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張紅利
中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師，主要從事科研管理和研究工作。
韓玲
中國信息通信研究院電話終端實驗室高級工程師，主要從事通信相關研究和通信相關新媒體運營。
王星艷
中國信息通信研究院泰爾終端實驗室工程師，主要從事協議一致性測試研究。
論文引用格式：
張紅利，韓玲，王星艷。 5G非正交多址關鍵技術研究及性能評估[J]. 信息通信技術與政策，2022，48(6)：85-90。
5G非正交多址關鍵技術研究及性能評估
張紅利 韓玲 王星艷
摘要：移動通信技術的發展經歷了五代技術變革。 多址技術作為關鍵的物理層技術，一直采用正交多址技術。 傳統正交多址技術本身在實際非理想條件下頻譜資源利用效率和系統容量基本接近上限。 非正交多址技術是一種全新的物理層設計，可以使無線通信突破正交資源限制，進一步提高系統傳輸性能，增加系統容量，減少時延，降低功耗。 非正交多址的價值已被業界所重視。 近十年來，全球范圍內開展了大量研究，被視為5G重要的物理層替代技術，并在3GPP內部進行了廣泛討論。
CLC 分類號：TN929.531 文檔代碼：A
引用格式：張紅利，韓玲，王星艷。 5G非正交多址關鍵技術研究及性能評估[J]. 信息通信技術與政策，2022，48(6)：85-90。
0 前言
傳統的蜂窩移動通信系統主要采用多址技術，包括時分多址技術(Time，TDMA)、頻分多址技術(FDMA)、碼分多址技術(Code，CDMA)。 ）等，這些都屬于正交多址技術（OMA）。 正交多址技術的用戶數量受到可用正交資源數量的限制。 隨著系統設計的優化，在頻譜資源日益緊張的今天，其頻譜資源利用效率和系統用戶容量已接近極限。
為了進一步提高頻譜效率，突破正交多址技術的限制，學術界和工業界提出了一種稱為非正交多址（Non-，NOMA）的接入技術，以進一步提高頻譜效率和系統容量。 根據文獻[1-3]，早在2010年，日本NTT公司就提出了基于多用戶信號功率疊加和接收機串行干擾消除（SIC）的功率域非正交多址技術； 2014年 2018年，3GPP在4G LTE“Multi-User，MUST”研究項目中開展下行NOMA技術研究； 2018年，3GPP在5G NR框架下繼續開展上行非正交多址技術。 研究，形成了R16階段NR NOMA技術的研究報告[3]。
1 NOMA技術特點
NOMA在發送端使用功率復用或多址簽名碼，使得多用戶信號可以共享相同的時頻資源塊。 接收端采用SIC等多址干擾消除技術來區分和解碼不同的用戶。
(1)功率復用技術。 功率復用技術的核心是在時域和頻域之外增加一個功率維度，利用不同用戶之間的信道增益差異進行線性疊加傳輸[4]。 功率復用技術是最簡單的非正交多址技術。 由于系統中引入功率域可以放寬時頻物理資源塊的正交性限制，因此可以提高系統容量和頻譜效率。
(2)多路訪問簽名碼技術。 多址簽名碼技術是經典功率域非正交多址技術的演進升級版。 除了傳統的功率域之外，還在碼域引入擴頻、加擾、交織，甚至包括多重空間域編碼。 地址通道標簽有助于進一步減少非正交多址帶來的多址干擾(MAI)物理資源塊，提高接收機對多用戶信號的檢測性能。
(3)串行干擾消除技術。 串行干擾消除技術的核心是對不同功率的多用戶信號進行連續干擾消除。 接收機首先檢測并消除接收信號中功率最高的信號，然后根據功率電平依次檢測各個用戶信號，最后完成所有疊加信號的接收和解調。
2 NOMA技術的性能優勢
NOMA技術的性能優勢如下。
