非正交多址接入技术及其应用研究*

雷拓峰，程乃平，倪淑燕，张爱迪

（1.航天工程大学 电子与光学工程系，北京 101416；2.航天工程大学研究生院，北京 101416）

0 引言

频谱是自然界中不可再生的宝贵资源。在以往的无线电通信中，每个用户都会被分配一部分频谱，各用户通过占据不同频谱资源进行通信。但是，随着无线通信需求的增长，传统的通信模式不能满足未来移动通信的需求。面向5G 移动网络通信海量连接、超低时延和高可靠性的要求，尤其是在当下频谱资源日益宝贵的情形下，如何有效提高通信系统的频谱使用效率，是未来通信需要解决的关键问题[1]。目前，大部分的中低频段的频谱已经分配完毕，高频段、特高频段（毫米波）目前仍处于科研阶段，并没有大面积普及推广，因此几乎没有新的频谱可供更多的新型业务使用。虽然无线电频谱资源匮乏，但是统计结果显示，大部分的中低段频谱在大多数时间都没有被充分利用。如图1 所示，美国芝加哥市和弗吉尼亚的无限电频谱利用率最高的只是在电视所使用的频段，其他频段并没有被充分利用，总体的平均利用率为30%[2]。

图1 频谱利用率比较

1 NOMA 技术发展现状

尽管OFDM 已经很大程度提高了频谱利用率，但是第一代到第四代通信系统都是采用正交的频谱资源接入用户，使得频谱利用率很低，故都不能满足5G 海量连接、高频谱以及低时延的需求。然而，非正交多址技术（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）通过在相同的时频资源叠加多个用户发送的信息，进而使用过载方式提升系统的频谱利用率，目前被认为是5G 中一个关键且具有前途的候选技术[1]。NOMA 技术的核心是通过叠加编码（Superposition Coding，SC）发射机和串行干扰消 除(Successive Interference Cancellation，SIC） 接收机为多用户提供服务[3]。NOMA 技术解决了用户通信的公平性，提高了频谱利用率。该技术可以划分为基于功率域的多路复用和基于码域的多路复用两种工作模式，使得不同信道的多用户能够共享同一资源块。功率域的NOMA 技术通过对各个用户分配适当的功率，可以在频谱利用率和用户公平性之间实现良好的平衡。对于码域的多路复用技术，国内外各大电信公司分别提出了自己的非正交多址方案。例如，华为公司基于系数特性的系数码分多址（Sparse Code Multiple Access，SCMA）、高通的资源扩展多址（Resource Spread Multiple Access，RSMA）以及大唐基于图样矩阵的图样分割多址接入（Pattern Division Multiple Access，PDMA） 等。此外，NOMA 技术还具有很好的扩展性，可以和MIMO 技术结合（称为MIMO-NOMA）进一步提高频谱利用率。目前，文献[4]已经证明了MIMONOMA 系统相比于MIMO-OMA 系统具有更高的系统容量，因此未来NOMA 技术发展前景广阔。尽管5G 技术已经在全球广泛展开，但是基站的建设以及地形等因素限制了其广泛推广。由于卫星通信不受基站部署影响，可以为地面通信难以覆盖的区域提供服务，因此也有很多学者对卫星上应用NOMA技术进行了相关研究。文献[5]研究了在多普勒情况下，LEO 通信卫星系统下行链路NOMA 性能分析，并对GEO 卫星场景的NOMA 性能进行了简要分析；文献[6]讨论了5G 中多卫星中继传输的相关技术和难点问题；文献[7]在多波束卫星NOMA 框架下，提出了一种新的信道估计算法。此外，为满足卫星通信中5G 的需求，文献[8]介绍了NOMA 在各种卫星架构中的应用概况，且有学者研究了卫星的信道模型以进一步提高通信容量[9]。因此，对于我国发展2030 空天一体化网络重大项目而言，研究NOMA 技术具有非常重要的意义。

