基于第五代通信系統的NOMA仿真實現

劉 紅

（西藏大學，西藏 拉薩 850000）

引言

近年來，NOMA作為5G關鍵技術備受關注。與其他多址技術相比，NOMA的優勢是能顯著提高系統容量和在相同的頻譜效率下為多個用戶提供相同的資源。熱門技術中的復用技術，它能為無線通信系統的性能提供了新的增長空間。而NOMA系統也是采用同樣的方法改變原來單個用戶獨占一個信道的通信方式。由于采用了NOMA系統，在提高頻譜效率、用戶公平性、系統容量和設備接入量等方面都有明顯的優化。NOMA技術是一項值得深入探究的5G技術，在5G時代具有重要影響[1-2]。因此，本項目也是基于MATLAB或其他平臺來實現第五代通信系統的NOMA仿真。

1 研究目的

隨著時代的發展，移動通信系統經歷了從1G到5G的發展。每一代通信系統都在技術上取得了突破，給人們的生活帶來了極大的便利。1G用戶信息通過頻分多址（FDMA）技術疊加傳輸，使人類首次實現移動無線通信，但該技術也存在一些問題，如用戶數據傳輸速率低，信號通過信道傳輸時干擾嚴重等。2G對用戶信號進行數字調制，以提高信號的抗干擾能力和信號質量。同時，采用時分多址（TDMA）技術來提高用戶的接入能力。但是2G中有許多通信系統與這些通信系統彼此不兼容，所以還是有一定的缺陷。3G在原有FDMA和TDMA的基礎上，通過增加碼域支持更多用戶接入。3G帶寬為用戶提供更快的數據速率，使得數據業務種類不斷增加。但是它能支持的設備數量是有限的。4G采用正交頻分多址（OFDMA），極大地提高了數據速率和頻譜利用率。然而，隨著人們生產生活的智能化越來越普及，龐大的設備數量使得通信業務和數據流量的巨猛增長，5G通信系統急需采用新的多址技術來滿足更快的數據速率和更高的頻譜效率，以保證智能化的生活需求。

2 研究思路

2.1 發射機采用功率復用技術

與傳統方式相比，NOMA方案中區分用戶的關鍵點在功率，且采納了功率復用技術。在發送端，使用功率復用，用不同功率可以同時給多個用戶發送信號。在接收端，接收機可以根據功率差分離發送給用戶的信息。在NOMA系統中，當有不同信道增益的用戶進行功率復用時，我們是將用戶的信道增益差轉化為復用增益。在每個用戶的疊加編碼中進行功率分配系數時，給增益高的用戶劃分為較小的功率，用戶將獲得更大的帶寬，產生更大的速率增益。相反，增益低的用戶獲得的功率就大，它們在疊加信號中就會占很大比例。為了防止他們在恢復過程中被淹沒在強用戶信號中，辨別他們的最好方式就是所占比例。雖然使用功率復用的多個用戶會相互干擾，這將在一定程度上限制每個用戶的速率，但所有的復用用戶將享受更大的可訪問帶寬，因此頻譜效率和用戶訪問公平性可以大大提高[3-4]。

2.2 接收機采用碳化硅技術

在NOMA系統中，多用戶之間進行信號傳輸，不可避免地會產生干擾，SiC是多用戶檢測中常用的干擾消除技術。在NOMA中，發送端的功率復用使得到達接收端的每個用戶的信號功率不同，接收機可以根據每個用戶的不同功率來辨別用戶信號。由于接收機解碼工作量很大，不僅需要對自身的用戶信息進行解碼，還需要對其他用戶信息進行解碼，系統延遲是不可避免的。SiC技術可對接收到的疊加信號依次消除干擾，實現多用戶分離，并逐漸減去最強用戶信號的干擾，得到用戶信號解碼[5]。

3 研究方法

1）傳輸階段中，疊加編碼過程中是通過Turbo碼或低密度奇偶校驗（LDPC）等編碼技術對傳輸信號進行信道編碼，根據信道狀態信息對信號進行編碼。然后基站根據不同的CSI向用戶分配功率，對信號進行功率疊加，通過線性疊加傳輸，從而實現多個用戶信號的疊加傳輸。基于疊加編碼的思想，即可使得每一個子載波可以承載多個用戶。

