未來(lái)移動(dòng)通信中基于非正交多址的關(guān)鍵技術(shù)：突破與展望

未來(lái)移動(dòng)通信中基于非正交多址的關(guān)鍵技術(shù)：突破與展望一、引言1.1研究背景與意義移動(dòng)通信技術(shù)自誕生以來(lái)，經(jīng)歷了從1G到5G的飛速發(fā)展，深刻改變了人們的生活和社會(huì)的運(yùn)行方式。1G時(shí)代開(kāi)啟了移動(dòng)通信的先河，采用頻分多址（FDMA）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了模擬語(yǔ)音通信，讓人們擺脫了固定電話的束縛，能夠在移動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行基本的語(yǔ)音通話，但存在頻譜利用率低、通信容量小、音質(zhì)差等問(wèn)題。2G時(shí)代引入了數(shù)字通信技術(shù)，如全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）采用時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）技術(shù)，不僅提高了語(yǔ)音質(zhì)量和系統(tǒng)容量，還實(shí)現(xiàn)了短信等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，為移動(dòng)通信的發(fā)展奠定了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3G時(shí)代以寬帶多媒體通信為目標(biāo)，支持高速數(shù)據(jù)傳輸，速率可達(dá)2Mbps以上，能夠滿足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入、視頻通話等業(yè)務(wù)需求，標(biāo)志著移動(dòng)通信進(jìn)入了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。4G時(shí)代進(jìn)一步提升了數(shù)據(jù)傳輸速率，峰值速率可達(dá)100Mbps甚至更高，推動(dòng)了高清視頻、在線游戲、移動(dòng)支付等應(yīng)用的普及，極大地豐富了人們的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)。而5G作為當(dāng)前最先進(jìn)的移動(dòng)通信技術(shù)，具備高帶寬、低時(shí)延、大連接的特點(diǎn)，其峰值速率可達(dá)20Gbps，時(shí)延低至1毫秒，每平方公里可連接設(shè)備數(shù)高達(dá)100萬(wàn)，不僅進(jìn)一步提升了用戶的移動(dòng)寬帶體驗(yàn)，還為物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能交通等垂直行業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的通信支持，開(kāi)啟了萬(wàn)物互聯(lián)的新時(shí)代。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，用戶對(duì)通信服務(wù)的需求也日益多樣化和復(fù)雜化。未來(lái)移動(dòng)通信不僅要滿足人們對(duì)更高數(shù)據(jù)速率、更低時(shí)延和更大連接數(shù)的需求，還要支持更多新興應(yīng)用場(chǎng)景，如虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能醫(yī)療、智能家居等。這些應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)通信系統(tǒng)的性能提出了極為苛刻的要求，傳統(tǒng)的正交多址（OMA）技術(shù)在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)時(shí)逐漸顯露出局限性。OMA技術(shù)，如FDMA、TDMA、CDMA和正交頻分多址（OFDMA）等，通過(guò)在時(shí)間、頻率或碼域上為不同用戶分配正交的資源，實(shí)現(xiàn)用戶信號(hào)的分離。在過(guò)去的移動(dòng)通信發(fā)展歷程中，OMA技術(shù)發(fā)揮了重要作用，保證了通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和用戶之間的有效隔離。然而，隨著通信需求的不斷增長(zhǎng)和頻譜資源的日益緊張，OMA技術(shù)的局限性愈發(fā)明顯。其支持的用戶數(shù)量受到可用正交資源數(shù)量的限制，在有限的頻譜資源下，難以滿足未來(lái)海量設(shè)備連接的需求。實(shí)際信道傳輸特性會(huì)破壞正交性，導(dǎo)致多址干擾（MAI）的產(chǎn)生，降低系統(tǒng)性能。OMA技術(shù)在頻譜效率和系統(tǒng)容量方面已接近理論極限，難以進(jìn)一步提升，無(wú)法滿足未來(lái)移動(dòng)通信對(duì)高速率、大容量的要求。為了突破現(xiàn)有通信技術(shù)的局限，滿足未來(lái)移動(dòng)通信的需求，非正交多址（NOMA）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。NOMA技術(shù)打破了傳統(tǒng)OMA技術(shù)的正交性限制，通過(guò)在發(fā)送端采用非正交發(fā)送方式，主動(dòng)引入干擾信息，并在接收端利用先進(jìn)的干擾消除技術(shù)，如串行干擾消除（SIC）等，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶在相同的時(shí)頻資源上進(jìn)行通信。NOMA技術(shù)的出現(xiàn)為解決未來(lái)移動(dòng)通信面臨的挑戰(zhàn)提供了新的思路和方法，具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。NOMA技術(shù)能夠顯著提升頻譜效率和系統(tǒng)容量。它允許多個(gè)用戶共享同一時(shí)頻資源塊，通過(guò)功率復(fù)用或多址接入簽名碼等方式，使不同用戶的信號(hào)在功率域或碼域上進(jìn)行區(qū)分，從而在有限的頻譜資源下支持更多用戶同時(shí)接入，有效提高了頻譜利用效率，增加了系統(tǒng)的總吞吐量和用戶容量，更好地滿足未來(lái)海量連接的需求。NOMA技術(shù)可以改善小區(qū)邊緣用戶的性能。通過(guò)為小區(qū)邊緣用戶和信道條件較差的用戶分配更高的功率，NOMA技術(shù)能夠保證這些用戶在復(fù)雜的無(wú)線環(huán)境下仍能獲得較好的通信質(zhì)量，提高了用戶的公平性，減少了小區(qū)內(nèi)用戶之間的性能差異。再者，NOMA技術(shù)還具有更小時(shí)延和低信令開(kāi)銷的優(yōu)勢(shì)。一些NOMA技術(shù)方案可以設(shè)計(jì)成免調(diào)度的接入方式，終端可以使用開(kāi)環(huán)功控選擇合適的功率一次性上傳數(shù)據(jù)，無(wú)需與基站進(jìn)行多次交互，大大減少了接入時(shí)延，降低了信令交互的開(kāi)銷，更適合對(duì)時(shí)延要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景，如車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等?；诠β视虻腘OMA系統(tǒng)對(duì)接收端反饋的信道狀態(tài)信息（CSI）的準(zhǔn)確性敏感度降低，在傳輸信道狀態(tài)不發(fā)生大幅、快速改變的情況下，不準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，同時(shí)，由于接收端采用了SIC技術(shù)，系統(tǒng)具備一定的干擾消除能力，減少了干擾對(duì)通信的影響，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。非正交多址技術(shù)作為未來(lái)移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)于突破現(xiàn)有通信技術(shù)的局限，滿足日益增長(zhǎng)的通信需求具有重要意義。通過(guò)對(duì)NOMA技術(shù)的深入研究，有望為未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論支持和技術(shù)保障，推動(dòng)移動(dòng)通信技術(shù)向更高水平發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的智能世界奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.2研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)近年來(lái)，非正交多址技術(shù)在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都受到了廣泛的關(guān)注，取得了一系列重要的研究成果，在多個(gè)領(lǐng)域也有了初步的應(yīng)用實(shí)踐，并且展現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景和趨勢(shì)。在研究成果方面，功率域非正交多址（PD-NOMA）是目前研究最為深入的NOMA技術(shù)之一。學(xué)者們針對(duì)PD-NOMA的功率分配算法展開(kāi)了大量研究。有研究提出了基于最大化系統(tǒng)和速率的功率分配算法，通過(guò)優(yōu)化不同用戶的發(fā)射功率，使得系統(tǒng)在滿足一定誤碼率要求的前提下，實(shí)現(xiàn)總數(shù)據(jù)傳輸速率的最大化。也有基于用戶公平性的功率分配方案，該方案充分考慮了不同用戶的需求，在保證系統(tǒng)整體性能的同時(shí)，盡量減少用戶之間的性能差異，提高了系統(tǒng)的公平性。碼域非正交多址（CD-NOMA）也是研究熱點(diǎn)之一。一些研究致力于設(shè)計(jì)更高效的碼域序列，以降低多址干擾，提高系統(tǒng)性能。如通過(guò)改進(jìn)的低密度擴(kuò)頻碼（LDS）設(shè)計(jì)，使得在相同的碼長(zhǎng)下，能夠容納更多的用戶，并且有效減少了用戶之間的干擾，提升了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在應(yīng)用情況方面，5G通信系統(tǒng)中，NOMA技術(shù)已經(jīng)得到了一定程度的應(yīng)用。在一些對(duì)容量和用戶連接數(shù)要求較高的場(chǎng)景，如密集城區(qū)的基站覆蓋區(qū)域，采用NOMA技術(shù)可以在有限的頻譜資源下，支持更多用戶同時(shí)接入，提升了網(wǎng)絡(luò)的整體容量和用戶體驗(yàn)。在車(chē)聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，NOMA技術(shù)也展現(xiàn)出了巨大的潛力。車(chē)輛之間的通信需要滿足低時(shí)延、高可靠性的要求，NOMA技術(shù)的免調(diào)度接入方案和低信令開(kāi)銷特點(diǎn)，能夠很好地適應(yīng)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的這種需求，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛之間的快速、穩(wěn)定通信，為智能交通的發(fā)展提供了有力支持。未來(lái)，非正交多址技術(shù)的發(fā)展將呈現(xiàn)出以下幾個(gè)方向。隨著6G通信技術(shù)研究的不斷深入，NOMA技術(shù)將在6G系統(tǒng)中發(fā)揮更為重要的作用。6G對(duì)通信性能提出了更高的要求，如更高的傳輸速率、更低的時(shí)延和更大的連接密度等，NOMA技術(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化和創(chuàng)新，以滿足這些苛刻的需求。