2 NOMA 与认知无线电

认知无线电作为一种新兴的技术，主要致力于为通信网络提供灵活的频谱共享和接入，是可以解决未来频谱资源匮乏的一种方式。它的基本原理是对周围的频谱信息进行周期性检测，根据检测的环境信息智能调整系统参数，完成认知通信。该项技术可以灵活使用有限的频谱，从而有效调用频谱，提高频谱的利用率。通常情况下，一个认知无线电频谱管理系统由认知、决策、共享和频谱迁移4 个方面组成[10]，如图2 所示。频谱感知技术是认知无线电技术的关键，只有通过频谱感知才能测出此时没有被充分利用的频谱，进而提高频谱利用率。

图2 频谱管理系统

目前，大多数用户通信仍然采用正交多址接入方式。但是，随着物联网技术的应用，接入用户数的海量增长，目前的正交多址方式不足以承受物联网通信带来的巨大负荷。NOMA 作为一种非正交多址接入技术，可以有效解决这一问题。

将NOMA 技术与认知无线电技术结合，可以动态地为用户分配资源。当接入用户的信道质量较差时，基站可以给用户分配更多的功率，以保证各个用户之间的公平性。此外，因为采用NOMA 技术，每一个用户都有相应其他用户的信息，可以采用信道质量好的用户作为“中继站”为其他用户提供中继信息。NOMA 技术也可以结合认知无线电系统中的其他相关技术，如NOMA-OFDM 技术是NOMA技术结合认知无线电OFDM 技术而来的，被称为认知NOMA-OFDM 系统。它可以将检测的整个频谱划分为数个子载波，在每个子载波上利用NOMA 技术接入多用户进行服务。相比传统的ODFM 技术，认知NOMA-OFDM 系统可以自适应调整各子载波的间距、子载波功率和调制方式等来避免外界干扰，且支持多用户接入子载波，在充分提高用户通信速率的同时，更加强调各个用户之间的公平性。正因为NOMA 技术具有非常良好的兼容性且能够结合认知无线电技术为用户动态分配资源[11]，所以NOMA技术是5G 发展的关键技术之一。

3 NOMA 技术在5G 中的应用

目前，非正交多址有多种方案，研究较多的是基于功率域的非正交多址技术（Power-domain Nonorthogonal Multiple Access，PD-NOMA）。此外，还有各大通信公司研究的基于码域的多路复用技术。面向新兴通信发展，MIMO-NOMA 技术也有望应用于5G 中提升用户服务质量。

3.1 PD-NOMA 技术

PD-NOMA 是从功率域区分不同用户的信息。在发射端，每个用户分配不同的功率，在接收端可以利用串行干扰消除技术（Successive Interference Cancellation，SIC）提取信号信息。假设一个基站为K 个用户提供服务，那么每个接收机的下行信号可以表示为：

其中，si为发射信号，pi为系统功率，hi为信道状态的信息，n表示噪声。

对于两用户的PD-NOMA 系统而言。在接收端采用SIC 接收机分离信号中的信息时，首先把用户2 看作噪声，解调出用户1 的信息，其次利用接收端的信号y减去用户1 的信息，最终解调用户2 的信息。基本原理如图3 所示。

3.2 SCMA 技术

稀疏码分多址接入技术是华为公司推出的非正交多址技术，由CDMA 和低密度扩散矩阵接入（Low-Density Signatures Multiple Access，LDSMA）结合产生。CDMA 的原理是为每个用户分配相互正交的扩频正交码字，因为长度N的扩频码字最多可以产生N个相互正交的码字，所以CDMA 技术无法实现系统的过载，即用户数不能大于码组数。LDSMA 是对CDMA 技术的改进，LDSMA 将扩频码字插入“0”元素，使得扩频序列具备稀疏性，因此实现了用户数大于资源数的系统过载，同时降低了接收端的检测复杂度[12]。但是，在LDSMA 系统中，用户信息是先通过QAM 调制再进行系数扩频。而在SCMA 系统中，数据的调制和扩频过程被融合为一个步骤，SCMA 通过预设的编码直接将用户信息映射到与之对应的码字。通常情况下，SCMA 系统中码本数量大于载波数量。码本数量是与SCMA 资源块子载波数量K和每个码本的非零元素相关的，过载因子等于码本数量除以子载波数量。假设一个码本尺寸为M=4 的码本，子载波数量K=4，码本数量C=6，码本与子载波的映射矩阵可以表示为：

