非正交多址接入通信系統性能分析

李偉琪 王浩 賈子彥

摘 要：為解決5G時代頻譜資源緊張問題，非正交多址接入技術（Non-Orthogonal Multiple Assess，NOMA）成為最佳選擇。對NOMA技術基本原理及關鍵技術如功率復用疊加編碼技術和串行干擾消除（Successive Interference Cancellation，SIC）技術進行了闡述。研究了下行鏈路中基于功率域NOMA通信系統的誤碼性能，得到合適的功率分配比范圍。在此基礎上加入Turbo碼，并對加入Turbo碼后的NOMA系統誤碼性能進行了比較分析。

關鍵詞：非正交多址接入技術;功率復用;疊加編碼;串行干擾消除;Turbo碼;誤碼性能

DOI：10. 11907/rjdk. 182311

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）004-0163-05

0 引言

隨著移動用戶數量的急劇增加和物聯網的高速發展，面向2020年的第五代移動通信系統（5G）研究已在全球展開。2013年，中國成立了IMT-2020（5G）推進組，發布了《5G愿景與需求白皮書》，提到了相關的關鍵技術指標及8個具有代表性的5G應用場景[1-2]。2015年，由全球八大移動通信運營商成立的NGMN發布了《5G白皮書》[3]，為保證5G運行提供基礎設施、服務平臺以及終端功能。目前，5G研究的關鍵技術[4-6]有大規模天線陣列、超密集組網、全頻譜接入、新型網以及新型多址接入技術等。其中，新型多址接入技術有華為提出的基于多維調制和稀疏碼擴頻的稀疏碼分多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）技術[7]，中興提出的基于復數多元碼及增強疊加編碼的多用戶共享接入（Multi-UserSharedAccess，MUSA）技術[8]，大唐提出的基于非正交特征圖樣的圖樣分割多址接入（Pattern Division Multiple Access，PDMA）技術[9]，以及日本NTT? DoCoMo公司研究的功率域非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技術[10-11]。功率域NOMA技術基本原理是在發送端主動引入干擾信息，在功率域對用戶信號進行疊加，在接收端采用串行干擾抵消技術進行解調[12-13]。研究表明，與OFDM技術相比，采用該方法可使無線接入宏蜂窩的總吞吐量提高50%左右。

目前，對NOMA技術的研究主要集中在功率分配算法[13-18]和多用戶檢測技術[19-20]對系統性能的影響上，缺少信道編碼對NOMA系統性能影響的分析研究。因此，本文首先搭建基本的功率域NOMA系統模型，獲得最佳功率分配范圍，然后在此基礎上重點研究Turbo碼對NOMA系統誤碼性能的影響。

1 非正交多址技術

非正交多址接入技術基本思想是，在發送端主動引入干擾信息，采用非正交的方式發送用戶信息，接收端通過干擾消除實現用戶的正確解碼[14-19]。NOMA技術主要包括碼域NOMA和功率域NOMA兩種類型。不同于碼分多址接入（Code Division Multiple Access，CDMA）技術，碼域NOMA所用的擴頻序列是稀疏序列或相關系數較低的非正交互相關序列，目前較為流行的碼域疊加技術是SCMA技術[8]。而基于功率域的NOMA通信系統中，發射端對同一頻帶的多用戶采用功率復用技術進行疊加，不同用戶根據信道條件分配不同功率，疊加編碼后經過信道到達接收端進行多用戶信號檢測。接收端利用串行干擾消除（Successive Interference Cancellation，SIC）接收機，將不同用戶按照功率大小排序，然后進行干擾消除，實現多用戶信息的正確解調，達到區分多用戶目的[19-20]。NOMA技術既可用于上行也可用于下行鏈路，本文主要研究用于下行鏈路的基于功率域的NOMA系統[15]，其基本模型如圖1所示。

