基于第五代通信系统的NOMA仿真实现

刘 红

（西藏大学，西藏 拉萨 850000）

引言

近年来，NOMA作为5G关键技术备受关注。与其他多址技术相比，NOMA的优势是能显著提高系统容量和在相同的频谱效率下为多个用户提供相同的资源。热门技术中的复用技术，它能为无线通信系统的性能提供了新的增长空间。而NOMA系统也是采用同样的方法改变原来单个用户独占一个信道的通信方式。由于采用了NOMA系统，在提高频谱效率、用户公平性、系统容量和设备接入量等方面都有明显的优化。NOMA技术是一项值得深入探究的5G技术，在5G时代具有重要影响[1-2]。因此，本项目也是基于MATLAB或其他平台来实现第五代通信系统的NOMA仿真。

1 研究目的

随着时代的发展，移动通信系统经历了从1G到5G的发展。每一代通信系统都在技术上取得了突破，给人们的生活带来了极大的便利。1G用户信息通过频分多址（FDMA）技术叠加传输，使人类首次实现移动无线通信，但该技术也存在一些问题，如用户数据传输速率低，信号通过信道传输时干扰严重等。2G对用户信号进行数字调制，以提高信号的抗干扰能力和信号质量。同时，采用时分多址（TDMA）技术来提高用户的接入能力。但是2G中有许多通信系统与这些通信系统彼此不兼容，所以还是有一定的缺陷。3G在原有FDMA和TDMA的基础上，通过增加码域支持更多用户接入。3G带宽为用户提供更快的数据速率，使得数据业务种类不断增加。但是它能支持的设备数量是有限的。4G采用正交频分多址（OFDMA），极大地提高了数据速率和频谱利用率。然而，随着人们生产生活的智能化越来越普及，庞大的设备数量使得通信业务和数据流量的巨猛增长，5G通信系统急需采用新的多址技术来满足更快的数据速率和更高的频谱效率，以保证智能化的生活需求。

2 研究思路

2.1 发射机采用功率复用技术

与传统方式相比，NOMA方案中区分用户的关键点在功率，且采纳了功率复用技术。在发送端，使用功率复用，用不同功率可以同时给多个用户发送信号。在接收端，接收机可以根据功率差分离发送给用户的信息。在NOMA系统中，当有不同信道增益的用户进行功率复用时，我们是将用户的信道增益差转化为复用增益。在每个用户的叠加编码中进行功率分配系数时，给增益高的用户划分为较小的功率，用户将获得更大的带宽，产生更大的速率增益。相反，增益低的用户获得的功率就大，它们在叠加信号中就会占很大比例。为了防止他们在恢复过程中被淹没在强用户信号中，辨别他们的最好方式就是所占比例。虽然使用功率复用的多个用户会相互干扰，这将在一定程度上限制每个用户的速率，但所有的复用用户将享受更大的可访问带宽，因此频谱效率和用户访问公平性可以大大提高[3-4]。

2.2 接收机采用碳化硅技术

在NOMA系统中，多用户之间进行信号传输，不可避免地会产生干扰，SiC是多用户检测中常用的干扰消除技术。在NOMA中，发送端的功率复用使得到达接收端的每个用户的信号功率不同，接收机可以根据每个用户的不同功率来辨别用户信号。由于接收机解码工作量很大，不仅需要对自身的用户信息进行解码，还需要对其他用户信息进行解码，系统延迟是不可避免的。SiC技术可对接收到的叠加信号依次消除干扰，实现多用户分离，并逐渐减去最强用户信号的干扰，得到用户信号解码[5]。

3 研究方法

1）传输阶段中，叠加编码过程中是通过Turbo码或低密度奇偶校验（LDPC）等编码技术对传输信号进行信道编码，根据信道状态信息对信号进行编码。然后基站根据不同的CSI向用户分配功率，对信号进行功率叠加，通过线性叠加传输，从而实现多个用户信号的叠加传输。基于叠加编码的思想，即可使得每一个子载波可以承载多个用户。

2）不同的地区由于气候地理环境等因素的不同，在功率分配时，考虑到山区等边远地区信道条件较差，基站将较大的传输功率分配给他们，相反，城市的信道条件较好一些，分配的传输功率就较小一些。

3）在接收端，我们使用SiC算法处理接收到的叠加信号，因为它具有更大的功率，并且其自身的有用信号相对较强，可以直接解调叠加信号。在山区边远地区由于被分配功率是较大的，所以其他较小的信号对山区地区的用户就是干扰信号，我们将其直接作为噪声除去。而城市用户获得的是低功率信号，他们无法直接获得自身信号，必须要先将高于自己信号强度的信号解调，然后从混合信号中滤去才可获得自身信号，相比山区边远地区的用户而言，城市的用户获取自身信号更为复杂些。

4 获取结果

由于NOMA采用了非正交多址技术，即功率复用，因此，与OMA系统相比，NOMA具有更高的速率，如图1所示。具体来说，在传统的OFDM系统中，每个子载波占用一个子信道，并且每个子载波只能承载一个用户。然而，在NOMA系统中，每个子载波可以与多个用户叠加。用户通过功率叠加进行叠加和编码，然后在接收端通过SiC（连续干扰消除）进行解码。因此，与OMA系统相比，NOMA系统可以访问更多的用户，实现更高的系统容量。

误码率与信噪比的关系图如图2所示，误码率和信噪比相互影响，信噪比越大，噪声的影响越小，误码率越小。本研究的理想结果是即使在误码率很小的情况下也能实现超高的传输速率，但实际的实验结果仍然不能令人满意。

5 创新与特色

NOMA技术中采用多个用户共享相同的时频域资源进行传输。通过基站分配给叠加用户的信号功率的差异来区分用户，实现多址接入。接收机使用干扰消除算法来消除叠加用户之间的干扰，并对自己的信号进行解码。NOMA技术将多个用户信息叠加在同一资源块上进行传输，在同一频谱资源上具有更高的系统容量，可以有效满足5G的通信需求[6-7]。

1）超高的传输速率。与之前的通信系统相比，采用NOMA技术，传输速率将进一步提高。它完全支持智能业务等多种业务，在大容量场景下传输速率可达数十Gbit/s。

2）低功耗、大连接。5G可以提供海量设备同时接入的能力，满足超密集区域的通信需求，如音乐会、体育赛事、实践活动等大型活动。同时，采用一系列低功耗基站、流量均衡技术、移动中继等技术，实现了低功耗、低成本的数字连接。

3）低延迟、高可靠性。在信息快速发展的5G时代，对延迟有更严格的要求。例如，空中接口延迟需要控制在1 ms以内，而端到端延迟需要更严格地控制在毫秒量级，传输可靠性要求达到99.99%，以满足移动控制平台、无人驾驶和网络游戏等场景，从而给用户带来良好的使用体验。

6 结语

在这个快速发展的网络信息时代，海量的信息一直在传输，需要不断开发应用新的技术。因此，终端直通技术、多维复用和相干技术、IP和光网络深度集成技术等将作为重要技术而被采用。随着时代的发展，我们使用的网络已经从1G、2G、3G和4G，快速发展为5G。在通信系统中，速度和容量都在不断地提高。我们已经能够实现从保持内容的完整传输到消除所有外部干扰因素的效果，以实现准确的信息接收。尽管每一步都需要巨大的人力、物力和财力，但这是值得的。如今，5G时代的大门已经打开，信息时代对各方面的要求显著提高。低功耗、高传输速率和大容量设备的连接必将实现。