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面向5G的非正交多址系统的软件无线电实现
摘要
非正交多址接入（NOMA）被设想为是第五代移动网络的关键技术之一。本文基于开源软件定义无线电（SDR）平台OpenAirInterface（OAI），实现了一个实用的下行链路NOMA系统。为了进行比较，我们基于SDR的NOMA系统遵循长期演进（LTE）的基本规范。该系统实现了一种码字级连续干扰消除（SIC）接收机。为了提高SIC接收机的基带信号处理效率，提出了一种多线程处理方法。针对目前LTE系统中原有的下行控制信息（DCI）格式的局限性，在我们开发的NOMA系统中，专门设计了一种新的DCI格式用于信号重构。此外，对LTE系统中上层协议的某些部分进行了修改，以支持所开发的NOMA系统上的应用服务。基于我们的NOMA系统，进行了一系列的空中实验，实验结果表明，NOMA方案比正交多址（OMA）方案具有更大的吞吐量增益。
索引词5G、LTE、NOMA、OAI、SDR
一、引言
多址接入方案允许多个用户共享有限的无线资源，同时相互通信。为了进一步提高第五代（5G）移动网络的容量和频谱效率[1]，非正交多址接入（NOMA）以其比正交多址接入（OMA）更高的频谱效率和更大的容量而成为研究热点[2]。例如，第三代伙伴关系项目（3GPP）标准化机构[3]在第13版中建立了一个新的研究项目，称为多用户叠加传输（MUST），即某种下行NOMA。与传统的基于时/频/码域的多址接入技术不同，NOMA探索了一种新的非正交域来区分来自不同用户的信号，即功率域。在NOMA方案中，多个用户的信号叠加在发送方的功率域中，不同用户的信号分离是通过接收端的连续干扰抵消（SIC）实现的[4]。
为了进一步评估实际NOAM系统的性能，软件定义无线电（SDR）为快速原型化实际NOMA系统和表征其性能提供了一种灵活而廉价的解决方案。SDR的概念是通过软的方式实现通信系统的组件[5]。特别地，以通用的处理器（GPP）为基础的SDR系统可以在如C/C ，Java和Python等高级编程语言[6]的帮助下高效地部署和更新。在过去的几十年里，大量的SDR项目正以开源方式快速发展，例如，OpenBTS[7]、srsLTE[8]等。其中，OpenAirInterface（OAI）[9]可能是最具吸引力的开源平台，其中，演化结点(eNB)、用户设备(UE)和演化数据包核心(EPC)正在根据3gpp规范[10]充分的开发。
据作者所知，目前关于NOMA的研究大多集中在理论分析和仿真[11]、[12]上，目前对NOMA系统的空中性能评价还不高。此外，几乎所有现有的NOMA系统都只专注于物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层的设计[13]，[14]，对于NOMA系统的上层协议设计仍然存在许多问题和挑战。本文基于OAI的物理层，利用SDR实现了一个实用的下行链路NOMA系统。为了与OMA系统进行公平比较，我们开发的NOMA系统遵循长期演进（LTE）的基本规范。在我们的NOMA系统中，一个码字级的SIC接收机被实现为鲁棒多址[13]，其中多线程处理方法被设计来提高其基带信号处理效率。由于采用了SIC接收机，LTE系统中原有的下行控制信息（DCI）格式不能直接应用于NOMA系统。因此，在我们开发的NOMA系统中，一种新的DCI格式特别设计用于信号重构。此外，对LTE系统中上层协议的某些部分进行了修改，以支持我们NOMA系统上的应用服务。最后，进行了一些空中实验，验证了将NOMA应用于5G无线通信系统的可行性。
本文的其余部分组织如下。第二节介绍了我们的NOMA收发器的设计和实现，主要分为三个部分，即NOMA收发器、多线程处理方法和NOMA系统的新DCI格式。第三节介绍了NOMA系统中上层协议的修改。第四节介绍了我们用NOMA系统进行的空中试验结果，最后在第五节给出了结论性意见。
二、NOMA收发器的设计和实现
