【论文翻译】5G的非正交多址接入：解决方案，挑战，机遇和未来研究趋势

Non-Orthogonal Multiple Access for 5G: Solutions, Challenges, Opportunities, and Future Resea5G的非正交多路访问：解决方案，挑战，机遇和未来研究趋势

摘要：

移动互联网和物联网日益增长的需求对5G无线通信提出了挑战性要求，例如高频谱效率和大规模连接。在本文中，讨论了一种有前景的非正交多址（NOMA）技术，它可以解决5G的一些挑战。与传统的正交多址技术不同，NOMA可以通过非正交资源分配来容纳更多用户。我们将现有的主导NOMA方案分为两类： power-domain multiplexing(功率域复用) and code-domain multiplexing(码域复用)，相应的方案包括power-domain NOMA(功率域NOMA)，multiple access with low-density spreading(低密度扩展多址接入)，sparse code multiple access(SCMA稀疏码分多址接入)，multi-user shared access(MUSA多用户共享接入)，pattern division multiple access(PDMA图样分割多址接入)，等等。我们讨论它们的原理，关键特性和优缺点，然后从频谱效率，系统性能，接收机复杂性等方面对这些解决方案进行全面比较。此外，还强调了NOMA设计的挑战，机遇和未来研究趋势，以便为该领域研究人员未来的潜在工作提供一些见解。最后，为了利用包括传统OMA和新NOMA在内的不同多址方案，我们提出了软件定义多址（SoDeMA）的概念，它支持自适应多址方案的自适应配置，以支持各种服务和应用在未来的5G网络中。

introduction

在从第一代（1G）到4G的无线通信历史中，多址方案已成为区分不同无线系统的关键技术。众所周知，频分多址（FDMA）用于1G，时分多址（TDMA）主要用于2G，码分多址用于3G的接入（CDMA）和用于4G的正交频分多址（OFDMA）主要是正交多址（OMA）方案。在这些传统的多址方案中，不同的用户被分配给时域，频域或码域中的正交资源，以避免或减轻用户间干扰。以这种方式，可以以合理的复杂度实现多路复用增益。然而，移动互联网的快速增长推动了到2020年，5G的数据流量增加了1000倍。因此，频谱效率成为处理这种爆炸性数据流量的关键挑战之一。此外，由于物联网（IoT）的快速发展，5G需要支持用户和/或设备的大规模连接，以满足对低延迟，低成本设备和各种服务类型的需求。为了满足这些要求，增强技术是必要的。到目前为止，已经提出了一些潜在的候选者来应对5G的挑战，例如大规模MIMO，毫米波通信，超密集网络和非正交多址（NOMA）[1]。在本文中，我们将重点关注NOMA，它非常期望提高系统吞吐量并适应大规模连接。注意，第三代合作伙伴计划（3GPP）长期演进（LTE）Rel-13正在以多用户叠加传输（MUST）的形式对NOMA进行持续研究。 NOMA允许多个用户通过电源域或码域复用在同一空间层中共享时间和频率资源。最近，一些NOMA方案引起了很多关注，我们通常可以将它们分为两类，一类是功率域多路复用[2-4]和码域多路复用，包括低密度扩展的多址接入（LDS） ）[5,6]，稀疏码多址（SCMA）[7]，多用户共享访问（MUSA）[8]等。还提出了一些其他多址方案，例如模式分割多址（PDMA）和比特分割多路复用（BDM）[9]。讨论了NOMA的主要特点和优势讨论，并比较了现有主导NOMA方案的设计原则，主要特征，优点和缺点。更重要的是，虽然NOMA可以提供有吸引力的优势，但是应该解决一些具有挑战性的问题，例如先进的发射机设计以及性能和接收机复杂性之间的权衡。因此，突出机会和研究趋势，为该领域研究人员未来的潜在工作提供一些见解。此外，与分别单独设计特定多址方案的传统方式不同，我们提出了软件定义多址（SoDeMA）的概念，其中多种接入方案中的几个候选者可以自适应地配置以满足不同的要求。未来5G网络中的各种服务和应用。最后，得出了结论。