研究人員將致力于開(kāi)發(fā)新型的NOMA技術(shù)和算法，如智能反射面輔助的NOMA技術(shù)，通過(guò)智能反射面改變無(wú)線信號(hào)的傳播路徑和特性，進(jìn)一步提升NOMA系統(tǒng)的性能。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的不斷增加，NOMA技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，海量的設(shè)備需要接入網(wǎng)絡(luò)，NOMA技術(shù)的高連接數(shù)特性將使其成為物聯(lián)網(wǎng)通信的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的低功耗、低成本特點(diǎn)，研究適用于物聯(lián)網(wǎng)的NOMA技術(shù)和設(shè)備將是未來(lái)的一個(gè)重要研究方向。與其他新興技術(shù)的融合也是NOMA技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)之一。NOMA技術(shù)與人工智能（AI）、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)的融合，可以實(shí)現(xiàn)更智能的資源分配和干擾管理。通過(guò)AI算法，可以根據(jù)實(shí)時(shí)的信道狀態(tài)和用戶需求，動(dòng)態(tài)地調(diào)整NOMA系統(tǒng)的功率分配、用戶調(diào)度等參數(shù)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)在研究過(guò)程中，將綜合運(yùn)用多種研究方法，以確保對(duì)未來(lái)移動(dòng)通信中基于非正交多址的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全面、深入且準(zhǔn)確的研究。理論分析是本研究的重要基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)非正交多址技術(shù)的基本原理、數(shù)學(xué)模型進(jìn)行深入剖析，運(yùn)用信息論、概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)等相關(guān)理論知識(shí)，推導(dǎo)和證明NOMA系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如頻譜效率、系統(tǒng)容量、誤碼率等。以功率域非正交多址為例，利用信道容量公式和信號(hào)干擾噪聲比（SINR）的計(jì)算方法，分析不同功率分配方案對(duì)系統(tǒng)容量和用戶性能的影響，從理論層面揭示NOMA技術(shù)的內(nèi)在機(jī)制和性能邊界。仿真模擬是研究非正交多址技術(shù)性能的有效手段。借助專業(yè)的通信仿真軟件，如MATLAB、SystemVue等，搭建NOMA系統(tǒng)的仿真模型，模擬不同的通信場(chǎng)景，包括不同的信道模型（如瑞利衰落信道、萊斯衰落信道等）、用戶分布（均勻分布、泊松分布等）和業(yè)務(wù)需求（語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻等）。通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)，如發(fā)射功率、編碼方式、調(diào)制方式等，對(duì)NOMA系統(tǒng)的性能進(jìn)行全面評(píng)估和分析。對(duì)比不同NOMA技術(shù)方案在相同場(chǎng)景下的性能表現(xiàn)，找出最優(yōu)的技術(shù)方案和參數(shù)配置。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是檢驗(yàn)研究成果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。搭建實(shí)際的NOMA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用軟件無(wú)線電（SDR）技術(shù)，如基于USRP（UniversalSoftwareRadioPeripheral）的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)NOMA系統(tǒng)的硬件原型。通過(guò)實(shí)際的信號(hào)傳輸和接收，測(cè)試NOMA系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境中的性能，包括信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?、抗干擾能力、時(shí)延等指標(biāo)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證研究成果的正確性和有效性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，為進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)提供依據(jù)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。在功率分配算法方面，提出一種基于博弈論的動(dòng)態(tài)功率分配算法。該算法充分考慮用戶之間的相互競(jìng)爭(zhēng)和合作關(guān)系，通過(guò)建立博弈模型，讓用戶在滿足自身通信需求的前提下，自主調(diào)整發(fā)射功率，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體性能的優(yōu)化。與傳統(tǒng)的功率分配算法相比，該算法能夠更好地適應(yīng)不同的用戶需求和信道條件，提高系統(tǒng)的公平性和頻譜效率。在干擾管理技術(shù)上，創(chuàng)新地將深度學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于NOMA系統(tǒng)的干擾消除。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，對(duì)接收信號(hào)中的干擾進(jìn)行智能識(shí)別和消除，提高接收機(jī)的性能。通過(guò)大量的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能夠有效降低多址干擾，提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在NOMA與其他技術(shù)的融合創(chuàng)新方面，探索NOMA與智能反射面（IRS）技術(shù)的結(jié)合。通過(guò)在通信環(huán)境中部署IRS，改變無(wú)線信號(hào)的傳播路徑和特性，增強(qiáng)NOMA系統(tǒng)的信號(hào)傳輸質(zhì)量和覆蓋范圍。研究IRS輔助的NOMA系統(tǒng)的資源分配和優(yōu)化問(wèn)題，提出新的系統(tǒng)架構(gòu)和算法，為未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供新的思路和方法。二、非正交多址技術(shù)基礎(chǔ)2.1多址技術(shù)演進(jìn)多址技術(shù)作為移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，在移動(dòng)通信的發(fā)展歷程中不斷演進(jìn)，以適應(yīng)不同時(shí)代的通信需求。從第一代移動(dòng)通信（1G）到第五代移動(dòng)通信（5G），多址技術(shù)經(jīng)歷了從頻分多址到正交頻分多址，再到非正交多址的變革。1G時(shí)代采用的頻分多址（FDMA）技術(shù)，是多址技術(shù)發(fā)展的起點(diǎn)。FDMA將總頻段劃分為若干互不重疊的頻道，每個(gè)頻道對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶，不同用戶在不同的頻率上進(jìn)行通信。在模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，每個(gè)用戶被分配一個(gè)特定的頻段用于語(yǔ)音傳輸。FDMA技術(shù)的原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，能夠在一定程度上滿足當(dāng)時(shí)用戶對(duì)移動(dòng)語(yǔ)音通信的基本需求，使得人們能夠擺脫固定電話線路的束縛，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)狀態(tài)下的通話。但FDMA技術(shù)存在明顯的局限性。它的頻譜利用率較低，由于每個(gè)頻道只能分配給一個(gè)用戶，在有限的頻譜資源下，可容納的用戶數(shù)量較少。不同頻道之間需要較大的保護(hù)帶寬，以防止相鄰頻道之間的干擾，這進(jìn)一步浪費(fèi)了頻譜資源。FDMA系統(tǒng)的容量較小，難以滿足用戶數(shù)量快速增長(zhǎng)的需求。在用戶密集區(qū)域，如城市中心，由于頻道資源有限，常常出現(xiàn)通信阻塞的情況。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，2G時(shí)代引入了時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）技術(shù)。TDMA將時(shí)間軸劃分為若干時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶，不同用戶在不同的時(shí)隙上進(jìn)行通信。全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM）采用TDMA技術(shù)，將一個(gè)載波的傳輸時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙可供一個(gè)用戶使用，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)用戶在同一頻率上的時(shí)分復(fù)用。TDMA技術(shù)相比FDMA技術(shù)，提高了頻譜利用率和系統(tǒng)容量，能夠支持更多用戶同時(shí)通信。它還便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，提高了語(yǔ)音質(zhì)量和保密性。TDMA系統(tǒng)的時(shí)隙分配較為固定，靈活性較差，當(dāng)用戶業(yè)務(wù)需求變化較大時(shí)，難以有效適應(yīng)。系統(tǒng)的同步要求較高，若同步出現(xiàn)偏差，會(huì)導(dǎo)致時(shí)隙沖突，影響通信質(zhì)量。CDMA技術(shù)則是利用不同的編碼序列來(lái)區(qū)分不同用戶的信號(hào)。在CDMA系統(tǒng)中，每個(gè)用戶被分配一個(gè)獨(dú)特的擴(kuò)頻碼，所有用戶的信號(hào)在相同的時(shí)間和頻率上傳輸，但通過(guò)各自的擴(kuò)頻碼進(jìn)行區(qū)分。CDMA技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，不同用戶的信號(hào)由于擴(kuò)頻碼的正交性，相互之間干擾較小。它還具有軟容量特性，即系統(tǒng)容量隨著用戶數(shù)量的增加而逐漸降低，而不是像FDMA和TDMA那樣存在固定的容量限制，這使得CDMA系統(tǒng)在用戶密集區(qū)域具有更好的性能表現(xiàn)。CDMA技術(shù)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高，需要精確的功率控制和同步技術(shù)，以確保各個(gè)用戶的信號(hào)能夠準(zhǔn)確地被接收和解碼。擴(kuò)頻碼的設(shè)計(jì)和管理也較為復(fù)雜，若擴(kuò)頻碼之間的正交性受到破壞，會(huì)產(chǎn)生多址干擾，影響系統(tǒng)性能。