非正交多址接入(NOMA)与层分复用(LDM)

Posted 2022-11-29 爱吃猫咪的花酱

非正交多址接入(NOMA)最近几年在学术界和工业界都受到了广泛关注。从多用户信息论的角度看NOMA相比正交多址接入(OMA)有着更高的频谱效率/可达(和)速率。但由于其主动引入了用户间干扰(即破坏了用户间信道资源的正交性)，复杂的接收算法成为必需。以功率域NOMA为例，其需要在接收端进行串行干扰消除(SIC)。一方面SIC导致了延时；另一方面SIC存在误差传播效应，即当干扰消除不完全时，会造成后续检测时的信干噪比(SINR)较大，进而检测性能恶化。这一点在用户间信道增益差别不大时尤为显著。

在功率域NOMA的几篇经典文献中均以下图所示的一个基站一个强用户一个弱用户模型为例进行了可达速率的讨论，相比OMA强弱用户的可达速率均有所提升，但是当用户数增多且用户间信道的增益不再具有明显强弱差别时，其性能可能都不及OMA方式。

所以说NOMA在通信资源严重受限的情况下是一个可选的接入技术，但并不是一个在任何场景下都是适合或最优的选择。5G中的eMBB和URLLC场景都没有采用NOMA，而是继续沿用了4G LTE中的基于OFDM的接入方案，即下行OFDMA，上行SC-FDMA(当然5G NR上行也对OFDMA进行了支持)。NOMA目前是mMTC场景的一个备选技术。

NOMA的应用实例一般都是从上面提到的模型扩展而来。如考虑高数据率要求的终端(如手机)和低数据率要求的IoT设备共存的场景，那么手机就是强用户，IoT设备是弱用户。当接入设备很多时，可以通过分组，每一组中一个强用户一个弱用户，组内采用NOMA，而组间采用OMA，等等。

下面介绍功率域NOMA的一个十分成功的应用实例，是美国第三代数字电视标准ATSC3.0中所采用的层分复用（LDM）技术。

随着移动设备（如智能手机）数目的迅速增加，提供高质量的移动TV服务十分必要。所以新一代数字电视广播（DTTB）系统需要考虑新的复用技术来同时支持高容量/速率的固定接收和高鲁棒性低复杂度的移动接收以及这两者之间的平衡。

对于固定接收，比如家里的数字电视，往往需要超高清UHDTV的体验，所以容量/速率的要求很高，一般速率会在十几兆到三十兆左右。故一般采用高阶调制（ATSC3.0最高支持4096QAM）以及较高码率的信道编码，但error-free传输所需要的SNR门限便很高。从另外一个角度看，固定接收机一般体积较大且有持续电源供电，可以方便的集成数字信号处理模块，并且对功率消耗不敏感，可支持接收信号时复杂的数字信号处理。

对于移动接收，比如在手机上看电视，一般高清HDTV就满足了，所以对于速率的要求不是很高，一般就几兆左右。而且由于移动接收时的信道条件更差（如多普勒频移等），所以要求系统的鲁棒性/可靠性更高，故一般采用低阶调制（如QPSK）以及低码率的信道编码，故error-free传输所需要的SNR门限便很低。相比于固定接收机，手机终端等移动设备体积小且为电池供电，所以接收机的复杂度尽量不要太高。

基于上述考虑，ATSC3.0引入了一种新的复用技术——层分复用（Layered Division Multiplexing, LDM）。LDM本质上是一个功率域NOMA的下行场景，即不同的服务数据流在相同的时频资源上同时传输，相比于传统的TDM/FDM表现出更高的频谱效率。

下图所示的两用户下行NOMA场景基本上把LDM的原理和实现方法都讲明白了。

LDM中的移动接收和固定接收两种服务其实分别对应了上图中的弱用户和强用户，与上图同样的道理，对移动接收分配较大的功率，而固定接收分配较少的功率，示意图如下
其中upper layer对应HDTV移动接收服务，而lower layer对应UHDTV固定接收服务，一个关键参数是injection level，该值影响总发射功率在两种服务上的分配。该值越大，则移动接收服务数据流的发送功率就越大，固定接收数据流的发送功率就越小。若该值越小，则刚好反过来。

举个栗子，若injection level为6dB，则$10{\log }_{10}\frac{P_u}{P_l}=6$，即$P_u\approx 4P_l$。换句话说总功率的80%用作移动接收服务，而剩下的20%用作固定接收服务。

发送端进行“叠加编码”，即两路信号直接叠加在一起发送。前面提到移动服务数据采用低阶调制且发送功率往往是采用高阶调制的固定服务数据的数倍，所以叠加信号的星座图实际上是一种superimposed constellation，如下图所示，前者采用QPSK，后者采用非均匀64QAM。

对于移动终端，其直接解调器信号（即将固定接收的信号视为干扰）；对于固定接收机，先解调出移动接收服务的数据，将其对接收到信号的贡献减去，最后解调出自己固定接收服务的数据。