NOMA的特点

在传统的OMA方案中，为多个用户分配在时域，频率或码域中正交的无线电资源。理想情况下，由于OMA中的正交资源分配，多个用户之间不存在干扰，因此可以使用简单的单用户检测来分离不同用户的信号。从理论上讲，众所周知，OMA无法始终实现多用户无线系统的总和容量[10]。除此之外，在传统的OMA方案中，支持的最大用户数受限于正交资源的总量和调度粒度。
最近，NOMA已被调查以处理如上所述的OMA问题。基本上，NOMA通过非正交资源分配允许可控干扰，并允许接收器复杂性的容忍增加。与OMA相比，NOMA的主要优势包括以下几点。
提高频谱效率：根据开创性工作中的多用户容量分析[10]，图1显示了OMA和NOMA的信道容量比较，其中加性高斯白噪声（AWGN）信道中的两个用户被认为是例如，不失一般性。图1a显示上行链路NOMA能够实现容量限制，而OMA方案通常是次优的，除了在C点。但是，在这个最优点，当用户的吞吐量公差相差很小时两个用户的接收功率是显着的，因为弱用户的比率远低于强用户的比率。在下行链路中，图1b示出了NOMA的速率对的边界通常在OMA速率区域之外。在具有符号间干扰（ISI）的多径衰落信道中，尽管OMA可以在下行链路中实现总容量，但是如果信道状态信息（CSI）仅在移动接收机处已知，则NMA是最优的而OMA是严格次优的[10]。
大规模连接：NOMA中的非正交资源分配表示支持的用户或设备的数量不受可用资源量及其调度粒度的严格限制。因此，通过使用非正交资源分配，NOMA可以比OMA容纳更多的用户;例如，当超载为300％时，MUSA仍然可以获得相当好的性能[8]。
低传输延迟和信令成本：
在具有基于授权的传输的传统OMA中，用户必须首先向基站（BS）发送调度请求。然 后，基于所接收的请求，BS执行上行链路传输的调度，并通过下行链路信道发送许可。
该过程导致大的延迟和高信令成本，这在5G预期的大规模连接的情况下变得更糟或甚至是不可接受的。相反，在NOMA的一些上行链路方案中不需要这种动态调度，从而呈现可以大大减少传输等待时间和信令开销的无授权上行链路传输。

主要的NOMA解决方案

在本节中，我们将主要的NOMA方案分为两类：功率域复用和码域复用。功率域复用意味着根据其信道条件为不同用户分配不同的功率电平，以获得系统性能的最大增益。这种功率分配对于分离不同用户也是有益的，其中经常使用连续干扰消除（SIC）来消除多用户干扰。在本文中，功率域复用仅应用于下行链路NOMA。码域复用类似于CDMA或多载波CDMA（MC-CDMA），即，为不同的用户分配不同的码，然后在相同的时频资源上复用。功率域多路复用和码域多路复用之间的区别在于码域多路复用可以以增加的信号带宽为代价来实现某些扩展增益和整形增益。

NOMA通过Power Domain多路复用具有SIC接收器的基本NOMA：
图2a示出了通过在下行链路中与SIC接收器进行功率域复用的基本NOMA方案。注意，该NOMA方案也可以应用于上行链路[2]。在BS发射机处，不同用户的信号在某些功率分区下线性相加，以平衡所有多路复用用户的总和速率和各个用户之间的吞吐量公平性。
在接收器处，SIC通常用于实现多用户检测（MUD）。由于远近效应，信道条件可能在用户之间显着变化。 SIC在具有相对高的信号与干扰加噪声比（SINR）的用户处执行，并且应当以SINR的降序执行。
正如我们所看到的，具有SIC的NOMA的基本形式利用了用户之间的SINR差异，这是由于自然的近远效应或者发射机处的非均匀功率分配。类似的方案可以用于上行链路以增加上行链路系统容量。

