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非正交多址接入中的若干关键技术研究

徐晋  
【摘要】: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。论文的创新工作如下:首先针对多天线下行广播信道的多址传输,研究复杂度较低、性能优异的时间、频率和空域联合编码图样的设计。提出了一种采用联合功率域叠加和准正交空时编码(Quasi-orthogonal space-time coding, QO-STBC)的非正交传输方案。用户间通过功率进行区分,用户内的数据流通过QO-STBC编码并通过分集度进行区分。首先在功率域内,通过合理的功率分配使不同用户能够在SIC接收机下逐次被检测出来,用户内各个数据流在空时域维度内经过QO-STBC编码后进行传输,通过调整各层数据的发送分集度,使各层数据在SIC检测后具有相同的分集度,从而平衡了各层数据的误码性能。最后,进一步考虑SIC非理性因素,提出了一种优化各层数据码率分配的准则,并根据此准则对各个用户的各数据层的信道编码码率进行了优化。其次针对无过载的上行NOMA信道,对非正交多址传输的一些关键接收机技术进行了研究。针对决定性能优劣的关键的多用户检测,提出了一种基于线性最小均方误差的分量级软干扰删除(Linear Minimum Mean Square Error based Component-Level Soft interference Cancellation, CLSC-LMMSE)迭代检测译码算法。通过仿真和采用外信息转移(Extrinsic Information Transfer, EXIT)图工具分析,说明其在不同的码率和调制方式下均比传统的基于线性最小均方误差的符号级软干扰删除(Linear Minimum Mean Square Error based Symbol-Level Soft interference Cancellation, SLSC-LMMSE)检测算法具有更好的迭代收敛特性。在此基础上,将多元LDPC码和CLSC-LMMSE检测相结合,提出了一种用于高阶调制下的低复杂度高性能的迭代多用户检测算法。最后通过数值仿真对两种算法性能进行比较,数值仿真结果和平均互信息(Average Mutual Information, AMI)曲线分析相一致。最后针对基于OFDM的过载的上行非正交多址接入(Overloaded Uplink Non-orthogonal Multiple Access)方案,设计并提出了一种具有不等分集特性(Unequal Diversity, UED)的多用户稀疏扩频调制图样。该设计方案具有如下的特性:(1)接收端可以采用性能逼近最优的最大后验概率(Maximum a Posteriori, MAP)检测的置信传播(Belief Propagation,BP)算法作为MUD算法,(2)而扩频调制的稀疏特性可以降低接收端的BP检测器的复杂度,(3)各用户UED特性有利于改善BP算法的收敛特性。最后研究了采用BP检测器和信道译码器之间的进行外信息交互的迭代检测译码(Iterative Detection and Decoding, IDD)算法,并提出了针对过载NOMA系统的LDPC码的度分布优化算法,进一步的增强了接收机的检测和译码性能。


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