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带你读《5G 无线增强设计与国际标准》第二章接入增强2.2非正交多址(一)

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传统的 LTE或者 NR系统中的数据传输都采用正交多址的用户复用方式,不同的用户占用不同的时域、频域、空域、码域等资源,在理想情况下用户间没有互相千扰。而非正交多址的设计思路则是人为地引入已知的用户间千扰,通过在接收端进行迭代检测和千扰消除来达到以下目的。

·增强频谱利用率,例如,复用用户数大于正交资源数,或者每个用户的数据传输流数大于天线端口数,用于 eMBB等场景。

·支持更高效的接入,例如,基于竞争的 2步随机接入、mMTC场景下的免调度传输。

·更低时延、更省资源的数据传输,例如,mMTC和 URLLC场景下的预调度传输上行非正交多址(NOMA)的方案众多,总的来说,各类 NOMA方案的发射端设计可以由图 2-15所示的模块化处理流程所涵盖。

image.png

2-15   NOMA发射端处理流程汇总

 

其中白色底框所对应的为现有LTE和 NR的发射端处理流程,而灰色底框表明的是

NOMA方案所需要修改或额外引入的处理模块,具体如下所述。

·符号级线性扩展类:在传统调制之后进行符号级别的扩展,不同的用户使用不同的扩展序列进行非正交的复用。在该类方案 ,扩展序列被称为多址标识( MASignature)。其   扩展序列可以是线性的(沿用  NR  现有的调制方式)或者是非线性的(需要同时修改调制的星座图)。此外每个数据流进行符号级扩展之后可以再进行一个符号级加扰或者交织的处理,进一步降低用户间或者数据流之间的干扰。

·比特级处理类:在信道编码之后,对编码序列每个用户或数据流进行特定的比特级交织或者加扰的处理。在该类方案 ,交织图样或者加扰序列可以称为多址标识。

·稀疏的资源映射:在符号级处理之后,对每个用户或数据流 编码调制后的符号,采用特定的图样映射到物理资源单元上。在该类方案   ,稀疏映射图样可以称为多址标识。一般稀疏映射也可以通过稀疏的符号级扩展来实现。

除了上述典型的多址标识的设计以外,NOMA还可以采用一些附加的处理进行更灵活的资源复用,如每个用户可以采用多流来承载数据,其中,不同的数据流之间也是非正交复用的,另外每个用户或者每个数据流的功率以及时延也是可以单独进行配置和调整的。此外需要注意的是,一种 NOMA方案可能在一个或多个发射端处理模块上进行联合设计。

NOMA发射侧允许多用户的非正交叠加传输,用户之间存在相互千扰,因此为了保证良好的传输性能,还需要在接收侧进行相应的设计,根据用户已知信息(如 MA标识)和迭代估计检测来消除用户间千扰。带千扰消除的先进接收机的一般结构框图如图2-16所示,主要由解调器、译码器和千扰消除3个模块构成。解调器主要完成信号的均衡和解调,其输出是每个编码比特的对数似然比;译码器主要完成信道编码的译码,将似然比转换为输出硬比特(判决译码结果)或者信息软比特(用千迭代译码)。千扰消除模块可以是硬消除,即利用已经正确译码的用户数据作为已知信息从叠加的接收信号中消去;也可以是软消除,即对译码器输出的信息软比特进行迭代译码。

image.png

2-16   NOMA先进接收机的一般结构框图

 

传统的正交传输的接收机通常只包含检测器和译码器,很少带有千扰消除模块,也不需要检测器与译码器之间做迭代。此类传统接收机被称为最小均方误差的千扰抑制合并(MMSE-IRC,MinimumMeanSquaredError- InterferenceRejectionCombining)接收机。注意这里的 MMSE是特指多个接收天线之间的空域 MMSE,仅仅可以抑制通过MU-MIMO复用的用户间千扰,或是邻小区千扰。


 

NOMA先进接收机大体分以下 3类,分别适合不同的 NOMA方案。

·最小均方误差-硬干扰消除(MinimumMeanSquaredError- HardInterferenceCancellation,MMSE-Hard IC):通常适用于基于符号线性扩展的传输方案,对目标用户进行迭代译码。在解调器 采用扩展码域和空域的联合 MMSE,抑制用户间的干扰,并通过译码器输出目标用户的硬比特信息。译码成功的用户数据被当成其他用户的干扰信息,在干扰消除模块 ,用译码器输出的硬比特来重构该用户的信号,并从接收信号

丁其剔除出去,进行下一个目标用户的译码。,据接收机的资源开销及时延要求,干扰消除可以是逐个用户串行进行,或者是多个用户并行进行,也可以采用串并混合的方式进行。相比于MMSE-IRC接收机,其复杂度主要体现在码域和空域联合的MMSE矩阵处理上。

·基本信号估计-软迭代消除(ElementarySignalEstimator-SoftInputSoftOutput, ESE-SISO):在解调器内做空域的MMSE和比特级的 ESE算法,译码器输出软比特的统计信息并反馈至解调器,经过检测器与译码器之间的多次外迭代,逐渐提升每个用户调制符号的置信比。相比于 MMSE-IRC 接收机,其复杂度主要体现在译码器和干扰消除的软迭代上。

·期望传递算法-混合迭代消除(Expectation Propagation Algorithm-Hybrid Interference Cancellation,EPA-HybridIC):通常适用于基于符号扩展的和多维调制的NOMA方案。该接收机需要在解调器 做空域的 MMSE和 EPA算法,并在译码器内进行多次内迭代迭代结束后输出软比特的期望值等统计信息,再经过检测器与译码器之间的多次外迭代, 逐渐提升编码比特的似然比。相比于 MMSE-IRC 接收机,其复杂度主要体现在译码器和干扰消除的软迭代上。

比较典型的 NOMA  场景下,上述 3  类接收机相对千传统 MMSE-IRC  接收机的复杂度对比如表 2-7所示。感兴趣的读者可以阅读参考文献[2],文献中对每类接收机中的各个处理模块均进行了比较具体的复杂度分析。

 

2-7   典型场景下各类接收机的复杂度对

 

接收机类型

MMSE-IRC

MMSE-Hard IC

ESE-SISO

EPA-HybridIC

译码复杂度 相对范围 

1

1.5~3

5

2.6~3


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