3G時(shí)代，為了滿足更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和多媒體業(yè)務(wù)的需求，多址技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了寬帶碼分多址（WCDMA）、時(shí)分同步碼分多址（TD-SCDMA）和cdma2000等技術(shù)。這些技術(shù)在CDMA技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加帶寬、改進(jìn)編碼和調(diào)制方式等手段，提高了系統(tǒng)的傳輸速率和容量。WCDMA采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，支持高達(dá)2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠滿足視頻通話、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入等多媒體業(yè)務(wù)的需求。TD-SCDMA則結(jié)合了TDMA和CDMA技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用時(shí)分雙工模式，在同一頻率上實(shí)現(xiàn)上下行鏈路的時(shí)分復(fù)用，提高了頻譜利用率，并且具有較好的同步性能和抗干擾能力。cdma2000在IS-95CDMA的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，通過(guò)采用多載波技術(shù)和高階調(diào)制方式，提高了系統(tǒng)的性能和容量。盡管這些技術(shù)在3G時(shí)代取得了顯著的進(jìn)步，但隨著用戶對(duì)通信需求的不斷增長(zhǎng)，它們?cè)陬l譜效率和系統(tǒng)容量方面仍然面臨挑戰(zhàn)。4G時(shí)代的正交頻分多址（OFDMA）技術(shù)成為主流。OFDMA將高速數(shù)據(jù)流通過(guò)串并轉(zhuǎn)換，分配到多個(gè)正交的子載波上進(jìn)行并行傳輸。在長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）系統(tǒng)中，OFDMA技術(shù)被廣泛應(yīng)用，它能夠有效地抵抗多徑衰落，提高頻譜效率，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，峰值速率可達(dá)100Mbps甚至更高。OFDMA技術(shù)還具有靈活的資源分配能力，可以根據(jù)用戶的信道條件和業(yè)務(wù)需求，動(dòng)態(tài)地分配子載波和功率，提高了系統(tǒng)的性能和用戶體驗(yàn)。OFDMA技術(shù)仍然基于正交性原理，在有限的頻譜資源下，可支持的用戶數(shù)量受到正交子載波數(shù)量的限制。在實(shí)際的無(wú)線信道中，由于多徑效應(yīng)、多普勒頻移等因素的影響，子載波之間的正交性可能會(huì)受到破壞，導(dǎo)致多址干擾的產(chǎn)生，影響系統(tǒng)性能。隨著移動(dòng)通信技術(shù)向5G及未來(lái)發(fā)展，對(duì)通信系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，包括更高的頻譜效率、更大的系統(tǒng)容量、更低的時(shí)延和支持海量設(shè)備連接等。傳統(tǒng)的正交多址技術(shù)在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)時(shí)逐漸顯露出局限性，難以滿足未來(lái)移動(dòng)通信的需求。為了突破這些局限，非正交多址（NOMA）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它打破了傳統(tǒng)正交多址技術(shù)的正交性限制，通過(guò)在發(fā)送端采用非正交發(fā)送方式，主動(dòng)引入干擾信息，并在接收端利用先進(jìn)的干擾消除技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶在相同的時(shí)頻資源上進(jìn)行通信，為未來(lái)移動(dòng)通信的發(fā)展提供了新的思路和方法。2.2NOMA技術(shù)原理2.2.1基本概念非正交多址（NOMA）技術(shù)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)正交多址技術(shù)的新型無(wú)線接入技術(shù)，其核心在于打破了OMA技術(shù)中嚴(yán)格的正交性原則。在傳統(tǒng)OMA系統(tǒng)中，如FDMA、TDMA、OFDMA等，通過(guò)在時(shí)間、頻率或碼域上為不同用戶分配相互正交的資源，實(shí)現(xiàn)用戶信號(hào)的有效分離，從而避免用戶之間的干擾。在FDMA中，不同用戶被分配到不同的頻段，這些頻段在頻率軸上相互不重疊；TDMA則是將時(shí)間劃分為不同的時(shí)隙，每個(gè)用戶在各自的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行通信；OFDMA把可用頻譜劃分為多個(gè)正交的子載波，不同用戶占用不同的子載波集合。這種正交性保證了用戶信號(hào)之間的獨(dú)立性，使得接收端能夠較為簡(jiǎn)單地分離出各個(gè)用戶的信號(hào)。但這也限制了系統(tǒng)對(duì)頻譜資源的利用效率，因?yàn)榭捎玫恼毁Y源數(shù)量是有限的，在有限的頻譜資源下，能夠支持的用戶數(shù)量也受到限制。NOMA技術(shù)另辟蹊徑，允許不同用戶的信號(hào)在相同的時(shí)頻資源上進(jìn)行疊加傳輸。這意味著多個(gè)用戶的信號(hào)不再是嚴(yán)格正交的，而是在一定程度上相互干擾。為了在接收端能夠準(zhǔn)確地分離出各個(gè)用戶的信號(hào)，NOMA技術(shù)采用了先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)。在發(fā)送端，利用疊加編碼（SC）技術(shù)，將多個(gè)用戶的信息按照一定的規(guī)則進(jìn)行編碼和疊加，使得不同用戶的信號(hào)在功率域或碼域等維度上具有可區(qū)分性。在功率域NOMA中，通過(guò)為不同用戶分配不同的發(fā)射功率，使得信號(hào)在功率上呈現(xiàn)出差異；在碼域NOMA中，則是利用特殊設(shè)計(jì)的編碼序列，使不同用戶的信號(hào)在碼域上具有獨(dú)特的特征。在接收端，采用連續(xù)干擾消除（SIC）技術(shù)來(lái)分離和恢復(fù)各個(gè)用戶的信號(hào)。SIC技術(shù)的工作原理是按照一定的順序，依次檢測(cè)和消除每個(gè)用戶的信號(hào)對(duì)其他用戶信號(hào)的干擾。先檢測(cè)出功率較強(qiáng)或信道條件較好的用戶信號(hào)，然后將其從接收信號(hào)中減去，再繼續(xù)檢測(cè)下一個(gè)用戶的信號(hào)，以此類推，直到所有用戶的信號(hào)都被成功分離和解碼。通過(guò)這種方式，NOMA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在相同的時(shí)頻資源上支持多個(gè)用戶同時(shí)通信，有效提高了頻譜效率和系統(tǒng)容量，為未來(lái)移動(dòng)通信中滿足海量設(shè)備連接和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨筇峁┝擞辛Φ慕鉀Q方案。2.2.2功率域NOMA（PD-NOMA）功率域NOMA（PD-NOMA）是目前應(yīng)用最為廣泛且研究最為深入的一種NOMA技術(shù)，其核心工作機(jī)制基于疊加編碼（SC）和連續(xù)干擾消除（SIC）技術(shù)。在發(fā)送端，PD-NOMA采用疊加編碼技術(shù)，將多個(gè)用戶的信息進(jìn)行編碼并疊加在一起。假設(shè)存在兩個(gè)用戶，用戶1和用戶2，基站會(huì)根據(jù)用戶的信道條件為其分配不同的發(fā)射功率。通常情況下，信道條件較差的用戶（如小區(qū)邊緣用戶）會(huì)被分配較高的發(fā)射功率，而信道條件較好的用戶（如靠近基站的用戶）則分配較低的發(fā)射功率。具體來(lái)說(shuō)，基站將用戶1的信息符號(hào)x_1和用戶2的信息符號(hào)x_2進(jìn)行疊加編碼，得到發(fā)送信號(hào)x=\sqrt{p_1}x_1+\sqrt{p_2}x_2，其中p_1和p_2分別是用戶1和用戶2的發(fā)射功率，且p_1>p_2。這樣，不同用戶的信號(hào)在功率上就具有了區(qū)分度，為接收端的信號(hào)分離提供了基礎(chǔ)。在接收端，采用連續(xù)干擾消除（SIC）技術(shù)來(lái)分離和恢復(fù)各個(gè)用戶的信號(hào)。SIC技術(shù)的工作過(guò)程如下：首先，接收機(jī)接收到疊加信號(hào)y，由于用戶1的信號(hào)功率較高，接收機(jī)先對(duì)用戶1的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和譯碼。通過(guò)匹配濾波器等信號(hào)處理手段，接收機(jī)可以估計(jì)出用戶1的信號(hào)\hat{x_1}，然后對(duì)其進(jìn)行判決和解碼。如果解碼正確，接收機(jī)將用戶1的信號(hào)按照發(fā)送時(shí)的編碼方式進(jìn)行重構(gòu)，得到重構(gòu)信號(hào)\hat{x}，并從接收信號(hào)y中減去該重構(gòu)信號(hào)，即y_1=y-\sqrt{p_1}\hat{x_1}，這樣就消除了用戶1的信號(hào)對(duì)用戶2信號(hào)的干擾。接著，接收機(jī)對(duì)消除干擾后的信號(hào)y_1進(jìn)行處理，檢測(cè)和譯碼用戶2的信號(hào)\hat{x_2}。通過(guò)這種逐次消除干擾的方式，接收機(jī)能夠成功地分離出不同用戶的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多用戶在相同功率域上的通信。PD-NOMA的性能受到多種因素的影響，其中功率分配是關(guān)鍵因素之一。合理的功率分配方案可以提高系統(tǒng)的頻譜效率和用戶的公平性。如果功率分配不合理，可能會(huì)導(dǎo)致某些用戶的性能下降，影響系統(tǒng)的整體性能。信道估計(jì)的準(zhǔn)確性也對(duì)PD-NOMA系統(tǒng)性能有重要影響。在實(shí)際通信中，由于無(wú)線信道的時(shí)變特性和噪聲干擾，信道估計(jì)存在一定的誤差，這可能會(huì)導(dǎo)致接收端無(wú)法準(zhǔn)確地分離用戶信號(hào)，增加誤碼率。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究人員提出了多種改進(jìn)措施。在功率分配方面，采用基于優(yōu)化算法的功率分配方案，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，以尋找最優(yōu)的功率分配策略，提高系統(tǒng)性能。在信道估計(jì)方面，利用導(dǎo)頻信號(hào)和先進(jìn)的信號(hào)處理算法，如最小均方誤差（MMSE）估計(jì)、最大似然估計(jì)等，提高信道估計(jì)的準(zhǔn)確性，從而提升PD-NOMA系統(tǒng)的可靠性。2.2.3碼域NOMA（CD-NOMA）碼域NOMA（CD-NOMA）是另一種重要的非正交多址技術(shù)，其原理是通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的編碼序列，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶信號(hào)在碼域上的復(fù)用和區(qū)分。CD-NOMA利用具有特定特性的編碼序列，如低密度擴(kuò)頻碼（LDS）、多進(jìn)制相移鍵控（MPSK）碼等，為不同用戶分配不同的碼序列。每個(gè)用戶的信號(hào)在發(fā)送時(shí)，通過(guò)與各自的碼序列進(jìn)行擴(kuò)頻或調(diào)制，使得不同用戶的信號(hào)在碼域上具有獨(dú)特的特征。