大规模MIMO系统中的NOMA：
NOMA可与多用户多输入多输出（MU-MIMO）结合使用，进一步提高系统频谱效率[3]。如图2b所示，BS处的多个发射天线用于在空间域中形成不同的波束，其中每个波束采用上面讨论的基本NOMA。
在接收机处，可以通过空间滤波来抑制波束间干扰[3]，然后可以使用波束内SIC来消除用户间干扰。 NOMA在大规模MIMO系统中的扩展可以进一步提高频谱效率。

网络NOMA：
当下行链路NOMA中的传输功率分配偏向远方用户时，小区边缘用户会遇到来自相邻小区的干扰增加。例如，图2c中描绘了具有两个小区和四个用户的蜂窝系统，其中假设两个用户NOMA方案：用户1和用户2由BS 1服务，而用户3和用户4是BS 2服务。用户1和3之间存在强干扰，这可能降低网络NOMA的性能，即多小区NOMA。
为了减轻小区间干扰，可以考虑在邻近小区中联合预编码NOMA用户的信号。这要求所有用户的数据和CSI应该在多个BS上可用，但找到最佳预编码器并非易事。此外，用于单小区NOMA的多用户预编码对于网络NOMA场景可能是不可行的，因为用于地理上分离的BS天线的预编码器实际上不形成可以容易地用于内部的物理波束。梁NOMA。基于在不同小区的链路之间大规模衰落会有很大差异的事实，在[4]中提出了一种复杂度降低的网络NOMA预编码方案，其中多小区联合预编码器仅应用于小区边缘。用户（例如，如图2c所示的用户1和用户3）。

通过代码域多路复用的NOMA****低密度扩频CDMA：
LDS-CDMA背后的思想是在传统的CDMA [5]中使用稀疏扩频序列而不是密集扩频序列来减少每个芯片的干扰。因此，LDS-CDMA可以通过利用CDMA [5]中的LDS序列来提高系统性能，这是区分传统CDMA和LDS-CDMA的关键特征。这样，通过适当的扩频序列设计，可以在多个用户之间有效地降低干扰，并且可以实现过载。
在接收器处，可以使用消息传递算法（MPA）来实现MUD。 MPA对因子图非常有效[11]，它是一个包含变量节点和因子节点的二分图，如图3所示。消息在变量节点和因子节点之间传递，可以解释为表示与每条边相关的符号可靠性的软值。变量节点的边际分布可以视为该节点接收的消息的函数[11]。

低密度扩频OFDM：
LDS正交频分复用（LDS-OFDM）可以被认为是LDS-CDMA和OFDM的组合版本，其中芯片是OFDM的子载波，以对抗多径衰落。在LDS-OFDM中，首先将发送的符号映射到某些LDS序列，然后在不同的OFDM子载波上发送。符号的数量可以大于子载波的数量，也就是说，允许过载以提高频谱效率[6]。 LDS-CDMA中的MPA也可以用在LDS-OFDM接收器中。实质上，通过用LDS替换密集扩频​​序列，LDS-OFDM可以被视为多载波CDMA（MC-CDMA）的改进形式。

