基于第五代通信系統(tǒng)的NOMA仿真實現(xiàn)

劉 紅

（西藏大學(xué)，西藏 拉薩 850000）

引言

近年來，NOMA作為5G關(guān)鍵技術(shù)備受關(guān)注。與其他多址技術(shù)相比，NOMA的優(yōu)勢是能顯著提高系統(tǒng)容量和在相同的頻譜效率下為多個用戶提供相同的資源。熱門技術(shù)中的復(fù)用技術(shù)，它能為無線通信系統(tǒng)的性能提供了新的增長空間。而NOMA系統(tǒng)也是采用同樣的方法改變原來單個用戶獨(dú)占一個信道的通信方式。由于采用了NOMA系統(tǒng)，在提高頻譜效率、用戶公平性、系統(tǒng)容量和設(shè)備接入量等方面都有明顯的優(yōu)化。NOMA技術(shù)是一項值得深入探究的5G技術(shù)，在5G時代具有重要影響[1-2]。因此，本項目也是基于MATLAB或其他平臺來實現(xiàn)第五代通信系統(tǒng)的NOMA仿真。

1 研究目的

隨著時代的發(fā)展，移動通信系統(tǒng)經(jīng)歷了從1G到5G的發(fā)展。每一代通信系統(tǒng)都在技術(shù)上取得了突破，給人們的生活帶來了極大的便利。1G用戶信息通過頻分多址（FDMA）技術(shù)疊加傳輸，使人類首次實現(xiàn)移動無線通信，但該技術(shù)也存在一些問題，如用戶數(shù)據(jù)傳輸速率低，信號通過信道傳輸時干擾嚴(yán)重等。2G對用戶信號進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，以提高信號的抗干擾能力和信號質(zhì)量。同時，采用時分多址（TDMA）技術(shù)來提高用戶的接入能力。但是2G中有許多通信系統(tǒng)與這些通信系統(tǒng)彼此不兼容，所以還是有一定的缺陷。3G在原有FDMA和TDMA的基礎(chǔ)上，通過增加碼域支持更多用戶接入。3G帶寬為用戶提供更快的數(shù)據(jù)速率，使得數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)種類不斷增加。但是它能支持的設(shè)備數(shù)量是有限的。4G采用正交頻分多址（OFDMA），極大地提高了數(shù)據(jù)速率和頻譜利用率。然而，隨著人們生產(chǎn)生活的智能化越來越普及，龐大的設(shè)備數(shù)量使得通信業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)流量的巨猛增長，5G通信系統(tǒng)急需采用新的多址技術(shù)來滿足更快的數(shù)據(jù)速率和更高的頻譜效率，以保證智能化的生活需求。

2 研究思路

2.1 發(fā)射機(jī)采用功率復(fù)用技術(shù)

與傳統(tǒng)方式相比，NOMA方案中區(qū)分用戶的關(guān)鍵點(diǎn)在功率，且采納了功率復(fù)用技術(shù)。在發(fā)送端，使用功率復(fù)用，用不同功率可以同時給多個用戶發(fā)送信號。在接收端，接收機(jī)可以根據(jù)功率差分離發(fā)送給用戶的信息。在NOMA系統(tǒng)中，當(dāng)有不同信道增益的用戶進(jìn)行功率復(fù)用時，我們是將用戶的信道增益差轉(zhuǎn)化為復(fù)用增益。在每個用戶的疊加編碼中進(jìn)行功率分配系數(shù)時，給增益高的用戶劃分為較小的功率，用戶將獲得更大的帶寬，產(chǎn)生更大的速率增益。相反，增益低的用戶獲得的功率就大，它們在疊加信號中就會占很大比例。為了防止他們在恢復(fù)過程中被淹沒在強(qiáng)用戶信號中，辨別他們的最好方式就是所占比例。雖然使用功率復(fù)用的多個用戶會相互干擾，這將在一定程度上限制每個用戶的速率，但所有的復(fù)用用戶將享受更大的可訪問帶寬，因此頻譜效率和用戶訪問公平性可以大大提高[3-4]。

2.2 接收機(jī)采用碳化硅技術(shù)

在NOMA系統(tǒng)中，多用戶之間進(jìn)行信號傳輸，不可避免地會產(chǎn)生干擾，SiC是多用戶檢測中常用的干擾消除技術(shù)。在NOMA中，發(fā)送端的功率復(fù)用使得到達(dá)接收端的每個用戶的信號功率不同，接收機(jī)可以根據(jù)每個用戶的不同功率來辨別用戶信號。由于接收機(jī)解碼工作量很大，不僅需要對自身的用戶信息進(jìn)行解碼，還需要對其他用戶信息進(jìn)行解碼，系統(tǒng)延遲是不可避免的。SiC技術(shù)可對接收到的疊加信號依次消除干擾，實現(xiàn)多用戶分離，并逐漸減去最強(qiáng)用戶信號的干擾，得到用戶信號解碼[5]。

