[论文解读] Modulation and Multiple Access for 5G Networks

Yunlong Cai, Zhijin Qin+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 72被引用 4

一句话总结

本文全面综述了5G网络中先进的调制与多址接入（MA）技术，重点研究正交多址接入（OMA）中的频谱效率、带外泄漏和误比特率，同时评估非正交多址接入（NOMA）方案（如功率域、码域和多域NOMA）。研究表明，尽管接收机复杂度和干扰挑战有所增加，NOMA仍能显著提升频谱效率，并通过在同一资源块中复用多个用户来支持大规模连接。

ABSTRACT

Fifth generation (5G) wireless networks face various challenges in order to support large-scale heterogeneous traffic and users, therefore new modulation and multiple access (MA) schemes are being developed to meet the changing demands. As this research space is ever increasing, it becomes more important to analyze the various approaches, therefore in this article we present a comprehensive overview of the most promising modulation and MA schemes for 5G networks. We first introduce the different types of modulation that indicate their potential for orthogonal multiple access (OMA) schemes and compare their performance in terms of spectral efficiency, out-of-band leakage, and bit-error rate. We then pay close attention to various types of non-orthogonal multiple access (NOMA) candidates, including power-domain NOMA, code-domain NOMA, and NOMA multiplexing in multiple domains. From this exploration we can identify the opportunities and challenges that will have significant impact on the design of modulation and MA for 5G networks.

研究动机与目标

• 分析并比较5G网络中正交多址接入（OMA）的新型调制技术，重点关注频谱效率、带外泄漏和误比特率。
• 评估非正交多址接入（NOMA）方案（包括功率域、码域和多域NOMA），作为支持5G中大规模连接和高谱效率的解决方案。
• 识别将NOMA与现有调制方案（如OFDM）和滤波技术集成时的关键挑战与机遇。
• 探索调制与NOMA的联合设计，适用于高频段（毫米波/太赫兹），其中传播损伤和噪声具有关键影响。
• 评估先进检测方法（如逐次干扰 cancellation（SIC）的多用户检测和消息传递算法（MPA））在NOMA系统中的性能。

提出的方法

• 调研并比较传统OFDM及其变体（如滤波OFDM、脉冲整形OFDM、预编码OFDM），以减少带外泄漏并提高频谱效率。
• 分析功率域NOMA，其中用户通过叠加编码在功率域复用，并在接收端采用逐次干扰取消（SIC）技术。
• 评估码域NOMA方案（如LDS-CDMA、LDS-OFDM、SCMA、PDMA、BOMA、LPMA），这些方案利用稀疏扩频码和多维星座图实现非正交用户复用。
• 引入多域NOMA（如PDMA、BOMA），通过在功率、码和空间域复用用户，以增强分集增益和系统容量。
• 提出调制（如f-OFDM）与NOMA（如SCMA）的联合设计方法，以减轻短循环前缀引起的符号间干扰（ISI）和载波间干扰（ICI），并提升检测性能。
• 在SCMA和PDMA中应用结合SIC检测的消息传递算法（MPA），以实现近似最优性能，尤其在用户按相似延迟特性聚类时效果更佳。

实验结果

研究问题

• RQ1 先进调制技术（如滤波、脉冲整形、预编码）如何提升基于OFDM的OMA在5G中的频谱效率并减少带外泄漏？
• RQ2 在频谱效率、用户公平性和由SIC引起的误码传播方面，功率域NOMA存在哪些性能权衡？
• RQ3 码域NOMA方案（如SCMA、PDMA）如何通过使用稀疏扩频码和多维星座图实现比传统OMA更高的频谱效率并支持更多用户？
• RQ4 设计最优码书和用户聚类在码域NOMA中面临哪些关键挑战？联合调制-NOMA设计如何减轻干扰？
• RQ5 毫米波和太赫兹频段如何影响NOMA性能？在高频NOMA系统中，噪声、相位噪声和载波频偏有何影响？

主要发现

• 功率域NOMA通过在功率域复用用户并在接收端使用SIC实现高谱效率，但需要用户配对，且对误码传播敏感。
• 码域NOMA方案（如SCMA和PDMA）通过使用稀疏扩频码和多维星座图，实现更高的谱效率和分集增益，从而在每个资源块中支持更多用户。
• LDS-OFDM和LDS-CDMA在无需瞬时信道状态信息（CSI）的情况下可实现接近最优的MPA检测性能，但需要编码冗余和精心设计的码书。
• SCMA和PDMA通过结合SIC的MPA检测可实现近似最优性能，尤其在用户按相似延迟特性聚类时表现更优。
• f-OFDM与SCMA的联合设计对于减轻宽带系统中因短循环前缀引起的符号间干扰（ISI）和载波间干扰（ICI）至关重要。
• 高频段（毫米波/太赫兹）由于噪声、相位噪声和载波频偏带来显著挑战，但通过适当的功率控制和鲁棒接收机设计，NOMA仍具可行性。