王 钢，许 尧，周若飞，张嘉贺

(1.哈尔滨工业大学 通信技术研究所，黑龙江 哈尔滨 150001；2.北京邮电大学 国际学院 物联网工程， 北京 100876)

0 引言

随着智能终端和媒体业务的多样化发展，无线移动通信逐渐成为人类社会信息网络中的主要通信方式，智能物联网和移动互联网则将成为未来无线移动通信业务的主要载体。为实现超高清视频、沉浸式多媒体交互等高服务质量业务体验，未来移动通信系统将面临诸多挑战[1]：超高用户体验速率、超高频谱效率、超高连接密度及超低切换时延等。因此，如何进一步提高通信系统的频谱效率以满足更高的业务需求成为当前亟待解决的难题。纵观移动通信系统发展史，多址接入技术决定了通信系统的基本容量及设备的复杂度，随着移动通信系统性能要求的不断提高，每一代移动通信系统的发展均离不开新型多址技术的使用和推广。由于接收机复杂度的限制，前四代移动通信系统均采用了正交多址接入技术(Orthogonal Multiple Access，OMA)。因此，开发新型多址接入技术为实现系统高频谱效率提供了新思路。

近几年，功率域非正交多址接入(Power Domain Non-orthogonal Multiple Access，PD-NOMA)因其优越的频谱效率而备受关注，并被公认为是下一代移动通信网络中一种有前途的多址接入方案[2-3]。一方面，非正交多址技术可在有限资源下增大现有用户设备的接入密度，提升系统容量。另一方面，其通过改进协议实现免调度接入，减少网络基础设备间的信令开销，从而缩短用户设备的接入时延[4]。

通过深入分析未来无线移动通信网络中应用场景的特点，PD-NOMA主要解决两大类问题：第一类是小区边缘、高速移动等恶劣环境下小区平均容量、边缘用户容量受限的问题。其利用远近效应可获得比正交多址更高的容量增益，大幅提升小区边缘用户的吞吐量性能；第二类是对于智能家居、智能电网、环境监测、智能农业及智能抄表等业务，需要网络支持海量设备连接及大连接带来的控制信道开销过大的问题。

综上，为满足未来无线密集网络海量接入和超大容量的需求，功率域非正交多址接入技术成为未来移动通信的演进趋势和突破方向。然而，该技术从理论到实际应用的转化目前仍存在较多阻碍，比如接收机复杂度过高及解码错误传播等。本文主要对功率域非正交多址接入技术及其研究现状、趋势和挑战进行介绍，以期推动该技术成果转化并为相关读者提供借鉴。

1 NOMA技术简述

1.1 NOMA技术分类

为提高系统频谱效率，相关研究人员已提出多种NOMA技术。如图1所示，现存NOMA技术按复用域大致分为3类。其中，功率域NOMA和码域NOMA分别在功率域和码域实现复用。码域NOMA采用稀疏序列或低相关的非正交序列区分用户，且共享码域外全部的可用资源(时频资源)。

图1 NOMA方案的分类

码域NOMA可分为低密度扩频CDMA (Low-density Spreading CDMA，LDS-CDMA)、低密度扩频OFDM (Low-density Spreading OFDM， LDS-OFDM)及稀疏码分多址(Sparse Code Multiple Access，SCMA)。LDS-CDMA及LDS-OFDM均采用低密度扩频序列以降低原有系统中码片干扰的影响。相比LDS-CDMA，SCMA将信息比特映射和扩展相结合，将比特直接映射到不同的稀疏码字，可实现低复杂度接收并进一步提升性能。另外，基于复数域扩展序列和叠加编码的多用户共享接入技术(Multi-user Shared Access，MUSA)也是一种十分有潜力的码域NOMA技术，其可实现免调度用户接入，但系统性能和接收机复杂度对采用的扩展序列十分敏感。