图3 PD-NOMA 的原理

其中行代表子载波，列代表数据层（码本），1 元素表示该码本占用该子载波，0 元素表示该码本没有占用该子载波。可以看出，每个码本只占用部分子载波，同时每个子载波上并非承载所有的码本数据，从而减少多用户之间的干扰[13]。当子载波数量确定后，改变非零元素的数量，可容纳的码本数量随之改变，进而带来不同的过载因子。实际系统中可以根据接入数量需求调整子载波数量和码本非零元素的数量，因此SCMA 系统具有灵活的伸缩扩展性[13]。

采用SCMA 具备的优势：避免了星座符号映射，可以直接完成码字的映射获得赋形增益；低密度扩频可以降低接收端解码的复杂度，且便于采用最大似然算法实现多用户消息的恢复。

3.3 MUSA 技术

多用户共享接入多址技术（Multi-user Shared Access，MUSA）是国内中兴电信公司提出的非正交多址方案，支持免调度传输，可以在低成本、低功耗下实现大量用户的过载通信[14]。相比于CDMA系统采用的长伪随机序列扩频，MUSA 采用低互相关的复数域进行调制扩频，减少了系统的复杂度。

在MUSA 原理框架下，各用户随机选取码组序列，用户信号通过低互相关的复数域多元码序列进行调制扩频，然后将其调制符号扩展至相同的时频资源块[15]。MUSA 与第三代通信系统技术的不同点在于MUSA 将扩频序列设计为复数域的。假若所选择的复数实部和虚部都是±1，则每个用户可以随机选择集合{1+i,1-i,-1+i,-1-i}中的一种作为扩频序列。采用这种方式，对于一个长度为L 的扩频序列，扩频的序列可以达到为4L。

MUSA 技术的优点：实现难度较小，技术的原理简单，并且系统的复杂度可控；扩频序列的选择具有随机性，可以平均干扰进而提高解码的准确性[16]。

3.4 PDMA 技术

图样分割多址技术（Pattern Division Multiple Access，PDMA）是大唐电信公司提出的新型非正交多址接入技术。在发射端给每个用户分配不同的“图样”，将用户所在的时域、频域、功率域或空域的信息等进行多维度扩展。采用SIC 检测时，多用户会因为检测顺序不同，从而使得系统的分集度不同。为了保证每个用户性能的公平性，使每个用户获得基本一致的分集度，即每个用户性能不会有太大的差别，因此需要设计灵活的特征图样矩阵。每个用户的图样是一个二进制向量，其维度是每个符号占据的资源数，“1”代表该用户信息映射到此资源的位置，“0”代表在此资源的位置上不发送该用户信息。PDMA 图样中每一列中“1”的个数表示相应用户的发送分集度，也就是将本用户的信息分散到多个独立的副本上进行发送[1]。PDMA技术利用信号的分集度提升系统的可靠性，编码原理如图4 所示。

以空域PDMA 图样为例，假设PDMA 的图样矩阵为：

该图样矩阵表示3 个数据流从2 根天线发送，天线1 发送数据1 和数据2 的信息，天线2 发送数据1 和数据3 的信息，每根天线发送两个数据流信息如图5 所示。通过PDMA 图样分割，可以实现两根天线传输3 个独立的数据[17]。

图5 空域PDMA

3.5 MIMO-NOMA

此外，NOMA 也可以结合多天线技术（Multiple Input Multiple Output，MIMO），充分利用空间域的额外维度。MIMO-NOMA 是利用功率域和波束形成技术来提高通信速率的有效技术。先在发射端采用MIMO 技术对不同区域进行波束赋形，之后在每个波束范围内采用NOMA 技术对多用户进行服务，如图6 所示。目前，MIMO-NOMA 的研究集中在用户功率分配的公平性和最大化总通信速率和各态历经通信容量等方面上[3,18-20]，且文献[21]已经证明了MIMO-NOMA 技术在传输速率和能量利用率上优于传统的MIMO-OMA 技术。在未来5G 的发展中，MIMO-NOMA 也有望得到实际的应用。