新的收发器需要设计来支持NOMA系统中的叠加、重构和取消，这是通过在OAI平台中向OMA ENB和UE引入新的通信模块来实现的。特别是物理下行链路共享信道（PDSCH）上的收发器的实现。为了更好地理解我们提出的NOMA系统，本文在第一小节通过理论分析和实际应用介绍了NOMA收发器。然后，提出了一种基于UE接收机的多线程处理方法，以提高其基带信号处理效率。最后，提出了一种新的NOMA系统DCI格式的设计。
图1 基于SDR的NOMA系统的部署场景。
A.NOMA收发器
图1说明了我们提出的具有单输入单输出（SISO）传输模式的NOMA系统的部署方案。ENB只提供两个UE，即CellEdge UE和Cell Center UE。为了便于解释，本文中的单元边缘UE和单元中心UE分别表示为UE-1和UE-2。ENB或UE由GPP和通用软件无线电外围设备（USRP）组成。GPP执行处理数字基带信号的程序，例如加扰、涡轮编码和软解调。基带信号处理程序可以通过使用高级编程语言和开放源代码库[15]，[16]有效地开发。另一方面，USRP是SDR系统中应用最广泛的外围设备之一。USRP主要用于频率转换和模拟数字转换[5]，即将数字基带信号发送给USRP，转换为模拟基带信号，然后在发射路径上向上转换为目标射频频率，接收路径作为发射路径反向工作。
由于我们的NOMA系统遵循LTE的基本规范，因此我们的NOMA收发器中的编码/解码、加扰/解译、调制/解调和正交频分复用（OFDM）/OFDM解调模块与LTE系统中的模块相同[17]。以图2所示的编码模块为例，编码模块包括编码块分割、涡轮编码和速率匹配。例如，调制模块根据相应的DCI采用正交相移键控（QPSK）、16正交幅度调制（16QAM）或64QAM。
1）发射机
根据功率分配系数，为UE-1和UE-2传输的信号叠加在ENB侧，由下式得出：
（1）
|
图2 NOMA收发器的实现。（a）次级方案。（b）次级方案。（c）UE。2 |
其中，s1和s2分别是ue-1和ue-2的归一化信号。（1minus;alpha;）并表示功率分配系数。功率分配系数由用户信道增益决定，即信道条件较差的用户获得更多的传输功率[18]。如上所述，UE-1位于单元边缘，UE-2位于单元中心。因此，我们假设UE2的信道增益高于UE-1。更具体地说，在我们的NOMA系统中， Ue-1比Ue-2获得更多的传输功率, 即alpha;lt;0.5。
在上述理论推导的基础上，对基于OAI eNB的通信模块进行了重新设计，实现了NOMA发射机。如图2（a）所示，两个成对的UE的物理服务数据单元（PSDU）分别编码、置乱和调制成复值调制符号。然后，根据功率分配系数，将两个UE的调制符号分配成不同的功率。如叠加过程所示，两个电子的符号在功率域上叠加。叠加后，根据物理下行链路控制信道（PDCCH）传输的DCI，将两个UE的叠加符号映射到同一个RBS上。不同的是，PDCCH信号不会叠加在发射机的功率域中。因此，DCI符号由每个UE单独生成，并映射到不同的RBS。最后，所有这些符号被调制成OFDM符号，然后由USRP传输。
2）接收机
在接收端，接收到的叠加信号可以通过SIC进行分离。SIC接收器通过零力（ZF）或最小均方误差（MMSE）原理检测一个UE的信号，并从接收到的叠加信号中减去检测到的信号，以消除对其他未检测到的信号的干扰，然后检测下一个UE的信号，直到检测到所有信号[13]。由于ZF原理计算复杂度低，所以我们在NOMA系统中应用了此原理。。
A：UE-1
经过无线信道后，UE-1接收到的信号表示为
（2）
其中h1为信道矩阵，n1为ue-1的噪声。UE-1的信号被分配了更多的传输功率，通过将UE-2的信号视为噪声，确保了UE-1能够直接检测到它的信号。具体检测步骤如下。
·第一步：ZF原理检测
（3）
其中，是根据zf原理和估计的信道矩阵。
·步骤2：标准化
（4）
其中，是被检测到的UE-1信号。和在软解调方面具有相同的性能，因为信号的线性变化不会影响其性能[19]。