稀疏码多址：
最近提出的SCMA [7]是LDS-CDMA的增强版本。与LDS-CDMA不同，SCMA直接将不同的比特流映射到不同的稀疏码字，如图4所示，其中每个用户具有预定义的码本（图4中有6个用户）。同一码本中的所有码字在相同的两个维度中包含零，并且不同码本中的零位置是不同的，以便于避免任何两个用户的冲突。对于每个用户，两个比特被映射到复杂的码字。用于所有用户的码字在四个共享正交资源（例如，OFDM子载波）上复用。
LDS-CDMA和SCMA之间的关键区别在于，SCMA的多维星座设计用于生成码本，这带来了LDS无法实现的“整形增益”[7]。这里，“整形增益”是当星座的形状改变时平均符号能量的增益。通常，当星座的形状更接近球体时，形状增益更高，并且通过优化多维星座的最大可实现的整形增益为1.53 dB [7]。对于高调制顺序的级联方法，可以优化多维星座以获得整形增益，然后基于多维星座生成码本[7]。 SCMA码本设计是一个复杂的问题，因为不同的层与不同的码本复用。由于适当的设计准则和多维问题的具体解决方案尚不清楚，因此提出了一种多阶段方法来实现次优解[7]。具体地，首先优化具有M个点的N维复星座（其被称为母星座）以改善整形增益，然后对母星座执行一些特定于码本的操作以生成N.每个代码簿的维度星座。三种典型的操作是相位旋转，复共轭和星座的三维置换[7]。在特定于码本的操作之后生成的N维星座中，每个N维星座点与投影矩阵相乘以生成K维码字（K >> N），其具有N.来自N维相关点的分量的非零元素。以这种方式，可以获得具有M个码字的码本。读者可以在[7]中找到更多细节。

多用户共享访问：
在图5 [8]所示的上行链路MUSA系统中，每个用户的符号通过扩展序列进行扩展。多个扩展序列构成一个池，每个用户可以从中随机选择一个序列。注意，对于相同的用户，不同的扩频序列也可以用于不同的符号，这可以通过干扰平均进一步改善性能。然后，在相同的时频资源上发送所有扩展符号。扩展序列应具有低互相关性，并且可以是M-ary。在接收器处，码字级SIC用于分离来自不同用户的数据。码字级SIC的复杂性在上行链路中不是问题，因为在任何情况下接收机都需要为所有用户解码数据。对接收器实现的唯一显着影响将是可以改变处理流水线以执行SIC操作。 MUSA和MC-CDMA之间的区别在于MUSA假设它在用户信号到达BS时基本上是同步的，这更容易实现SIC，而MC-CDMA不需要在上行链路中进行这种同步。另外，MUSA使用非二进制扩频序列，而二进制扩频序列通常在经典MC-CDMA系统中考虑。
在下行链路MUSA中，用户被分成K个组。在每个组中，不同用户的符号被映射到不同的星座，以确保在叠加信号的组合星座中的灰度映射。组合星座不仅由每个用户的调制顺序确定，而且由多路复用用户之间的发射功率分区确定。正交序列可用于扩展叠加的符号以获得时间或频率分集增益。组合星座的灰度映射减少了对高级接收器的依赖，因此可以使用较少的处理密集型接收器，例如符号级SIC。

其他NOMA计划
除了上面讨论的功率域多路复用和码域多路复用之外，目前正在研究一些其他NOMA方案。模式划分多址（PDMA）是一种NOMA方案，可以在多个域中实现。在发射机处，PDMA使用非正交模式，这是通过最大化多样性和最小化多个用户之间的重叠来设计的。然后，可以在代码域，空间域或两者的组合中执行实际多路复用。码域中的复用对应于连续干扰消除适合多址（SAMA）[12]的情况，其类似于LDS-CDMA，其中LDS序列被非正交模式替换。因此，MPA也可用于PDMA中的序列检测。空间域中的复用（称为空间PDMA）需要BS处的多个天线。 PDMA的多样性可以来自多个发射天线，这是宏蜂窝部署的首选。与多用户MIMO不同，空间PDMA中不需要预编码，因为目的是增加空间分集而不是频谱效率。 PDMA可用于下行链路和上行链路传输。
比特分割多路复用（BDM）[9]是NOMA的另一种形式，特别适用于下行链路传输。其基本概念基于分层调制，并且多路复用用户的资源在比特级别被划分。尽管严格地说BDM的资源分配在比特域中是正交的，但是多用户信号共享相同的星座（例如，叠加在调制符号域中）。
还提出了一些其他NOMA方案，例如交织分割多址（IDMA），其在符号乘以扩频序列之后执行芯片的交织。如[13]所示，与CDMA相比，当高负载系统（200％）考虑10-3的误码率（BER）性能时，IDMA能够实现约1 dB的Eb / N0增益。超载。
在上面提到的许多NOMA方案中，特别是当用于无授权上行链路传输时，存在接收机不容易知道用户的活动或瞬时系统负载的问题。这会对性能产生负面影响。压缩感知（CS）是估算资源占用的有前途的技术。最近已经开展了一些基于CS的随机接入的工作，例如压缩随机接入[14]。

