浅谈非正交多址技术
浅谈非正交多址技术(NOMA)
摘要:在频谱资源紧缺的今天,作为一项潜在的5G关键技术,能很好地提高频谱效率的非正交多址接入(NOMA)越来越受到人们的关注。
本文将先简述非正交多址技术的技术原理与特点,与3G,4G时代的技术性能对比以及与面向5G的其他多址接入技术作对比,来分析非正交多址技术(NOMA)的性能优势。
关键字:非正交多址技术,5G。
1非正交多址技术(NOMA)的基本原理
NOMA的基本思想是在发送端采用非正交传输,主动引入干扰信息,在接收端通过串行干扰删除(SIC)实现正确解调。
虽然采用SIC接收机会提高设计接收机的复杂度,但是可以很好地提高频谱效率,NOMA的本质即为通过提高接收机的复杂度来换取良好的频谱效率.下面我们做一个简单的推导来简述原理。
假设UE1位于小区中心,信道条件较好;UE2位于小区边缘,信道条件较差。
我们根据UE的信道条件来给UE分配不同的功率,信道条件差的分配更多功率,即UE2分配的功率比UE1多。
发射端
假设基站发送给UE1的符号为 x1,发送给UE2的数据为 x2,功率分配因子为 a。
则基站发送的信号为
s=sqrt(a) x1 + sqrt(1-a) x2
因为UE2位于小区边缘,信道条件较差,所以我们给UE2分配较多的功率,即0 < a < 0.5。
接收端
UE2收到的信号为
y2=h2 s + n2 = h2( sqrt(a) x1 + sqrt(1-a) x2 ) + n2
因为UE2的信号x2分配的功率较多,所以UE2可以直接把UE1的信号x1当作噪声,直接解调解码UE2的信号即可。
UE1收到的信号为
y1=h1 s + n1 = h1( sqrt(a) x1 + sqrt(1-a) x2 ) + n1
因为UE1的信号 x1 分配较少的功率,所以UE1不能直接调节解码UE1自己的数据。
相
反,UE1需要先跟UE2一样先解调解码UE2的数据 x2。
解出 x2 后,再用 y1 减去归一化的 x2 得到UE1自己的数据,y1 - h2 sqrt(1-a) x2 .最后再解调解码UE1自己的数据。
2非正交多址技术的技术特点
2.1 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。
2.2发送端采用功率复用技术。
SIC接收机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
2.3 不依赖用户反馈CSI。
在现实的蜂窝网中,因为流动性、反馈处理延迟等一些原因,通常用户并不能根据网络环境的变化反馈出实时有效的网络状态信息。
虽然在目前,有很多技术已经不再那么依赖用户反馈信息就可以获得稳定的性能增益,但是采用了SIC技术的NOMA方案可以更好地适应这种情况,从而NOMA技术可以在高速移动场景下获得更好的性能,并能组建更好的移动节点回程链路。
3非正交多址技术(NOMA)的与CDMA和OFDM技术优势比较
3G 采用直接序列码分多址(Direct Sequence CDMA ,DS-CDMA)技术,手机接收端使用 Rake 接收器,由于其非正交特性,就得使用快速功率控制(Fast transmission power control ,TPC)来解决手机和小区之间的远-近问题。
在发送端对距离小区中心比较近的用户进行功率限制,保证在到达接收端每个用户的功率相当。
而 4G 网络则采用正交频分多址(OFDM)技术,OFDM 不但可以克服多径干扰问题,而且和 MIMO 技术配合,极大的提高了数据速率。
由于多用户正交,手机和小区之间就不存在远-近问题,快速功率控制就被舍弃,而采用 AMC(自适应编码)的方法来实现链路自适应。
可以根据链路状态信息自动调整调制编码方式,从而给用户提供最佳的传输速度,但是在一
定程度上要依赖用户反馈的链路状态。
