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张红利
中国信息通信研究院泰尔终端实验室工程师，主要从事科研管理和研究工作。
韩玲
中国信息通信研究院电话终端实验室高级工程师，主要从事通信相关研究和通信相关新媒体运营。
王星艳
中国信息通信研究院泰尔终端实验室工程师，主要从事协议一致性测试研究。
论文引用格式：
张红利，韩玲，王星艳。 5G非正交多址关键技术研究及性能评估[J]. 信息通信技术与政策，2022，48(6)：85-90。
5G非正交多址关键技术研究及性能评估
张红利 韩玲 王星艳
摘要：移动通信技术的发展经历了五代技术变革。 多址技术作为关键的物理层技术，一直采用正交多址技术。 传统正交多址技术本身在实际非理想条件下频谱资源利用效率和系统容量基本接近上限。 非正交多址技术是一种全新的物理层设计，可以使无线通信突破正交资源限制，进一步提高系统传输性能，增加系统容量，减少时延，降低功耗。 非正交多址的价值已被业界所重视。 近十年来，全球范围内开展了大量研究，被视为5G重要的物理层替代技术，并在3GPP内部进行了广泛讨论。
CLC 分类号：TN929.531 文档代码：A
引用格式：张红利，韩玲，王星艳。 5G非正交多址关键技术研究及性能评估[J]. 信息通信技术与政策，2022，48(6)：85-90。
0 前言
传统的蜂窝移动通信系统主要采用多址技术，包括时分多址技术(Time，TDMA)、频分多址技术(FDMA)、码分多址技术(Code，CDMA)。 ）等，这些都属于正交多址技术（OMA）。 正交多址技术的用户数量受到可用正交资源数量的限制。 随着系统设计的优化，在频谱资源日益紧张的今天，其频谱资源利用效率和系统用户容量已接近极限。
为了进一步提高频谱效率，突破正交多址技术的限制，学术界和工业界提出了一种称为非正交多址（Non-，NOMA）的接入技术，以进一步提高频谱效率和系统容量。 根据文献[1-3]，早在2010年，日本NTT公司就提出了基于多用户信号功率叠加和接收机串行干扰消除（SIC）的功率域非正交多址技术； 2014年 2018年，3GPP在4G LTE“Multi-User，MUST”研究项目中开展下行NOMA技术研究； 2018年，3GPP在5G NR框架下继续开展上行非正交多址技术。 研究，形成了R16阶段NR NOMA技术的研究报告[3]。
1 NOMA技术特点
NOMA在发送端使用功率复用或多址签名码，使得多用户信号可以共享相同的时频资源块。 接收端采用SIC等多址干扰消除技术来区分和解码不同的用户。
(1)功率复用技术。 功率复用技术的核心是在时域和频域之外增加一个功率维度，利用不同用户之间的信道增益差异进行线性叠加传输[4]。 功率复用技术是最简单的非正交多址技术。 由于系统中引入功率域可以放宽时频物理资源块的正交性限制，因此可以提高系统容量和频谱效率。
(2)多路访问签名码技术。 多址签名码技术是经典功率域非正交多址技术的演进升级版。 除了传统的功率域之外，还在码域引入扩频、加扰、交织，甚至包括多重空间域编码。 地址通道标签有助于进一步减少非正交多址带来的多址干扰(MAI)物理资源块，提高接收机对多用户信号的检测性能。
(3)串行干扰消除技术。 串行干扰消除技术的核心是对不同功率的多用户信号进行连续干扰消除。 接收机首先检测并消除接收信号中功率最高的信号，然后根据功率电平依次检测各个用户信号，最后完成所有叠加信号的接收和解调。
2 NOMA技术的性能优势
NOMA技术的性能优势如下。