(1)提高頻譜效率和系統容量。 NOMA技術可以區分同一時頻域的不同用戶，允許多個用戶進一步復用同一時頻域的資源。 NOMA的系統過載率高于OMA技術，更接近多用戶系統的理論容量邊界。 在保證一定通信質量的同時，進一步提高了系統總吞吐量。 由于資源的非正交分配，不同用戶的信號可以疊加在相同的時頻資源上。 事實上，與OMA系統相比，可接入的用戶數量進一步擴大，系統的用戶容量得到了提高。
(2)提高小區邊緣用戶性能。 為了保證通信質量和用戶公平性，非正交多址技術會為小區邊緣用戶和信道條件較差的用戶分配更高的功率。 仿真表明，采用NOMA技術方案后，小區邊緣用戶的吞吐量得到有效提升。
(3)較小的延遲和較低的信令開銷[5]。 目前正在研究的一些NOMA技術方案中，NOMA可以設計為免調度的接入方案。 終端可以利用開環功率控制來選擇合適的功率一次性上傳數據，無需與基站多次交互，減少接入時間。 延遲，減少信令交互的開銷。
(4)系統魯棒性更強。 基于功率域的NOMA系統對接收端反饋的信道狀態信息CSI的準確性不太敏感。 只要傳輸信道狀態不發生顯著且快速的變化，不準確的信道狀態信息不會對系統性能產生嚴重影響。 影響。 同時，由于接收端采用SIC技術，系統具有一定的干擾消除能力，減少干擾對通信的影響。
3 NOMA技術的替代技術解決方案
為了區分同一時頻資源上的不同用戶，一種有效的手段是為每個用戶分配多址簽名碼(MA)。 3GPP TR 38.812研究報告總結了目前各大通信公司的NOMA上行信號處理方案和多址簽名碼設計方案。 圖1所示為5G NOMA上行信號處理流程。 在原有5G正交信號處理流程的基礎上，通過更換或增加相應的信號處理鏈路，實現用戶上行信號的非正交化。 目前，多路簽名編碼方案包括以下幾類。
圖1 5G NOMA上行信號處理流程
3.1 基于位級的處理技術（Bit Level Based）
比特級處理技術的原理是通過為不同用戶配置特定的隨機序列或交織模式來區分不同的用戶。 比特級處理技術目前有兩種技術路線：UE特定的比特級加擾和UE特定的比特級交織。
(1)針對UE特定的比特級加擾技術目前有兩種技術方案：低碼率擴頻方案(Low Code Rate，LCRS)和非正交編碼多址方案(Non-，NCMA)。 比特級加擾非正交多址解決方案采用與3GPP R15 PUSCH相同的上行信號處理流程。
(2)UE特定的比特級交織技術目前有兩種技術方案：交織域多址方案(IDMA)和交織網格多址方案(-Grid，IGMA)。 UE特定的交織模式被用作多接入簽名碼。
3.2 符號級別處理技術（Level）
符號級處理技術有以下類型。
3.2.1 使用NR原始調制方法的UE特定擴頻
使用原始NR調制方法的UE特定擴頻技術通常使用低正交相關或低密度符號級擴頻序列。 符號級擴頻序列是此類方案設計的核心。 目前研究的擴頻序列有韋爾奇有界等式序列（Welch，WBE）、量化復數序列（-with，CSQE）、ETF（Tight）/格拉斯曼序列（GS）、廣義韋爾奇方程序列（Welch-Bound， GWBE）、稀疏擴頻模式序列、QPSK序列和多用戶干擾參數準則序列（MUI-）。
(1)使用Welch束縛方程序列的技術方案有兩種：Welch束縛擴頻多址(WSMA)和資源擴頻多址(RSMA)。 這兩種方案所使用的Welch邊界方程序列被設計為符合簽名碼向量集的相關函數平方和的邊界要求。
(2)唯一使用量化復值函數序列的解決方案是多用戶共享接入技術(Multi-User，MUSA)。 MUSA碼序列是低相關復域星座短序列多元碼。 MUSA在相同時頻資源的用戶層數上優于功率域NOMA技術。
(3)等角緊框架ETF/級數采用更嚴格的Welch邊界方程級數來降低兩個級數之間相關性的最大值。 NCMA 方案使用 ETF/ 序列。 序列設計問題可以理解為最大化序列對之間的最小弦距離。 序列還可以通過M-QAM星座生成M-QAM量化序列。