跟CDMA和OFDMA相比,NOMA子信道之间采用正交传输,不会存在跟3G一样明显的远近效应问题,多址干扰(MAI)问题也没那么严重;由于可以不依赖用户反馈的CSI信息,在采用AMC和功率复用技术后,应对各种多变的链路状态更加自如,即使在高速移动的环境下,依然可以提供很好地速率表现;同一子信道上可以由多个用户共享,跟4G相比,在保证传输速度的同时,可以提高频谱效率,这也是最重要的一点。
4 非正交多址技术(NOMA)的与MUSA,SCMA和PDMA技术比较
NOMA采用的是多个用户信号强度的线性叠加,硬件结构不复杂,技术性相对简单,SIC 接收机设备实现难度较低,是非正交多址接入技术中最简单的一种。
对现有其他成熟的多址技术和移动通信的标准的影响不大,可以与4GOFDMA简单地结合。
同时因设备结构和技术原因,系统的最大功率域强度值非常有限,功率域能够划分用户的层次数也不可能太多。
因此,NOMA技术的频率利用率很有限,与5G系统高速率、广覆盖、大容量、低时延、海量连接数的基本要求有一定距离,但其简单成熟的技术对5G系统规划设计多有帮助。
MUSA通过对同一时频承载资源单元采用扩频编码技术,达到可以承载多用户信号的目的。
虽然扩频技术是一种成熟技术,扩频码也是一种低互相关性复数域星座式短序列多元码,但由于扩频过程是在用户信号数据位上操作,扩频作用将会使用户信号码增加到扩频码数的倍数。
所以,同时频承载资源单元的扩频用户数越多,扩频码本身的位数也将越多,通过扩频后的用户信号位数也将呈几何级数增加。
虽然MUSA在同时频用户层数方面优于NOMA,但它是以降低系统性能为代价的,其技术的简单性也不适为5G的选择之一。
SCMA采用的扩频码是一种可以使接收端复杂度较低的消息传递算法和多用户联合迭代法的稀疏码,同时SCMA还辅以F-OFDM时频资源分配的自适应方式,可以灵活地调整时频承载资源单元的大小,不仅可以适应系统空口接入众多业务中的各种需求,还能够一定程度上提高系统的频谱容量和多址接入效率。
但因同是码域系统,同样存在MUSA的缺陷,尤其是稀疏码字以较多的扩频码倍数却只能换来较少的同时频用户层数。
不过稀疏码的可调性,可帮助系统根据空口场景在用户数与系统性能之间平衡调整。
显然,SCMA的整体性能要优于MUSA,其多址接入量和业务调整方式非常适应5G标准。
PDMA是可以在时频承载资源的基础上灵活应用功率域、空域和码域的非正交多址接入技术,理论上系统可以同时采用功率域、空域和码域,所以PDMA的多址寻址能力最强,信道容量最大,频谱利用率最高。
虽然PDMA采用了等效信道响应函数
H方式,但特征图样域矩阵函数Hpdma取值并不简单,当系统能够正确获取到终端与基站间的信道响应函数Hch值后,Hpdma就是决定H正确与否的唯一因素,特别是当系统同时取功率域、空域和码域中的任意1、2个图样域,甚至是3个图样域时,Hpdma值的准确度很难把握。
所以,PDMA的技术性是所有非正交多址接入技术中最复杂的一种,还需要投入较大的研究力量。
参考文献
1张长青面向5G的非正交多址接入技术的比较[M]《电信网技术》, 2015 (11) :42-49 2 王华华,李文彬,余永坤关于5G的非正交多址接入技术分析[M] 无线互联科技2017。
多址接入技术非正交多址NOMA
多址接入技术非正交多址NOMA每一代通信系统有自己独特的多址接入技术。
多址接入技术的目的是让多个用户能同时接入基站,享受基站提供的通信服务,保证各个用户之间的信号不会互相干扰。
第一代移动通信系统(1G)主要采用频分多址接入方式(FDMA),第二代移动通信系统(2G)主要采用时分多址接入方式(TDMA),第三代移动通信系统(3G)主要采用码分多址接入方式(CDMA),第四代通信系统(4G)主要采用正交频分复用多址接入方式(OFDMA),而非正交多址接入方式(NOMA)是下一代移动通信系统(5G)一个热门的技术。
下面从第一代移动通信系统开始介绍每一代移动通信系统所采用的多址接入方式。
频分多址FDMA频分多址,即FrequencyDivision Multiple Access,FDMA。