(1)提高频谱效率和系统容量。 NOMA技术可以区分同一时频域的不同用户，允许多个用户进一步复用同一时频域的资源。 NOMA的系统过载率高于OMA技术，更接近多用户系统的理论容量边界。 在保证一定通信质量的同时，进一步提高了系统总吞吐量。 由于资源的非正交分配，不同用户的信号可以叠加在相同的时频资源上。 事实上，与OMA系统相比，可接入的用户数量进一步扩大，系统的用户容量得到了提高。
(2)提高小区边缘用户性能。 为了保证通信质量和用户公平性，非正交多址技术会为小区边缘用户和信道条件较差的用户分配更高的功率。 仿真表明，采用NOMA技术方案后，小区边缘用户的吞吐量得到有效提升。
(3)较小的延迟和较低的信令开销[5]。 目前正在研究的一些NOMA技术方案中，NOMA可以设计为免调度的接入方案。 终端可以利用开环功率控制来选择合适的功率一次性上传数据，无需与基站多次交互，减少接入时间。 延迟，减少信令交互的开销。
(4)系统鲁棒性更强。 基于功率域的NOMA系统对接收端反馈的信道状态信息CSI的准确性不太敏感。 只要传输信道状态不发生显着且快速的变化，不准确的信道状态信息不会对系统性能产生严重影响。 影响。 同时，由于接收端采用SIC技术，系统具有一定的干扰消除能力，减少干扰对通信的影响。
3 NOMA技术的替代技术解决方案
为了区分同一时频资源上的不同用户，一种有效的手段是为每个用户分配多址签名码(MA)。 3GPP TR 38.812研究报告总结了目前各大通信公司的NOMA上行信号处理方案和多址签名码设计方案。 图1所示为5G NOMA上行信号处理流程。 在原有5G正交信号处理流程的基础上，通过更换或增加相应的信号处理链路，实现用户上行信号的非正交化。 目前，多路签名编码方案包括以下几类。
图1 5G NOMA上行信号处理流程
3.1 基于位级的处理技术（Bit Level Based）
比特级处理技术的原理是通过为不同用户配置特定的随机序列或交织模式来区分不同的用户。 比特级处理技术目前有两种技术路线：UE特定的比特级加扰和UE特定的比特级交织。
(1)针对UE特定的比特级加扰技术目前有两种技术方案：低码率扩频方案(Low Code Rate，LCRS)和非正交编码多址方案(Non-，NCMA)。 比特级加扰非正交多址解决方案采用与3GPP R15 PUSCH相同的上行信号处理流程。
(2)UE特定的比特级交织技术目前有两种技术方案：交织域多址方案(IDMA)和交织网格多址方案(-Grid，IGMA)。 UE特定的交织模式被用作多接入签名码。
3.2 符号级别处理技术（Level）
符号级处理技术有以下类型。
3.2.1 使用NR原始调制方法的UE特定扩频
使用原始NR调制方法的UE特定扩频技术通常使用低正交相关或低密度符号级扩频序列。 符号级扩频序列是此类方案设计的核心。 目前研究的扩频序列有韦尔奇有界等式序列（Welch，WBE）、量化复数序列（-with，CSQE）、ETF（Tight）/格拉斯曼序列（GS）、广义韦尔奇方程序列（Welch-Bound， GWBE）、稀疏扩频模式序列、QPSK序列和多用户干扰参数准则序列（MUI-）。
(1)使用Welch束缚方程序列的技术方案有两种：Welch束缚扩频多址(WSMA)和资源扩频多址(RSMA)。 这两种方案所使用的Welch边界方程序列被设计为符合签名码向量集的相关函数平方和的边界要求。
(2)唯一使用量化复值函数序列的解决方案是多用户共享接入技术(Multi-User，MUSA)。 MUSA码序列是低相关复域星座短序列多元码。 MUSA在相同时频资源的用户层数上优于功率域NOMA技术。
(3)等角紧框架ETF/级数采用更严格的Welch边界方程级数来降低两个级数之间相关性的最大值。 NCMA 方案使用 ETF/ 序列。 序列设计问题可以理解为最大化序列对之间的最小弦距离。 序列还可以通过M-QAM星座生成M-QAM量化序列。