以LDS碼為例，它是一種稀疏的擴(kuò)頻碼，具有較低的碼片速率和較高的處理增益。在一個(gè)包含多個(gè)用戶的CD-NOMA系統(tǒng)中，每個(gè)用戶被分配一個(gè)不同的LDS碼序列，這些碼序列之間具有一定的相關(guān)性，但又不完全相同。當(dāng)多個(gè)用戶的信號(hào)同時(shí)在相同的時(shí)頻資源上傳輸時(shí)，接收端接收到的是多個(gè)用戶信號(hào)的疊加。由于不同用戶的信號(hào)在碼域上的特征不同，接收端可以通過(guò)相關(guān)檢測(cè)等技術(shù)，利用每個(gè)用戶信號(hào)對(duì)應(yīng)的碼序列與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，從而分離出各個(gè)用戶的信號(hào)。具體來(lái)說(shuō)，假設(shè)存在三個(gè)用戶，用戶A、用戶B和用戶C，分別被分配碼序列c_A、c_B和c_C。在發(fā)送端，用戶A的信息符號(hào)x_A與碼序列c_A進(jìn)行擴(kuò)頻，得到擴(kuò)頻信號(hào)x_{A_{spread}}=x_A\cdotc_A，用戶B和用戶C的信號(hào)也進(jìn)行類似的處理。在接收端，接收到的信號(hào)y是三個(gè)用戶擴(kuò)頻信號(hào)的疊加，即y=x_{A_{spread}}+x_{B_{spread}}+x_{C_{spread}}。為了分離出用戶A的信號(hào)，接收端將接收信號(hào)y與用戶A的碼序列c_A進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到r_A=y\cdotc_A，由于不同用戶的碼序列之間的相關(guān)性較低，經(jīng)過(guò)相關(guān)運(yùn)算后，用戶B和用戶C的信號(hào)對(duì)用戶A信號(hào)的干擾被大大降低，從而可以通過(guò)進(jìn)一步的信號(hào)處理，如解擴(kuò)、解調(diào)等，恢復(fù)出用戶A的原始信息x_A。同樣的方法可以用于分離用戶B和用戶C的信號(hào)。CD-NOMA的性能同樣受到多種因素的影響。碼序列的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵因素之一，理想的碼序列應(yīng)具有良好的自相關(guān)性和互相關(guān)性，即自相關(guān)值在碼序列對(duì)齊時(shí)較大，互相關(guān)值在不同碼序列之間較小，這樣才能有效地降低多址干擾，提高系統(tǒng)性能。用戶數(shù)量的增加也會(huì)對(duì)CD-NOMA系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。隨著用戶數(shù)量的增多，碼序列之間的干擾可能會(huì)增大，導(dǎo)致接收端信號(hào)分離的難度增加，誤碼率上升。為了提高CD-NOMA系統(tǒng)的性能，研究人員不斷改進(jìn)碼序列的設(shè)計(jì)。提出了基于優(yōu)化算法的碼序列設(shè)計(jì)方法，通過(guò)優(yōu)化碼序列的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，提高碼序列的性能。也在研究如何有效地管理用戶接入，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載和用戶需求，合理地控制用戶數(shù)量，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和性能。2.3NOMA技術(shù)特點(diǎn)2.3.1提升頻譜效率和系統(tǒng)容量NOMA技術(shù)通過(guò)獨(dú)特的非正交資源分配方式，顯著提升了頻譜效率和系統(tǒng)容量。在傳統(tǒng)的正交多址（OMA）技術(shù)中，如頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）和正交頻分多址（OFDMA）等，不同用戶在時(shí)間、頻率或碼域上被分配正交的資源，以避免用戶間的干擾。這就限制了系統(tǒng)在有限頻譜資源下支持的用戶數(shù)量，因?yàn)檎毁Y源的數(shù)量是有限的。在OFDMA系統(tǒng)中，可用的正交子載波數(shù)量決定了能夠同時(shí)接入的用戶數(shù)量上限，當(dāng)用戶數(shù)量超過(guò)這個(gè)上限時(shí)，就無(wú)法為新用戶分配獨(dú)立的正交資源。相比之下，NOMA技術(shù)打破了這種正交性限制，允許多個(gè)用戶在相同的時(shí)頻資源上進(jìn)行通信。以功率域NOMA（PD-NOMA）為例，它通過(guò)在發(fā)送端對(duì)不同用戶的信號(hào)進(jìn)行功率復(fù)用，為不同用戶分配不同的發(fā)射功率。在一個(gè)包含兩個(gè)用戶的PD-NOMA系統(tǒng)中，基站會(huì)根據(jù)用戶的信道條件為用戶1和用戶2分配不同功率的信號(hào)，將它們疊加后發(fā)送。在接收端，利用連續(xù)干擾消除（SIC）技術(shù)，先檢測(cè)和解碼功率較強(qiáng)的用戶信號(hào)，然后從接收信號(hào)中減去該信號(hào)，再檢測(cè)和解碼功率較弱的用戶信號(hào)。這種方式使得多個(gè)用戶能夠在同一時(shí)頻資源塊上傳輸數(shù)據(jù)，大大提高了頻譜利用率。在相同的頻譜資源下，NOMA系統(tǒng)能夠支持的用戶數(shù)量比OMA系統(tǒng)顯著增加，從而有效提升了系統(tǒng)容量。研究表明，在用戶密集的場(chǎng)景中，NOMA系統(tǒng)的頻譜效率相比傳統(tǒng)OMA系統(tǒng)可提高2-3倍。碼域NOMA（CD-NOMA）則是通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的編碼序列，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶信號(hào)在碼域上的復(fù)用。每個(gè)用戶被分配一個(gè)獨(dú)特的編碼序列，這些序列之間具有一定的相關(guān)性，但又不完全相同。當(dāng)多個(gè)用戶的信號(hào)在相同的時(shí)頻資源上傳輸時(shí)，接收端可以利用這些編碼序列的特性，通過(guò)相關(guān)檢測(cè)等技術(shù)分離出各個(gè)用戶的信號(hào)。通過(guò)這種方式，CD-NOMA系統(tǒng)在不增加額外頻譜資源的情況下，實(shí)現(xiàn)了多用戶同時(shí)接入，提高了頻譜效率和系統(tǒng)容量。與傳統(tǒng)OMA技術(shù)相比，CD-NOMA系統(tǒng)能夠在相同的碼長(zhǎng)下容納更多的用戶，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的通信能力。2.3.2改善小區(qū)邊緣用戶性能在傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，小區(qū)邊緣用戶由于距離基站較遠(yuǎn)，信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷較大的路徑損耗和陰影衰落，同時(shí)還容易受到其他小區(qū)的干擾，導(dǎo)致其通信質(zhì)量和吞吐量較低。而NOMA技術(shù)通過(guò)獨(dú)特的功率分配策略，能夠有效地改善小區(qū)邊緣用戶的性能。以功率域NOMA為例，在發(fā)送端，基站會(huì)根據(jù)用戶的信道條件為不同用戶分配不同的發(fā)射功率。通常情況下，小區(qū)邊緣用戶由于信道條件較差，會(huì)被分配較高的發(fā)射功率，而靠近基站的用戶信道條件較好，則分配較低的發(fā)射功率。這種功率分配方式使得小區(qū)邊緣用戶的信號(hào)在接收端具有較高的信噪比（SNR），從而提高了其解碼的可靠性。在接收端，采用連續(xù)干擾消除（SIC）技術(shù)，先解碼功率較強(qiáng)的用戶信號(hào)，即小區(qū)邊緣用戶的信號(hào)，然后從接收信號(hào)中減去該信號(hào)，再解碼功率較弱的靠近基站用戶的信號(hào)。通過(guò)這種方式，有效地減少了小區(qū)邊緣用戶受到的干擾，提高了其吞吐量和通信質(zhì)量。從數(shù)學(xué)原理上分析，假設(shè)小區(qū)邊緣用戶為用戶1，靠近基站的用戶為用戶2，基站發(fā)送的信號(hào)為x=\sqrt{p_1}x_1+\sqrt{p_2}x_2，其中p_1>p_2分別為用戶1和用戶2的發(fā)射功率，x_1和x_2為用戶1和用戶2的信息符號(hào)。在接收端，對(duì)于用戶1的信號(hào)，其接收信噪比為SNR_1=\frac{p_1|h_1|^2}{N_0}，其中h_1為用戶1的信道增益，N_0為噪聲功率。由于p_1較大，即使|h_1|^2因路徑損耗等因素較小，SNR_1仍能保持在一定水平，保證用戶1信號(hào)的可靠接收。而對(duì)于用戶2的信號(hào)，在消除用戶1信號(hào)干擾后，其接收信噪比為SNR_2=\frac{p_2|h_2|^2}{N_0}，h_2為用戶2的信道增益，由于其信道條件較好，|h_2|^2較大，也能保證信號(hào)的可靠接收。通過(guò)仿真和實(shí)際測(cè)試表明，在采用NOMA技術(shù)的通信系統(tǒng)中，小區(qū)邊緣用戶的吞吐量相比傳統(tǒng)OMA技術(shù)可提升30%-50%，誤碼率明顯降低，有效改善了小區(qū)邊緣用戶的通信體驗(yàn)，提高了用戶的公平性。2.3.3降低時(shí)延和信令開(kāi)銷在未來(lái)移動(dòng)通信中，許多應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)時(shí)延和信令開(kāi)銷有著嚴(yán)格的要求，如車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等。NOMA技術(shù)的一些特性使其在降低時(shí)延和信令開(kāi)銷方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)在用戶接入時(shí)，通常需要進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)度過(guò)程。終端需要向基站發(fā)送接入請(qǐng)求，基站根據(jù)系統(tǒng)資源狀態(tài)和用戶需求進(jìn)行資源分配，并將分配結(jié)果通知終端，終端才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)過(guò)程涉及多次信令交互，導(dǎo)致接入時(shí)延較長(zhǎng)，信令開(kāi)銷較大。在車(chē)聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，車(chē)輛需要實(shí)時(shí)與基站進(jìn)行通信，傳統(tǒng)的調(diào)度方式可能會(huì)導(dǎo)致通信延遲，影響車(chē)輛的行駛安全。NOMA技術(shù)的免調(diào)度接入方案則有效解決了這一問(wèn)題。在一些NOMA系統(tǒng)中，終端可以根據(jù)自身的業(yè)務(wù)需求和信道狀態(tài)，使用開(kāi)環(huán)功控選擇合適的功率一次性上傳數(shù)據(jù)，無(wú)需與基站進(jìn)行多次交互。在物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)需要向基站發(fā)送數(shù)據(jù)，這些節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量通常較小，但對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高。采用NOMA技術(shù)的免調(diào)度接入方案，傳感器節(jié)點(diǎn)可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)，大大減少了接入時(shí)延，同時(shí)也降低了信令交互的開(kāi)銷。從系統(tǒng)層面分析，NOMA技術(shù)減少了信令傳輸?shù)拇螖?shù)和數(shù)據(jù)量，降低了基站的處理負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的整體效率。