圖1描述了下行鏈路基于功率分配發送信號和SIC接收機接收信號的全過程。假設基站每個發射頻帶上疊加兩個用戶，且每個用戶僅有一個接收天線。在發射端，基站采用功率復用技術將兩個用戶信息進行疊加編碼成疊加碼（Superposition Coding，SC）再進行發射，功率復用原則實際是由基站到不同用戶終端的信道性能決定的。基站發射總功率一定，對于信道性能好的用戶稱之為強用戶，基站給其分配的發射功率較小。反之，信道性能差的用戶稱之為弱用戶，基站給其分配的發射功率較大。如圖1所示，在同一小區內，強用戶距離基站較近，信道性能較好，給其分配的功率為P1，而弱用戶則在小區邊緣，信道性能較差，給其分配的功率為P2，P1 < P2。接收端主要完成多用戶信號的檢測。在下行鏈路中，SIC處理過程由用戶的接收機完成。由于發送過程是兩個用戶信息疊加在一起的，存在比較嚴重的多址干擾（Multiple Access Interference，MAI），因此需要先消除其他用戶帶來的多址干擾，再對用戶信號進行正確檢測。下面介紹SC編碼原理和SIC技術原理。

1.1 SC編碼原理

在文獻[20]中，SC是最早提出的一種通過單個信源同時向多個接收機傳送信息的技術。換句話說，它允許發射機同時傳輸多個用戶信息，但是怎樣保證每個接收器都能完整地接收到屬于自己的信息，涉及到發射機功率分配算法以及疊加編碼問題。SC編碼如圖2所示[12]。

設兩用戶都采用QPSK調制，擁有較低分配功率的強用戶[s1]疊加在有較高發射功率的弱用戶[s2]上。若[s1]取（01）表示的星座點，[s2]取（10）代表的星座點，則疊加形成的星座點為圖2（c）中的[s]，表示信息為0110。[s1]和[s2]都有4種可能，所以最終形成的疊加信號[s]有著16種可能，即16個星座點。疊加信號[s]用公式表示為：

1.2 SIC接收原理

1.2.1 SIC原理

SIC的基本思想是連續解碼用戶信號，在解碼一個用戶信號之后，在下一個用戶信號被解碼之前從疊加信號中減去它。應用SIC時，若對一個用戶進行解碼，要把其它用戶信號視為干擾，然后再進行下一用戶解碼，需要從原始接收信號中減去已解碼出的信號再譯碼。重復上述過程直到解碼出所有用戶信號。

圖3為疊加信號（圖2（c））在接收端的解碼技術原理[12]。首先從接收信號中解碼弱用戶的星座點，然后利用弱用戶的星座點進行強用戶的星座點解碼。用公式表示用戶[n]（[n]=1，2）接收到的信號為：

1.2.2 SC解碼過程

2 系統設計與性能分析

2.1 系統整體設計

NOMA通信系統由發射端、信道和接收端3部分組成。在基本NOMA系統模型中，發射端假設接入用戶數為2，且弱用戶的分配功率P2大于強用戶的分配功率P1，用戶信息調制方式為QPSK調制方式;信道采用瑞利衰落信道模型，接收端利用SIC接收機原理并采用最大似然（Maximum Likelihood，ML）譯碼實現解調，達到區分多用戶信息目的[2]。與基本NOMA系統相比，基于Turbo碼的NOMA通信系統需在發射端先對用戶信息進行Turbo編碼處理，再對編碼后的信號進行QPSK調制和功率分配。同樣接收端在相應解調后要進行Turbo譯碼處理才能恢復原來的用戶信息。值得注意的是Turbo譯碼是將解調器輸出的軟信息送入譯碼器譯碼，所以要采用QPSK軟解調方式[18]。系統框架如圖4所示。

2.2 基本NOMA系統功率分配下的誤碼性能分析

本系統采用固定功率算法（Fixed Power Allocation，FPA）[19]。假設基站的發射總功率一致，在信道條件不變的情況下，對兩用戶分配不同的功率大小，通過MATLAB誤碼率仿真結果判斷不同功率分配大小對NOMA通信系統性能的影響，并得出最優功率分配比范圍。仿真條件見表1，圖5和圖6為不同功率分配比下的強、弱用戶的誤碼率曲線。對于弱用戶，給其分配的功率P2始終大于強用戶的功率P1，功率比值[γ=P2P1]范圍為2～9。

