| 标题 | 非正交多址接入通信系统性能分析 |
| 范文 | 李伟琪 王浩 贾子彦 摘 要：为解决5G时代频谱资源紧张问题，非正交多址接入技术（Non-Orthogonal Multiple Assess，NOMA）成为最佳选择。对NOMA技术基本原理及关键技术如功率复用叠加编码技术和串行干扰消除（Successive Interference Cancellation，SIC）技术进行了阐述。研究了下行链路中基于功率域NOMA通信系统的误码性能，得到合适的功率分配比范围。在此基础上加入Turbo码，并对加入Turbo码后的NOMA系统误码性能进行了比较分析。 关键词：非正交多址接入技术;功率复用;叠加编码;串行干扰消除;Turbo码;误码性能 DOI：10. 11907/rjdk. 182311 中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）004-0163-05 0 引言 随着移动用户数量的急剧增加和物联网的高速发展，面向2020年的第五代移动通信系统（5G）研究已在全球展开。2013年，中国成立了IMT-2020（5G）推进组，发布了《5G愿景与需求白皮书》，提到了相关的关键技术指标及8个具有代表性的5G应用场景[1-2]。2015年，由全球八大移动通信运营商成立的NGMN发布了《5G白皮书》[3]，为保证5G运行提供基础设施、服务平台以及终端功能。目前，5G研究的关键技术[4-6]有大规模天线阵列、超密集组网、全频谱接入、新型网以及新型多址接入技术等。其中，新型多址接入技术有华为提出的基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）技术[7]，中兴提出的基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入（Multi-UserSharedAccess，MUSA）技术[8]，大唐提出的基于非正交特征图样的图样分割多址接入（Pattern Division Multiple Access，PDMA）技术[9]，以及日本NTT? DoCoMo公司研究的功率域非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技术[10-11]。功率域NOMA技术基本原理是在发送端主动引入干扰信息，在功率域对用户信号进行叠加，在接收端采用串行干扰抵消技术进行解调[12-13]。研究表明，与OFDM技术相比，采用该方法可使无线接入宏蜂窝的总吞吐量提高50%左右。 目前，对NOMA技术的研究主要集中在功率分配算法[13-18]和多用户检测技术[19-20]对系统性能的影响上，缺少信道编码对NOMA系统性能影响的分析研究。因此，本文首先搭建基本的功率域NOMA系统模型，获得最佳功率分配范围，然后在此基础上重点研究Turbo码对NOMA系统误码性能的影响。 1 非正交多址技术 非正交多址接入技术基本思想是，在发送端主动引入干扰信息，采用非正交的方式发送用户信息，接收端通过干扰消除实现用户的正确解码[14-19]。NOMA技术主要包括码域NOMA和功率域NOMA两种类型。不同于码分多址接入（Code Division Multiple Access，CDMA）技术，码域NOMA所用的扩频序列是稀疏序列或相关系数较低的非正交互相关序列，目前较为流行的码域叠加技术是SCMA技术[8]。而基于功率域的NOMA通信系统中，发射端对同一频带的多用户采用功率复用技术进行叠加，不同用户根据信道条件分配不同功率，叠加编码后经过信道到达接收端进行多用户信号检测。接收端利用串行干扰消除（Successive Interference Cancellation，SIC）接收机，将不同用户按照功率大小排序，然后进行干扰消除，实现多用户信息的正确解调，达到区分多用户目的[19-20]。NOMA技术既可用于上行也可用于下行链路，本文主要研究用于下行链路的基于功率域的NOMA系统[15]，其基本模型如图1所示。 图1描述了下行链路基于功率分配发送信号和SIC接收机接收信号的全过程。假设基站每个发射频带上叠加两个用户，且每个用户仅有一个接收天线。在发射端，基站采用功率复用技术将两个用户信息进行叠加编码成叠加码（Superposition Coding，SC）再进行发射，功率复用原则实际是由基站到不同用户终端的信道性能决定的。基站发射总功率一定，对于信道性能好的用户称之为强用户，基站给其分配的发射功率较小。反之，信道性能差的用户称之为弱用户，基站给其分配的发射功率较大。如图1所示，在同一小区内，强用户距离基站较近，信道性能较好，给其分配的功率为P1，而弱用户则在小区边缘，信道性能较差，给其分配的功率为P2，P1 < P2。接收端主要完成多用户信号的检测。在下行链路中，SIC处理过程由用户的接收机完成。由于发送过程是两个用户信息叠加在一起的，存在比较严重的多址干扰（Multiple Access Interference，MAI），因此需要先消除其他用户带来的多址干扰，再对用户信号进行正确检测。下面介绍SC编码原理和SIC技术原理。 1.1 SC编码原理 在文献[20]中，SC是最早提出的一种通过单个信源同时向多个接收机传送信息的技术。换句话说，它允许发射机同时传输多个用户信息，但是怎样保证每个接收器都能完整地接收到属于自己的信息，涉及到发射机功率分配算法以及叠加编码问题。SC编码如图2所示[12]。 设两用户都采用QPSK调制，拥有较低分配功率的强用户[s1]叠加在有较高发射功率的弱用户[s2]上。若[s1]取（01）表示的星座点，[s2]取（10）代表的星座点，则叠加形成的星座点为图2（c）中的[s]，表示信息为0110。[s1]和[s2]都有4种可能，所以最终形成的叠加信号[s]有着16种可能，即16个星座点。