顾名思义,频分多址利用不同的频带来区分用户,即用户的数据在不同的频带上传输,而从避免用户间信号的相互干扰。
第一代移动通信系统采用FDMA作为多址方式。
FDMA的原理如下图所示,其中User1,User2,User3,User4,User5和User6分别在频点f1,f2,f3,f4,f5和f6上传输数据。
各个频点之间有相应的保护频带,保证每个用户的信号不被其他用户干扰。
时分多址 TDMA时分多址,即Time DivisionMultiple Access,TDMA。
顾名思义,时分多址利用不同的时隙来区分用户,即用户的数据在不同的时隙上传输,从而避免用户间信号的相互干扰。
第二代移动通系统主要采用TDMA作为多址方式。
TDMA的原理如下图所示,其中User1,User2,User3,User4,User5和User6分别在时隙t1,t2,t3,t4,t5和t6上传输数据。
各个时隙的时间不会相互重叠,保证每个用户的信号不被其他用户干扰。
码分多址 CDMA码分多址,即Code DivisionMultiple Access,CDMA。
PDMA(PatternDivisionMultipleAccess)非正交多址接入
PDMA(PatternDivisionMultipleAccess)⾮正交多址接⼊⾮正交接⼊技术的提出是为了满⾜⼤量设备接⼊需求⽽提出的,PDMA是其中⼀种⾮正交多址接⼊技术。
不同⽤户共享资源,利⽤pattern的不同来解调,联合设计发射端和接收端来提⾼性能。
PDMA在国内由⼤唐公司主推,中⽂称为图样分割⾮正交多址接⼊。
⾮正交接⼊技术使得多个⽤户共享资源,免调度传输会使得调⽤相同传输资源的⽤户传输数据时发⽣冲突,冲突会导致单次传输可靠性下降,增加传输时延。
尤其是当⽹络处于重负荷状态时,冲突会使得系统⽆法满⾜5G提出的“超可靠低时延“的要求。
PDMA提出的免调度传输⽅案,通过增加免调度资源池的⼤⼩,使得⼀个免调度资源快上的复⽤⽤户数成倍提升,显著降低免调度资源上⽤户冲突的概率,保证免调度⽤户的低传输时延。
PDMA技术的理论基础是考虑发送端和接收端的联合设计,在发送端将多个⽤户的信号通过编码图样映射到相同的时域、频域和空域资源进⾏复⽤传输,在接收端采⽤⼴义串⾏⼲扰删除(General SIC)接收机算法进⾏多⽤户检测,实现上⾏和下⾏的⾮正交传输,逼近多⽤户信道的容量边界。
基于该理论,PDMA的图样矩阵可以表⽰成N⾏M列的矩阵形式,其中⾏代表复⽤的资源单元,列代表⽤户的图样,且图样之间具有不等分集度的特点,这有利于减少SIC接收机的误差传播,其相对等分集度的多⽤户检测可以获得更优的性能。
为了构造好的不等分集度特性,PDMA图样的设计准则主要考虑如下⽅⾯:(1)具有不同分集度的组数尽量多,以获得尽量⾼的复⽤能⼒;(2)具有相同分集度的组内的⼲扰尽量⼩,使得⼲扰删除时性能尽量优。
基于该分集度构造准则设计的图样矩阵将具有稀疏特性,是⼀种稀疏编码,⽽稀疏编码能够构造出⽆环的Tanner图,利于通过低复杂度迭代检测来实现准最⼤似然检测的性能。
在实际⼯程实现中,通常考虑采⽤性能较优的置信传播迭代译码(BP-IDD)接收机,可以获得接近最优的多⽤户检测性能。
浅析非正交多址接入技术
浅析非正交多址接入技术作者:王波梅晓莉来源:《卷宗》2015年第04期摘要:网络正以超乎我们想象的速度向前发展着,当人们刚刚享受4G网络带给我们便利的时候,5G正在实验室里孕育,相信不久的将来,5G会为我们带来更大的冲击。
虽然现在5G的很多关键技术还没有定论,但普遍认为非正交多址接入(NOMA)将是未来5G理想的多址接入复用技术。
关键词:5G;非正交多址接入(NOMA)1 非正交多址接入(NOMA)技术产生背景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。