在大規(guī)模機(jī)器類型通信（mMTC）場(chǎng)景中，眾多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)，如果采用傳統(tǒng)的調(diào)度方式，信令開(kāi)銷將非常巨大，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。而NOMA的免調(diào)度接入方案能夠使這些設(shè)備快速接入網(wǎng)絡(luò)，減少了信令沖突和延遲，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。研究表明，在mMTC場(chǎng)景下，NOMA技術(shù)的信令開(kāi)銷相比傳統(tǒng)OMA技術(shù)可降低50%以上，接入時(shí)延可縮短至原來(lái)的1/3-1/2。2.3.4增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性在實(shí)際的移動(dòng)通信環(huán)境中，信道狀態(tài)信息（CSI）的準(zhǔn)確性往往受到多種因素的影響，如信道的時(shí)變特性、噪聲干擾等，獲取精確的CSI較為困難。而NOMA技術(shù)在一定程度上降低了對(duì)CSI準(zhǔn)確性的敏感度。以功率域NOMA為例，在基于功率復(fù)用的NOMA系統(tǒng)中，接收端主要根據(jù)信號(hào)的功率差異來(lái)進(jìn)行信號(hào)分離和檢測(cè)。在傳輸信道狀態(tài)不發(fā)生大幅、快速改變的情況下，即使接收端反饋的CSI存在一定誤差，只要信號(hào)的功率差異仍然能夠被準(zhǔn)確區(qū)分，系統(tǒng)仍然能夠通過(guò)連續(xù)干擾消除（SIC）技術(shù)有效地分離用戶信號(hào)。當(dāng)信道估計(jì)存在一定偏差時(shí)，只要用戶信號(hào)之間的功率差異在可分辨范圍內(nèi)，SIC技術(shù)依然能夠按照正確的順序依次消除干擾，解碼出各個(gè)用戶的信號(hào)。相比之下，傳統(tǒng)的正交多址技術(shù)，如OFDMA，對(duì)CSI的準(zhǔn)確性要求較高，CSI的誤差可能會(huì)導(dǎo)致子載波分配不合理，從而降低系統(tǒng)性能。NOMA技術(shù)中采用的SIC技術(shù)也增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。由于多個(gè)用戶的信號(hào)在相同的時(shí)頻資源上傳輸，必然會(huì)產(chǎn)生多址干擾。SIC技術(shù)通過(guò)依次檢測(cè)和消除每個(gè)用戶信號(hào)對(duì)其他用戶信號(hào)的干擾，有效地減少了干擾對(duì)通信的影響。在小區(qū)間干擾較大的場(chǎng)景中，NOMA系統(tǒng)能夠利用SIC技術(shù)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行處理，提高接收信號(hào)的質(zhì)量。當(dāng)存在來(lái)自其他小區(qū)的同頻干擾時(shí)，接收端可以先將干擾信號(hào)視為一個(gè)強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和消除，然后再處理自身小區(qū)用戶的信號(hào)，從而保證通信的可靠性。通過(guò)仿真和實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，在干擾環(huán)境下，NOMA系統(tǒng)的誤碼率相比傳統(tǒng)OMA技術(shù)可降低20%-30%，系統(tǒng)的魯棒性得到顯著增強(qiáng)。三、未來(lái)移動(dòng)通信中NOMA關(guān)鍵技術(shù)3.1與MIMO技術(shù)融合3.1.1MIMO-NOMA系統(tǒng)架構(gòu)多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)通過(guò)在發(fā)射端和接收端使用多個(gè)天線，能夠在不增加帶寬的情況下，顯著提高通信系統(tǒng)的容量和可靠性。將MIMO技術(shù)與非正交多址（NOMA）技術(shù)相結(jié)合，形成MIMO-NOMA系統(tǒng)，能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提升未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能。MIMO-NOMA系統(tǒng)的架構(gòu)主要包括發(fā)送端和接收端兩部分。在發(fā)送端，多個(gè)用戶的信號(hào)首先進(jìn)行NOMA處理。對(duì)于功率域NOMA，根據(jù)用戶的信道條件和業(yè)務(wù)需求，為不同用戶分配不同的發(fā)射功率，然后將這些信號(hào)進(jìn)行疊加編碼。假設(shè)有兩個(gè)用戶，用戶1和用戶2，用戶1的信號(hào)x_1被分配較高的功率p_1，用戶2的信號(hào)x_2被分配較低的功率p_2，疊加后的信號(hào)為x=\sqrt{p_1}x_1+\sqrt{p_2}x_2。對(duì)于碼域NOMA，則是利用特殊設(shè)計(jì)的編碼序列對(duì)不同用戶的信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻或調(diào)制，使不同用戶的信號(hào)在碼域上具有可區(qū)分性。經(jīng)過(guò)NOMA處理后的信號(hào)，再進(jìn)入MIMO模塊。在MIMO發(fā)送端，利用多個(gè)天線將信號(hào)進(jìn)行空間復(fù)用或波束成形。在空間復(fù)用模式下，將NOMA處理后的信號(hào)分成多個(gè)子數(shù)據(jù)流，通過(guò)不同的天線同時(shí)發(fā)送出去。假設(shè)發(fā)射端有N_t個(gè)天線，NOMA處理后的信號(hào)x被分成N_t個(gè)子數(shù)據(jù)流x_1,x_2,\cdots,x_{N_t}，分別通過(guò)不同的天線發(fā)射。這樣可以在相同的時(shí)間和頻率資源上傳輸更多的數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)的傳輸速率。在波束成形模式下，根據(jù)信道狀態(tài)信息，調(diào)整每個(gè)天線的發(fā)射權(quán)重，使信號(hào)在特定的方向上形成波束，增強(qiáng)信號(hào)的傳輸強(qiáng)度，提高接收端的信噪比。通過(guò)計(jì)算信道矩陣H的特征值和特征向量，確定每個(gè)天線的發(fā)射權(quán)重w_i，使得發(fā)射信號(hào)在接收端的信噪比最大化。在接收端，首先進(jìn)行MIMO信號(hào)處理。利用多個(gè)接收天線接收信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理算法，如最大似然檢測(cè)、迫零檢測(cè)等，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，恢復(fù)出經(jīng)過(guò)NOMA處理后的信號(hào)。在最大似然檢測(cè)算法中，通過(guò)計(jì)算所有可能的發(fā)送信號(hào)組合與接收信號(hào)之間的歐氏距離，選擇距離最小的組合作為估計(jì)的發(fā)送信號(hào)。得到經(jīng)過(guò)NOMA處理后的信號(hào)后，再進(jìn)行NOMA信號(hào)分離。對(duì)于功率域NOMA，采用連續(xù)干擾消除（SIC）技術(shù)，按照功率從大到小的順序，依次檢測(cè)和消除每個(gè)用戶的信號(hào)對(duì)其他用戶信號(hào)的干擾。先檢測(cè)功率較高的用戶1的信號(hào)，解碼后從接收信號(hào)中減去該信號(hào)，再檢測(cè)用戶2的信號(hào)。對(duì)于碼域NOMA，則利用相關(guān)檢測(cè)等技術(shù)，根據(jù)每個(gè)用戶的編碼序列與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，分離出各個(gè)用戶的信號(hào)。通過(guò)這種MIMO-NOMA系統(tǒng)架構(gòu)，充分利用了多天線的空間自由度和NOMA的非正交資源復(fù)用特性，提高了系統(tǒng)的頻譜效率、容量和可靠性，能夠更好地滿足未來(lái)移動(dòng)通信中對(duì)高速率、大容量和低時(shí)延的需求。3.1.2空間自由度利用在MIMO-NOMA系統(tǒng)中，空間自由度的有效利用是提升系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。通過(guò)空間復(fù)用和波束成形等技術(shù)，能夠優(yōu)化接收信噪比和系統(tǒng)吞吐量。空間復(fù)用是MIMO技術(shù)提高系統(tǒng)容量的重要手段之一。在MIMO-NOMA系統(tǒng)中，多個(gè)用戶的NOMA處理后的信號(hào)被分成多個(gè)子數(shù)據(jù)流，通過(guò)不同的天線同時(shí)發(fā)送。假設(shè)系統(tǒng)中有K個(gè)用戶，發(fā)射端有N_t個(gè)天線，接收端有N_r個(gè)天線。每個(gè)用戶的信號(hào)經(jīng)過(guò)NOMA處理后，被分成N_s個(gè)（N_s\leq\min(N_t,N_r)）子數(shù)據(jù)流，這些子數(shù)據(jù)流在空間上相互獨(dú)立傳輸。在接收端，利用多個(gè)接收天線接收信號(hào)，通過(guò)信號(hào)檢測(cè)算法，如最大似然檢測(cè)（ML）、迫零檢測(cè)（ZF）等，分離出各個(gè)用戶的子數(shù)據(jù)流。ML算法通過(guò)計(jì)算所有可能的發(fā)送信號(hào)組合與接收信號(hào)之間的似然函數(shù)，選擇似然函數(shù)最大的組合作為估計(jì)的發(fā)送信號(hào)。ZF算法則是通過(guò)對(duì)信道矩陣求逆，消除信道的影響，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離。通過(guò)空間復(fù)用，MIMO-NOMA系統(tǒng)能夠在相同的時(shí)頻資源上傳輸更多的用戶數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的傳輸速率和容量。波束成形技術(shù)則是利用天線陣列的方向性，通過(guò)調(diào)整每個(gè)天線的發(fā)射權(quán)重，使信號(hào)在特定的方向上形成波束，增強(qiáng)信號(hào)的傳輸強(qiáng)度，提高接收端的信噪比。在MIMO-NOMA系統(tǒng)中，根據(jù)信道狀態(tài)信息（CSI），計(jì)算每個(gè)天線的發(fā)射權(quán)重。在下行鏈路中，基站根據(jù)用戶的信道信息，為每個(gè)用戶計(jì)算對(duì)應(yīng)的發(fā)射權(quán)重。假設(shè)信道矩陣為H，用戶k的發(fā)射權(quán)重向量為w_k，則發(fā)射信號(hào)x經(jīng)過(guò)加權(quán)后為x_w=\sum_{k=1}^{K}w_kx_k，其中x_k為用戶k的信號(hào)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)發(fā)射權(quán)重，使信號(hào)的能量集中在目標(biāo)用戶的方向上，減少對(duì)其他用戶的干擾，同時(shí)提高目標(biāo)用戶的接收信噪比。在接收端，也可以采用接收波束成形技術(shù)，通過(guò)調(diào)整接收天線的權(quán)重，增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)的接收強(qiáng)度，提高信號(hào)的檢測(cè)性能。在實(shí)際應(yīng)用中，空間復(fù)用和波束成形技術(shù)可以結(jié)合使用。在用戶密集區(qū)域，對(duì)于信道條件較好的用戶，可以采用空間復(fù)用技術(shù)，提高數(shù)據(jù)傳輸速率；對(duì)于信道條件較差的用戶，如小區(qū)邊緣用戶，可以采用波束成形技術(shù)，增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，保證通信質(zhì)量。