3 研究方法

1）傳輸階段中，疊加編碼過程中是通過Turbo碼或低密度奇偶校驗（LDPC）等編碼技術(shù)對傳輸信號進(jìn)行信道編碼，根據(jù)信道狀態(tài)信息對信號進(jìn)行編碼。然后基站根據(jù)不同的CSI向用戶分配功率，對信號進(jìn)行功率疊加，通過線性疊加傳輸，從而實現(xiàn)多個用戶信號的疊加傳輸?；诏B加編碼的思想，即可使得每一個子載波可以承載多個用戶。

2）不同的地區(qū)由于氣候地理環(huán)境等因素的不同，在功率分配時，考慮到山區(qū)等邊遠(yuǎn)地區(qū)信道條件較差，基站將較大的傳輸功率分配給他們，相反，城市的信道條件較好一些，分配的傳輸功率就較小一些。

3）在接收端，我們使用SiC算法處理接收到的疊加信號，因為它具有更大的功率，并且其自身的有用信號相對較強(qiáng)，可以直接解調(diào)疊加信號。在山區(qū)邊遠(yuǎn)地區(qū)由于被分配功率是較大的，所以其他較小的信號對山區(qū)地區(qū)的用戶就是干擾信號，我們將其直接作為噪聲除去。而城市用戶獲得的是低功率信號，他們無法直接獲得自身信號，必須要先將高于自己信號強(qiáng)度的信號解調(diào)，然后從混合信號中濾去才可獲得自身信號，相比山區(qū)邊遠(yuǎn)地區(qū)的用戶而言，城市的用戶獲取自身信號更為復(fù)雜些。

4 獲取結(jié)果

由于NOMA采用了非正交多址技術(shù)，即功率復(fù)用，因此，與OMA系統(tǒng)相比，NOMA具有更高的速率，如圖1所示。具體來說，在傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)中，每個子載波占用一個子信道，并且每個子載波只能承載一個用戶。然而，在NOMA系統(tǒng)中，每個子載波可以與多個用戶疊加。用戶通過功率疊加進(jìn)行疊加和編碼，然后在接收端通過SiC（連續(xù)干擾消除）進(jìn)行解碼。因此，與OMA系統(tǒng)相比，NOMA系統(tǒng)可以訪問更多的用戶，實現(xiàn)更高的系統(tǒng)容量。

誤碼率與信噪比的關(guān)系圖如圖2所示，誤碼率和信噪比相互影響，信噪比越大，噪聲的影響越小，誤碼率越小。本研究的理想結(jié)果是即使在誤碼率很小的情況下也能實現(xiàn)超高的傳輸速率，但實際的實驗結(jié)果仍然不能令人滿意。

5 創(chuàng)新與特色

NOMA技術(shù)中采用多個用戶共享相同的時頻域資源進(jìn)行傳輸。通過基站分配給疊加用戶的信號功率的差異來區(qū)分用戶，實現(xiàn)多址接入。接收機(jī)使用干擾消除算法來消除疊加用戶之間的干擾，并對自己的信號進(jìn)行解碼。NOMA技術(shù)將多個用戶信息疊加在同一資源塊上進(jìn)行傳輸，在同一頻譜資源上具有更高的系統(tǒng)容量，可以有效滿足5G的通信需求[6-7]。

1）超高的傳輸速率。與之前的通信系統(tǒng)相比，采用NOMA技術(shù)，傳輸速率將進(jìn)一步提高。它完全支持智能業(yè)務(wù)等多種業(yè)務(wù)，在大容量場景下傳輸速率可達(dá)數(shù)十Gbit/s。

2）低功耗、大連接。5G可以提供海量設(shè)備同時接入的能力，滿足超密集區(qū)域的通信需求，如音樂會、體育賽事、實踐活動等大型活動。同時，采用一系列低功耗基站、流量均衡技術(shù)、移動中繼等技術(shù)，實現(xiàn)了低功耗、低成本的數(shù)字連接。

3）低延遲、高可靠性。在信息快速發(fā)展的5G時代，對延遲有更嚴(yán)格的要求。例如，空中接口延遲需要控制在1 ms以內(nèi)，而端到端延遲需要更嚴(yán)格地控制在毫秒量級，傳輸可靠性要求達(dá)到99.99%，以滿足移動控制平臺、無人駕駛和網(wǎng)絡(luò)游戲等場景，從而給用戶帶來良好的使用體驗。

6 結(jié)語

在這個快速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)信息時代，海量的信息一直在傳輸，需要不斷開發(fā)應(yīng)用新的技術(shù)。因此，終端直通技術(shù)、多維復(fù)用和相干技術(shù)、IP和光網(wǎng)絡(luò)深度集成技術(shù)等將作為重要技術(shù)而被采用。隨著時代的發(fā)展，我們使用的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)從1G、2G、3G和4G，快速發(fā)展為5G。在通信系統(tǒng)中，速度和容量都在不斷地提高。我們已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)從保持內(nèi)容的完整傳輸?shù)较型獠扛蓴_因素的效果，以實現(xiàn)準(zhǔn)確的信息接收。盡管每一步都需要巨大的人力、物力和財力，但這是值得的。如今，5G時代的大門已經(jīng)打開，信息時代對各方面的要求顯著提高。低功耗、高傳輸速率和大容量設(shè)備的連接必將實現(xiàn)。