非正交多址接入中叠加码调制与解调实验研究

马 骁，李 丹，张景云

（陕西师范大学物理学与信息技术学院，陕西西安 710119）

随着5G通信技术的不断发展，作为5G核心技术的非正交域多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技术逐渐成为研究热点[1-4]。NOMA 有别于传统的正交传输，其在发送端采用非正交发送，通过在功率域分配不同发射功率段来区分不同用户信息，接收端通过串行干扰抵消[5]（Successive Interference Cancellation，SIC）实现各用户数据的正确解调。这种通过不同功率区分用户信息的方式，相较于传统时频域正交技术，更加不直观，学生仅通过课堂教学难以理解和接受。

现有的实验主要针对频分多址（Frequency Division MultipleAccess，FDMA）、时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、及正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）等利用正交化资源为基础的多址接入方式[6-7]。其中TDMA 将不同用户的信息映射到不同时隙段，解决不同用户间的干扰问题；FDMA 通过划分相互正交的频率段，实现不同用户的无干扰传输；而OFDMA 联合考虑时频域，划分出不同的时频资源块，来承载不同用户的信息。而非正交多址接入技术为不同用户分配与之对应的传输功率，接收端根据接收信号功率的差别，进行相应解调。这种利用功率域实现多址接入的方式，相较于时频域更加抽象，学生在学习过程中更加难以理解和掌握。

综上所述，为使学生紧跟通信技术发展前沿，有必要设计一套综合教学实验课程，促进学生理解掌握非正交多址接入技术的原理。通过模拟沙盘教学方法和基于软件无线电联合实验系统设计的三个实验，帮助学生理解叠加信号特征和调制过程、串行干扰抵消作用和非正交多址接入技术的工作原理。

1 实验教学设计

现有相关实验主要针对TDMA、FDMA以及OFDMA等以时频域为基础的正交多址接入技术，而对于非正交多址接入技术，缺乏具有针对性的实验。

为解决上述问题，让学生能够更加形象的理解非正交多址的基本工作机理。总结了如图1 所示的实验内容与任务总体设计思路框架图。分析了基于功率域非正交多址技术的三个关键问题，包括：①单用户多个业务的功率复用问题；②多用户信号的功率域叠加问题；③接收端独立的串行干扰抵消问题。

图1 实验内容与任务总体框架

针对教学重难点，利用模拟沙盘思想，设计了非正交多址接入技术沙盘推演教学方法。让学生扮演传输过程的不同模块，完成不同功能，使得学生能够清晰深入地观察学习各模块的工作原理和流程。

针对实验重难点，针对性地设计了三个实验内容：

①功分复用信号与16QAM 调制信号星座图对比实验。理解高阶调制信号和功分复用信号星座点的相似性和区别。利用点到点数据传输实验，分别进行16QAM 调制传输和两路QPSK 的功率域复用[8-9]叠加信号传输，让学生观察对比两种信号的区别和联系，从星座图的角度理解功率域信号特征。

②基于串行干扰抵消的用户逐级分离解调实验。串行干扰抵消技术是非正交多址在接收端分离不同用户信号及消除多址干扰的关键技术。该实验根据串行干扰抵消基本思想，观察多用户检测和多用户信号逐级判决，加深学生对串行干扰抵消技术中多用户检测、逐级判决、幅度恢复、消除干扰、逐级解调等过程的理解和掌握。

③面向上下行的功率域非正交多址数据传输实验。基于功率域的非正交多址接入技术在上下行传输时有较大的不同，下行传输时，不同用户信号在基站的基带叠加后再变换为射频信号发送；而上行传输时，不同用户信号在信道中进行叠加，两种不同叠加方式使接收端信号形式有所不同。因此需分别对上行和下行传输进行学习以深入掌握功率域非正交多址接入的原理。

根据以上三个实验内容的具体要求，开发了基于MATLAB 和软件无线电平台的综合实验系统，利用该系统达到了以下教学目标：①观察和理解高阶调制信号与功率域叠加信号区别；②了解串行干扰抵消原理及其在非正交多址中的作用；③掌握和理解基于功率域的非正交多址接入技术的基本原理。

2 基于模拟沙盘的教学设计

通过合理设置三个实验，使学生在实验过程中观察功率域叠加信号的特征和解调的过程，理解串行干扰抵消在多用户信号分离和解调中的作用。最终通过撰写实验报告和回答思考题进一步加深学生对非正交多址接入技术的认识，提升学生的思考能力。