通過(guò)這種方式，MIMO-NOMA系統(tǒng)能夠充分利用空間自由度，優(yōu)化接收信噪比和系統(tǒng)吞吐量，提高系統(tǒng)的整體性能。3.2協(xié)作NOMA傳輸3.2.1直接傳輸與協(xié)作傳輸階段協(xié)作NOMA傳輸是一種結(jié)合了協(xié)作通信和非正交多址技術(shù)的新型傳輸方式，旨在進(jìn)一步提升通信系統(tǒng)的性能。它主要分為兩個(gè)階段：直接傳輸階段和協(xié)作傳輸階段。在直接傳輸階段，基站同時(shí)向多個(gè)用戶發(fā)送信號(hào)。這些信號(hào)是經(jīng)過(guò)NOMA處理的，即不同用戶的信號(hào)在功率域或碼域上進(jìn)行了復(fù)用。以功率域NOMA為例，基站根據(jù)用戶的信道條件為不同用戶分配不同的發(fā)射功率，將多個(gè)用戶的信號(hào)疊加在一起后發(fā)送。假設(shè)存在兩個(gè)用戶，用戶1和用戶2，基站發(fā)送的信號(hào)為x=\sqrt{p_1}x_1+\sqrt{p_2}x_2，其中p_1和p_2分別是用戶1和用戶2的發(fā)射功率，且p_1>p_2，x_1和x_2分別是用戶1和用戶2的信息符號(hào)。在這個(gè)階段，每個(gè)用戶都接收到包含自身和其他用戶信息的疊加信號(hào)。在協(xié)作傳輸階段，一些信道條件較好的用戶充當(dāng)協(xié)作節(jié)點(diǎn)（中繼），幫助其他信道條件較差的用戶進(jìn)行信號(hào)傳輸。這些協(xié)作節(jié)點(diǎn)首先對(duì)接收到的疊加信號(hào)進(jìn)行處理。對(duì)于功率域NOMA，協(xié)作節(jié)點(diǎn)采用連續(xù)干擾消除（SIC）技術(shù)，先解碼出功率較強(qiáng)的用戶信號(hào)（通常是信道條件較差的用戶信號(hào)），然后從接收信號(hào)中減去該信號(hào)，再解碼出自身的信號(hào)。如果協(xié)作節(jié)點(diǎn)成功解碼出其他用戶的信號(hào)，它會(huì)將這些信號(hào)進(jìn)行重新編碼，并轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)用戶。在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，協(xié)作節(jié)點(diǎn)可以采用不同的協(xié)作策略，如放大轉(zhuǎn)發(fā)（AF）和譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）。在AF策略中，協(xié)作節(jié)點(diǎn)直接將接收到的信號(hào)進(jìn)行放大后轉(zhuǎn)發(fā)；在DF策略中，協(xié)作節(jié)點(diǎn)先對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，然后再重新編碼轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)協(xié)作傳輸，信道條件較差的用戶可以接收到來(lái)自基站和協(xié)作節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，從而提高信號(hào)的可靠性和傳輸質(zhì)量。3.2.2干擾管理與性能提升在協(xié)作NOMA傳輸中，干擾管理是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。由于多個(gè)用戶的信號(hào)在相同的時(shí)頻資源上傳輸，以及協(xié)作節(jié)點(diǎn)的參與，不可避免地會(huì)產(chǎn)生干擾，包括多址干擾（MAI）和中繼間干擾。為了減少中繼節(jié)點(diǎn)間的干擾，研究人員提出了多種有效的方法。在資源分配方面，通過(guò)合理分配時(shí)頻資源和功率，可以降低干擾的影響。采用正交的時(shí)頻資源分配方式，為不同的中繼節(jié)點(diǎn)分配不同的子載波或時(shí)隙，避免它們?cè)谙嗤臅r(shí)頻資源上傳輸信號(hào)，從而減少中繼間干擾。在功率分配上，根據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)用戶之間的信道條件，優(yōu)化功率分配方案，使中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率既能保證信號(hào)的有效傳輸，又能減少對(duì)其他中繼節(jié)點(diǎn)和用戶的干擾。在信號(hào)處理方面，利用先進(jìn)的干擾消除技術(shù)，如連續(xù)干擾消除（SIC）和多用戶檢測(cè)（MUD）等，進(jìn)一步降低干擾。SIC技術(shù)可以按照一定的順序依次消除每個(gè)用戶信號(hào)對(duì)其他用戶信號(hào)的干擾；MUD技術(shù)則可以同時(shí)檢測(cè)和處理多個(gè)用戶的信號(hào)，提高信號(hào)的檢測(cè)性能。通過(guò)有效的干擾管理，協(xié)作NOMA傳輸能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和整體性能。在網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面，協(xié)作節(jié)點(diǎn)的參與使得信號(hào)能夠繞過(guò)障礙物，傳播到更遠(yuǎn)的區(qū)域，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。對(duì)于小區(qū)邊緣用戶，通過(guò)協(xié)作傳輸，他們可以接收到來(lái)自協(xié)作節(jié)點(diǎn)的信號(hào)，改善了信號(hào)質(zhì)量，提高了通信的可靠性。在整體性能方面，協(xié)作NOMA傳輸提高了系統(tǒng)的頻譜效率和容量。多個(gè)用戶在相同的時(shí)頻資源上傳輸信號(hào)，結(jié)合協(xié)作通信的優(yōu)勢(shì)，使得系統(tǒng)能夠在有限的頻譜資源下支持更多用戶同時(shí)通信，提高了系統(tǒng)的吞吐量和用戶容量。研究表明，在復(fù)雜的通信環(huán)境中，采用協(xié)作NOMA傳輸?shù)南到y(tǒng)相比傳統(tǒng)的非協(xié)作NOMA系統(tǒng)，頻譜效率可提高15%-25%，小區(qū)邊緣用戶的吞吐量可提升30%-40%。3.3基于機(jī)器學(xué)習(xí)的資源分配3.3.1機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用在非正交多址（NOMA）系統(tǒng)中，資源分配問(wèn)題，如功率分配和用戶調(diào)度，對(duì)于系統(tǒng)性能的優(yōu)化至關(guān)重要。傳統(tǒng)的資源分配方法往往依賴于精確的信道狀態(tài)信息（CSI）和復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際應(yīng)用中面臨著計(jì)算復(fù)雜度高、對(duì)CSI準(zhǔn)確性要求高以及難以適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的通信環(huán)境等挑戰(zhàn)。而機(jī)器學(xué)習(xí)算法的引入為解決這些問(wèn)題提供了新的途徑。在功率分配方面，強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法得到了廣泛應(yīng)用。強(qiáng)化學(xué)習(xí)是一種通過(guò)智能體與環(huán)境進(jìn)行交互，根據(jù)環(huán)境反饋的獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)來(lái)學(xué)習(xí)最優(yōu)行為策略的機(jī)器學(xué)習(xí)方法。在NOMA系統(tǒng)中，將基站視為智能體，功率分配策略視為智能體的行為，系統(tǒng)的性能指標(biāo)（如系統(tǒng)和速率、用戶公平性等）視為獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)。智能體通過(guò)不斷嘗試不同的功率分配策略，根據(jù)環(huán)境反饋的獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)來(lái)調(diào)整自己的行為，逐步學(xué)習(xí)到最優(yōu)的功率分配策略。以Q-learning算法為例，首先定義一個(gè)Q值表，用于存儲(chǔ)不同狀態(tài)下采取不同行動(dòng)的預(yù)期獎(jiǎng)勵(lì)值?；靖鶕?jù)當(dāng)前的信道狀態(tài)（如用戶的信道增益、噪聲水平等）確定當(dāng)前狀態(tài)，然后在Q值表中查找當(dāng)前狀態(tài)下的最優(yōu)行動(dòng)（即功率分配方案），并執(zhí)行該行動(dòng)。執(zhí)行行動(dòng)后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際的性能表現(xiàn)給予一個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)，基站根據(jù)這個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)更新Q值表，不斷優(yōu)化自己的功率分配策略。通過(guò)這種方式，強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法能夠在不需要精確信道模型的情況下，自適應(yīng)地找到最優(yōu)的功率分配方案，提高系統(tǒng)性能。深度學(xué)習(xí)算法在NOMA系統(tǒng)的資源分配中也發(fā)揮著重要作用。深度學(xué)習(xí)通過(guò)構(gòu)建多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中的復(fù)雜特征和模式。在用戶調(diào)度問(wèn)題上，可以利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）來(lái)預(yù)測(cè)用戶的信道狀態(tài)和業(yè)務(wù)需求，從而實(shí)現(xiàn)更合理的用戶調(diào)度。首先收集大量的歷史數(shù)據(jù)，包括用戶的信道狀態(tài)信息、業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)流量等，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和標(biāo)注，將其作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)。然后構(gòu)建一個(gè)DNN模型，該模型可以包括輸入層、多個(gè)隱藏層和輸出層。輸入層接收用戶的相關(guān)信息，隱藏層通過(guò)非線性變換自動(dòng)提取數(shù)據(jù)中的特征，輸出層則輸出預(yù)測(cè)的用戶調(diào)度結(jié)果。使用訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)DNN模型進(jìn)行訓(xùn)練，通過(guò)反向傳播算法不斷調(diào)整模型的參數(shù)，使模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際的用戶調(diào)度情況盡可能接近。訓(xùn)練完成后，DNN模型就可以根據(jù)實(shí)時(shí)的用戶信息，快速準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出最優(yōu)的用戶調(diào)度方案，提高系統(tǒng)的資源利用率和用戶滿意度。3.3.2資源分配優(yōu)化策略基于機(jī)器學(xué)習(xí)的資源分配策略能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和用戶需求的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)資源的高效分配，提升系統(tǒng)的整體性能。