2）不同的地區由于氣候地理環境等因素的不同，在功率分配時，考慮到山區等邊遠地區信道條件較差，基站將較大的傳輸功率分配給他們，相反，城市的信道條件較好一些，分配的傳輸功率就較小一些。

3）在接收端，我們使用SiC算法處理接收到的疊加信號，因為它具有更大的功率，并且其自身的有用信號相對較強，可以直接解調疊加信號。在山區邊遠地區由于被分配功率是較大的，所以其他較小的信號對山區地區的用戶就是干擾信號，我們將其直接作為噪聲除去。而城市用戶獲得的是低功率信號，他們無法直接獲得自身信號，必須要先將高于自己信號強度的信號解調，然后從混合信號中濾去才可獲得自身信號，相比山區邊遠地區的用戶而言，城市的用戶獲取自身信號更為復雜些。

4 獲取結果

由于NOMA采用了非正交多址技術，即功率復用，因此，與OMA系統相比，NOMA具有更高的速率，如圖1所示。具體來說，在傳統的OFDM系統中，每個子載波占用一個子信道，并且每個子載波只能承載一個用戶。然而，在NOMA系統中，每個子載波可以與多個用戶疊加。用戶通過功率疊加進行疊加和編碼，然后在接收端通過SiC（連續干擾消除）進行解碼。因此，與OMA系統相比，NOMA系統可以訪問更多的用戶，實現更高的系統容量。

誤碼率與信噪比的關系圖如圖2所示，誤碼率和信噪比相互影響，信噪比越大，噪聲的影響越小，誤碼率越小。本研究的理想結果是即使在誤碼率很小的情況下也能實現超高的傳輸速率，但實際的實驗結果仍然不能令人滿意。

5 創新與特色

NOMA技術中采用多個用戶共享相同的時頻域資源進行傳輸。通過基站分配給疊加用戶的信號功率的差異來區分用戶，實現多址接入。接收機使用干擾消除算法來消除疊加用戶之間的干擾，并對自己的信號進行解碼。NOMA技術將多個用戶信息疊加在同一資源塊上進行傳輸，在同一頻譜資源上具有更高的系統容量，可以有效滿足5G的通信需求[6-7]。

1）超高的傳輸速率。與之前的通信系統相比，采用NOMA技術，傳輸速率將進一步提高。它完全支持智能業務等多種業務，在大容量場景下傳輸速率可達數十Gbit/s。

2）低功耗、大連接。5G可以提供海量設備同時接入的能力，滿足超密集區域的通信需求，如音樂會、體育賽事、實踐活動等大型活動。同時，采用一系列低功耗基站、流量均衡技術、移動中繼等技術，實現了低功耗、低成本的數字連接。

3）低延遲、高可靠性。在信息快速發展的5G時代，對延遲有更嚴格的要求。例如，空中接口延遲需要控制在1 ms以內，而端到端延遲需要更嚴格地控制在毫秒量級，傳輸可靠性要求達到99.99%，以滿足移動控制平臺、無人駕駛和網絡游戲等場景，從而給用戶帶來良好的使用體驗。

6 結語

在這個快速發展的網絡信息時代，海量的信息一直在傳輸，需要不斷開發應用新的技術。因此，終端直通技術、多維復用和相干技術、IP和光網絡深度集成技術等將作為重要技術而被采用。隨著時代的發展，我們使用的網絡已經從1G、2G、3G和4G，快速發展為5G。在通信系統中，速度和容量都在不斷地提高。我們已經能夠實現從保持內容的完整傳輸到消除所有外部干擾因素的效果，以實現準確的信息接收。盡管每一步都需要巨大的人力、物力和財力，但這是值得的。如今，5G時代的大門已經打開，信息時代對各方面的要求顯著提高。低功耗、高傳輸速率和大容量設備的連接必將實現。