此外，也存在一些其他NOMA技术，包括图样分割多址(Pattern Division Multiple Access，PDMA)和空分多址(Spatial Division Multiple Access，SDMA)。PDMA的基本思想是最大化用户间差异性后最小化用户间重叠，然后在码域、空间域或二者混合域进行复用。SDMA则是在传统CDMA系统的基础上，不使用特定扩频序列，而是使用用户特定的信道脉冲响应进行用户区分。其适用于上行链路用户数量远大于基站接收天线数目的场景。

1.2 PD-NOMA基本原理

PD-NOMA技术在发送端采用功率域叠加编码(Superposition Coding,SC)，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)接收机实现正确解调，是一种公认的可达到高斯标量信道容量的NOMA接入方案。图2给出典型的两用户下行NOMA方案，其中中心接收机U1和边缘接收机U2所需信息分别为x1和x2，则发射机对两信号进行功率域叠加编码获得发送信号:

(1)

式中，Pt为发射功率，a1,a2分别为接收机U1，U2对应的用户功率分配系数，且满足a1>a2，a1+a2=1。

接收机处的接收信号可表示为：

y1=h1xs+n1，

(2)

y2=h2xs+n2，

(3)

图2 典型的两用户下行NOMA方案

为解码出叠加信息，NOMA在接收机处采用SIC算法，该算法利用不同用户之间的信号强度差异实现解码。执行SIC算法之前，接收机将根据用户的信号强度对用户进行排序，以便接收机按信号强度依次解码和分离信号。假设PD-NOMA方案中两用户同时使用1 Hz带宽，用户1和用户2的可达速率为：

(3)

(4)

正交多址方案中则是用户1使用βHz，用户2使用(1-β)Hz，用户1和用户2的可达速率为：

(5)

(6)

由式(3)～式(4)可以看出，NOMA方案可通过控制用户的功率分配比来调整用户吞吐量。从数值计算可以看出NOMA的容量域要比OMA要大。

2 PD-NOMA研究现状及趋势

日本NTT DoCoMo公司于2010年提出PD-NOMA的概念，并实测表明PD-NOMA 可提升约50%的宏蜂窝系统容量[5]。为实现高频谱效率通信，研究人员相继在PD-NOMA方向开展大量工作，并取得了许多重要研究成果。目前国内外针对PD-NOMA的研究主要包括：单天线PD-NOMA、多天线PD-NOMA、协作PD-NOMA、认知PD-NOMA、能效PD-NOMA、可见光通信PD-NOMA及PD-NOMA的性能优化。

2.1 单天线PD-NOMA

单天线PD-NOMA在该领域研究中起步最早，也最为基础。按研究重点可分为通信理论研究及信息理论研究两大类。通信理论方面主要侧重方案设计及性能评估，继NTT DoCoMo公司之后，文献[6]率先提出一种下行单天线PD-NOMA方案，并从系统级层面证明其频谱效率的优越性。而文献[7]在此基础上，进一步讨论了该方案中的用户资源分配、SIC误差传播、信令开销及高速场景应用等问题，为深入研究PD-NOMA提供了极具价值的参考。文献[8]将用户随机分布引入单天线PD-NOMA，获得更加符合实际应用的研究结果。此处归纳其结论： 恰当设计功率分配系数及目标速率可使PD-NOMA获得比正交多址接入(OMA)更好的中断性能。信息理论部分主要考虑PD-NOMA中采用编码后的信道容量。针对单天线下行PD-NOMA，文献[9]证明采用叠加编码和脏纸编码均可达到广播信道的容量。文献[10]则采用离散输入和Turbo编码，其可逼近信息论容量界。此外，文献[11]在发射机仅知部分状态信息条件下，从信息论角度分析了高斯信道下接收机分别采用SIC算法和联合算法时的中断容量，结果表明联合算法相比SIC算法可实现10%的和速率增益或0.8 dB的功率增益。对于单天线PD-NOMA的研究已相对成熟，但是如何降低SIC接收机的复杂度仍是迫切需要解决的难题。