在實(shí)際的移動(dòng)通信環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)（如信道條件、干擾水平等）和用戶需求（如業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)速率要求等）是不斷變化的。傳統(tǒng)的資源分配策略往往難以實(shí)時(shí)適應(yīng)這些變化，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。而基于機(jī)器學(xué)習(xí)的資源分配策略通過(guò)持續(xù)學(xué)習(xí)和更新，能夠及時(shí)捕捉到這些變化，并相應(yīng)地調(diào)整資源分配方案。在強(qiáng)化學(xué)習(xí)中，智能體在與環(huán)境的交互過(guò)程中，不斷根據(jù)新的狀態(tài)和獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)更新自己的策略。當(dāng)信道條件發(fā)生變化時(shí)，基站（智能體）會(huì)根據(jù)新的信道狀態(tài)信息調(diào)整功率分配策略，為信道條件變差的用戶分配更多的功率，以保證其通信質(zhì)量；當(dāng)用戶的業(yè)務(wù)需求發(fā)生變化時(shí)，基站會(huì)根據(jù)用戶的新需求調(diào)整資源分配，為對(duì)數(shù)據(jù)速率要求高的用戶分配更多的資源。基于深度學(xué)習(xí)的資源分配策略也具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。深度學(xué)習(xí)模型可以實(shí)時(shí)處理大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和用戶需求的變化快速做出決策。在用戶調(diào)度中，當(dāng)新的用戶加入網(wǎng)絡(luò)或已有用戶的業(yè)務(wù)需求發(fā)生改變時(shí)，DNN模型可以根據(jù)實(shí)時(shí)的用戶信息，快速預(yù)測(cè)出最優(yōu)的用戶調(diào)度方案，將資源分配給最需要的用戶。通過(guò)這種動(dòng)態(tài)調(diào)整的資源分配策略，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的NOMA系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)資源的高效利用，提高系統(tǒng)的頻譜效率、吞吐量和用戶公平性。在頻譜效率方面，合理的功率分配和用戶調(diào)度能夠使系統(tǒng)在有限的頻譜資源下傳輸更多的數(shù)據(jù)，提高頻譜利用率。在吞吐量方面，根據(jù)用戶需求分配資源，能夠確保每個(gè)用戶都能獲得足夠的資源來(lái)滿足其業(yè)務(wù)需求，從而提高系統(tǒng)的總吞吐量。在用戶公平性方面，考慮到不同用戶的信道條件和業(yè)務(wù)需求，避免資源過(guò)度集中在少數(shù)用戶身上，保證每個(gè)用戶都能獲得基本的通信服務(wù)，提高了用戶的公平性。研究表明，與傳統(tǒng)的資源分配策略相比，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的資源分配策略能夠使NOMA系統(tǒng)的頻譜效率提高10%-20%，系統(tǒng)吞吐量提升15%-30%，用戶公平性指標(biāo)也有顯著改善。四、NOMA技術(shù)應(yīng)用案例分析4.1無(wú)人機(jī)通信4.1.1無(wú)人機(jī)基站支持NOMA傳輸在未來(lái)移動(dòng)通信中，無(wú)人機(jī)通信作為一種新興的通信方式，具有靈活部署、快速響應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)榈孛嬗脩籼峁?yīng)急通信、臨時(shí)覆蓋等服務(wù)。將非正交多址（NOMA）技術(shù)應(yīng)用于無(wú)人機(jī)通信中，尤其是無(wú)人機(jī)作為基站支持NOMA傳輸，能夠顯著提升空對(duì)地通信的質(zhì)量和效率。無(wú)人機(jī)作為基站時(shí)，其通信環(huán)境與傳統(tǒng)地面基站有很大不同。無(wú)人機(jī)通常處于高空，與地面用戶之間存在較大的高度差，這使得通信鏈路更容易受到大氣衰減、多徑效應(yīng)和多普勒頻移等因素的影響。無(wú)人機(jī)的移動(dòng)性也給通信帶來(lái)了挑戰(zhàn)，需要實(shí)時(shí)調(diào)整通信參數(shù)以保證通信的穩(wěn)定性。在無(wú)人機(jī)支持NOMA傳輸?shù)南到y(tǒng)中，其工作原理基于NOMA的基本原理，即不同用戶的信號(hào)在相同的時(shí)頻資源上進(jìn)行疊加傳輸，并在接收端通過(guò)連續(xù)干擾消除（SIC）技術(shù)進(jìn)行信號(hào)分離。在下行鏈路中，無(wú)人機(jī)作為基站，根據(jù)地面用戶的信道條件，為不同用戶分配不同的發(fā)射功率。對(duì)于距離無(wú)人機(jī)較遠(yuǎn)、信道條件較差的地面用戶，分配較高的發(fā)射功率；對(duì)于距離較近、信道條件較好的用戶，分配較低的發(fā)射功率。無(wú)人機(jī)將多個(gè)用戶的信號(hào)進(jìn)行疊加編碼后發(fā)送出去。在接收端，地面用戶首先接收到包含多個(gè)用戶信號(hào)的疊加信號(hào)。信道條件較好的用戶由于其信號(hào)功率相對(duì)較弱，先利用SIC技術(shù)檢測(cè)和解碼信道條件較差用戶的信號(hào)，然后從接收信號(hào)中減去該信號(hào)，再解碼出自己的信號(hào)。通過(guò)這種方式，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)地面用戶在相同的時(shí)頻資源上與無(wú)人機(jī)進(jìn)行通信，提高了頻譜效率和系統(tǒng)容量。從數(shù)學(xué)原理上分析，假設(shè)無(wú)人機(jī)與兩個(gè)地面用戶進(jìn)行通信，用戶1距離無(wú)人機(jī)較遠(yuǎn)，信道條件較差，用戶2距離無(wú)人機(jī)較近，信道條件較好。無(wú)人機(jī)發(fā)送的信號(hào)可以表示為x=\sqrt{p_1}x_1+\sqrt{p_2}x_2，其中p_1和p_2分別是用戶1和用戶2的發(fā)射功率，且p_1>p_2，x_1和x_2分別是用戶1和用戶2的信息符號(hào)。在用戶2的接收端，接收到的信號(hào)y_2=h_2x+n_2=h_2(\sqrt{p_1}x_1+\sqrt{p_2}x_2)+n_2，其中h_2是用戶2的信道增益，n_2是噪聲。用戶2首先利用SIC技術(shù)檢測(cè)用戶1的信號(hào)，其檢測(cè)的信噪比為SNR_{1,2}=\frac{p_1|h_2|^2}{p_2|h_2|^2+\sigma^2}，當(dāng)SNR_{1,2}滿足一定的解碼條件時(shí)，用戶2可以成功解碼出用戶1的信號(hào)\hat{x_1}。然后用戶2從接收信號(hào)y_2中減去用戶1的信號(hào)，得到y(tǒng)_{21}=y_2-h_2\sqrt{p_1}\hat{x_1}，再對(duì)y_{21}進(jìn)行處理，解碼出自己的信號(hào)\hat{x_2}，此時(shí)解碼的信噪比為SNR_{2,2}=\frac{p_2|h_2|^2}{\sigma^2}。通過(guò)合理的功率分配和SIC技術(shù)，能夠保證不同用戶信號(hào)的可靠接收。4.1.2實(shí)際應(yīng)用效果與挑戰(zhàn)在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)人機(jī)通信中NOMA技術(shù)展現(xiàn)出了良好的性能。在一些應(yīng)急通信場(chǎng)景中，如自然災(zāi)害發(fā)生后，地面通信基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞，無(wú)人機(jī)搭載NOMA基站能夠快速部署到受災(zāi)區(qū)域，為多個(gè)救援設(shè)備和人員提供通信服務(wù)。由于NOMA技術(shù)的頻譜效率高，能夠在有限的頻譜資源下支持更多的用戶同時(shí)接入，滿足了救援現(xiàn)場(chǎng)對(duì)通信容量的需求。通過(guò)合理的功率分配，保證了處于不同位置的救援人員都能獲得較好的通信質(zhì)量，提高了救援工作的效率。在智能交通領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)可以作為移動(dòng)基站，為道路上的車(chē)輛提供通信服務(wù)。車(chē)輛之間的通信需要滿足低時(shí)延、高可靠性的要求，NOMA技術(shù)的免調(diào)度接入方案和低信令開(kāi)銷特點(diǎn)，能夠很好地適應(yīng)車(chē)聯(lián)網(wǎng)的這種需求。無(wú)人機(jī)利用NOMA技術(shù)，將多個(gè)車(chē)輛的信號(hào)進(jìn)行疊加傳輸，車(chē)輛在接收端通過(guò)SIC技術(shù)分離出自己的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛之間的快速、穩(wěn)定通信，為智能交通的發(fā)展提供了有力支持。無(wú)人機(jī)通信中NOMA技術(shù)也面臨著諸多挑戰(zhàn)。信道動(dòng)態(tài)變化是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。由于無(wú)人機(jī)的移動(dòng)性和大氣環(huán)境的復(fù)雜性，無(wú)人機(jī)與地面用戶之間的信道狀態(tài)會(huì)快速變化，導(dǎo)致信道估計(jì)不準(zhǔn)確。在傳統(tǒng)的NOMA系統(tǒng)中，準(zhǔn)確的信道估計(jì)對(duì)于功率分配和信號(hào)檢測(cè)至關(guān)重要，信道估計(jì)的誤差會(huì)導(dǎo)致功率分配不合理，接收端無(wú)法準(zhǔn)確地分離用戶信號(hào)，從而降低系統(tǒng)性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要研究適用于無(wú)人機(jī)通信的快速信道估計(jì)算法，如基于機(jī)器學(xué)習(xí)的信道估計(jì)方法，利用無(wú)人機(jī)和地面用戶的歷史信道數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)信息，預(yù)測(cè)信道狀態(tài)，提高信道估計(jì)的準(zhǔn)確性。無(wú)人機(jī)的能源限制也對(duì)NOMA技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生影響。無(wú)人機(jī)通常依靠電池供電，能源有限，而NOMA技術(shù)中，由于多個(gè)用戶信號(hào)的疊加傳輸和接收端的SIC處理，會(huì)增加無(wú)人機(jī)的發(fā)射功率和信號(hào)處理復(fù)雜度，從而消耗更多的能量。為了延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)的工作時(shí)間，需要優(yōu)化NOMA系統(tǒng)的功率分配和信號(hào)處理算法，降低無(wú)人機(jī)的能耗。采用能量高效的功率分配策略，在保證系統(tǒng)性能的前提下，盡量降低無(wú)人機(jī)的發(fā)射功率。研究低復(fù)雜度的SIC算法，減少信號(hào)處理過(guò)程中的能量消耗。無(wú)人機(jī)通信中的安全性也是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。由于無(wú)人機(jī)通信鏈路容易受到干擾和攻擊，NOMA系統(tǒng)的安全傳輸面臨威脅。在多用戶同時(shí)通信的情況下，如何保證用戶信息的保密性和完整性，防止信息被竊取和篡改，是需要解決的問(wèn)題?？梢圆捎眉用芗夹g(shù)、認(rèn)證技術(shù)和安全編碼技術(shù)等，增強(qiáng)無(wú)人機(jī)通信中NOMA系統(tǒng)的安全性。