下行多用户叠加传输(MUST)技术研究

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随着移动通信技术的飞速发展,相应的技术标准也不断演进。移动通信经历了模拟调制到数字调制的转换,数据传输从无到有并且传输速率也大幅增长。正在制定的5G标准追求更高的传输速率和频谱效率,达到低时延、高可靠、低功耗的要求。与此同时,多址接入技术也在不断发展。通信技术的飞速发展,在很大程度上能够满足未来一段时间宽带移动通信的需求。然而,随着智能终端的普及和应用,新的移动业务需求也不断增长,对无线传输速率的需求呈指数级增长,无线通信的传输速率仍将很难满足未来移动通信的需求。在《5G愿景与需求白皮书》中IMT-2020(5G)推进组提出,5G是定位在使无线网络具有更高的频谱效率,更快的速度和更大的容量,其中,频谱效率相比4G提升5~15倍。在实现良好系统吞吐量的同时,为了保持接收的低成本,在4G中采用了正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)技术,只能为一个用户分配单一的无线资源,例如按频率、时间或空间分割。因此,面向5G频谱效率提升的需求,业内提出采用新型多址接入复用方式,该技术被纳入3GPP(the 3rd Generation Partnership Project)研究项目,命名为多用户叠加传输(Multi-User Superposition Transmission,MUST)技术,通过功率域、码域或星座域的叠加,在相同的资源块内传输多个用户的数据,提高频谱效率和接入用户数。但用户信号叠加后,相当于人为引入干扰,因此需要在接收端进行干扰消除。多用户叠加场景下,接收端获取干扰信号参数的方法有两种,一种是通过信令通知,另一种是在接收端进行检测,由接收端根据接收到的信号判断是否存在干扰以及干扰的调制方式等参数。前者的优势是接收端无需增加检测算法,但是增加了信令的开销;而后者能够减少信令开销,但是需要增加接收机的复杂度,并且对于接收端的检测算法的复杂度和可行性也有待评估。本文在上述背景下,跟进3GPP的对多用户叠加传输技术的研究,对MUST场景下的接收端干扰信号检测算法进行了设计和评估。干扰信号检测包括两部分,一是干扰的存在性检测,二是干扰的调制阶数判断。对于干扰的存在性检测,提出了基于阈值估计思想的检测算法。该算法的检测率随着信噪比(Signal-to-NoiseRatio,SNR)的增加而上升,并且在SNR足够高时能够达到100%,但是对干扰存在检测率较低时,并不会对目标用户的吞吐量产生严重影响。对于干扰调制阶数检测,已经有相当数量的文献做过这方面的研究,主要包含基于似然比检测的调制识别、基于特征提取的调制识别、基于星座图聚类的调制识别等几类算法,本文通过对多用户叠加场景下的检测问题进行分析和简化,提出了三种干扰检测算法,分别是基于最小平均欧氏距离的调制检测、基于最小相对平均欧氏距离的调制检测和基于最大似然准则的调制检测。前两种算法的检测结果分别偏向于高阶调制和低阶调制,而在其他调制方式下,检测率均不能达到性能要求。而基于最大似然准则的调制检测算法,在QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)调制时检测率能够达到100%,而在其他高阶调制时,当信道条件足够好,即SNR较高时,检测率也能够达到100%。多用户叠加传输技术中对干扰信号进行检测,需要在接收端增加检测算法,并且在检测到干扰后,需要使用非线性接收机算法进行干扰消除。而干扰检测和消除算法都需要进行大量的计算,因此,牺牲接收端的复杂度来节约信令开支是否得偿所失有待进一步研究评估。
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