無線網絡中的功率域非正交多址接入技術

王 鋼，許 堯，周若飛，張嘉賀

(1.哈爾濱工業大學 通信技術研究所，黑龍江 哈爾濱 150001；2.北京郵電大學 國際學院 物聯網工程， 北京 100876)

0 引言

隨著智能終端和媒體業務的多樣化發展，無線移動通信逐漸成為人類社會信息網絡中的主要通信方式，智能物聯網和移動互聯網則將成為未來無線移動通信業務的主要載體。為實現超高清視頻、沉浸式多媒體交互等高服務質量業務體驗，未來移動通信系統將面臨諸多挑戰[1]：超高用戶體驗速率、超高頻譜效率、超高連接密度及超低切換時延等。因此，如何進一步提高通信系統的頻譜效率以滿足更高的業務需求成為當前亟待解決的難題。縱觀移動通信系統發展史，多址接入技術決定了通信系統的基本容量及設備的復雜度，隨著移動通信系統性能要求的不斷提高，每一代移動通信系統的發展均離不開新型多址技術的使用和推廣。由于接收機復雜度的限制，前四代移動通信系統均采用了正交多址接入技術(Orthogonal Multiple Access，OMA)。因此，開發新型多址接入技術為實現系統高頻譜效率提供了新思路。

近幾年，功率域非正交多址接入(Power Domain Non-orthogonal Multiple Access，PD-NOMA)因其優越的頻譜效率而備受關注，并被公認為是下一代移動通信網絡中一種有前途的多址接入方案[2-3]。一方面，非正交多址技術可在有限資源下增大現有用戶設備的接入密度，提升系統容量。另一方面，其通過改進協議實現免調度接入，減少網絡基礎設備間的信令開銷，從而縮短用戶設備的接入時延[4]。

通過深入分析未來無線移動通信網絡中應用場景的特點，PD-NOMA主要解決兩大類問題：第一類是小區邊緣、高速移動等惡劣環境下小區平均容量、邊緣用戶容量受限的問題。其利用遠近效應可獲得比正交多址更高的容量增益，大幅提升小區邊緣用戶的吞吐量性能；第二類是對于智能家居、智能電網、環境監測、智能農業及智能抄表等業務，需要網絡支持海量設備連接及大連接帶來的控制信道開銷過大的問題。

綜上，為滿足未來無線密集網絡海量接入和超大容量的需求，功率域非正交多址接入技術成為未來移動通信的演進趨勢和突破方向。然而，該技術從理論到實際應用的轉化目前仍存在較多阻礙，比如接收機復雜度過高及解碼錯誤傳播等。本文主要對功率域非正交多址接入技術及其研究現狀、趨勢和挑戰進行介紹，以期推動該技術成果轉化并為相關讀者提供借鑒。

1 NOMA技術簡述

1.1 NOMA技術分類

為提高系統頻譜效率，相關研究人員已提出多種NOMA技術。如圖1所示，現存NOMA技術按復用域大致分為3類。其中，功率域NOMA和碼域NOMA分別在功率域和碼域實現復用。碼域NOMA采用稀疏序列或低相關的非正交序列區分用戶，且共享碼域外全部的可用資源(時頻資源)。

圖1 NOMA方案的分類

碼域NOMA可分為低密度擴頻CDMA (Low-density Spreading CDMA，LDS-CDMA)、低密度擴頻OFDM (Low-density Spreading OFDM， LDS-OFDM)及稀疏碼分多址(Sparse Code Multiple Access，SCMA)。LDS-CDMA及LDS-OFDM均采用低密度擴頻序列以降低原有系統中碼片干擾的影響。相比LDS-CDMA，SCMA將信息比特映射和擴展相結合，將比特直接映射到不同的稀疏碼字，可實現低復雜度接收并進一步提升性能。另外，基于復數域擴展序列和疊加編碼的多用戶共享接入技術(Multi-user Shared Access，MUSA)也是一種十分有潛力的碼域NOMA技術，其可實現免調度用戶接入，但系統性能和接收機復雜度對采用的擴展序列十分敏感。

