適應(yīng)于5G網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合功率域和編碼域的NOMA系統(tǒng)

陽敏輝 胡路平

1(湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系 湖南 衡陽 421001)2(四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 四川 成都 610065)

0 引 言

面向無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中海量連接、超低時(shí)延、高可靠等需求[1]，如何有效地提高通信系統(tǒng)的頻譜效率以及系統(tǒng)容量，是亟需解決的關(guān)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(shù)利用正交的資源去區(qū)分不同的接入用戶，在改進(jìn)頻譜效率中起著至關(guān)重要的作用。非正交多址(NOMA)[2]在相同的時(shí)頻資源內(nèi)疊加多個(gè)用戶的發(fā)送信息，通過利用功率域在相同無線資源上為多個(gè)用戶服務(wù)，使用過載方式提高了頻譜利用率，是一種具有發(fā)展前景的5G及以上無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。目前已經(jīng)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(shù)本質(zhì)上是在用戶中非正交地分配資源塊，以輔助大規(guī)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(shù)是5G廣泛研究的關(guān)鍵多址技術(shù)。PD-NOMA給每個(gè)用戶分配不同的發(fā)送功率，多個(gè)用戶的信息在相同的時(shí)頻資源上疊加發(fā)送，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的頻譜效率和容量；SCMA把正交幅度調(diào)制和擴(kuò)頻過程合并為稀疏碼本，直接將信道編碼后的數(shù)據(jù)映射成多維復(fù)數(shù)域碼字。文獻(xiàn)[7]從信息論的角度研究了PD-NOMA的性能。文獻(xiàn)[8]研究了下行鏈路中的PD-NOMA系統(tǒng)級(jí)性能。文獻(xiàn)[9]評(píng)估PD-NOMA方法的吞吐量和停機(jī)時(shí)間。文獻(xiàn)[10]研究了基于SCMA的系統(tǒng)中一種使能源效率最大化的資源分配方法。文獻(xiàn)[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(shù)，此外，調(diào)查并比較了每種技術(shù)的鏈接級(jí)別性能。文獻(xiàn)[12]提出了一個(gè)基于正交多址(OMA)和SCMA的混合系統(tǒng)。遠(yuǎn)近用戶的信號(hào)分別用SCMA和二進(jìn)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(fù)近端用戶的信號(hào)之前使用SIC取消遠(yuǎn)端用戶的信號(hào)。這些多址技術(shù)大都沒有從資源配置和接收機(jī)復(fù)雜度方面考察它們的性能。

本文提出一個(gè)聯(lián)合功率域和編碼域的非正交多址技術(shù)的新型多址系統(tǒng)，該系統(tǒng)考慮不同信道條件下的下行鏈路系統(tǒng)，接收端使用基于聯(lián)合MPA和SIC的算法用于檢測(cè)。仿真結(jié)果表明了該系統(tǒng)的有效性，比基于單功率域NOMA和基于SCMA的NOMA系統(tǒng)具有更高的頻譜效率，其過載系數(shù)高達(dá)傳統(tǒng)SCMA的兩倍，是下一代無線網(wǎng)絡(luò)中支持大規(guī)模連接的系統(tǒng)。

1 功率域和編碼域理論

1.1 功率域NOMA

對(duì)于下行系統(tǒng)，PD-NOMA利用了發(fā)射端疊加編碼和接收端SIC的原理。當(dāng)使用相同的時(shí)間和頻率時(shí)隙，使用信道增益的差異對(duì)用戶進(jìn)行隔離。多用戶采用基于SIC的方法檢測(cè)，本文中，考慮基于兩個(gè)用戶的下行NOMA鏈路。在第k個(gè)用戶處接收到的信號(hào)表示為：

(1)

1.2 編碼域NOMA

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

(2)

2 聯(lián)合功率域和編碼域的NOMA系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)模型

圖1 系統(tǒng)模型

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

編碼器疊加所有用戶的碼字，形成發(fā)送信號(hào)：

(3)

(4)

(5)

提出的NOMA系統(tǒng)的整個(gè)編碼和檢測(cè)過程如算法1所示。

算法1所提NOMA系統(tǒng)中編碼和檢測(cè)過程

2.檢測(cè)近用戶的第i個(gè)接收信號(hào)，i=1,2,…,J1；

7.檢測(cè)遠(yuǎn)用戶的第J1+j個(gè)接收信號(hào)，j=1,2,…,J2；

系統(tǒng)中有兩組用戶，組1：J1個(gè)更靠近基站強(qiáng)用戶和組2：J2個(gè)遠(yuǎn)離基站的弱用戶。組1中用戶的MPA檢測(cè)器對(duì)應(yīng)于碼本C1對(duì)相應(yīng)的因子圖進(jìn)行操作。這個(gè)MPA檢測(cè)器稱為MPAD1。組2用戶的MPA檢測(cè)器稱作MPAD2。首先，解釋了如何檢測(cè)強(qiáng)用戶，第i個(gè)強(qiáng)用戶si的檢測(cè)如圖2所示。

圖2 強(qiáng)(近)用戶位置處的檢測(cè)

(6)

2.3 系統(tǒng)復(fù)雜性分析

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yōu)于方案S2，方案S3的性能最差，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)典型的SCMA系統(tǒng)過載系數(shù)是150%，而S3的SCMA系統(tǒng)的過載系數(shù)為200%。

圖4為不同多址機(jī)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(guī)6×4 SCMA，過載系數(shù)150%，16×4混合系統(tǒng)(J1=J2=8)。S1、S2和16×4混合系統(tǒng)的錯(cuò)誤傳播由基于SIC原理的檢測(cè)。而完全基于SCMA的系統(tǒng)，如6×4常規(guī)SCMA和S3方案，采用強(qiáng)大的MPA檢測(cè)，因此，這些系統(tǒng)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(shù)為400%的16×4混合NOMA系統(tǒng)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?？梢钥闯?，與其他兩種方案相比，提出的聯(lián)合NOMA機(jī)制S1比S2和S3支持更高的和速率，進(jìn)一步證實(shí)了提出的NOMA系統(tǒng)的有效性。

圖5 瑞利衰落信道中不同SNR下的和速率

4 結(jié) 語

為了提高未來無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)頻譜資源越來越緊張情況下的頻譜效率及系統(tǒng)容量，本文提出一種基于功率域和稀疏碼域NOMA技術(shù)的新型多址系統(tǒng)。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(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并根據(jù)信道條件分配不同的功率等級(jí)。接收端使用了基于MPA的SIC接收機(jī)，通過多用戶檢測(cè)分離用戶信息。將提出系統(tǒng)與傳統(tǒng)的PD-NOMA和SCMA NOMA兩種方案進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果表明，在高度過載情況下，本文方案性能明顯優(yōu)于其他傳統(tǒng)方案。未來的重點(diǎn)研究為在支持大規(guī)模連接的同時(shí)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。