叠加信号[s]用公式表示為： 1.2 SIC接收原理 1.2.1 SIC原理 SIC的基本思想是连续解码用户信号，在解码一个用户信号之后，在下一个用户信号被解码之前从叠加信号中减去它。应用SIC时，若对一个用户进行解码，要把其它用户信号视为干扰，然后再进行下一用户解码，需要从原始接收信号中减去已解码出的信号再译码。重复上述过程直到解码出所有用户信号。 图3为叠加信号（图2（c））在接收端的解码技术原理[12]。首先从接收信号中解码弱用户的星座点，然后利用弱用户的星座点进行强用户的星座点解码。用公式表示用户[n]（[n]=1，2）接收到的信号为： 1.2.2 SC解码过程 2 系统设计与性能分析 2.1 系统整体设计 NOMA通信系统由发射端、信道和接收端3部分组成。在基本NOMA系统模型中，发射端假设接入用户数为2，且弱用户的分配功率P2大于强用户的分配功率P1，用户信息调制方式为QPSK调制方式;信道采用瑞利衰落信道模型，接收端利用SIC接收机原理并采用最大似然（Maximum Likelihood，ML）译码实现解调，达到区分多用户信息目的[2]。与基本NOMA系统相比，基于Turbo码的NOMA通信系统需在发射端先对用户信息进行Turbo编码处理，再对编码后的信号进行QPSK调制和功率分配。同样接收端在相应解调后要进行Turbo译码处理才能恢复原来的用户信息。值得注意的是Turbo译码是将解调器输出的软信息送入译码器译码，所以要采用QPSK软解调方式[18]。系统框架如图4所示。 2.2 基本NOMA系统功率分配下的误码性能分析 本系统采用固定功率算法（Fixed Power Allocation，FPA）[19]。假设基站的发射总功率一致，在信道条件不变的情况下，对两用户分配不同的功率大小，通过MATLAB误码率仿真结果判断不同功率分配大小对NOMA通信系统性能的影响，并得出最优功率分配比范围。仿真条件见表1，图5和图6为不同功率分配比下的强、弱用户的误码率曲线。对于弱用户，给其分配的功率P2始终大于强用户的功率P1，功率比值[γ=p2p1]范围为2～9。 图5是弱用户的误码曲线。从图中可以看出，在信噪比（Signal-to-noise ratio，SNR）较小的情况下，随着功率分配比[γ][ ]的增加，弱用户的误码率逐渐降低。而在SNR较大的情况下，特别是在[γ>5]时，弱用户的误码率曲线会产生平台，说明功率分配的改善不再提高系统可靠性，要想继续改善系统性能需要从其它方面入手，比如可进行信道编码或改变调制方式等。 图6是强用户的误码曲线。从图中可以看出在SNR<10dB的情况下，不同功率比[γ]下的误码率相差无几。但在SNR>10dB的情况下，随着[γ]的增加，误码率反而会呈上升趋势。这说明在相同信道性能下，分配给弱用户的功率越大，对强用户的信号干扰越大，强用户越难正确译码。 综合以上误码曲线可以看出，适当的功率分配可改善NOMA系统性能。综合考虑强、弱用户的误码性能，NOMA系统的最优功率分配比范围一般为[3<γ<5]。 2.3 基于Turbo码NOMA系统的误码性能分析 为进一步提高NOMA系统性能，在基本NOMA系统上加入Turbo码，此码是通过迭代译码方法提高通信系统的译码性能，是一种接近香农极限性能的信道编码[21]。加入Turbo码的NOMA系统理论上误码率性能优于基本NOMA系统。下面给出不同条件下基于Turbo码的NOMA系统误码曲线，并对仿真结果作出比较分析。表2是在表1基础上基于Turbo码的增加或修改的系统仿真条件。 图7为有无Turbo码的NOMA系统中两用戶的误码率曲线。仿真条件为Turbo码码率R = 1/2，迭代次数为4。从图7可知，即使在较低SNR下，加入Turbo码的误码率明显低于未加Turbo码的误码率，甚至加入Turbo码的弱用户未出现误码情况。由此可见，基于Turbo码的NOMA系统性能明显优于原基本系统。 为进一步研究Turbo码对系统性能的影响，依据Turbo编码器的码率R以及译码器的迭代次数，研究这些条件参数对系统性能的影响。 图8是不同Turbo码码率R下的仿真结果。仿真条件为Turbo编码迭代次数为4。可以看出，随着Turbo码编码器的码率增加，强用户的误码性能大幅度减弱。这是因为码率R的大小代表编码过程中校验位的长短，R = 1/2表示输入1位信息比特，输出1位校验位。而R = 1/3时，输出2位校验位，这就提高了信号的纠错能力，使得误码率降低。但R不是越小越好，否则会增加计算量，延长信息提取时间，一般根据实际情况选取适当的编码率即可。 图9是不同Turbo译码器的迭代次数下的仿真结果。仿真条件为码率R = 1/2。可以看出，随着Turbo码译码器迭代次数的增加，强用户的误码性能逐渐提高，但是在迭代到一定次数后性能趋于饱和。这是由于在多次迭代后，译码器已经对输入码字有了一个轮廓，进一步的信息交换不能提供更多的新信息，再增加迭代次数只会增加运算量，延长译码时间[22]。 图8和图9都只针对强用户做了误码性能分析，未说明弱用户的误码情况，这是因为在系统加入Turbo码后，弱用户的误码率极小，在10-6以下，从而说明Turbo码具有超强的纠错能力，能够极大提高通信质量。 3 结语 本文对功率域NOMA通信系统误码性能作了分析比较。先通过搭建的基本NOMA系统得出最佳功率比范围，然后在此基础上研究了信道编码对系统性能的影响。采用Turbo信道编码方式，通过仿真结果可知，加入Turbo码能极大提高系统可靠性，但是在设计编码器码率和迭代次数时要注意适度即可。此外，本文为进一步提高NOMA系统性能提供了改进方向：能够自适应的功率分配算法、更精确的信道估计算法以及合适的信道编码译码算法等。 参考文献： [1] 中国无线电编辑部. 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