非正交多址接入中叠加码调制与解调实验研究.docx

? ? 非正交多址接入中叠加码调制与解调实验研究 ? ? 马 骁，李 丹，张景云 （陕西师范大学物理学与信息技术学院，陕西西安 710119） 随着5G通信技术的不断发展，作为5G核心技术的非正交域多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技术逐渐成为研究热点[1-4]。NOMA 有别于传统的正交传输，其在发送端采用非正交发送，通过在功率域分配不同发射功率段来区分不同用户信息，接收端通过串行干扰抵消[5]（Successive Interference Cancellation，SIC）实现各用户数据的正确解调。这种通过不同功率区分用户信息的方式，相较于传统时频域正交技术，更加不直观，学生仅通过课堂教学难以理解和接受。 现有的实验主要针对频分多址（Frequency Division MultipleAccess，FDMA）、时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、及正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）等利用正交化资源为基础的多址接入方式[6-7]。其中TDMA 将不同用户的信息映射到不同时隙段，解决不同用户间的干扰问题；FDMA 通过划分相互正交的频率段，实现不同用户的无干扰传输；而OFDMA 联合考虑时频域，划分出不同的时频资源块，来承载不同用户的信息。而非正交多址接入技术为不同用户分配与之对应的传输功率，接收端根据接收信号功率的差别，进行相应解调。这种利用功率域实现多址接入的方式，相较于时频域更加抽象，学生在学习过程中更加难以理解和掌握。 综上所述，为使学生紧跟通信技术发展前沿，有必要设计一套综合教学实验课程，促进学生理解掌握非正交多址接入技术的原理。通过模拟沙盘教学方法和基于软件无线电联合实验系统设计的三个实验，帮助学生理解叠加信号特征和调制过程、串行干扰抵消作用和非正交多址接入技术的工作原理。 1 实验教学设计 现有相关实验主要针对TDMA、FDMA以及OFDMA等以时频域为基础的正交多址接入技术，而对于非正交多址接入技术，缺乏具有针对性的实验。 为解决上述问题，让学生能够更加形象的理解非正交多址的基本工作机理。总结了如图1 所示的实验内容与任务总体设计思路框架图。分析了基于功率域非正交多址技术的三个关键问题，包括：①单用户多个业务的功率复用问题；②多用户信号的功率域叠加问题；③接收端独立的串行干扰抵消问题。 图1 实验内容与任务总体框架 针对教学重难点，利用模拟沙盘思想，设计了非正交多址接入技术沙盘推演教学方法。让学生扮演传输过程的不同模块，完成不同功能，使得学生能够清晰深入地观察学习各模块的工作原理和流程。 针对实验重难点，针对性地设计了三个实验内容： ①功分复用信号与16QAM 调制信号星座图对比实验。理解高阶调制信号和功分复用信号星座点的相似性和区别。利用点到点数据传输实验，分别进行16QAM 调制传输和两路QPSK 的功率域复用[8-9]叠加信号传输，让学生观察对比两种信号的区别和联系，从星座图的角度理解功率域信号特征。 ②基于串行干扰抵消的用户逐级分离解调实验。串行干扰抵消技术是非正交多址在接收端分离不同用户信号及消除多址干扰的关键技术。该实验根据串行干扰抵消基本思想，观察多用户检测和多用户信号逐级判决，加深学生对串行干扰抵消技术中多用户检测、逐级判决、幅度恢复、消除干扰、逐级解调等过程的理解和掌握。 ③面向上下行的功率域非正交多址数据传输实验。基于功率域的非正交多址接入技术在上下行传输时有较大的不同，下行传输时，不同用户信号在基站的基带叠加后再变换为射频信号发送；而上行传输时，不同用户信号在信道中进行叠加，两种不同叠加方式使接收端信号形式有所不同。因此需分别对上行和下行传输进行学习以深入掌握功率域非正交多址接入的原理。 根据以上三个实验内容的具体要求，开发了基于MATLAB 和软件无线电平台的综合实验系统，利用该系统达到了以下教学目标：①观察和理解高阶调制信号与功率域叠加信号区别；②了解串行干扰抵消原理及其在非正交多址中的作用；③掌握和理解基于功率域的非正交多址接入技术的基本原理。 2 基于模拟沙盘的教学设计 通过合理设置三个实验，使学生在实验过程中观察功率域叠加信号的特征和解调的过程，理解串行干扰抵消在多用户信号分离和解调中的作用。最终通过撰写实验报告和回答思考题进一步加深学生对非正交多址接入技术的认识，提升学生的思考能力。 非正交多址接入技术作为下一代通信网络关键核心技术之一，需向学生进行详细讲解，让学生掌握和理解其工作过程和原理，区分功率叠加信号特征与高阶调制信号的区别，理解非正交多址与基于时频域的正交多址技术在功率分配中的不同