NOMA解决方案的比较

从理论角度来看，码域NOMA可以由于使用扩频序列或码字而获得扩频增益，这只能在发射机没有CSI的情况下实现。扩频增益与CDMA类似，即发送的带宽可以通过扩频序列或码字进行扩展，因此，根据香农方程，即使在信噪比下，信号仍然可以以相同的容量进行传输。比率（SNR）低。扩展增益可以通过10log N来计算，其中N是扩展因子。然而，通过扩散引入冗余将影响系统频谱效率[15]。此外，由于多维星座的优化，SCMA可以实现额外的“整形增益”[7]。
我们还在多用户信号检测算法的计算复杂性方面比较了这些NOMA方案。在功率域NOMA中，SIC是具有复杂度O（K3）的多用户干扰消除的关键方法，其中K是用户数量。因此，SIC的复杂度远小于最佳最大似然（ML）检测的复杂度，其复杂度O（| X | K）随着用户数K呈指数增加，其中| X | K |表示相关集X的基数。另一方面，在LDS-CDMA，LDS-OFDM和SCMA等码域NOMA中，接收机应该知道扩频序列或码本以实现MUD，并且复杂度很高基于MPA的接收器的结果是O（| X | w），其中w是叠加在每个芯片或子载波上的非零信号的最大数量。因此，基于MPA的接收器通常比基于SIC的接收器具有更高的复杂度，因为在具有大量连接的典型5G系统中，w通常大于3。

挑战，机遇和挑战, 未来的研究趋势

可达速率和超载界限的理论分析
在NOMA方案中，需要理论分析来为系统设计提供一些见解。可实现的多次访问速率是系统性能的关键指标。需要研究具有LDS的码域NOMA的可实现速率，并且可以参考MC-CDMA的分析方法。特别是，由于扩频序列的特殊结构，可以使用一些近似来简化计算。期望得到闭式表达式，以揭示可实现的速率与LDS参数之间的关系，如序列稀疏性和超载因子。这些理论结果可以说明如何根据具体应用要求设计系统参数。
另一方面，干扰消除能力和接收器的可承受复杂性在整体性能中起着重要作用，例如，系统可以支持的最大过载因子。
设计传播序列或代码书
在LDS系统中，由于非正交资源分配，多个用户之间存在干扰。应优化MPA中的因子图，以便在过载因子和接收器复杂度之间取得良好的折衷。
此外，已经证明MPA可以通过无循环因子图获得精确的边际分布，并使用局部树状因子图获得精确解。图论可用于在NOMA中设计无周期或局部树状因子图，而不会影响频谱效率。此外，在设计NOMA的因子图时，可以考虑低密度质量检查（LDPC）中的矩阵设计原理和方法。
接收器设计
对于基于MPA的接收器，5G中的大规模连接的复杂性可能仍然很高。因此，MPA的简化改进可以用于降低接收器复杂度，例如高斯近似干扰（GAI），其将干扰加噪声建模为高斯分布，并且这种近似趋向于更准确，因为con的量在5G中，nectivity变大。另外，MPA可用于联合检测和解码所接收的符号，其中所构造的图由变量节点，观察节点和对应于LDPC码的校验方程的校验节点组成。以这种方式，可以更有效地使用解码器和解调器之间的固有信息来改善检测器的性能。
对于基于SIC的接收器，错误传播可能会降低某些用户的性能。因此，在SIC的每个阶段，可以考虑一些具有更高检测精度的非线性检测算法来抑制误差传播。
其他挑战
NOMA还有一些其他工程方面，包括参考信号设计，信道估计和CSI反馈机制，可在跨用户干扰严重时提供强大的性能，资源分配信令可支持不同的传输模式对于NOMA，扩展到MIMO（特别是大规模MIMO），可以获得NOMA和多用户MIMO的性能优势，多载波NOMA中的峰均功率比（PAPR）降低，系统可扩展性可以支持不同的流量负载和无线电环境等。在NOMA成为未来5G标准的一部分之前，需要解决这些挑战。