此外，也存在一些其他NOMA技術，包括圖樣分割多址(Pattern Division Multiple Access，PDMA)和空分多址(Spatial Division Multiple Access，SDMA)。PDMA的基本思想是最大化用戶間差異性后最小化用戶間重疊，然后在碼域、空間域或二者混合域進行復用。SDMA則是在傳統CDMA系統的基礎上，不使用特定擴頻序列，而是使用用戶特定的信道脈沖響應進行用戶區分。其適用于上行鏈路用戶數量遠大于基站接收天線數目的場景。

1.2 PD-NOMA基本原理

PD-NOMA技術在發送端采用功率域疊加編碼(Superposition Coding,SC)，主動引入干擾信息，在接收端通過串行干擾消除(Successive Interference Cancellation，SIC)接收機實現正確解調，是一種公認的可達到高斯標量信道容量的NOMA接入方案。圖2給出典型的兩用戶下行NOMA方案，其中中心接收機U1和邊緣接收機U2所需信息分別為x1和x2，則發射機對兩信號進行功率域疊加編碼獲得發送信號:

(1)

式中，Pt為發射功率，a1,a2分別為接收機U1，U2對應的用戶功率分配系數，且滿足a1>a2，a1+a2=1。

接收機處的接收信號可表示為：

y1=h1xs+n1，

(2)

y2=h2xs+n2，

(3)

圖2 典型的兩用戶下行NOMA方案

為解碼出疊加信息，NOMA在接收機處采用SIC算法，該算法利用不同用戶之間的信號強度差異實現解碼。執行SIC算法之前，接收機將根據用戶的信號強度對用戶進行排序，以便接收機按信號強度依次解碼和分離信號。假設PD-NOMA方案中兩用戶同時使用1 Hz帶寬，用戶1和用戶2的可達速率為：

(3)

(4)

正交多址方案中則是用戶1使用βHz，用戶2使用(1-β)Hz，用戶1和用戶2的可達速率為：

(5)

(6)

由式(3)～式(4)可以看出，NOMA方案可通過控制用戶的功率分配比來調整用戶吞吐量。從數值計算可以看出NOMA的容量域要比OMA要大。

2 PD-NOMA研究現狀及趨勢

日本NTT DoCoMo公司于2010年提出PD-NOMA的概念，并實測表明PD-NOMA 可提升約50%的宏蜂窩系統容量[5]。為實現高頻譜效率通信，研究人員相繼在PD-NOMA方向開展大量工作，并取得了許多重要研究成果。目前國內外針對PD-NOMA的研究主要包括：單天線PD-NOMA、多天線PD-NOMA、協作PD-NOMA、認知PD-NOMA、能效PD-NOMA、可見光通信PD-NOMA及PD-NOMA的性能優化。

2.1 單天線PD-NOMA

單天線PD-NOMA在該領域研究中起步最早，也最為基礎。按研究重點可分為通信理論研究及信息理論研究兩大類。通信理論方面主要側重方案設計及性能評估，繼NTT DoCoMo公司之后，文獻[6]率先提出一種下行單天線PD-NOMA方案，并從系統級層面證明其頻譜效率的優越性。而文獻[7]在此基礎上，進一步討論了該方案中的用戶資源分配、SIC誤差傳播、信令開銷及高速場景應用等問題，為深入研究PD-NOMA提供了極具價值的參考。文獻[8]將用戶隨機分布引入單天線PD-NOMA，獲得更加符合實際應用的研究結果。此處歸納其結論： 恰當設計功率分配系數及目標速率可使PD-NOMA獲得比正交多址接入(OMA)更好的中斷性能。信息理論部分主要考慮PD-NOMA中采用編碼后的信道容量。針對單天線下行PD-NOMA，文獻[9]證明采用疊加編碼和臟紙編碼均可達到廣播信道的容量。文獻[10]則采用離散輸入和Turbo編碼，其可逼近信息論容量界。此外，文獻[11]在發射機僅知部分狀態信息條件下，從信息論角度分析了高斯信道下接收機分別采用SIC算法和聯合算法時的中斷容量，結果表明聯合算法相比SIC算法可實現10%的和速率增益或0.8 dB的功率增益。對于單天線PD-NOMA的研究已相對成熟，但是如何降低SIC接收機的復雜度仍是迫切需要解決的難題。

