适应于5G网络的联合功率域和编码域的NOMA系统

阳敏辉 胡路平

1(湖南财经工业职业技术学院电子信息系 湖南 衡阳 421001)2(四川大学计算机学院 四川 成都 610065)

0 引 言

面向无线移动网络中海量连接、超低时延、高可靠等需求[1]，如何有效地提高通信系统的频谱效率以及系统容量，是亟需解决的关键问题。为了解决这些问题，研究人员提出了许多有效解决方案，其中多址技术利用正交的资源去区分不同的接入用户，在改进频谱效率中起着至关重要的作用。非正交多址(NOMA)[2]在相同的时频资源内叠加多个用户的发送信息，通过利用功率域在相同无线资源上为多个用户服务，使用过载方式提高了频谱利用率，是一种具有发展前景的5G及以上无线网络的技术。目前已经提出各种NOMA方案，如功率域NOMA(Power Domain Non-Orthogonal Multiple Access，PD-NOMA)[3]、稀疏码分多址(SCMA)[4]、图样分割多址(Pattern Division Multiple Access，PDMA)和低密度传播(Low-Density Spreading，LDS)[5-6]等。这些多址技术本质上是在用户中非正交地分配资源块，以辅助大规模连接。

近年来，功率域非正交多址(PD-NOMA)和稀疏码分多址(SCMA)技术是5G广泛研究的关键多址技术。PD-NOMA给每个用户分配不同的发送功率，多个用户的信息在相同的时频资源上叠加发送，进一步提升系统的频谱效率和容量；SCMA把正交幅度调制和扩频过程合并为稀疏码本，直接将信道编码后的数据映射成多维复数域码字。文献[7]从信息论的角度研究了PD-NOMA的性能。文献[8]研究了下行链路中的PD-NOMA系统级性能。文献[9]评估PD-NOMA方法的吞吐量和停机时间。文献[10]研究了基于SCMA的系统中一种使能源效率最大化的资源分配方法。文献[11]研究了不同的PD-NOMA、模式分割多址、SCMA和多用户共享访问技术，此外，调查并比较了每种技术的链接级别性能。文献[12]提出了一个基于正交多址(OMA)和SCMA的混合系统。远近用户的信号分别用SCMA和二进制相移键控(BPSK)编码器来叠加。在接收端，基于功率变化，在采用MPA恢复近端用户的信号之前使用SIC取消远端用户的信号。这些多址技术大都没有从资源配置和接收机复杂度方面考察它们的性能。

本文提出一个联合功率域和编码域的非正交多址技术的新型多址系统，该系统考虑不同信道条件下的下行链路系统，接收端使用基于联合MPA和SIC的算法用于检测。仿真结果表明了该系统的有效性，比基于单功率域NOMA和基于SCMA的NOMA系统具有更高的频谱效率，其过载系数高达传统SCMA的两倍，是下一代无线网络中支持大规模连接的系统。

1 功率域和编码域理论

1.1 功率域NOMA

对于下行系统，PD-NOMA利用了发射端叠加编码和接收端SIC的原理。当使用相同的时间和频率时隙，使用信道增益的差异对用户进行隔离。多用户采用基于SIC的方法检测，本文中，考虑基于两个用户的下行NOMA链路。在第k个用户处接收到的信号表示为：

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1.2 编码域NOMA

在SCMA中，J个用户的信号通过K个资源或子信道传输。每个用户有一个不同的码本Xj，包含M个K维星座：Xj={xj1,xj2,…,xjM}。每个码字xjm是稀疏的，包含N个非零的复向量。在SCMA编码器中，星座映射和扩展的步骤融合在一起。传输时，数据位log2M直接映射到K维码字上。下行链路上，在第i个用户的接收信号yi={yi1,yi2,…,yiK}可以表示为：

(2)

2 联合功率域和编码域的NOMA系统

2.1 系统模型

图1 系统模型

2.2 系统设计

编码器叠加所有用户的码字，形成发送信号：

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(4)

(5)

提出的NOMA系统的整个编码和检测过程如算法1所示。

算法1所提NOMA系统中编码和检测过程

2.检测近用户的第i个接收信号，i=1,2,…,J1；

7.检测远用户的第J1+j个接收信号，j=1,2,…,J2；

系统中有两组用户，组1：J1个更靠近基站强用户和组2：J2个远离基站的弱用户。组1中用户的MPA检测器对应于码本C1对相应的因子图进行操作。这个MPA检测器称为MPAD1。组2用户的MPA检测器称作MPAD2。首先，解释了如何检测强用户，第i个强用户si的检测如图2所示。

图2 强(近)用户位置处的检测

(6)

2.3 系统复杂性分析

3 实验结果与分析

图3为三种方案在AWGN信道中不同信噪比(SNR)下的误码率(BER)性能。

图3 AWGN信道中不同SNR下的BER

方案S1的BER性能略优于方案S2，方案S3的性能最差，因为对于一个典型的SCMA系统过载系数是150%，而S3的SCMA系统的过载系数为200%。

图4为不同多址机制在瑞利平坦衰落信道中的误码率(BER)性能。除了S1、S2和S3三种方案，考虑了常规6×4 SCMA，过载系数150%，16×4混合系统(J1=J2=8)。S1、S2和16×4混合系统的错误传播由基于SIC原理的检测。而完全基于SCMA的系统，如6×4常规SCMA和S3方案，采用强大的MPA检测，因此，这些系统的性能更好。提出的方案S1比单纯的PD-NOMA方案S2有更好的性能。过载系数为400%的16×4混合NOMA系统性能最差。

图4 瑞利衰落信道中不同SNR下的BER

三种方案在瑞利衰落信道下的和速率如图5所示。可以看出，与其他两种方案相比，提出的联合NOMA机制S1比S2和S3支持更高的和速率，进一步证实了提出的NOMA系统的有效性。

图5 瑞利衰落信道中不同SNR下的和速率

4 结 语

为了提高未来无线移动通信网络频谱资源越来越紧张情况下的频谱效率及系统容量，本文提出一种基于功率域和稀疏码域NOMA技术的新型多址系统。通过在功率域和编码域的组合，下行链路中利用SCMA编码器对用户数据进行编码，并根据信道条件分配不同的功率等级。接收端使用了基于MPA的SIC接收机，通过多用户检测分离用户信息。将提出系统与传统的PD-NOMA和SCMA NOMA两种方案进行了比较，仿真结果表明，在高度过载情况下，本文方案性能明显优于其他传统方案。未来的重点研究为在支持大规模连接的同时，进一步降低系统的复杂度。