2.2 多天线PD-NOMA

多天线PD-NOMA 旨在进一步提高单天线PD-NOMA的系统容量，其是PD-NOMA领域中重要课题之一。对于多输入单输出 (Multiple Input Single Output， MISO)场景，文献[12]在发送端采用迫零预编码并设计基于信道相关性的用户聚类方法，实现最大化系统速率。文献[13]是在用户多天线场景中采用分簇思想研究其中断性能、用户配对等。对于多输入多输出(Multiple-input Multiple-output， MIMO)场景，文献[14]研究了MIMO-NOMA在物联网 (Internet of Things,IoT) 中的应用，采用短包及机会通信思想来设计适合物联网的通信方案。该文献对指导在PD-NOMA中采用短包通信以降低系统传输时延具有一定的启发作用，是今后PD-NOMA领域的一个重要研究方向。目前，PD-NOMA与MIMO结合的研究还处于起步阶段，对其预编码设计、功率分配和应用均需进一步研究。

2.3 协作PD-NOMA

该部分研究根据有无中继参与协作又可详细分为无中继协作PD-NOMA、协作中继PD-NOMA、直传中继协同传输(Coordinated Direct and Relay Transmission，CDRT)PD-NOMA等。

2.3.1 无中继协作PD-NOMA

无中继协作PD-NOMA一般指的是强用户协助弱用户，此方向在协作PD-NOMA研究中起步较早。2015年，文献[15]首次提出协作PD-NOMA方案，分析了其中断概率和分集阶数。此方案在海量用户场景下系统复杂度过高且不确定是否存在性能增益，而用户配对则为解决此问题提供了新思路。为进一步优化系统能效，文献[16]提出协作模式动态切换的协作PD-NOMA方案，即近用户用作解码转发(Decode-and-Forward，DF)中继并在全双工和半双工切换，从而实现更好的遍历和速率性能。协作PD-NOMA方案相比非协作方案均存在频谱效率损失的问题。文献[17]为解决此问题提出一种混合上下行协作PD-NOMA方案以实现频谱效率和信号接收可靠性之间更好的折衷。虽然目前对于无中继协作PD-NOMA方案的研究成果较为丰富，但是更加新颖有效的方案仍有待进一步研究。

2.3.2 协作中继PD-NOMA

协作中继PD-NOMA部分的研究最为多样化。文献[18]在下行蜂窝系统中提出了一种存在直达链路的协作PD-NOMA方案，并推导证明该方案相比OMA方案可提供更好的频谱效率和用户公平性。随后，文献[19-20]将类似方案推广至Nakagami-m衰落信道及多天线中继网络中，使其更具一般性。文献[21]提出共享全双工中继的PD-NOMA网络方案，其中源-目的节点对共享一个专用的全双工DF中继，这为设计协作中继PD-NOMA方案提供了一个全新的思路。为弥补中继传输带来的频谱效率损失，端到端(Device-to-Device，D2D)辅助协作中继[22]、缓冲辅助中继[23]、虚拟的全双工中继技术[24]及中继选择[25]被引入协作中继PD-NOMA方案中，这些方案在一定程度上可有效提高系统频谱效率。此外，文献[26]提出了MIMO信道下的协作PD-NOMA方案，并实现了从基站到小区边缘用户的可达速率最大化。文献[27]研究了非再生大规模MIMO中继PD-NOMA系统，可实现比现有MIMO-NOMA、中继辅助NOMA和大规模正交MIMO方案更高的容量性能。

2.3.3 直传中继协同传输PD-NOMA

该部分研究相比上述两部分仍处于起步阶段，其主要用于解决深度阴影衰落和小区覆盖范围过小的问题。文献[28]首次提出基于PD-NOMA的下行CDRT方案，其利用PD-NOMA固有特性消除部分用户干扰，实现较高的频谱效率。文献[29]将该思想引入上行蜂窝网络中，并分析了采用非理想SIC接收机时的系统性能。文献[30]对文献[28]进行改进，提出了一种动态传输方案，在保证系统遍历和速率的前提下进一步提高了系统可靠性，且该方案可同时服务更多的用户。