2.2 多天線PD-NOMA

多天線PD-NOMA 旨在進一步提高單天線PD-NOMA的系統容量，其是PD-NOMA領域中重要課題之一。對于多輸入單輸出 (Multiple Input Single Output， MISO)場景，文獻[12]在發送端采用迫零預編碼并設計基于信道相關性的用戶聚類方法，實現最大化系統速率。文獻[13]是在用戶多天線場景中采用分簇思想研究其中斷性能、用戶配對等。對于多輸入多輸出(Multiple-input Multiple-output， MIMO)場景，文獻[14]研究了MIMO-NOMA在物聯網 (Internet of Things,IoT) 中的應用，采用短包及機會通信思想來設計適合物聯網的通信方案。該文獻對指導在PD-NOMA中采用短包通信以降低系統傳輸時延具有一定的啟發作用，是今后PD-NOMA領域的一個重要研究方向。目前，PD-NOMA與MIMO結合的研究還處于起步階段，對其預編碼設計、功率分配和應用均需進一步研究。

2.3 協作PD-NOMA

該部分研究根據有無中繼參與協作又可詳細分為無中繼協作PD-NOMA、協作中繼PD-NOMA、直傳中繼協同傳輸(Coordinated Direct and Relay Transmission，CDRT)PD-NOMA等。

2.3.1 無中繼協作PD-NOMA

無中繼協作PD-NOMA一般指的是強用戶協助弱用戶，此方向在協作PD-NOMA研究中起步較早。2015年，文獻[15]首次提出協作PD-NOMA方案，分析了其中斷概率和分集階數。此方案在海量用戶場景下系統復雜度過高且不確定是否存在性能增益，而用戶配對則為解決此問題提供了新思路。為進一步優化系統能效，文獻[16]提出協作模式動態切換的協作PD-NOMA方案，即近用戶用作解碼轉發(Decode-and-Forward，DF)中繼并在全雙工和半雙工切換，從而實現更好的遍歷和速率性能。協作PD-NOMA方案相比非協作方案均存在頻譜效率損失的問題。文獻[17]為解決此問題提出一種混合上下行協作PD-NOMA方案以實現頻譜效率和信號接收可靠性之間更好的折衷。雖然目前對于無中繼協作PD-NOMA方案的研究成果較為豐富，但是更加新穎有效的方案仍有待進一步研究。

2.3.2 協作中繼PD-NOMA

協作中繼PD-NOMA部分的研究最為多樣化。文獻[18]在下行蜂窩系統中提出了一種存在直達鏈路的協作PD-NOMA方案，并推導證明該方案相比OMA方案可提供更好的頻譜效率和用戶公平性。隨后，文獻[19-20]將類似方案推廣至Nakagami-m衰落信道及多天線中繼網絡中，使其更具一般性。文獻[21]提出共享全雙工中繼的PD-NOMA網絡方案，其中源-目的節點對共享一個專用的全雙工DF中繼，這為設計協作中繼PD-NOMA方案提供了一個全新的思路。為彌補中繼傳輸帶來的頻譜效率損失，端到端(Device-to-Device，D2D)輔助協作中繼[22]、緩沖輔助中繼[23]、虛擬的全雙工中繼技術[24]及中繼選擇[25]被引入協作中繼PD-NOMA方案中，這些方案在一定程度上可有效提高系統頻譜效率。此外，文獻[26]提出了MIMO信道下的協作PD-NOMA方案，并實現了從基站到小區邊緣用戶的可達速率最大化。文獻[27]研究了非再生大規模MIMO中繼PD-NOMA系統，可實現比現有MIMO-NOMA、中繼輔助NOMA和大規模正交MIMO方案更高的容量性能。

2.3.3 直傳中繼協同傳輸PD-NOMA

該部分研究相比上述兩部分仍處于起步階段，其主要用于解決深度陰影衰落和小區覆蓋范圍過小的問題。文獻[28]首次提出基于PD-NOMA的下行CDRT方案，其利用PD-NOMA固有特性消除部分用戶干擾，實現較高的頻譜效率。文獻[29]將該思想引入上行蜂窩網絡中，并分析了采用非理想SIC接收機時的系統性能。文獻[30]對文獻[28]進行改進，提出了一種動態傳輸方案，在保證系統遍歷和速率的前提下進一步提高了系統可靠性，且該方案可同時服務更多的用戶。

