1.2 研究現狀

本節從5G以及5G中用到的NOMA技術兩個方面介紹了國內外研究現狀以及存在的一些問題，為5G中NOMA技術的研究提供參考。

1.2.1 5G國內外研究現狀

與前幾代例如2G、3G、4G等技術不同，5G主要采用NOMA技術，該技術目前受到全球各個國家的廣泛關注。目前，5G的研究主要包含三個層次，第一層是國際性標準組織，然后是各個國家的研究組織，最后是運營商、設備制造商以及部分高校的研究組織。第一層的研發團隊為國際標準組織，包含國際電信聯盟組織（International Telecommunica-tion Union，ITU）[8]、3GPP[9]以及下一代移動網絡聯盟（Next Generation Mobile Networks，NGMN）[10]。其中，ITU已完成5G愿景研究和5G技術解決方案的收集，預計2020年完成5G標準的制定。3 GPP在2016年初就啟動了5G標準的研究，2017年底完成非獨立組網中5G新空口技術和網絡架構的標準化，2018年下半年形成5G標準統一版本，以及完成獨立組網中5G新空口技術和核心網的標準化，2019年底完成標準的5G版本。

第二層的研發中堅力量主要是歐盟、美國、日本和中國等各地政府和組織。歐盟委員會在2016年9月發布了于2018年啟動5G規模試驗的5G行動計劃，當時預計到2020年，每個成員國至少確定一個主要城市實現5G商用，到2025年，各個成員國在城區和主要公鐵路沿線能夠提供穩定的5G服務。美國在全球移動通信技術的發展中一直扮演著領頭羊的角色。美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，FCC）在2016年7月就同意為5G網絡分配專門的頻譜資源，自此美國成為全球首個為5G開放頻譜資源的國家。同時，美國也宣布在洛杉磯、休斯敦等4個城市進行5G技術推廣和實驗。對于5G，日本希望能夠保持4G時代的優勢，為此，日本國內的無線工業及商貿聯合會（Association of Radio Industries and Businesses，ARIB）在2013年就設立了一個5G研究小組旨在研究2020年及以后的移動通信關鍵技術，并在2019年舉辦的橄欖球 “世界杯” 等大型賽事上讓人們親身體驗到5G技術的魅力。中國在5G研發和商用上更加積極，目前，已經在2016年完成了5G技術研發試驗，在2017年完成了5G產品研發試驗，在2018年完成系統方案驗證，2019年實現預商用，希望在2020年實現5G規模商用。

第三層的研發團隊是運營商、設備制造商及部分高校研究組織。2015年9月，設在英國薩里大學的5G創新中心（5G Innovation Centre，5GIC）成立，核心成員包含英國各大電信運營商、BBC等。日本的三家大型移動運營商都在積極部署5G網絡，其中日本最大運營商NTT DoCoMo從2014年就開展了5G關鍵技術的試驗，還發布了5G白皮書，詳細闡釋了5G無線接入的關鍵技術。運營商軟銀在2016年9月正式啟動了5G項目 “5G Project”。同樣，中國的運營商在5G部署上也比較超前，中國三大運營商普遍將5G商用提前并趨向一致——2019年預商用，2020年正式規模商用。中興通訊從2009年開始投入5G關鍵技術和產品的研發，并在5G更高寬帶的核心關鍵技術Massive MIMO上率先突破。華為和中國5G推進組一起廣泛開展5G試驗，包含VoNR（5G新空口承載語音）、終端芯片IoT（互操作性測試）等，為5G試商用和2020年的規模商用做好準備。目前，華為、中興5G手機將實現商用，意味著國產5G手機具有 “5G商用領先” 的能力，可以滿足運營商在2019年上半年實現真正商用的需求。

傳統的OMA技術受限于正交資源而難以滿足日益增多的用戶數，為了實現5G中低時延高可靠性、移動互聯網業務中的連續廣域覆蓋、物聯網業務中大量低功率設備的連接等性能要求，多種重要技術陸續被提出，例如大規模MIMO，超密集網絡（Ultra Dense Net-work，UDN）、小型蜂窩網絡（Small Cell Network，SCN）和NOMA等[11]。NOMA具有能夠大幅度提高頻譜效率和提高用戶的公平性等優點，因而受到學術界和工業界的廣泛關注，被認為是5G的重要技術之一。

1.2.2 非正交多址接入技術研究現狀及分析

多址接入技術是解決多個用戶如何高效共享一個物理鏈路的技術。除此之外，多址接入技術還會影響系統的傳輸時延、傳輸速率、系統容量等指標。多址接入技術中的NOMA技術是由日本知名電信運營商DTT DoCoMo提出的[12]。其核心思想是：在發送端，多個用戶的數據占用相同的時域/頻域資源，直接在功率域上通過疊加編碼（Superposition Coding，SC）后發送出去。在接收端，通過連續干擾消除來消除不同用戶間的干擾，從而分別譯碼各個用戶的數據信息。為了保證用戶的公平性、提高系統的整體性能，給信道條件較好的用戶分配相對較少的功率，給信道條件較差的用戶分配更多的功率，然而這是以增大接收端的信號檢測復雜度為代價實現的。NOMA作為提高系統容量和頻譜效率的一種新興技術，已經引起了廣泛關注。與OMA技術相比，NOMA是在不同的功率域上進行復用的。為了進一步驗證NOMA比OMA能夠獲得更好的增益，Saito等人研究了接收端采用SIC技術的NOMA下行協作中繼系統的性能。

非正交傳輸方式打破了正交傳輸需要正交保護頻帶的限制，頻帶利用率的提高使系統的容量得到很大提升。因此，在相同的時間和帶寬配置下，NOMA技術能獲得比OMA技術更高的系統容量或者用戶公平性。NOMA多址技術的特征及性能優勢體現在以下三個重要的方面。

（1）發送端采用功率域復用技術

功率復用技術不等同于簡單的功率控制，一般而言，在發送端給信道條件較差的用戶分配更多的功率，從接收端來看，這樣更有利于信道條件差的用戶先被檢測并分離出來。相較于傳統的OMA，NOMA可以充分利用功率分配的自由度，合理地給用戶分配不同的功率，保證用戶之間的公平性，進一步提高系統的吞吐量等系統性能。

（2）接收端采用SIC技術

在NOMA協作中繼系統中，NOMA技術是否可行還依賴于接收機的處理能力，接收機設計的關鍵是SIC算法，文獻[13]首次提出SIC技術，SIC譯碼的本質在于接收端根據接收信號強度之間存在的差異逐步檢測信號并消除干擾。SIC的譯碼順序由信號的信干噪比（Signal to Interference Noise Ratio，SINR）決定，根據SINR的大小進行降序排列。即較好信道條件的用戶在譯碼自身期望信號之前，需要依次去譯碼信道條件弱于該用戶的信號并逐步消除這些信號造成的干擾。隨著硬件技術的發展，接收機的處理能力飛速提升，有望達成NOMA的大規模商用。

（3）獲得穩健的性能增益

NOMA技術通過非正交資源的分配允許更多用戶同時接入，與OMA相比，NOMA支持大規模數據的連接，減小了傳輸時延和信令開銷，提高了頻譜效率，增強了用戶之間的公平性。