(4)廣義Welch方程序列是Welch方程序列的擴展，考慮了冪域差異對序列相關性的影響[6]。 用戶特定的廣義Welch Bound多址接入方案(User-Welch Bound，UGMA)就采用該序列。
(5)稀疏擴頻模式序列在擴頻碼序列中包含零個元素。 根據稀疏擴頻模式中零元素的個數是否相等，可以分為等權序列和不等權序列。 等權序列??為稀疏碼多址技術(Code，SCMA)，不等權序列為碼分多址技術(PDMA)。 SCMA在多址技術中使用了兩項關鍵技術：低密度擴頻和濾波正交頻分復用(-OFDM)。 用于擴頻的碼本碼字稀疏，不同用戶信號之間不易發生干擾。 濾波式OFDM是指結合子載波濾波技術，使資源單元RE的子載波間隔和OFDM符號時長可調，以滿足5G空口業務的多樣性。 和靈活性要求[7-8]。 PDMA主要基于多用戶不等分集的PDMA模式矩陣，實現時頻功率空間多維非正交信號疊加傳輸，以獲得更高的多用戶復用和分集增益[9]。
(6)QPSK序列生成方法與NR DMRS序列生成方法相同。 通過對某個序列進行循環移位可以得到其他序列。 兩個根值相同但循環移位量不同的QPSK序列的相關性為0，不同根值的QPSK序列的相關性很低。 非正交編碼接入方案(Non-Coded，NOCA)采用該序列。
3.2.2 使用非NR原始調制方法的UE特定擴頻
現有的解決方案中，稀疏碼多址方案SCMA使用的是UE特定的擴頻技術，并不是NR原來的調制方法。 SCMA 使用與傳統 QAM 星座調制不同的高維調制。 SCMA可以增加星座點之間的歐氏距離，從而減少用戶之間的干擾，最終提高多用戶疊加信號中解調用戶信號的準確性。 成功率。
3.2.3 符號級加擾
現有方案中物理資源塊，資源擴頻多址RSMA采用短碼擴頻、長碼加擾的符號級MA簽名碼方案。 擾碼序列可以是UE組級別的，也可以是小區級別的； 它也可以是Gold序列或ZC序列，或兩者的組合。
3.2.4 零填充UE特定交織
在現有的解決方案中，交織網格多址IGMA采用符號級交織方案。 UE根據網絡配置需求獲取數據矩陣的稀疏密度信息和補零位置個數，然后將符號序列映射到資源元素RE，并對映射后的符號進行符號級交織。
3.3 UE特定的稀疏RE映射（UE-RE）
非正交多址技術解決方案SCMA、PDMA和IGMA使用稀疏RE映射作為MA簽名碼方案。 根據共享同一資源的用戶數量，可以確定用戶簽名碼稀疏參數和補零RE的數量，并且可以將不同用戶同時出現在同一資源上的概率最小化為可能的。
3.4 OFDM符號交織傳輸模式（OFDM）
目前，只有異步編碼多址技術(Coded，ACMA)使用OFDM符號交織傳輸模式作為MA簽名碼。 每個用戶的特定起始啟動時間是該用戶的關鍵特征。 根據該方案設計[10]，每個NOMA用戶的起始時間分布在前N-1個時隙中的某個OFDM符號上，所有用戶的傳輸在第N個時隙結束時結束。 表1總結了當前提出3GPP 5G NOMA替代技術解決方案的公司以及每種解決方案支持的技術類型[3]。
表1 5G非正交多址替代技術方案
4 非正交多址接收技術方案
對于目前5G的各種非正交多址替代技術方案，接收機的信號檢測算法主要包括最小均方誤差MMSE、匹配濾波器MF、基本信號估計ESE、最大后驗概率估計MAP、消息傳遞算法MPA。 、期望傳遞算法EPA等。干擾消除技術包括硬消除、軟消除、混合消除、串行、并行、串并混合等手段。
3GPP TR38.812研究的接收機技術方案包括MMSE-IRC、MMSE-硬抵消、MMSE-軟抵消、ESE+SISO、EPA+混合抵消等。根據3GPP的仿真分析，MMSE-IRC的實現復雜度和MMSE-硬消除接收器相對較低。
5 非正交多址仿真性能評估