2.4 能效PD-NOMA

能量效率作為未來無線通信的關鍵指標之一，已吸引眾多學者對綠色通信進行深入研究。由于香農信息容量定理證明能量消耗最小化和頻譜效率最大化無法同時實現，所以如何權衡二者成為能效PD-NOMA研究方向之一。在PD-NOMA中采用能量收集[31](Energy Harvesting，EH)和無線攜能[32](Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)技術可進一步改善傳統方案的能效。文獻[33]將SWIPT應用于用戶隨機分布的PD-NOMA網絡中，結果證明使用SWIPT不僅不影響分集增益，而且可實現低中斷高吞吐量性能。文獻[34]則是將SWIPT和發射天線選擇混合設計，以解決多輸入單輸出PD-NOMA系統中小區邊緣用戶的中斷性能和公平性問題。

2.5 可見光通信中的PD-NOMA

研究人員在光通信中應用PD-NOMA技術以期實現其高頻譜效率。文獻[35]首先將PD-NOMA方案引入可見光通信(Visible Light Communication，VLC)中，并證明了其可靠性優于正交頻分多址方案。在可見光網絡中采用PD-NOMA需考慮VLC網絡特性，例如有限帶寬、照明限制的最大發射功率及信道阻塞問題。對于信道阻塞問題，可通過調整接收機的視場和發射機的半角度來控制信道值。此外，也可通過優化上述兩參數值實現PD-NOMA-VLC網絡的性能提升。例如，文獻[36]將直流偏置光正交頻分復用(Direct Current Optical OFDM，DCO-OFDM)和PD-NOMA結合，提出一種PD-NOMA-DCO-OFDM系統，并通過優化半功率角和功率分配因子實現系統和速率最大化。

2.6 認知PD-NOMA

傳統PD-NOMA通過差異化功率分配實現用戶間公平性，但其無法嚴格保證用戶的服務質量(Quality of Service，QoS)目標。為此，將認知無線電思想引入PD-NOMA以設計功率分配策略，進而嚴格保證部分或全部用戶的QoS要求。文獻[37]提出基于PD-NOMA的頻譜共享認知無線電網絡協作傳輸方案，次級發射機用作中繼，并通過NOMA信令同時發送主次消息，該方案比現有OMA方案可獲得更高的頻譜利用率。文獻[38]為提高二級網絡連通性，將PD-NOMA應用于大規模底層認知無線電網絡，此方案不同于傳統無線網絡中的PD-NOMA，用戶疊加信號功率受限以避免對主接收機產生過度干擾。目前，認知PD-NOMA仍很大程度上依賴于特定網絡拓撲結構[1]，兩技術協同的去特殊化需進一步深入研究解決。

2.7 PD-NOMA的性能優化

該部分研究旨在優化PD-NOMA方案的系統性能，具有多個研究方向，主要涵蓋PD-NOMA中的資源分配、公平性、用戶配對及物理層安全等相關問題。

2.7.1 資源分配

PD-NOMA中功率分配策略的優劣直接影響系統吞吐量和接收可靠性。設計合理的功率分配可靈活控制各用戶吞吐量及系統公平性。最優資源分配方案是在整個合法搜索空間內搜索最優解，因此復雜性有可能過高。值得指出的是，目前多數資源分配無法通過求導等數學運算獲得最優解析解，一般則是采用凸優化、貪婪算法及動態規劃算法等實現低復雜度下求解近似最優解。優化算法和逼近理論最優解是一個值得研究的課題。此外，動態功率分配也是未來需要關注的方向之一。

2.7.2 公平性

如前所述，PD-NOMA采用SIC接收機，此特性導致用戶速率不等。在某些嚴格要求公平性的情況下，PD-NOMA的方案設計及優化將變得尤為重要。目前，公平性衡量[39]、公平調度[40]及公平功率分配算法[41]是PD-NOMA公平性問題上的研究熱點。此外，若發射機可知瞬時信道狀態信息，那么用戶間公平性可通過最大化最小可達速率來實現。

近年來，已有多種技術實現陷波特性的UWB天線被設計出來[2-10]。如在天線輻射體上蝕刻各種形狀的縫隙或者槽線以及缺陷地等結構來獲得所需頻段上的陷波。例如，天線尺寸大，沒有實現小型化，集成難度大；結構復雜，給天線制作帶來了一定困難。

