5G:非正交多址接入（NOMA）与串行干扰删除（SIC）

（一）

在过去20年中，随着移动通信技术飞速发展，技术标准不断演进，第四代移动通信技术（4G）以正交频分多址接入技术（OFDMA）为基础，其数据业务传输速率达到每秒百兆甚至千兆比特，能够在较大程度上满足今后一段时期内宽带移动通信应用需求。然而，随着智能终端普及应用及移动新业务需求持续增长，无线传输速率需求呈指数增长，无线通信的传输速率将仍然难以满足未来移动通信的应用需求。IMT-2020(5G) 推进组《5G愿景与需求白皮书》中提出，5G定位于频谱效率更高、速率更快、容量更大的无线网络，其中频谱效率相比4G需要提升5～15倍。

 在实现良好系统吞吐量的同时，为了保持接收的低成本，在4G中采用了正交多址接入技术。然而，面向5G频谱效率提升5~15倍的需求，业内提出采用新型多址接入复用方式，即非正交多址接入(NOMA)。在正交多址技术（OMA）中，只能为一个用户分配单一的无线资源，例如按频率分割或按时间分割，而NOMA方式可将一个资源分配给多个用户。在某些场景中，比如远近效应场景和广覆盖多节点接入的场景，特别是上行密集场景，采用功率复用的非正交接入多址方式较传统的正交接入有明显的性能优势，更适合未来系统的部署。目前已经有研究验证了在城市地区采用NOMA的效果，并已证实，采用该方法可使无线接入宏蜂窝的总吞吐量提高50%左右。非正交多址复用通过结合串行干扰消除或类最大似然解调才能取得容量极限，因此技术实现的难点在于是否能设计出低复杂度且有效的接收机算法。

  NOMA不同于传统的正交传输，在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除技术实现正确解调。与正交传输相比，接收机复杂度有所提升，但可以获得更高的频谱效率。非正交传输的基本思想是利用复杂的接收机设计来换取更高的频谱效率，随着芯片处理能力的增强，将使非正交传输技术在实际系统中的应用成为可能。

在NOMA中采用的关键技术：

1、串行干扰删除（SIC）

在发送端，类似于CDMA系统，引入干扰信息可以获得更高的频谱效率，但是同样也会遇到多址干扰（MAI）的问题。关于消除多址干扰的问题，在研究第三代移动通信系统的过程中已经取得很多成果，串行干扰删除（SIC）也是其中之一。NOMA在接收端采用SIC接收机来实现多用户检测。串行干扰消除技术的基本思想是采用逐级消除干扰策略，在接收信号中对用户逐个进行判决，进行幅度恢复后，将该用户信号产生的多址干扰从接收信号中减去，并对剩下的用户再次进行判决，如此循环操作，直至消除所有的多址干扰。

2、功率复用

  SIC在接收端消除多址干扰（MAI），需要在接收信号中对用户进行判决来排出消除干扰的用户的先后顺序，而判决的依据就是用户信号功率大小。基站在发送端会对不同的用户分配不同的信号功率，来获取系统最大的性能增益，同时达到区分用户的目的，这就是功率复用技术。功率复用技术在其他几种传统的多址方案没有被充分利用，其不同于简单的功率控制，而是由基站遵循相关的算法来进行功率分配。

当然，NOMA技术的实现依然面临一些难题。首先是非正交传输的接收机相当复杂，要设计出符合要求的SIC接收机还有赖于信号处理芯片技术的提高；其次，功率复用技术还不是很成熟，仍然有大量的工作要做。

    国外关于NOMA的研究已经取得一些可喜的成果，日本NTT DoCoMo公司早在2010年就开始了相关研究，并且已经提出了比较系统化的方案。在NTT DoCoMo提出的5G构想中，各种蜂窝小区中将采用很多新技术（下图）。例如，在使用800MHz频带

 

及2GHz频带等的宏蜂窝中采用NOMA的接入方式。以前只能为单一的无线资源（比如按频率和时间分割的块）分配一个用户，而NOMA方式可将一个资源分配给多个用户。该公司通过模拟，验证了在城市地区采用NOMA的效果，并已证实，采用该方法可使无线接入宏蜂窝的总吞吐量提高50%左右。而在国内，关于NOMA的研究还不是很多。 