在NR非正交多址研究項目中，3GPP針對mMTC、eMBB、URLLC等部署場景，對各NOMA技術方案的性能進行了鏈路級和系統級仿真評估。
5.1 鏈路級評估結果
3GPP針對mMTC、eMBB、URLLC等5G部署場景共35個特定信道場景進行了BLER和SNR仿真評估。 3GPP 使用的鏈路級仿真參數請參見表 2。 通過對比各公司提交的鏈路級仿真結果，大致得出以下結論。
表2 3GPP非正交多址鏈路級仿真參數
(1) 對于低傳輸塊大小、單個UE頻譜利用
(2)對于中、高傳輸塊大小，單個UE的頻譜利用率為0.3~0.55bit/s/Hz，總頻譜利用率為0.5)。
(3)各技術方案表明，UE數量越多，性能下降越明顯。
5.2 系統級評估結果
在系統級仿真方面，3GPP設定了基準仿真參數（見表3）。 各公司實際進行的仿真在時頻資源配置、接收機類型、鏈路系統映射關系等方面可能與基準參數配置存在差異。 。 系統級仿真重點評估給定負載下的高級別數據包到達率PDR（mMTC場景和eMBB場景）、滿足可靠性和時延用戶比（URLLC場景），并鼓勵企業提供資源利用率曲線。 根據各公司提交的模擬結果，評估結果如下。
表3 3GPP非正交多址系統級仿真參數
（1）mMTC場景下，丟包率PDR為1%/s/cell時，共有6家公司提交了仿真結果。 一些公司的模擬結果與基準解決方案相比有 40% 到 100% 的增益，但個別公司的模擬結果發現沒有顯示任何增益。
（2）URLLC場景，當丟包率PDR為1%/s/cell時，共有3家公司提交了仿真結果，其中2家相比基線方案增益高達300%，1家沒有獲得。
（3）在eMBB場景下，當丟包率PDR為1%/s/cell時，共有6家公司提交了仿真結果。 2家公司的結果與基站解決方案相比有2到4倍的增益，其中2家公司呈現出20%~40%的增益，另外兩家公司沒有增益或增益很少。
六，結論
從目前3GPP中NOMA技術的研究進展來看，僅完成了該技術的初步研究階段，尚未進入標準化的實際操作。 距離真正實現標準化還有一段距離。 未來，NOMA技術可以考慮在NOMA-MIMO組合技術、最優低密度擴頻碼本設計、優化消息傳遞算法、性能與復雜度折衷的最優接收機設計等方面進行更深入的研究，以提高該技術的實用性能夠更好地滿足5G乃至6G后續演進的系統可靠性和性能要求。
參考
[1] OTAO N, Y, K. 非同SIC在使用基于公平的[C]//2012（ISWCS）上。 巴黎：IEEE 出版社，2012：476-480。
[2]3GPP。 LTE（MUST）研究（13）[R]，2015。
[3]3GPP。 NR非(NOMA)研究(16)[R], 2018.
[4] TIAN F, CHEN X. - in e : a [C]// of & , 2019.
[5] 楊義夫，吳剛，李欣然，等。 后5G非正交多址技術綜述[J]. 無線電通信技術，2020，46(1)：26-34。
[6]NTT。 NOMA[R]，2017。
[7] 張長青. 5G非正交多址技術比較[J]. 電信網絡技術，2015（11）：42-49。
[8]，。 關于SCMA[R]，2017。
[9] 貓。 NOMA方面[R]，2017。
[10] . NR-NOMA：ACMA[R]，2017。
5G非&研究
張韓玲王
（中國泰爾實驗室，中國）
：有五個，但仍然是其中的關鍵層之一。 可能有 of 和 in 。 Non- 是一個 of 層，可以打破 of 、 、 the 、 和較低的冪。 最后沒有一個，這會導致大量的發現。 非現在是5G層之一，在3GPP之下。
：5G； 諾瑪； 力量; 碳化硅
本文發表于《信息通信技術與政策》2022年第6期
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