(4)广义Welch方程序列是Welch方程序列的扩展，考虑了幂域差异对序列相关性的影响[6]。 用户特定的广义Welch Bound多址接入方案(User-Welch Bound，UGMA)就采用该序列。
(5)稀疏扩频模式序列在扩频码序列中包含零个元素。 根据稀疏扩频模式中零元素的个数是否相等，可以分为等权序列和不等权序列。 等权序列为稀疏码多址技术(Code，SCMA)，不等权序列为码分多址技术(PDMA)。 SCMA在多址技术中使用了两项关键技术：低密度扩频和滤波正交频分复用(-OFDM)。 用于扩频的码本码字稀疏，不同用户信号之间不易发生干扰。 滤波式OFDM是指结合子载波滤波技术，使资源单元RE的子载波间隔和OFDM符号时长可调，以满足5G空口业务的多样性。 和灵活性要求[7-8]。 PDMA主要基于多用户不等分集的PDMA模式矩阵，实现时频功率空间多维非正交信号叠加传输，以获得更高的多用户复用和分集增益[9]。
(6)QPSK序列生成方法与NR DMRS序列生成方法相同。 通过对某个序列进行循环移位可以得到其他序列。 两个根值相同但循环移位量不同的QPSK序列的相关性为0，不同根值的QPSK序列的相关性很低。 非正交编码接入方案(Non-Coded，NOCA)采用该序列。
3.2.2 使用非NR原始调制方法的UE特定扩频
现有的解决方案中，稀疏码多址方案SCMA使用的是UE特定的扩频技术，并不是NR原来的调制方法。 SCMA 使用与传统 QAM 星座调制不同的高维调制。 SCMA可以增加星座点之间的欧氏距离，从而减少用户之间的干扰，最终提高多用户叠加信号中解调用户信号的准确性。 成功率。
3.2.3 符号级加扰
现有方案中物理资源块，资源扩频多址RSMA采用短码扩频、长码加扰的符号级MA签名码方案。 扰码序列可以是UE组级别的，也可以是小区级别的； 它也可以是Gold序列或ZC序列，或两者的组合。
3.2.4 零填充UE特定交织
在现有的解决方案中，交织网格多址IGMA采用符号级交织方案。 UE根据网络配置需求获取数据矩阵的稀疏密度信息和补零位置个数，然后将符号序列映射到资源元素RE，并对映射后的符号进行符号级交织。
3.3 UE特定的稀疏RE映射（UE-RE）
非正交多址技术解决方案SCMA、PDMA和IGMA使用稀疏RE映射作为MA签名码方案。 根据共享同一资源的用户数量，可以确定用户签名码稀疏参数和补零RE的数量，并且可以将不同用户同时出现在同一资源上的概率最小化为可能的。
3.4 OFDM符号交织传输模式（OFDM）
目前，只有异步编码多址技术(Coded，ACMA)使用OFDM符号交织传输模式作为MA签名码。 每个用户的特定起始启动时间是该用户的关键特征。 根据该方案设计[10]，每个NOMA用户的起始时间分布在前N-1个时隙中的某个OFDM符号上，所有用户的传输在第N个时隙结束时结束。 表1总结了当前提出3GPP 5G NOMA替代技术解决方案的公司以及每种解决方案支持的技术类型[3]。
表1 5G非正交多址替代技术方案
4 非正交多址接收技术方案
对于目前5G的各种非正交多址替代技术方案，接收机的信号检测算法主要包括最小均方误差MMSE、匹配滤波器MF、基本信号估计ESE、最大后验概率估计MAP、消息传递算法MPA。 、期望传递算法EPA等。干扰消除技术包括硬消除、软消除、混合消除、串行、并行、串并混合等手段。
3GPP TR38.812研究的接收机技术方案包括MMSE-IRC、MMSE-硬抵消、MMSE-软抵消、ESE+SISO、EPA+混合抵消等。根据3GPP的仿真分析，MMSE-IRC的实现复杂度和MMSE-硬消除接收器相对较低。
5 非正交多址仿真性能评估