图6 MIMO-NOMA 技术原理

4 NOMA 技术在卫星通信中的应用

尽管地基相关的NOMA 技术已经有许多的研究成果，但是还是不能满足未来移动通信发展的需求。在一些地面站难以部署的区域，如海洋、沙漠区域，难以保障其通信质量。目前，卫星通信主要采用的仍然是正交多址技术（Orthogonal Multiple Access，OMA）进行通信，但是单个正交资源块只能服务一个用户，制约了卫星网络频谱的利用率。截止2019 年1 月，全球互联网使用人数44 亿，普及率仅有57%[22]，即世界上仍然有约一半的人口没有使用互联网。面对这些庞大的用户，Facebook、Oneweb、Google 和SpaceX 等科技巨头已经开展了各自的行动计划和试点项目。例如：Facebook 的雅典娜项目[23]，致力给偏远农村地区提供互联网接入；Google 公司正在建立星座系统[24]，为地面网络无法覆盖的区域提供服务；此外，还有SpaceX 的星链计划[25]和欧盟的2020 地平线计划、Sat5G 计划等。

关于卫星NOMA 技术可以分为4 大类，如图7所示[26]。

图7 NOMA 在卫星上应用

基于合作用户的模式。如图7（a）所示，用户p可以作为中继节点为用户q转发信息。基于NOMA方案，用户p携带用户q的所有信息，所以用户q的可靠性可以通过NOMA 之间的协作进一步提高。这对于人口密度较低的区域来说非常有发展前景。

基于地面基站中继模式。如图7（b）所示，如果用户p和用户q直接链路都不能通信，如有阴影遮挡则必须采用地面中继站中继转发用户信号。在两个用户访问情况下，NOMA 只需要两个时隙就可以满足需求，而传统的TDMA 方案需要4 个时隙。因此，采用NOMA 技术可以减少用户服务的等待时间，提高用户的可靠性[26]。

基于低轨中继卫星的模式。如图7（c）所示，假设通信卫星采用的是GEO 高轨卫星，由于大尺度衰落，用户无法与卫星直接建立通信。此外，GEO 卫星传播时延较长，约为270 ms，也不能满足5G 的需求，所以需要低轨卫星作为中继卫星转发信息。该方案可以为两个阶段。第一阶段GEO 卫星发射两个不同时隙的信号给中继卫星，中继卫星采用SIC 终端进行解码；第二阶段将接收到的信号进行叠加组合，发送给地面用户。

基于低轨中继卫星提高信道质量。如图7（d）所示，如果直接通信的链路质量较差，也可以采用该方案提高信号功率。地面用户同时接收GEO/MEO 卫星和低轨中继卫星的信号，对接收到的两路信号进行解码来提高信号质量。

5 总结展望

随着5G 通信发展的需求，现有的频谱资源已经不能满足多用户高速接入的需求，虽然采用更有效的频谱调制技术可以提高频谱的利用率，但是总体而言，仅存的频谱资源不足以为5G 技术提供高速通信。NOMA 技术作为一种非正交多址方案，多个用户可以共同占用同一频谱资源进行通信，与传统的正交多址方案相比，极大地提高了频谱的利用率。此外，NOMA 技术具备很好的兼容性，可以和OFDM、MIMO 技术结合进一步提高通信的速率。目前，无论是高校研究所还是商业公司，都对非正交多址进行了深入研究，且已经开始部署使用相关技术。对于卫星NOMA 技术而言，由于高轨卫星时延较长，达不到5G 低时延的需求，因此5G 技术普遍采用低轨卫星。但是，高轨卫星可以作为整个系统的中枢，作为整个系统的调度卫星。如图8所示，随着2030 空天一体化网络重大项目规划，未来更多空间都需要海量数据的传输，因此将NOMA 技术应用在卫星通信中提高卫星通信的速率和接入用户数量方面将具有非常重要的意义。

图8 空天一体化网络

6 结语

本文由提高频谱资源利用率引入，分析了NOMA 技术的发展现状，并且结合认知无线电技术讨论了NOMA 技术在移动通信中如何提高频谱利用率。此外，讨论了5G 的NOMA 技术，对NOMA 技术两种工作模式下的相关技术进行简单阐述，并且分析了MIMO-NOMA 技术的基本原理及其优势。最后，结合卫星通信分析了目前商业上卫星通信的发展趋势以及NOMA 在卫星通信下的几种方案，指出了发展卫星通信的必要性。