雪靜胡天

在過(guò)去20年中，隨著移動(dòng)通信技術(shù)飛速發(fā)展，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷演進(jìn)，第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）以正交頻分多址接入技術(shù)（OFDMA）為基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率達(dá)到每秒百兆甚至千兆比特，能夠在較大程度上滿足今后一段時(shí)期內(nèi)寬帶移動(dòng)通信應(yīng)用需求。然而，隨著智能終端普及應(yīng)用及移動(dòng)新業(yè)務(wù)需求持續(xù)增長(zhǎng)，無(wú)線傳輸速率需求呈指數(shù)增長(zhǎng)，無(wú)線通信的傳輸速率將仍然難以滿足未來(lái)移動(dòng)通信的應(yīng)用需求。IMT-2020(5G) 推進(jìn)組《5G愿景與需求白皮書》中提出，5G定位于頻譜效率更高、速率更快、容量更大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其中頻譜效率相比4G需要提升5～15倍。

在實(shí)現(xiàn)良好系統(tǒng)吞吐量的同時(shí)，為了保持接收的低成本，在4G中采用了正交多址接入技術(shù)。然而，面向5G頻譜效率提升5~15倍的需求，業(yè)內(nèi)提出采用新型多址接入復(fù)用方式，即非正交多址接入(NOMA)。在正交多址技術(shù)（OMA）中，只能為一個(gè)用戶分配單一的無(wú)線資源，例如按頻率分割或按時(shí)間分割，而NOMA方式可將一個(gè)資源分配給多個(gè)用戶。在某些場(chǎng)景中，比如遠(yuǎn)近效應(yīng)場(chǎng)景和廣覆蓋多節(jié)點(diǎn)接入的場(chǎng)景，特別是上行密集場(chǎng)景，采用功率復(fù)用的非正交接入多址方式較傳統(tǒng)的正交接入有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，更適合未來(lái)系統(tǒng)的部署。目前已經(jīng)有研究驗(yàn)證了在城市地區(qū)采用NOMA的效果，并已證實(shí)，采用該方法可使無(wú)線接入宏蜂窩的總吞吐量提高50%左右。非正交多址復(fù)用通過(guò)結(jié)合串行干擾消除或類最大似然解調(diào)才能取得容量極限，因此技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于是否能設(shè)計(jì)出低復(fù)雜度且有效的接收機(jī)算法。

NOMA不同于傳統(tǒng)的正交傳輸，在發(fā)送端采用非正交發(fā)送，主動(dòng)引入干擾信息，在接收端通過(guò)串行干擾刪除技術(shù)實(shí)現(xiàn)正確解調(diào)。與正交傳輸相比，接收機(jī)復(fù)雜度有所提升，但可以獲得更高的頻譜效率。非正交傳輸?shù)幕�本思想是利用�?fù)雜的接收機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)?yè)Q取更高的頻譜效率，隨著芯片處理能力的增強(qiáng)，將使非正交傳輸技術(shù)在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。
在NOMA中采用的關(guān)鍵技術(shù)：
1、串行干擾刪除（SIC）
在發(fā)送端，類似于CDMA系統(tǒng)，引入干擾信息可以獲得更高的頻譜效率，但是同樣也會(huì)遇到多址干擾（MAI）的問題。關(guān)于消除多址干擾的問題，在研究第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的過(guò)程中已經(jīng)取得很多成果，串行干擾刪除（SIC）也是其中之一。NOMA在接收端采用SIC接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)多用戶檢測(cè)。串行干擾消除技術(shù)的基本思想是采用逐級(jí)消除干擾策略，在接收信號(hào)中對(duì)用戶逐個(gè)進(jìn)行判決，進(jìn)行幅度恢復(fù)后，將該用戶信號(hào)產(chǎn)生的多址干擾從接收信號(hào)中減去，并對(duì)剩下的用戶再次進(jìn)行判決，如此循環(huán)操作，直至消除所有的多址干擾。
2、功率復(fù)用
SIC在接收端消除多址干擾（MAI），需要在接收信號(hào)中對(duì)用戶進(jìn)行判決來(lái)排出消除干擾的用戶的先后順序，而判決的依據(jù)就是用戶信號(hào)功率大小。基站在發(fā)送端會(huì)對(duì)不同的用戶分配不同的信號(hào)功率，來(lái)獲取系統(tǒng)最大的性能增益，同時(shí)達(dá)到區(qū)分用戶的目的，這就是功率復(fù)用技術(shù)。功率復(fù)用技術(shù)在其他幾種傳統(tǒng)的多址方案沒有被充分利用，其不同于簡(jiǎn)單的功率控制，而是由基站遵循相關(guān)的算法來(lái)進(jìn)行功率分配。
當(dāng)然，NOMA技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依然面臨一些難題。首先是非正交傳輸?shù)慕邮諜C(jī)相當(dāng)復(fù)雜，要設(shè)計(jì)出符合要求的SIC接收機(jī)還有賴于信號(hào)處理芯片技術(shù)的提高；其次，功率復(fù)用技術(shù)還不是很成熟，仍然有大量的工作要做。
國(guó)外關(guān)于NOMA的研究已經(jīng)取得一些可喜的成果，日本NTT DoCoMo公司早在2010年就開始了相關(guān)研究，并且已經(jīng)提出了比較系統(tǒng)化的方案。在NTT DoCoMo提出的5G構(gòu)想中，各種蜂窩小區(qū)中將采用很多新技術(shù)（下圖）。例如，在使用800MHz頻帶

及2GHz頻帶等的宏蜂窩中采用NOMA的接入方式。以前只能為單一的無(wú)線資源（比如按頻率和時(shí)間分割的塊）分配一個(gè)用戶，而NOMA方式可將一個(gè)資源分配給多個(gè)用戶。該公司通過(guò)模擬，驗(yàn)證了在城市地區(qū)采用NOMA的效果，并已證實(shí)，采用該方法可使無(wú)線接入宏蜂窩的總吞吐量提高50%左右。而在國(guó)內(nèi)，關(guān)于NOMA的研究還不是很多。

雖然關(guān)于5G的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還沒有制定，NOMA在5G中能否被采用依然不得而知。但是，由于移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在，頻譜資源已經(jīng)很緊張，能夠很好地提高頻譜效率的NOMA技術(shù)也不愁沒有用武之地。