在NR非正交多址研究项目中，3GPP针对mMTC、eMBB、URLLC等部署场景，对各NOMA技术方案的性能进行了链路级和系统级仿真评估。
5.1 链路级评估结果
3GPP针对mMTC、eMBB、URLLC等5G部署场景共35个特定信道场景进行了BLER和SNR仿真评估。 3GPP 使用的链路级仿真参数请参见表 2。 通过对比各公司提交的链路级仿真结果，大致得出以下结论。
表2 3GPP非正交多址链路级仿真参数
(1) 对于低传输块大小、单个UE频谱利用
(2)对于中、高传输块大小，单个UE的频谱利用率为0.3~0.55bit/s/Hz，总频谱利用率为0.5)。
(3)各技术方案表明，UE数量越多，性能下降越明显。
5.2 系统级评估结果
在系统级仿真方面，3GPP设定了基准仿真参数（见表3）。 各公司实际进行的仿真在时频资源配置、接收机类型、链路系统映射关系等方面可能与基准参数配置存在差异。 。 系统级仿真重点评估给定负载下的高级别数据包到达率PDR（mMTC场景和eMBB场景）、满足可靠性和时延用户比（URLLC场景），并鼓励企业提供资源利用率曲线。 根据各公司提交的模拟结果，评估结果如下。
表3 3GPP非正交多址系统级仿真参数
（1）mMTC场景下，丢包率PDR为1%/s/cell时，共有6家公司提交了仿真结果。 一些公司的模拟结果与基准解决方案相比有 40% 到 100% 的增益，但个别公司的模拟结果发现没有显示任何增益。
（2）URLLC场景，当丢包率PDR为1%/s/cell时，共有3家公司提交了仿真结果，其中2家相比基线方案增益高达300%，1家没有获得。
（3）在eMBB场景下，当丢包率PDR为1%/s/cell时，共有6家公司提交了仿真结果。 2家公司的结果与基站解决方案相比有2到4倍的增益，其中2家公司呈现出20%~40%的增益，另外两家公司没有增益或增益很少。
六，结论
从目前3GPP中NOMA技术的研究进展来看，仅完成了该技术的初步研究阶段，尚未进入标准化的实际操作。 距离真正实现标准化还有一段距离。 未来，NOMA技术可以考虑在NOMA-MIMO组合技术、最优低密度扩频码本设计、优化消息传递算法、性能与复杂度折衷的最优接收机设计等方面进行更深入的研究，以提高该技术的实用性能够更好地满足5G乃至6G后续演进的系统可靠性和性能要求。
参考
[1] OTAO N, Y, K. 非同SIC在使用基于公平的[C]//2012（ISWCS）上。 巴黎：IEEE 出版社，2012：476-480。
[2]3GPP。 LTE（MUST）研究（13）[R]，2015。
[3]3GPP。 NR非(NOMA)研究(16)[R], 2018.
[4] TIAN F, CHEN X. - in e : a [C]// of & , 2019.
[5] 杨义夫，吴刚，李欣然，等。 后5G非正交多址技术综述[J]. 无线电通信技术，2020，46(1)：26-34。
[6]NTT。 NOMA[R]，2017。
[7] 张长青. 5G非正交多址技术比较[J]. 电信网络技术，2015（11）：42-49。
[8]，。 关于SCMA[R]，2017。
[9] 猫。 NOMA方面[R]，2017。
[10] . NR-NOMA：ACMA[R]，2017。
5G非&研究
张韩玲王
（中国泰尔实验室，中国）
：有五个，但仍然是其中的关键层之一。 可能有 of 和 in 。 Non- 是一个 of 层，可以打破 of 、 、 the 、 和较低的幂。 最后没有一个，这会导致大量的发现。 非现在是5G层之一，在3GPP之下。
：5G； 诺玛； 力量; 碳化硅
本文发表于《信息通信技术与政策》2022年第6期
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