非正交多址接入技术作为下一代通信网络关键核心技术之一，需向学生进行详细讲解，让学生掌握和理解其工作过程和原理，区分功率叠加信号特征与高阶调制信号的区别，理解非正交多址与基于时频域的正交多址技术在功率分配中的不同，掌握串行干扰抵消技术在多用户信号分离和解调中的作用，能进行简单的非正交多址接入上下行工作过程及原理的分析。

针对教学重难点，设计了基于模拟沙盘的教学方法[10-12]。如图2 所示，在教学中，通过让学生扮演不同的通信模块，模拟整个通信过程。每个学生完成一个功能，学生之间利用文字和图片进行信息的传递，教师进行时间方面的同步。通过这样的教学方法，学生能够形象具体地观察整个端到端传输过程，理解流程中每个模块的功能和工作原理。通过在教学中引入模拟沙盘方式，有效地提高了学生对非正交多址接入技术的理解，也为后续观察实验现象打下良好的基础。

图2 模拟沙盘式教学示意图

为进一步加深学生对教学重难点的理解和掌握，有针对性地设计了三项实验。首先进行功分复用信号与高阶调制信号的对比实验。实验从星座图角度入手，让学生对比功率叠加信号与较熟悉的高阶调制信号星座图的区别和联系，直观感受和理解功率域信号叠加，思考这两种信号在本质上的不同，增加对信号功率域叠加的认识。另一难点是接收端多用户信号分离和解调。为使学生理解此过程，设计了用户信号分离实验，通过观察发现大功率层和小功率层用户信号处理的区别，观察接收端每步处理后的星座图特点，理解串行干扰抵消的工作原理和作用。在此基础上，利用软件无线电平台，设计模拟了蜂窝网上下行传输实验，借助频谱仪让学生直观地理解功率域叠加信号在同时同频传输时如何解决多址干扰[13-14]问题，思考用户信息如何在功率域进行区分，及上行传输与下行传输的不同[15]。

为加深学生理解，在实验结束后，要求学生认真完成实验报告。实验报告要求学生正确记录实验过程、星座图、频谱结构图，认真回答思考题。

3 实验原理与实验系统

每一代多址技术的研究与应用都离不开其对应基础复用技术，如频分复用、时分复用等。同样，功分复用技术作为非正交多址接入技术的基础，不同于传统复用技术在时频域划分资源，功分复用技术在功率域进行资源划分，以同时服务多个数据流。功分复用中，收发两端分别采用串行干扰抵消技术进行解调和基于叠加码原理的调制方式。

3.1 功分复用原理

以三路信号为例，发射机根据共享同一时/频/空域的不同用户的信道状况自适应地划分和分配不同的功率段，并产生叠加信号进行发送。在此过程中可以通过功率控制算法，使信道容量逼近最大，从而提高接收机分离多路信号的性能。不同数据流对应的功率段S1，S2，…，Sm可以由下式确定。

其中，B、h、σ2和C分别表示信道带宽、信道衰减、噪声功率和数据流目标传输速率。可见，功率段的长度与服务速率成非线性关系。

另一方面，第i个功率段提供的实时速率可由式（2）表示。因此，当信道衰减h改变时，不同功率段的服务速率变化量是不同的。当信道衰减h降低时，服务速率减少量随着i的减小而增大。这个结果表明，功率段的排序对于信道的鲁棒性有着非线性影响。

从上述理论可以看出，基于功率域的复用方式其信号在传输时会根据不同功率层的功率大小进行叠加[16-18]。以每个单路信号QPSK 调制为例，两路信号叠加过程如图3 所示。例子中，上层用户使用功率为S1的功率层进行传输，如左上角四角星型星座图所示，为4 个独立的星座点，每个星座点到原点的功率为S1。下层用户采用功率为S2的功率层进行传输，如左下角圆形的星座图所示，也为4 个独立的星座点。与小功率不同，每个星座点到原点的功率为更大的S2。功分复用机制中，两路信号将同时同频发送，因此两路信号将进行叠加。叠加过程中，小功率信号的星座点将叠加在大功率信号星座点的周围，形成新的星座图。叠加后的信号星座图如图3右侧所示，共16个六角星形星座点。其中4个圆形为原大功率层信号星座点位置，小功率信号四角星形点叠加在大功率信号上形成新的16 个六角星形的星座图。实际接收端接收到的是16 个六角星形星座点的信号。

图3 叠加信号星座图变换示意图

需说明的是，与16QAM 信号相比，两种信号虽然都有16 个星座点，但是在16QAM 信号中，各个星座点之间的距离，即功率关系是不能改变的，而功分复用信号其星座点之间的功率关系由单路信号的功率层决定，因此是可以变化的。同时，16QAM 信号仅能携带一路数据信息，而功分复用信号能够根据需要携带多路数据信息。这一点是同学们在实验中需要学习和注意的。