圖5是弱用戶的誤碼曲線。從圖中可以看出，在信噪比（Signal-to-noise ratio，SNR）較小的情況下，隨著功率分配比[γ][ ]的增加，弱用戶的誤碼率逐漸降低。而在SNR較大的情況下，特別是在[γ>5]時，弱用戶的誤碼率曲線會產生平臺，說明功率分配的改善不再提高系統可靠性，要想繼續改善系統性能需要從其它方面入手，比如可進行信道編碼或改變調制方式等。

圖6是強用戶的誤碼曲線。從圖中可以看出在SNR<10dB的情況下，不同功率比[γ]下的誤碼率相差無幾。但在SNR>10dB的情況下，隨著[γ]的增加，誤碼率反而會呈上升趨勢。這說明在相同信道性能下，分配給弱用戶的功率越大，對強用戶的信號干擾越大，強用戶越難正確譯碼。

綜合以上誤碼曲線可以看出，適當的功率分配可改善NOMA系統性能。綜合考慮強、弱用戶的誤碼性能，NOMA系統的最優功率分配比范圍一般為[3<γ<5]。

2.3 基于Turbo碼NOMA系統的誤碼性能分析

為進一步提高NOMA系統性能，在基本NOMA系統上加入Turbo碼，此碼是通過迭代譯碼方法提高通信系統的譯碼性能，是一種接近香農極限性能的信道編碼[21]。加入Turbo碼的NOMA系統理論上誤碼率性能優于基本NOMA系統。下面給出不同條件下基于Turbo碼的NOMA系統誤碼曲線，并對仿真結果作出比較分析。表2是在表1基礎上基于Turbo碼的增加或修改的系統仿真條件。

圖7為有無Turbo碼的NOMA系統中兩用戶的誤碼率曲線。仿真條件為Turbo碼碼率R = 1/2，迭代次數為4。從圖7可知，即使在較低SNR下，加入Turbo碼的誤碼率明顯低于未加Turbo碼的誤碼率，甚至加入Turbo碼的弱用戶未出現誤碼情況。由此可見，基于Turbo碼的NOMA系統性能明顯優于原基本系統。

為進一步研究Turbo碼對系統性能的影響，依據Turbo編碼器的碼率R以及譯碼器的迭代次數，研究這些條件參數對系統性能的影響。

圖8是不同Turbo碼碼率R下的仿真結果。仿真條件為Turbo編碼迭代次數為4。可以看出，隨著Turbo碼編碼器的碼率增加，強用戶的誤碼性能大幅度減弱。這是因為碼率R的大小代表編碼過程中校驗位的長短，R = 1/2表示輸入1位信息比特，輸出1位校驗位。而R = 1/3時，輸出2位校驗位，這就提高了信號的糾錯能力，使得誤碼率降低。但R不是越小越好，否則會增加計算量，延長信息提取時間，一般根據實際情況選取適當的編碼率即可。

圖9是不同Turbo譯碼器的迭代次數下的仿真結果。仿真條件為碼率R = 1/2。可以看出，隨著Turbo碼譯碼器迭代次數的增加，強用戶的誤碼性能逐漸提高，但是在迭代到一定次數后性能趨于飽和。這是由于在多次迭代后，譯碼器已經對輸入碼字有了一個輪廓，進一步的信息交換不能提供更多的新信息，再增加迭代次數只會增加運算量，延長譯碼時間[22]。

圖8和圖9都只針對強用戶做了誤碼性能分析，未說明弱用戶的誤碼情況，這是因為在系統加入Turbo碼后，弱用戶的誤碼率極小，在10-6以下，從而說明Turbo碼具有超強的糾錯能力，能夠極大提高通信質量。

3 結語

本文對功率域NOMA通信系統誤碼性能作了分析比較。先通過搭建的基本NOMA系統得出最佳功率比范圍，然后在此基礎上研究了信道編碼對系統性能的影響。采用Turbo信道編碼方式，通過仿真結果可知，加入Turbo碼能極大提高系統可靠性，但是在設計編碼器碼率和迭代次數時要注意適度即可。此外，本文為進一步提高NOMA系統性能提供了改進方向：能夠自適應的功率分配算法、更精確的信道估計算法以及合適的信道編碼譯碼算法等。

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（責任編輯：杜能鋼）