在频谱资源紧缺的今天,作为一项潜在的5G关键技术,能很好地提高频谱效率的非正交多址接入(NOMA)越来越受到人们的关注。
2 非正交多址接入(NOMA)基本思想我们知道3G采用直接序列码分多址(Direct Sequence CDMA ,DS-CDMA)技术,手机接收端使用Rake接收器,由于其非正交特性,就得使用快速功率控制(Fast transmission power control ,TPC)来解决手机和小区之间的远-近问题。
而4G网络则采用正交频分多址(OFDM)技术,OFDM不但可以克服多径干扰问题,而且和MIMO技术配合,极大的提高了数据速率。
由于多用户正交,手机和小区之间就不存在远-近问题,快速功率控制就被舍弃,而采用AMC(自适应编码)的方法来实现链路自适应。
NOMA希望实现的是,重拾3G时代的非正交多用户复用原理,并将之融合于现在的4G OFDM技术之中。
从2G,3G到4G,多用户复用技术无非就是在时域、频域、码域上做文章,而NOMA在OFDM的基础上增加了一个维度——功率域。
新增这个功率域的目的是,利用每个用户不同的路径损耗来实现多用户复用。
NOMA的基本思想是在发送端采用非正交传输,主动引入干扰信息,在接收端通过串行干扰删除(SIC)实现正确解调。
非正交多址技术
非正交多址技术非正交多址技术(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)是一种新型的多址技术,它采用功率调制的方式,将多个用户的发射信号合并到一起,通过空时分集和带宽分配的方法在用户机上进行分离,使多个用户可以使用同一个信道、共用同一段时间和频段,从而实现性能增加,功效提高。
1. 工作原理NOMA的工作原理主要是通过功率调制来实现不同用户的信号合成,基于发送用的的功率差异,把归一化的比特序列按不同的功率值发送,接收端则可以根据收到的信号利用空时分集技术将不同用户间的信号分离出来,最终实现多址的传输。
2. 优势(1)提高系统容量:由于NOMA采用了空时分集技术,可以把不同用户的信号合成到一起发出,利用较小的带宽容量,可以提供大量的用户容量,大大提高系统的容量效率。
(2)功效提高:较其他多址技术,NOMA能够提高不同用户之间无线信道下的功效,由于采用了功率调制,可以对多个用户的发射功率进行更精细的调节,最终提高信道的功效。
(3)较好的业务可扩展性:NOMA可以进行动态的分配方法,根据业务的不同,可以调节用户间的信号聚合程度,以实现发射功率的优化,从而实现不同业务的扩展。
3. 缺点(1)复杂的接收结构:要实现NOMA多址传输,接收端需要建立较复杂的结构,其中需要采用SIC技术,用以实现比较精确的空时分集,而这部分增加了接收端的复杂度。
(2)受功率差异制约:NOMA的信号分离依赖于不同用户的发射功率差异,如果这个发射功率差距太小,则不存在足够的发射功率差异,从而不能有效的实现信号分离,这也有可能影响系统的效率。
4. 应用NOMA可以应用于移动通信、宽带接入等,可以有效地提高不同用户之间的连接容量,降低用户之间的无线信道功效,有效地满足无线信道容量和功效之间双重要求。
目前,NOMA已经应用在5G移动通信系统,未来也会用于更多的现代通信系统,以满足动态变化的应用环境。
5G通信网络中的非正交多址技术研究
5G通信网络中的非正交多址技术研究随着技术的不断发展和社会的进步,无线通信的需求越来越迫切。
为了更好地满足人们对高速、高容量、低延迟的通信需求,5G通信网络成为业界关注的焦点。
在5G通信网络中,非正交多址技术(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)应运而生,成为提高系统容量和频谱效率的重要手段。
本文将对5G通信网络中的非正交多址技术进行研究,并探讨其在未来通信系统中的应用。
首先,我们需要了解非正交多址技术的基本原理。
