5G:非正交多址接入（NOMA）与串行干扰删除（SIC）

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。