5G上行非正交多址接入技术解析

### 5G 上行非正交多址接入技术解析 在 5G 通信技术的发展中，上行非正交多址接入（NOMA）技术因其能够有效提升系统容量和频谱效率，成为了研究的热点。本文将深入探讨 5G 上行 NOMA 技术在不同场景下的应用，以及其发射机和接收机的相关原理与算法。 #### 1. eMBB 小数据场景 - **流量模型**：eMBB 小数据的流量模型基于 3GPP LTE eDDA 研究成果。典型的小数据服务包括背景服务和实时消息服务，其数据包大小遵循帕累托分布，经过拟合和修改，eMBB 数据包大小假定为 50 - 600 字节（包含高层开销），帕累托指数α = 1.5，每个用户的流量遵循泊松到达。当用户进行数据传输时，较大的数据包可分割为多个传输块（TB），RLC 和 MAC 头开销总计假定为 5 字节。 - **评估方法**：对于免授权传输，基线配置为 5G NR 中的配置授权类型 1 或类型 2，每个用户的时频资源和 DMRS 半静态配置。对于上行 NOMA，时频资源、DMRS 和 NOMA 签名也半静态配置，只要 DMRS 池或 NOMA 签名池足够大，就能避免 DMRS 冲突和 NOMA 签名冲突。此外，eMBB 还可模拟动态调度，此时需考虑控制信令，模拟平台应能同时模拟下行和上行。 - **性能指标**：在免授权传输情况下，关键性能指标与 mMTC 类似，即特定数据包到达率（PAR）下的数据包丢弃率（PDR），或维持特定数据包错误率（如 1%）时可支持的数据包到达率。数据包丢弃的定义与 mMTC 类似，其他指标包括传输延迟、物联网（IoT）和资源利用率（RU）。使用动态调度时，相关性能指标是特定 PAR 下的用户体验速率，或维持特定 PDR（如 1%）时的体验速率。 #### 2. uRLLC 场景 - **流量模型**：uRLLC 的典型数据包大小相对较小，排除高层信令后，数据包大小固定，如 60 字节或 200 字节。可假定为泊松到达或周期性到达，前者应用更广泛。uRLLC 服务的关键要求是超高可靠性和极低延迟，模拟中可靠性目标为 99.999%，60 字节数据包的延迟要求为 1 毫秒，200 字节数据包的延迟要求为 4 毫秒。 - **评估方法**：在无竞争免授权传输中，以配置授权类型 1 或类型 2 为基线，每个用户的时频资源和 DMRS 半静态配置。对于上行 NOMA，每个用户的时频资源、DMRS 和 NOMA 签名半静态配置，只要 DMRS 池和 NOMA 签名池足够大，就能避免冲突。由于可靠性要求为 99.999%，若严格遵循通用方法，模拟复杂度会很高，因此采用简化方法，将平均块错误率（BLER）视为可靠性。 - **性能指标**：uRLLC 的关键要求包括可靠性和延迟。考虑简化方法，主要性能指标可以是特定 PAR 下满足可靠性和延迟要求的用户百分比，或一定百分比（如 95%）用户满足可靠性和延迟要求时可支持的最高 PAR。其他指标包括用户间的可靠性分布、IoT 和 RU。 #### 3. NOMA 发射机和接收机简介 NOMA 主要有三大类，其发射机侧处理具有特定特点。在传统 5G NR 规范支持的正交多址接入处理模块基础上，为支持 NOMA 增加了新的模块： - **符号级线性扩频**：在传统调制后进行符号级扩频，以分离不同用户的调制符号。数据传输速率与扩频长度有关，一般扩频长度越长，数据速率越低，扩频序列间的互相关性也越低。 - **比特级处理**：信道编码后，为每个用户应用特定的比特交织器，与传统比特交织器不同，前者是用户特定的，而后者对所有用户通用。 - **多维调制**：信号调制和符号级扩频联合设计，使用一组码本，将编码比特直接映射到扩频调制符号。 此外，还有资源稀疏映射模块，与传统系统不同，可通过符号级扩频或多维码本实现。 传统移动通信系统基于正交多址接入（OMA），目前标准中采用的信道编码针对单用户进行了优化。对于多用户 NOMA 传输，虽有相关研究，但 NOMA 研究项目主要关注扩频、调制、交织和加扰等信号处理，信道编码暂无增强。 NOMA 接收机的实现对于实现良好性能至关重要，其一般结构由检测器、信道解码器和干扰消除模块组成。检测器的主要功能是解调信号并输出对数似然比（LLR）和软比特，信道解码器负责信道编码，可输出硬判决（比特为 0 或 1）或软比特，干扰消除模块用于消除干扰信号。 NOMA 有三种类型的接收机： | NOMA 发射机类别 | 具体解决方案 | 典型接收机类型 | | --- | --- | --- | | 符号级线性扩频 | 多用户共享接入（MUSA）、非正交码接入（NOCA）、韦尔奇界扩频多址接入（WSMA）、资源共享多址接入（RSMA）、非正交编码多址接入（NCMA）、用户分组多址接入（UGMA）、模式定义多址接入（PDMA） | MMSE - 硬干扰消除（IC）（一般使用）；EPA + SISO（用于高频谱效率情况） | | 比特级处理 | 低码率扩频（LCRS）、交织器分割多址接入（IDMA）、异步扩频多址接入（ASMA）、交织网格多址接入（IGMA） | ESE + SISO（一般使用）；LCRS 也可使用 MMSE - 硬 IC | | 多维调制 | 稀疏编码多址接入（SCMA） | EPA + SISO | 符号级线性扩频可追溯到 3G 上行的码分多址（CDMA），但 3G 扩频长度通常较长，适用于低速率语音服务。与 5G 免授权 NOMA 情况有很大不同。 mermaid 流程图展示 NOMA 发射机处理流程： ```mermaid graph LR A[信道编码] --> B[传统比特交织] B --> C[传统比特加扰] C --> D[传统调制] D --> E{新模块选择} E -->|符号级线性扩频| F[符号级线性扩频] E -->|比特级处理| G[用户特定比特交织] E -->|多维调制| H[多维调制] F --> I[资源映射] G --> I H --> I ``` 通过以上对 5G