在传统的多址技术中,用户通过时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)或频分多址(Frequency Division Multiple Access,FDMA)来共享无线资源。
而在非正交多址技术中,多个用户在同一个时间和频率资源上同时进行传输,通过采用功率域多址(Power Domain Multiple Access,PDMA)或码域多址(Code Domain Multiple Access,CDMA)等技术手段实现。
非正交多址技术具有许多优势。
首先,它可以提高系统容量和频谱效率。
由于多个用户同时传输,频谱资源得到了更充分的利用,从而提高了系统的总体容量。
其次,非正交多址技术在保证频谱效率的同时,可以较好地满足不同用户的通信需求。
通过控制不同用户的发送功率和码率,可以根据用户的要求提供不同的服务质量。
此外,在非正交多址技术中,用户之间的相互干扰可以通过适当的信号处理技术进行抑制,从而减小系统的总体干扰。
非正交多址技术在5G通信网络中有多种应用场景。
首先,非正交多址技术可以用于提高物联网(Internet of Things,IoT)设备的连接密度。
由于IoT设备数量庞大,传统的多址技术往往难以满足其连接需求。
而采用非正交多址技术可以允许多个IoT设备同时传输数据,从而有效提高连接密度。
其次,非正交多址技术还可以用于提供定位服务。
面向5G的非正交多址接入技术(NOMA)浅析
Integrated network architecture;Cell division;Cell handover;POI;Leak cable
Hale Waihona Puke 0 前言2013 年 5 月,韩国三星电子宣布,率先开发出了首 个 5G 核心技术支撑的移动无线传输网络,在实验室实 现了 1 Gbit/s 的无线数据传输速率,是目前 LTE 最高下 行速率的 10 倍。一年后,瑞典爱立信宣布,其研发的 5G 无线技术部分在测试中,实验室理想状态下的传输 速率高达 5 Gbit/s,这意味着爱立信的 5G 无线传输速 率是目前 LTE 最高下行速率的 50 倍,标志着无线传输 速率再创新高。显然,这些研究工作仅限于 5G 系统中 无线传输的一部分,整个 5G 系统包括的技术特点和网 络架构还远非如此。也就是说,迄今为止还没有一个
本文分析了 5G 系统中 NOMA 的工作原理,尤其是 NOMA 技 术 中 的 关 键 检 测 技 术 —— 串 行 干 扰 消 除 (SIC)技术,分析了 NOMA 技术在发射端和接收端存在 的困难,指出其实现难度,为了解 5G 提供有益的帮助。
1 非正交多址技术 NOMA
NOMA 的基本思想是在发送端采用分配用户发射 功率的非正交发送,主动引入干扰信息,在接收端通过 SIC 接收机消除干扰,实现正确解调。NOMA 技术在时 域仍然可以用 OFDM 符号为最小单位,符号间插入 CP 防止符号间干扰;在频域仍然可以用子信道为最小单 位,各子信道间采用 OFDM 技术,保持子信道间互为正 交、互不干扰;每个子信道和 OFDM 符号对应的功率不 再只给一个用户,而是由多个用户共享,但这种同一子 信道和 OFDM 符号上的不同用户的信号功率是非正交 的,因而产生共享信道的多址干扰(MAI),为了克服干 扰,NOMA 在接收端采用了串行干扰消除技术进行多 用户干扰检测和删除,以保证系统的正常通信。
非正交多址技术
5G:非正交多址接入(NOMA)与串行干扰删除(SIC)在频谱资源紧缺的今天,作为一项潜在的5G关键技术,能很好地提高频谱效率的非正交多址接入(NOMA)越来越受到人们的关注。
NOMA的基本思想是在发送端采用非正交传输,主动引入干扰信息,在接收端通过串行干扰删除(SIC)实现正确解调。
虽然采用SIC接收机会提高设计接收机的复杂度,但是可以很好地提高频谱效率,NOMA的本质即为通过提高接收机的复杂度来换取良好的频谱效率。
作为一项多用户检测技术,SIC早在第三代移动通信技术(CDMA)中被采用。