如图2（b）所示，所述NOMA系统中的UE-1接收机与LTE系统中的UE接收机相同，即与OAI UE接收机相同。首先，接收到的叠加信号通过通用串行总线（USB）3.0接口从USRP传输到GPP。然后，将接收到的叠加信号经OFDM解调后解调成符号。然后，在信道均衡中，利用ZF原理，以UE-2信号为噪声，对UE-1信号进行检测。如我们所见，由于采用了软解调，因此步骤2没有在UE接收器中实现。信道均衡后，检测并解码DCI信息，以进一步解码UE-1 PSDU。最后，根据DCI所携带的信息，通过解调、解译和译码的方法提取出UE-1 PSDU。
b:UE-2
另一方面，UE-2接收到的信号表示为
（5）
其中h2表示信道矩阵，n2表示Ue-2的噪声。与UE-1接收机不同，由于其性能优于符号级SiC[13]，因此在UE-2接收机上实现了码字级SiC接收机。UE-2需要首先检测UE-1的信号，然后从接收到的叠加信号中减去该信号，然后再对其自身的消息进行解码。具体检测步骤如下。
·第一步：ZF原理检测
（6）
其中，h zf是根据zf原理估计的信道矩阵，h=1minus;12。ZFSY
·步骤2：标准化
（7）
其中，是被检测到的UE-1信号。如上所述，这是我们NOMA系统中的一个可选步骤，因为和在软解调中具有相同的性能。
·第3步：解码和重构
采用涡轮译码技术对UE-1的位序列进行涡轮译码，提高了每一位的可靠性[13]。通过适当的功率系数，可以成功地对UE-1 PSDU进行解码。然后，在重组过程中，UE-1 PSDU被编码和调制为S1，以重构UE-1的调制符号。
·第4步：取消
^
从取消S
（8）
其中，是用于UE-2的检测信号。
如图2（c）所示，理论分析映射到UE-2接收机的实现。UE-2接收机首先将接收到的叠加信号与UE-1接收机解码。如图所示，解码后的UE-1 PSDU再次编码和调制，以通过与ENB端的UE-1信号传输相同的过程（即DLSCH编码、加扰和调制）来重构调制符号。重建后，在取消过程中，经过信道均衡后，从接收到的信号中取消UE-1的信号。最后，通过软解调、解译和涡轮译码，使UE-2接收机能够对自己需要的信号进行解调和译码。
B.多线程处理方法
原始OAI UE接收器是单线程处理。因此，UE必须在一个传输时间间隔（TTI）内准确地接收和解码每个子帧的信号，即1 ms[20]。如果gpp处理一个子帧信号的时间超过1 ms，则下一个子帧的时隙将被占用，并与eNB失去同步。在下行链路NOMA系统中，多用户叠加信号的去耦由Ue端的SIC接收机实现。SIC接收机中有几个关键的基带信号处理模块，包括信号解码、重构和消除，这些模块具有很高的计算复杂度。此外，NOMA系统的计算复杂度随着系统带宽的增加和偶个数的增加而增加[2]。
图3 UE接收机的多线程处理方法
为了有效地实现基带信号的实时处理，将多线程处理方法引入到我们提出的NOMA UE接收机中[21]。如图3所示，为UE接收器建立了10个线程，其中每个线程处理一个子帧内的数据。螺纹号与副车架号相对应。考虑到OAI采用租用平方（LS）作为信道估计方法，利用下一个子帧的一部分参考信号来提高当前子帧的信道估计精度，每个线程分为两个阶段，即第一阶段和第二阶段。OFDM解调在第一阶段实现，其余处理过程在第二阶段实现。当阶段1完成后，线程进入阶段2，等待下一个子帧的参考信号开始信道估计，并在下一个子帧的参考信号到达后继续完成其余的处理过程。例如，线程0完成了OFDM解调，进入第2阶段，等待来自线程1的参考信号。当来自线程1的参考信号到达时，线程0继续完成其余的处理过程，例如通道均衡、DCI解码、重构和取消。
多线程处理方法使UE有更多的时间接收和解码每个子帧的数据，这提高了其在高吞吐量场景中的应用潜力。虽然在LTE频分双工（FDD）系统中，下行链路Hybird Automation Repeat Request（HARQ）反馈必须在4tti（4ms）内传输，但无论HARQ过程如何，第2阶段为每个子帧预留的处理时间都可以延长到9ms。
c.新的DCI格式
如A小节所述，UE-1接收器与LTE系统中的UE接收器相同。换句话说，LTE系统中的DCI格式可以直接用于NOMA系统中的UE-1。与UE-1接收机不同，UE-2接收机采用了码字级SIC。UE-
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