2.4 能效PD-NOMA

能量效率作为未来无线通信的关键指标之一，已吸引众多学者对绿色通信进行深入研究。由于香农信息容量定理证明能量消耗最小化和频谱效率最大化无法同时实现，所以如何权衡二者成为能效PD-NOMA研究方向之一。在PD-NOMA中采用能量收集[31](Energy Harvesting，EH)和无线携能[32](Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT)技术可进一步改善传统方案的能效。文献[33]将SWIPT应用于用户随机分布的PD-NOMA网络中，结果证明使用SWIPT不仅不影响分集增益，而且可实现低中断高吞吐量性能。文献[34]则是将SWIPT和发射天线选择混合设计，以解决多输入单输出PD-NOMA系统中小区边缘用户的中断性能和公平性问题。

2.5 可见光通信中的PD-NOMA

研究人员在光通信中应用PD-NOMA技术以期实现其高频谱效率。文献[35]首先将PD-NOMA方案引入可见光通信(Visible Light Communication，VLC)中，并证明了其可靠性优于正交频分多址方案。在可见光网络中采用PD-NOMA需考虑VLC网络特性，例如有限带宽、照明限制的最大发射功率及信道阻塞问题。对于信道阻塞问题，可通过调整接收机的视场和发射机的半角度来控制信道值。此外，也可通过优化上述两参数值实现PD-NOMA-VLC网络的性能提升。例如，文献[36]将直流偏置光正交频分复用(Direct Current Optical OFDM，DCO-OFDM)和PD-NOMA结合，提出一种PD-NOMA-DCO-OFDM系统，并通过优化半功率角和功率分配因子实现系统和速率最大化。

2.6 认知PD-NOMA

传统PD-NOMA通过差异化功率分配实现用户间公平性，但其无法严格保证用户的服务质量(Quality of Service，QoS)目标。为此，将认知无线电思想引入PD-NOMA以设计功率分配策略，进而严格保证部分或全部用户的QoS要求。文献[37]提出基于PD-NOMA的频谱共享认知无线电网络协作传输方案，次级发射机用作中继，并通过NOMA信令同时发送主次消息，该方案比现有OMA方案可获得更高的频谱利用率。文献[38]为提高二级网络连通性，将PD-NOMA应用于大规模底层认知无线电网络，此方案不同于传统无线网络中的PD-NOMA，用户叠加信号功率受限以避免对主接收机产生过度干扰。目前，认知PD-NOMA仍很大程度上依赖于特定网络拓扑结构[1]，两技术协同的去特殊化需进一步深入研究解决。

2.7 PD-NOMA的性能优化

该部分研究旨在优化PD-NOMA方案的系统性能，具有多个研究方向，主要涵盖PD-NOMA中的资源分配、公平性、用户配对及物理层安全等相关问题。

2.7.1 资源分配

PD-NOMA中功率分配策略的优劣直接影响系统吞吐量和接收可靠性。设计合理的功率分配可灵活控制各用户吞吐量及系统公平性。最优资源分配方案是在整个合法搜索空间内搜索最优解，因此复杂性有可能过高。值得指出的是，目前多数资源分配无法通过求导等数学运算获得最优解析解，一般则是采用凸优化、贪婪算法及动态规划算法等实现低复杂度下求解近似最优解。优化算法和逼近理论最优解是一个值得研究的课题。此外，动态功率分配也是未来需要关注的方向之一。

2.7.2 公平性

如前所述，PD-NOMA采用SIC接收机，此特性导致用户速率不等。在某些严格要求公平性的情况下，PD-NOMA的方案设计及优化将变得尤为重要。目前，公平性衡量[39]、公平调度[40]及公平功率分配算法[41]是PD-NOMA公平性问题上的研究热点。此外，若发射机可知瞬时信道状态信息，那么用户间公平性可通过最大化最小可达速率来实现。

近年来，已有多种技术实现陷波特性的UWB天线被设计出来[2-10]。如在天线辐射体上蚀刻各种形状的缝隙或者槽线以及缺陷地等结构来获得所需频段上的陷波。例如，天线尺寸大，没有实现小型化，集成难度大；结构复杂，给天线制作带来了一定困难。