SODEMA的概念

如上所述，NOMA可用于5G中的容量改进和大规模连接。但是，这并不意味着传统的OMA方案将在未来的5G网络中被NOMA完全取代。例如，当用户数量很少并且远近效应不显着时，例如在小小区的情况下，OMA将是更好的选择。从这个意义上讲，OMA和NOMA将在5G中共存，以满足不同服务和应用的不同需求。
为此，我们借用软件定义无线电（SDR）的思想进行多址接入设计，以提出5G的SoDeMA概念，如图6所示，其中不同的NOMA方案可以在系统中共存，假设所有这些方案都将在5G标准。 SoDeMA提供了非常灵活的多种访问方案配置，以支持5G中的不同服务和应用程序。例如，对于小区中心用户或超高清视频等实时服务，可以采用传统的OMA方案来支持高数据速率传输，从而利用正交性和同步性。另一方面，当在一些实际场景（例如，密集的人口区域和移动社交应用）中需要高频谱效率，大规模连接和小分组的频繁访问时，可以选择NOMA方案。此外，不同的NOMA或OMA方案有其适当的应用情况，并且可以自适应地配置以实现之间的权衡。

性能和实现复杂性。例如，如果由于近远效应或移动网络存在用户信道条件之间的巨大差异，则可以使用具有SIC接收器的功率域NOMA，相对较低的复杂度。另一方面，如果要保证高可靠性，特别是当信道条件差或者用户的位置分布集中时，由于其整形增益和接近最优的MPA检测，SCMA是一种可行的解决方案。当然，当用户数量足够大时，可能难以为每个用户设计码本，在这种情况下，LDS-OFDM或MUSA也可用于降低发射机或接收机的设计复杂性， 。
如前面部分所述，某些信号处理模块对于多种NOMA方案是通用的，例如，接收机处的MPA或发射机处的扩频操作，可以在硬件中共享，从而降低硬件成本。用户终端和基站。这些通用模块可以在软件级别以不同形式组合，以实现不同的方案。 NOMA方案之间的切换通过软件定义的硬件架构快速而灵活，并且可以快速适应不同的部署方案，即从容量实现到用户负载改进。
要启用SoDeMA，帧结构应足够灵活，以便时间和频率资源可以自由地划分为不同的块，以供不同的服务和用户使用。在每个资源块中，一个特定的多址方案配置有特定的波形，双工模式，导频信号，功率电平等。注意，需要小心地减轻不同资源块之间的子载波间干扰。所提出的SoDe-MA概念提供了多种访问方案的灵活配置，以支持不同的服务和应用。人们非常期待SoDeMA可以经过精心设计，以适应各种应用场景，以支持未来5G网络中“任何即服务”的系统设计目标。

结论

在本文中，我们从基本原理，关键特性，接收器复杂性，工程可行性等方面讨论并比较了5G的几个主要NOMA方案。与传统的OMA相比，NOMA允许可控干扰以接收器复杂性的可容忍的增加为代价实现过载。因此，NOMA可以部分满足5G频谱效率和大规模连接的需求。我们还强调了NOMA设计的主要挑战，机遇和未来研究趋势，包括理论工作，扩频序列或码本的优化设计，接收机设计，无赠款NOMA机制等。所提出的SoDeMA概念能够灵活地支持具有不同要求的各种服务和应用。预计NOMA将在未来的5G无线通信中发挥重要作用。