2.7.3 用戶配對

PD-NOMA中的用戶配對基本思想為將多用戶進行分組，組內采用PD-NOMA，組間采用OMA。其旨在解決2個問題:一是降低海量用戶場景下PD-NOMA的系統復雜度；二是針對PD-NOMA系統干擾受限特性，通過用戶配對實現性能優化。文獻[42]研究了用戶配對PD-NOMA系統性能的影響，結論表明配對用戶信道差異越大，其系統性能增益越大。文獻[43]提出一種基于比例公平的兩步用戶配對法，其通過設定先決條件來減少計算量，此法相比基于樹搜索的功率分配法復雜度更低。

2.7.4 物理層安全

在PD-NOMA的物理層安全中存在2種竊聽器：一種是外部被動竊聽器，發送端無法識別其信道；另一種是內部主動竊聽器，發送端可識別其信道。為此，PD-NOMA物理層安全主要解決2個問題：防范外部竊聽者和防范內部竊聽者。對于外部竊聽者，一般通過設計最優功率分配策略和波束形成方案，在滿足每個用戶的QoS要求下最大化保密和速率。防范內部竊聽者十分具有挑戰，因為SIC接收機的固有特性造成極可能出現內部竊聽者。文獻[44]針對防范內部竊聽提出3條準則：① SIC過程不附加任何額外處理；② 用戶無法獲取其他用戶的信息；③ 信道空間對比獨立。此外，可預見PD-NOMA物理層安全研究領域將會擴展到協作傳輸，認知無線電及全雙工等場景。

3 PD-NOMA的應用

本節介紹目前PD-NOMA在實際應用中所面臨的挑戰，包括接收機設計、信令開銷、物聯網應用和標準化等。

3.1 接收機設計

如上所述，PD-NOMA采用SIC接收機，而SIC接收機在實際應用中仍將面臨解碼復雜度高和錯誤傳播兩大問題。接收端采用SIC接收機需要解碼其他用戶信息后解碼自身信息，這就導致接收機復雜度隨著用戶數目的增長而快速增加。目前，用戶配對可為實現性能增益與復雜度折衷提供思路。此外，一旦SIC接收機解碼發生錯誤，剩余待解信號也會產生誤差，從而導致錯誤傳播。當用戶數量較小，可通過設計碼塊或非線性檢測來降低錯誤傳播的影響[45]。目前，盡管存在一些非完美SIC對PD-NOMA影響的研究工作，但是其研究深度尚淺。因此，非完美SIC對PD-NOMA影響的數學分析研究仍是一個有價值的研究方向。

3.2 信令開銷

3.3 物聯網應用

未來物聯網應用需要超可靠和低延遲通信(Ultra-reliable and Low Latency Communications，URLLC)，機器間通信(Machine Type Communications，MTC)作為其中一個重要新興領域，其所涉及的最常見通信形式是短數據包通信。當數據包很短時，元數據可能與有效負載的長短相同，從而導致現有方法的傳輸結果非常不理想。設計支持短數據包傳輸的無線協議需要新的原則，這些原則將直接影響系統的設計。目前，有關PD-NOMA系統采用短數據包[46]的研究工作較少，其將是未來研究方向之一。

3.4 標準化

下行MUST已被寫入第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project，3GPP)的(Long Term Evolution，LTE)標準中[2]，其主要目標是增強單小區下行鏈路多用戶傳輸方案，使LTE能夠支持小區內下行共享信道的多用戶疊加傳輸。為此，研究項目重點評估實際部署場景下的系統級增益和復雜度，研究結果表明PD-NOMA可提高系統容量。目前，5G中的PD-NOMA的標準化工作仍在進行當中。

4 結束語

功率域非正交多址接入作為未來無線通信網絡中實現高頻譜效率的重要使能技術之一，已吸引大量研究人員對其展開研究。功率域非正交多址接入的研究成果歸納為7個方面：單天線PD-NOMA、多天線PD-NOMA、協作PD-NOMA、認知PD-NOMA、能效PD-NOMA、可見光通信PD-NOMA及PD-NOMA的性能優化，本文分別探討了上述方向的研究方法、現存問題及下一步研究思路。雖然有關功率域非正交多址接入的研究取得了一定的成果，但其實際應用仍面臨諸多難題。為此，依次從接收機設計、信令開銷、物聯網應用及標準化討論了其面臨的挑戰。針對功率域非正交接入，仍需大量研究以充分發揮其高頻譜效率優勢并推進其實際應用進程。