3.2 实验系统

实验系统由开放无线研究平台（Wireless Open Access Research Platform，WARP）和MATLAB R2018b组成。其中WARP 是一款基于FPGA 设计的软件无线电平台，可以在不同层次上灵活地实现多种无线通信协议。WARP 采用Virtex-6 FPGA，单板可支持2×2MIMO，支持2.4G/5GHz 无线。由图4 结构图可以看出，WARP 的两个收发通道完全相互独立，实验中可以利用一个WARP 板卡同时模拟两个独立用户的行为，即可单独利用任何一个通道进行独立的数据调制和功率映射。

图4 WARP结构图

系统实验时，实验设备连接图如图5 所示，实验上位机与WARP 平台经双绞线与交换机相连，WARP信号发射端口与频谱仪相连。上位机作为WARP 控制端，运行MATLAB 仿真程序并将运行数据经交换机传输到WARP 进行发送，接收端口接收到数据后经交换机传输回上位机端，并在MATLAB 中显示实验结果。

图5 实验设备连接图

4 实验方案

4.1 功分复用与高阶调制信号对比实验

实验进行点到点的16QAM 传输，以及基于多路信息的功分复用传输。其中16QAM 传输将一路信息通过16QAM 调制后传输至接收端，如图6 所示，接收端对16QAM 信号进行解调。而功分复用传输是在发送端产生两个独立的数据业务，将两个业务分配到大功率层和小功率层，分别进行QPSK 调制，并将已调信号进行叠加后发送，如图7 所示，在接收端对收到的叠加信号进行多用户检测和串行干扰抵消，进而对两路数据进行独立解调，恢复出原始数据。其中，星座图6 和图7，横轴为信号的同相分量，纵轴为信号的正交分量。

图6 16QAM调制信号星座图

图7 功分复用星座图

实验要求学生通过观察不同信号在不同位置的星座图特点，理解高阶调制和功分复用之间的区别和联系，能够正确地区分二者的星座图的不同，对基于功率域的信号叠加有一个基本的认识，为后续进行非正交多址实验奠定基础。

4.2 下行场景的非正交多址与SIC实验

下行传输场景指基站向用户发送数据，即一发多收实验。该实验利用两台WARP 来分别模拟发送端和接收端。接收端利用WARP 的两个独立通道模拟两个用户，以此通过模拟一发两收场景进行下行通信过程实验。实验场景中，模拟基站需将两个独立的业务分别发送给两个用户。发射端首先根据非正交多址的原理将两个业务分配至不同的功率层，分别调制后进行叠加，将叠加后的信号进行发送。注意此时发送的信号是在设备内叠加的信号。在接收端，分配至大功率层的用户将接收信号直接按照QPSK 信号进行解调，而分配到小功率层的用户使用串行干扰抵消技术，先对接收信号中的大功率信号进行分离，再对下层信号利用QPSK 解调出原始数据信息实验图如图8 所示。

图8 下行实验图

实验通过对非正交多址接入技术下行传输的模拟，要求学生理解一发多收场景下的非正交多址功率层分配方法和原理。通过观察星座图理解不同功率层用户解调叠加信号的区别。掌握串行干扰抵消技术在功率域叠加信号分离和解调中的作用和原理。

4.3 面向上行场景的非正交多址传输实验

实验通过两发一收来模拟上行传输场景。前面实验中叠加信号是在设备内部进行叠加后再发送到信道的，所以接收端接收到的两个叠加后的信号经历了相同的信道传输。而在上行传输场景中，两个用户的信号是在空中进行叠加，接收端接收到的信号虽然也是功率叠加信号，但是两个信号经历了不同的信道，这使得解调时信道训练和估计更加复杂，实验如图9 所示。

图9 上行实验图

实验要求学生着重观察空中叠加信号的星座图与之前实验中的区别，以及上行信道的差别对接收端的影响，思考这种变化的本质和解决的方法。

5 结论

针对教学中较难理解和掌握的非正交多址接入技术，首先利用模拟沙盘的教学方法，通过让学生对非正交多址接入中各环节进行模拟推演，帮助学生理解关键技术的原理和重点观测对象。在此基础上，从功率域信号叠加、接收端串行干扰抵消多用户信号分离以及模拟上下行场景数据传输等三个方面设置实验内容，实现学生对于面向功率的非正交域的多用户信号叠加、传输以及接收处理等过程和原理的深入理解和掌握。