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5G:非正交多址接入技术(NOMA)

简介:
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在过去20年中,随着移动通信技术飞速发展,技术标准不断演进,第四代移动通信技术(4G)以正交频分多址接入技术(OFDMA)为基础,其数据业务传输速率达到每秒百兆甚至千兆比特,能够在较大程度上满足今后一段时期内宽带移动通信应用需求。然而,随着智能终端普及应用及移动新业务需求持续增长,无线传输速率需求呈指数增长,无线通信的传输速率将仍然难以满足未来移动通信的应用需求。IMT-2020(5G) 推进组《5G愿景与需求白皮书》中提出,5G定位于频谱效率更高、速率更快、容量更大的无线网络,其中频谱效率相比4G需要提升5~15倍。

5G:非正交多址接入技术(NOMA)

在实现良好系统吞吐量的同时,为了保持接收的低成本,在4G中采用了正交多址接入技术。然而,面向5G频谱效率提升5~15倍的需求,业内提出采用新型多址接入复用方式,即非正交多址接入(NOMA)。在正交多址技术(OMA)中,只能为一个用户分配单一的无线资源,例如按频率分割或按时间分割,而NOMA方式可将一个资源分配给多个用户。在某些场景中,比如远近效应场景和广覆盖多节点接入的场景,特别是上行密集场景,采用功率复用的非正交接入多址方式较传统的正交接入有明显的性能优势,更适合未来系统的部署。目前已经有研究验证了在城市地区采用NOMA的效果,并已证实,采用该方法可使无线接入宏蜂窝的总吞吐量提高50%左右。非正交多址复用通过结合串行干扰消除或类最大似然解调才能取得容量极限,因此技术实现的难点在于是否能设计出低复杂度且有效的接收机算法。

NOMA不同于传统的正交传输,在发送端采用非正交发送,主动引入干扰信息,在接收端通过串行干扰删除技术实现正确解调。与正交传输相比,接收机复杂度有所提升,但可以获得更高的频谱效率。非正交传输的基本思想是利用复杂的接收机设计来换取更高的频谱效率,随着芯片处理能力的增强,将使非正交传输技术在实际系统中的应用成为可能。

在NOMA中采用的关键技术:

1、串行干扰删除(SIC)

在发送端,类似于CDMA系统,引入干扰信息可以获得更高的频谱效率,但是同样也会遇到多址干扰(MAI)的问题。关于消除多址干扰的问题,在研究第三代移动通信系统的过程中已经取得很多成果,串行干扰删除(SIC)也是其中之一。NOMA在接收端采用SIC接收机来实现多用户检测。串行干扰消除技术的基本思想是采用逐级消除干扰策略,在接收信号中对用户逐个进行判决,进行幅度恢复后,将该用户信号产生的多址干扰从接收信号中减去,并对剩下的用户再次进行判决,如此循环操作,直至消除所有的多址干扰。

2、功率复用

SIC在接收端消除多址干扰(MAI),需要在接收信号中对用户进行判决来排出消除干扰的用户的先后顺序,而判决的依据就是用户信号功率大小。基站在发送端会对不同的用户分配不同的信号功率,来获取系统最大的性能增益,同时达到区分用户的目的,这就是功率复用技术。功率复用技术在其他几种传统的多址方案没有被充分利用,其不同于简单的功率控制,而是由基站遵循相关的算法来进行功率分配。

当然,NOMA技术的实现依然面临一些难题。首先是非正交传输的接收机相当复杂,要设计出符合要求的SIC接收机还有赖于信号处理芯片技术的提高;其次,功率复用技术还不是很成熟,仍然有大量的工作要做。

国外关于NOMA的研究已经取得一些可喜的成果,日本NTT DoCoMo公司早在2010年就开始了相关研究,并且已经提出了比较系统化的方案。在NTT DoCoMo提出的5G构想中,各种蜂窝小区中将采用很多新技术(下图)。例如,在使用800MHz频带及2GHz频带等的宏蜂窝中采用NOMA的接入方式。以前只能为单一的无线资源(比如按频率和时间分割的块)分配一个用户,而NOMA方式可将一个资源分配给多个用户。该公司通过模拟,验证了在城市地区采用NOMA的效果,并已证实,采用该方法可使无线接入宏蜂窝的总吞吐量提高50%左右。而在国内,关于NOMA的研究还不是很多。

虽然关于5G的技术标准还没有制定,NOMA在5G中能否被采用依然不得而知。但是,由于移动通信系统发展到现在,频谱资源已经很紧张,能够很好地提高频谱效率的NOMA技术也不愁没有用武之地。


作者:雪静胡天

来源:51CTO

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