    虽然关于5G的技术标准还没有制定，NOMA在5G中能否被采用依然不得而知。但是，由于移动通信系统发展到现在，频谱资源已经很紧张，能够很好地提高频谱效率的NOMA技术也不愁没有用武之地。

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（二）

在频谱资源紧缺的今天，作为一项潜在的5G关键技术，能很好地提高频谱效率的非正交多址接入（NOMA）越来越受到人们的关注。NOMA的基本思想是在发送端采用非正交传输，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除（SIC）实现正确解调。虽然采用SIC接收机会提高设计接收机的复杂度，但是可以很好地提高频谱效率，NOMA的本质即为通过提高接收机的复杂度来换取良好的频谱效率。
作为一项多用户检测技术，SIC早在第三代移动通信技术（CDMA）中被采用。SIC在性能上与传统检测器相比有较大提高，而且在硬件上改动不大，从而易于实现。串行干扰删除（SIC）的基本原理是逐步减去最大信号功率用户的干扰，SIC 检测器在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决，判决出一个用户就同时减去该用户信号造成的多址干扰（MAI），按照信号功率大小的顺序来进行操作，功率较大信号先进行操作。这样一直进行循环操作，直至消除所有的多址干扰为止。
SIC 检测器的每一级只检测一个信号，因此 K 个用户就需要 K 级判决。各用户的操作顺序是根据其功率值排列进行的，功率越大的信号越先处理，因为最强的用户越容易捕获。每级输出的是功率最大用户的数据判决和去除该用户造成的 MAI 以后的接收信号，这样可以将多址干扰降到最低，并且信号越弱获益越大，大大增加了检测的可靠性。多级结构将上一级的输出信号作为下一级的输入信号，重复“检测、估计、检测……”的循环操作，逐步消除接收信号中的多址干扰。SIC检测器的结构框图如图1所示。
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图1

例如，在一个由3个用户共享的子信道上，叠加后的信号为

x=x(1)+x(2)+x(3)

其中，x(i)(i=1,2,3)分别代表3个用户信号，其中，信号功率x(1)

y(i)=h(i)x+w(i)

其中，h(i)是信道系数，w(i)是信道高斯白噪声和小区干扰。则SIC接收机解调3个用户过程如下图2所示：

图2

       在第一级检测之前，先要将接收信号按照信号功率大小进行排序，这里由于x(3)信号功率最强，先要对x(3)进行判决，输出x(3)。然后恢复出对x(3)的信号估计值，从接收信号中减去x(3)的估计值，得到x(1)+x(2)，然后将h(2)(x(1)+x(2))+w(2)作为下一级输入。按照功率顺序依次执行相同的操作，最后先后输出x(2)和x(1)，完成对所有的用户信号检测。
      在SIC信号检测过程中，很重要的一点是用户检测检测顺序。这里进行排序是根据用户的信号功率来进行的。在NOMA中，发送端会采用功率复用技术对不同的用户进行功率分配。通常，信道增益高的用户会少分配一些功率资源，而信道增益低的用户会多分配一些功率资源。到达接收端后，每个用户的信号功率会不一样，SIC接收机根据用户的信号功率进行排序，依次对不同的进行解调，同时达到区分用户的目的。
      虽然，SIC技术有很好的信号检测性能，但要在NOMA中采用，有3个问题。首先，相对于传统的SIC接收机，NOMA中采用的SIC接收机要更复杂，要求具备更强的信号处理能力；其次，从上述过程可知，根据信号功率排的用户顺序决定了最佳的接收效果，而在实际过程中，用户的功率是不断变化的，这就要求SIC接收机不断地对用户功率进行排序；再次，从SIC结构图中可以看出，每一级处理都会产生一定的时延，在现实多级处理过程中，产生的时延很大。前一个问题的解决有赖于未来芯片处理能力的提升，而后两个问题则需要对相关的处理算法进行进一步的研究。 --------------------- 本文来自 cdjccio 的CSDN 博客 ，全文地址请点击：https://blog.csdn.net/qq_34624951/article/details/78439584?utm_source=copy