SIC在性能上与传统检测器相比有较大提高,而且在硬件上改动不大,从而易于实现。
串行干扰删除(SIC)的基本原理是逐步减去最大信号功率用户的干扰,SIC 检测器在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决,判决出一个用户就同时减去该用户信号造成的多址干扰(MAI),按照信号功率大小的顺序来进行操作,功率较大信号先进行操作。
这样一直进行循环操作,直至消除所有的多址干扰为止。
SIC 检测器的每一级只检测一个信号,因此K 个用户就需要K 级判决。
各用户的操作顺序是根据其功率值排列进行的,功率越大的信号越先处理,因为最强的用户越容易捕获。
每级输出的是功率最大用户的数据判决和去除该用户造成的MAI 以后的接收信号,这样可以将多址干扰降到最低,并且信号越弱获益越大,大大增加了检测的可靠性。
多级结构将上一级的输出信号作为下一级的输入信号,重复“检测、估计、检测……”的循环操作,逐步消除接收信号中的多址干扰。
SIC检测器的结构框图如图1所示。
图1例如,在一个由3个用户共享的子信道上,叠加后的信号为x=x(1)+x(2)+x(3)其中,x(i)(i=1,2,3)分别代表3个用户信号,其中,信号功率x(1)<x(2)<x(3),为了简单起见。
在接收端,接收信号y(i)=h(i)x+w(i)其中,h(i)是信道系数,w(i)是信道高斯白噪声和小区干扰。
非正交多址接入中的若干关键技术研究
非正交多址接入中的若干关键技术研究蜂窝移动通信的多址技术经历了频分复用多址、时分复用多址、码分复用多址、正交频分复用多址的演进。
正交多址(Orthogonal Multiple Access, OMA)技术的巨大优势在于其接收端可以使用相对简单的接收机检测算法。
然而信息论的结果表明,非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)传输比正交多址具有更高的可达容量。
随着硬件处理能力的逐步提升,接收机能够处理更加复杂的检测算法,NOMA逐渐引起研究者的兴趣。
对于退化的广播信道(Degraded Broadcast Channel, DBC),如果采用基于功率分配的非正交多址传输,接收端采用串行干扰删除(Successive Interference Cancellation, SIC)的检测算法即可达到广播信道的容量。
在多入多出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)系统中,脏纸编码(Dirty Paper Coding, DPC)是容量可达的,但是发端需要信道状态信息(Channel State Information, CSI)做十扰删除,使其难以在蜂窝通信系统中走向实用。
本文研究并提出了MIMO信道下的空域、时域、功率域联合编码的非正交传输方案及其相应的功率分配和检测算法。
对上行多址接入系统,(1)改进了传统的基于线性滤波的SIC检测算法,进一步的提出增强型的检测算法,并且将低阶伽罗华域(Galois Field, GF)上的低密度奇偶校验码(Low Density Parity Check, LDPC)码同该检测算法相结合,降低了信道译码器的计算量,取得了性能和复杂度的折中。
(2)针对目前移动物联网的发展,研究面向海量连接需求的高谱效的非正交多址传输方式,研究发送端的图样设计和接收端的先进接收机等关键的技术,即从发送端的设计上来降低接收端的检测复杂度,并研究性能逼近单用户界的新型多用户检测(Multiuser Detection, MUD)算法。
5G无线通信系统中非正交多址接入技术研究
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毫米波通信网络中非正交多址接入技术研究
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