非正交多址接入（NOMA）背景、优势、技术方案、未来研究方向

技术引入背景：在传统的蜂窝通信系统中,主要用的是正交多址接入技术OMA,使用OMA可以在低复杂度的情况下轻松分离出不同用户信号所携带的信息。但是,OMA的一个缺陷是支持的用户数量受到可用正交资源数量的限制。 此外,尽管使用了正交的时频码资源,信号经历信道时,由于时延、频偏和多普勒频移,其正交性总是不可避免地被破坏。 因此,如果仍然局限于OMA技术,无法在有限的资源内接入更多的用户,就无法达到5G的频谱效率和大规模连接要求。

NOMA的作用：该技术可以实现有限频谱资源的复用,在接收端通过先进的接收机技术来分离每个用户的数据。与OMA技术相比,使用NOMA技术可以显著提高传输速率和系统容量，在遍历总和率方面,NOMA 具有良好的性能，分析中断概率和分级顺序等等

NOMA的优势：相比于 OMA 技术,NOMA 技术可以提供更高的传输速率。具体来说,NOMA的优势体现在以下几个方面:

(1) 信道容量

通过加标签的方法,NOMA 技术可以区分不同的用户,使得不同的用户可以在时间域和频率域上复用资源。 相对于OMA技术,NOMA 技术可以更接近多用户系统的容量界。 此外,在用户之间的公平性、调度的灵活性以及传输速率总和上,NOMA技术都具有更明显的优势。

(2) 提升频谱效率和小区边缘吞吐量

在 NOMA 中,用户分享非正交的时频资源。在 AWGN 信道中,虽然 OMA 和 NOMA 都可以达到容量界,但是 NOMA 可以保证更大的用户公平性。

(3) 大连接

在 NOMA 中,支持的用户数量不受正交时频资源的严格限制。 因此,在资源不足的情况下,NOMA 能够显著增加同时连接的用户数量,所以可以支持大规模连接。

(4) 更低的延迟和更少的信令开销

在传统的依赖于访问授权请求的 OMA 中,用户发起连接必须先向基站发送调度请求,基站在收到请求之后,通过下行链路发送信号来调度响应用户的接入请求。 因此这将极大增加传输延迟和信令开销,在 5G 的大规模连接情况下这是不可接受的。 LET的访问授权过程大约需要15.5ms,这无法满足 5G 中用户延时保持在1ms以下的要求。 而在一些NOMA的上行链路中, 不需要动态调度。 例如,在 SCMA 的上行链路中,可以为与时域和频域中定义的预配置资源(例如码本) 相关联的用户实现无授权的多址访问。 此外,在接收机处, 使用盲检测和压缩感知(Compressive Sensing,CS)可以用于数据检测,实现了无授权的上行链路传输,显著减少了传输的延迟和信令开销。

(5) 不需要准确的信道状态信息

在功率域NOMA中,对信道状态信息的准确性要求降低,因为信道状态信息仅仅用于功率分配。 只要信道不快速改变,不准确的信道状态信息将不会严重影响系统性能。

非正交多址技术方案：

签名方案的设计是区分不同用户的重要手段。通过在链路上进行替换或增加模块,是现有 NOMA 技术签名设计的方法。各通信公司都提出了基于不同签名设计方案的 NOMA 方案, 常用的签名方案包括比特级加扰器、比特级交织器、符号级加扰序列、符号级扩频序列、调制方式、映射方式以及功率分配等。

 未来的研究方向：

(1) 扩频序列或码本设计

在低密度扩展(Low-Density Spreading,LDS)多址系统中,由于资源分配的非正交性,用户之间存在相互干扰。 在每个正交资源处叠加符号的最大数目是不确定的,用户的特定扩频序列或码字对接收机 的干扰抵消能力有直接影响。 因此,应该优化消息传递算法,以便在接收机复杂度和支持的用户负载 之间达成折衷。

(2) 与 MIMO 相结合

将 NOMA 与 MIMO 结合可以利用 MIMO 系统 的空间分集增益或复用增益来进一步提高频谱效 率。 但是,这也存在技术难题,以功率域 NOMA 为例,其关键思想是根据不同用户的信道增益分配不 同的发送功率。 对于单天线系统来说,因为信道增益是标量,所以可以比较不同用户的信道增益。 但 是,在 MIMO的场景中,信道增益由矩阵表示,因此, 很难确定哪个用户的信道状态更好,这种情况导致 了NOMA实现的困难。

(3) 接收机设计

对于 5G 中的 mMTC 场景,基于最大后验概率 (Maximum A posteriori Probability,MAP)的接收器的 复杂性可能会变得过高。 因此,MPA 的一些近似解决方案可用于降低接收机的复杂性。 例如干扰的高斯近似,它将干扰加噪声建模为高斯分布。 当连接数量变多时,这种近似变得更加精确。 对于基于串行干扰抵消( Successive Interference Cancellation, SIC)的接收机,传播错误会造成系统性能的下降, 因此,良好的接收机设计是有必要的。

(4) 与认知无线电相结合

通过认知无线电网络的概念,可以体现出 NOMA 技术的优势,将 NOMA 系统中信道条件较差的用户 视为认知无线电网络中的主要用户。 如果使用传统的OMA,则分配给该主要用户的带宽资源仅由该用户独占,即使该用户与基站的连接较差,也没有其他用户可以使用这些带宽资源。 使用 NOMA 的好处在于认知无线电网络中,可以允许其他用户使用主要用户占用的频带资源。 尽管这些用户可能会对主要用户造成干扰,但可以显著提高总体系统吞吐量。

(5) 信道估计

在大多数研究 NOMA 的论文中,都假定使用完美的信道状态信息(Channel State Information,CSI) 进行资源分配或多用户检测。 然而,在真实系统中获得完美的CSI是不切实际的,因此在NOMA中存 在信道估计误差。 随着未来 5G 系统中用户数量的增加,将导致更大的用户间干扰,进而可能导致严重的信道估计误差。 因此,需要更高级的信道估计算法以在 NOMA 系统中实现准确的信道估计。

(6) 全双工 NOMA

全双工NOMA在上下行同时使用NOMA传输,有效地确保了上行和下行链路用户之间的频谱共享,并避免了信道条件差的下行链路(或上行链路)用户占用稀缺带宽的情况,相比于半双工 NOMA ( Half - Duplex NOMA,HD-NOMA),能够增加系统的容量。 然而, FD-NOMA 可能会在上行链路和下行链路传输中引起强烈的同频道干扰。 例如,对于上行链路传输,由 FD-NOMA 引起的残留自干扰会降低基站的接收可靠性,而对于下行链路传输,来自上行用户的信号会对下行用户造成强烈干扰。 因此,如何有效地抑制同频干扰是使用FD-NOMA的一个难点。

文章引用自：杨一夫,武刚,李欣然,等. 面向后 5G 的非正交多址技术综述[J]. 无线电通信技术,2020,46(1):26-34.