2.7.3 用户配对

PD-NOMA中的用户配对基本思想为将多用户进行分组，组内采用PD-NOMA，组间采用OMA。其旨在解决2个问题:一是降低海量用户场景下PD-NOMA的系统复杂度；二是针对PD-NOMA系统干扰受限特性，通过用户配对实现性能优化。文献[42]研究了用户配对PD-NOMA系统性能的影响，结论表明配对用户信道差异越大，其系统性能增益越大。文献[43]提出一种基于比例公平的两步用户配对法，其通过设定先决条件来减少计算量，此法相比基于树搜索的功率分配法复杂度更低。

2.7.4 物理层安全

在PD-NOMA的物理层安全中存在2种窃听器：一种是外部被动窃听器，发送端无法识别其信道；另一种是内部主动窃听器，发送端可识别其信道。为此，PD-NOMA物理层安全主要解决2个问题：防范外部窃听者和防范内部窃听者。对于外部窃听者，一般通过设计最优功率分配策略和波束形成方案，在满足每个用户的QoS要求下最大化保密和速率。防范内部窃听者十分具有挑战，因为SIC接收机的固有特性造成极可能出现内部窃听者。文献[44]针对防范内部窃听提出3条准则：① SIC过程不附加任何额外处理；② 用户无法获取其他用户的信息；③ 信道空间对比独立。此外，可预见PD-NOMA物理层安全研究领域将会扩展到协作传输，认知无线电及全双工等场景。

3 PD-NOMA的应用

本节介绍目前PD-NOMA在实际应用中所面临的挑战，包括接收机设计、信令开销、物联网应用和标准化等。

3.1 接收机设计

如上所述，PD-NOMA采用SIC接收机，而SIC接收机在实际应用中仍将面临解码复杂度高和错误传播两大问题。接收端采用SIC接收机需要解码其他用户信息后解码自身信息，这就导致接收机复杂度随着用户数目的增长而快速增加。目前，用户配对可为实现性能增益与复杂度折衷提供思路。此外，一旦SIC接收机解码发生错误，剩余待解信号也会产生误差，从而导致错误传播。当用户数量较小，可通过设计码块或非线性检测来降低错误传播的影响[45]。目前，尽管存在一些非完美SIC对PD-NOMA影响的研究工作，但是其研究深度尚浅。因此，非完美SIC对PD-NOMA影响的数学分析研究仍是一个有价值的研究方向。

3.2 信令开销

3.3 物联网应用

未来物联网应用需要超可靠和低延迟通信(Ultra-reliable and Low Latency Communications，URLLC)，机器间通信(Machine Type Communications，MTC)作为其中一个重要新兴领域，其所涉及的最常见通信形式是短数据包通信。当数据包很短时，元数据可能与有效负载的长短相同，从而导致现有方法的传输结果非常不理想。设计支持短数据包传输的无线协议需要新的原则，这些原则将直接影响系统的设计。目前，有关PD-NOMA系统采用短数据包[46]的研究工作较少，其将是未来研究方向之一。

3.4 标准化

下行MUST已被写入第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project，3GPP)的(Long Term Evolution，LTE)标准中[2]，其主要目标是增强单小区下行链路多用户传输方案，使LTE能够支持小区内下行共享信道的多用户叠加传输。为此，研究项目重点评估实际部署场景下的系统级增益和复杂度，研究结果表明PD-NOMA可提高系统容量。目前，5G中的PD-NOMA的标准化工作仍在进行当中。

4 结束语

功率域非正交多址接入作为未来无线通信网络中实现高频谱效率的重要使能技术之一，已吸引大量研究人员对其展开研究。功率域非正交多址接入的研究成果归纳为7个方面：单天线PD-NOMA、多天线PD-NOMA、协作PD-NOMA、认知PD-NOMA、能效PD-NOMA、可见光通信PD-NOMA及PD-NOMA的性能优化，本文分别探讨了上述方向的研究方法、现存问题及下一步研究思路。虽然有关功率域非正交多址接入的研究取得了一定的成果，但其实际应用仍面临诸多难题。为此，依次从接收机设计、信令开销、物联网应用及标准化讨论了其面临的挑战。针对功率域非正交接入，仍需大量研究以充分发挥其高频谱效率优势并推进其实际应用进程。