究了PD-NOMA的性能。文獻[8]研究了下行鏈路中的PD-NOMA系統級性能。文獻[9]評估PD-NOMA方法的吞吐量和停機時間。文獻[10]研究了基于SCMA的系統中一種使能源效率最大化的資源分配方法。文獻[11]研究了不同的PD-NOMA、模式分割多址、SCMA和多用戶共享訪問技術，此外，調查并比較了每種技術的鏈接級別性能。文獻[12]提出了一個基于正交多址(OMA)和SCMA的混合系統。遠近用戶的信號分別用SCMA和二進制相移鍵控(BPSK)編碼器來疊加。在接收端，基于功率變化，在采用MPA恢復近端用戶的信號之前使用SIC取消遠端用戶的信號。這些多址技術大都沒有從資源配置和接收機復雜度方面考察它們的性能。

本文提出一個聯合功率域和編碼域的非正交多址技術的新型多址系統，該系統考慮不同信道條件下的下行鏈路系統，接收端使用基于聯合MPA和SIC的算法用于檢測。仿真結果表明了該系統的有效性，比基于單功率域NOMA和基于SCMA的NOMA系統具有更高的頻譜效率，其過載系數高達傳統SCMA的兩倍，是下一代無線網絡中支持大規模連接的系統。

1 功率域和編碼域理論

1.1 功率域NOMA

對于下行系統，PD-NOMA利用了發射端疊加編碼和接收端SIC的原理。當使用相同的時間和頻率時隙，使用信道增益的差異對用戶進行隔離。多用戶采用基于SIC的方法檢測，本文中，考慮基于兩個用戶的下行NOMA鏈路。在第k個用戶處接收到的信號表示為：

(1)

1.2 編碼域NOMA

在SCMA中，J個用戶的信號通過K個資源或子信道傳輸。每個用戶有一個不同的碼本Xj，包含M個K維星座：Xj={xj1,xj2,…,xjM}。每個碼字xjm是稀疏的，包含N個非零的復向量。在SCMA編碼器中，星座映射和擴展的步驟融合在一起。傳輸時，數據位log2M直接映射到K維碼字上。下行鏈路上，在第i個用戶的接收信號yi={yi1,yi2,…,yiK}可以表示為：

(2)

2 聯合功率域和編碼域的NOMA系統

2.1 系統模型

圖1 系統模型

2.2 系統設計

編碼器疊加所有用戶的碼字，形成發送信號：

(3)

(4)

(5)

提出的NOMA系統的整個編碼和檢測過程如算法1所示。

算法1所提NOMA系統中編碼和檢測過程

2.檢測近用戶的第i個接收信號，i=1,2,…,J1；

7.檢測遠用戶的第J1+j個接收信號，j=1,2,…,J2；

系統中有兩組用戶，組1：J1個更靠近基站強用戶和組2：J2個遠離基站的弱用戶。組1中用戶的MPA檢測器對應于碼本C1對相應的因子圖進行操作。這個MPA檢測器稱為MPAD1。組2用戶的MPA檢測器稱作MPAD2。首先，解釋了如何檢測強用戶，第i個強用戶si的檢測如圖2所示。

圖2 強(近)用戶位置處的檢測

(6)

2.3 系統復雜性分析

3 實驗結果與分析

圖3為三種方案在AWGN信道中不同信噪比(SNR)下的誤碼率(BER)性能。

圖3 AWGN信道中不同SNR下的BER

方案S1的BER性能略優于方案S2，方案S3的性能最差，因為對于一個典型的SCMA系統過載系數是150%，而S3的SCMA系統的過載系數為200%。

圖4為不同多址機制在瑞利平坦衰落信道中的誤碼率(BER)性能。除了S1、S2和S3三種方案，考慮了常規6×4 SCMA，過載系數150%，16×4混合系統(J1=J2=8)。S1、S2和16×4混合系統的錯誤傳播由基于SIC原理的檢測。而完全基于SCMA的系統，如6×4常規SCMA和S3方案，采用強大的MPA檢測，因此，這些系統的性能更好。提出的方案S1比單純的PD-NOMA方案S2有更好的性能。過載系數為400%的16×4混合NOMA系統性能最差。

圖4 瑞利衰落信道中不同SNR下的BER

三種方案在瑞利衰落信道下的和速率如圖5所示。可以看出，與其他兩種方案相比，提出的聯合NOMA機制S1比S2和S3支持更高的和速率，進一步證實了提出的NOMA系統的有效性。

圖5 瑞利衰落信道中不同SNR下的和速率

4 結 語

為了提高未來無線移動通信網絡頻譜資源越來越緊張情況下的頻譜效率及系統容量，本文提出一種基于功率域和稀疏碼域NOMA技術的新型多址系統。通過在功率域和編碼域的組合，下行鏈路中利用SCMA編碼器對用戶數據進行編碼，并根據信道條件分配不同的功率等級。接收端使用了基于MPA的SIC接收機，通過多用戶檢測分離用戶信息。將提出系統與傳統的PD-NOMA和SCMA NOMA兩種方案進行了比較，仿真結果表明，在高度過載情況下，本文方案性能明顯優于其他傳統方案。未來的重點研究為在支持大規模連接的同時，進一步降低系統的復雜度。