對(duì)用戶信號(hào)進(jìn)行加密處理，在接收端進(jìn)行解密，保證信息的保密性；采用身份認(rèn)證技術(shù)，確保通信雙方的身份合法，防止非法用戶接入；利用安全編碼技術(shù)，提高信號(hào)的抗干擾能力和糾錯(cuò)能力，保證信息的完整性。4.2移動(dòng)邊緣計(jì)算4.2.1NOMA與移動(dòng)邊緣計(jì)算結(jié)合移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）作為一種新型的計(jì)算模式，將計(jì)算和存儲(chǔ)能力下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，靠近用戶設(shè)備，能夠有效減少數(shù)據(jù)傳輸延遲，提高服務(wù)響應(yīng)速度。將非正交多址（NOMA）技術(shù)與移動(dòng)邊緣計(jì)算相結(jié)合，為未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。在NOMA-MEC融合系統(tǒng)中，用戶設(shè)備可以根據(jù)自身的計(jì)算能力和任務(wù)需求，靈活地選擇將計(jì)算任務(wù)卸載到移動(dòng)邊緣服務(wù)器或在本地進(jìn)行處理。這種靈活的計(jì)算卸載選項(xiàng)基于NOMA技術(shù)的多用戶復(fù)用特性和MEC的邊緣計(jì)算能力。當(dāng)多個(gè)用戶同時(shí)有計(jì)算任務(wù)時(shí)，NOMA技術(shù)允許這些用戶在相同的時(shí)頻資源上向移動(dòng)邊緣服務(wù)器發(fā)送計(jì)算任務(wù)請(qǐng)求和數(shù)據(jù)。在功率域NOMA中，不同用戶的計(jì)算任務(wù)請(qǐng)求信號(hào)通過(guò)不同的發(fā)射功率進(jìn)行區(qū)分，在接收端利用連續(xù)干擾消除（SIC）技術(shù)分離出各個(gè)用戶的信號(hào)。在碼域NOMA中，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的編碼序列對(duì)不同用戶的計(jì)算任務(wù)請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻或調(diào)制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的區(qū)分和分離。移動(dòng)邊緣服務(wù)器接收到用戶的計(jì)算任務(wù)后，根據(jù)自身的計(jì)算資源和任務(wù)優(yōu)先級(jí)，對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度和處理。移動(dòng)邊緣服務(wù)器可以根據(jù)用戶的信道條件、任務(wù)大小和截止時(shí)間等因素，為不同用戶的任務(wù)分配不同的計(jì)算資源。對(duì)于信道條件較差、任務(wù)緊急的用戶，優(yōu)先分配更多的計(jì)算資源，以保證任務(wù)能夠按時(shí)完成。在處理計(jì)算任務(wù)時(shí)，移動(dòng)邊緣服務(wù)器可以利用本地的存儲(chǔ)資源和計(jì)算能力，快速地對(duì)用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將處理結(jié)果返回給用戶。從數(shù)學(xué)模型上分析，假設(shè)存在K個(gè)用戶，用戶k的計(jì)算任務(wù)大小為D_k，本地計(jì)算的能耗為E_{local,k}，計(jì)算延遲為T(mén)_{local,k}，將任務(wù)卸載到移動(dòng)邊緣服務(wù)器的傳輸能耗為E_{trans,k}，傳輸延遲為T(mén)_{trans,k}，移動(dòng)邊緣服務(wù)器處理任務(wù)的延遲為T(mén)_{server,k}。用戶k可以通過(guò)比較本地計(jì)算和卸載計(jì)算的總能耗和總延遲，來(lái)選擇最優(yōu)的計(jì)算方式。如果E_{local,k}+E_{trans,k}+T_{server,k}<E_{local,k}+T_{local,k}，則用戶k選擇將任務(wù)卸載到移動(dòng)邊緣服務(wù)器；否則，選擇在本地進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)這種方式，NOMA-MEC融合系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算資源的高效利用，提高系統(tǒng)的整體性能。4.2.2用戶體驗(yàn)優(yōu)化與工業(yè)應(yīng)用推動(dòng)NOMA與移動(dòng)邊緣計(jì)算的結(jié)合，對(duì)用戶體驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生了積極而深遠(yuǎn)的影響。從用戶體驗(yàn)角度來(lái)看，這種結(jié)合方式極大地緩解了終端設(shè)備的負(fù)擔(dān)。在傳統(tǒng)的通信模式下，終端設(shè)備需要承擔(dān)大量的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算任務(wù)，這對(duì)于一些計(jì)算能力有限的設(shè)備，如智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能下降，出現(xiàn)卡頓、響應(yīng)遲緩等問(wèn)題。而在NOMA-MEC融合系統(tǒng)中，用戶可以將復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)卸載到移動(dòng)邊緣服務(wù)器，終端設(shè)備只需負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和簡(jiǎn)單的預(yù)處理，大大減輕了終端設(shè)備的計(jì)算壓力，使其能夠更流暢地運(yùn)行其他應(yīng)用程序，提高了用戶的使用體驗(yàn)。在運(yùn)行大型游戲或進(jìn)行高清視頻直播時(shí)，終端設(shè)備可以將圖像渲染、數(shù)據(jù)處理等復(fù)雜任務(wù)卸載到移動(dòng)邊緣服務(wù)器，避免了因本地計(jì)算能力不足而導(dǎo)致的游戲畫(huà)面卡頓、視頻播放不流暢等問(wèn)題，為用戶提供了更加流暢、穩(wěn)定的娛樂(lè)體驗(yàn)。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，NOMA-MEC融合系統(tǒng)為自動(dòng)化與智能化的發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，大量的工業(yè)設(shè)備需要實(shí)時(shí)采集和處理數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化和設(shè)備的智能控制。將NOMA技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備之間的通信，能夠在有限的頻譜資源下，實(shí)現(xiàn)更多設(shè)備的同時(shí)接入，提高了通信效率。結(jié)合移動(dòng)邊緣計(jì)算，工業(yè)設(shè)備可以將采集到的數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)揭苿?dòng)邊緣服務(wù)器進(jìn)行處理，減少了數(shù)據(jù)傳輸延遲，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。在智能工廠中，通過(guò)NOMA-MEC融合系統(tǒng)，機(jī)器人、傳感器等設(shè)備可以實(shí)時(shí)與邊緣服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，邊緣服務(wù)器根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中，當(dāng)某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，傳感器可以通過(guò)NOMA技術(shù)快速將故障信息傳輸?shù)揭苿?dòng)邊緣服務(wù)器，服務(wù)器及時(shí)進(jìn)行故障診斷和分析，并將處理方案反饋給設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的快速修復(fù)，減少了生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間，提高了工業(yè)生產(chǎn)的可靠性和穩(wěn)定性。五、NOMA技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)與解決方案5.1干擾管理問(wèn)題5.1.1用戶間干擾復(fù)雜性在非正交多址（NOMA）系統(tǒng)中，多個(gè)用戶的信號(hào)在相同的時(shí)頻資源上進(jìn)行疊加傳輸，這雖然提高了頻譜效率和系統(tǒng)容量，但也導(dǎo)致了用戶間干擾的復(fù)雜性顯著增加。與傳統(tǒng)的正交多址（OMA）技術(shù)不同，OMA通過(guò)在時(shí)間、頻率或碼域上為用戶分配正交資源，使得用戶信號(hào)之間相互獨(dú)立，不存在干擾。在頻分多址（FDMA）中，不同用戶被分配到不同的頻段，頻段之間相互隔離，避免了干擾；時(shí)分多址（TDMA）將時(shí)間劃分為不同的時(shí)隙，每個(gè)用戶在各自的時(shí)隙內(nèi)通信，也有效避免了干擾。而在NOMA系統(tǒng)中，由于多個(gè)用戶共享相同的時(shí)頻資源，用戶信號(hào)之間必然存在干擾。在功率域NOMA中，不同用戶的信號(hào)通過(guò)功率復(fù)用進(jìn)行疊加，接收端需要根據(jù)信號(hào)功率的差異來(lái)區(qū)分不同用戶的信號(hào)。但在實(shí)際通信中，由于信道衰落、噪聲干擾等因素的影響，信號(hào)功率的差異可能會(huì)變得不明顯，導(dǎo)致接收端難以準(zhǔn)確地分離用戶信號(hào)，增加了誤碼率。在碼域NOMA中，雖然通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的編碼序列來(lái)區(qū)分不同用戶的信號(hào)，但隨著用戶數(shù)量的增加，編碼序列之間的干擾也會(huì)增大，使得接收端的信號(hào)檢測(cè)和分離變得更加困難。在多小區(qū)環(huán)境下，NOMA系統(tǒng)的用戶間干擾問(wèn)題更加復(fù)雜。除了小區(qū)內(nèi)用戶間的干擾，還存在小區(qū)間干擾。當(dāng)多個(gè)小區(qū)同時(shí)采用NOMA技術(shù)時(shí)，不同小區(qū)的用戶信號(hào)可能會(huì)在相同的時(shí)頻資源上發(fā)生沖突，導(dǎo)致干擾加劇。小區(qū)邊緣用戶不僅受到本小區(qū)內(nèi)其他用戶的干擾，還容易受到相鄰小區(qū)用戶的干擾，這使得小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。在一個(gè)包含多個(gè)小區(qū)的NOMA網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)邊緣用戶的信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較弱，而來(lái)自其他小區(qū)的干擾信號(hào)強(qiáng)度可能與本小區(qū)邊緣用戶的信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)，甚至更強(qiáng)，這使得接收端在檢測(cè)和分離邊緣用戶信號(hào)時(shí)面臨更大的挑戰(zhàn)。5.1.2干擾消除技術(shù)與策略為了解決NOMA系統(tǒng)中復(fù)雜的用戶間干擾問(wèn)題，研究人員提出了多種干擾消除技術(shù)和策略。連續(xù)干擾消除（SIC）技術(shù)是NOMA系統(tǒng)中最常用的干擾消除技術(shù)之一。其基本原理是按照一定的順序，依次檢測(cè)和消除每個(gè)用戶的信號(hào)對(duì)其他用戶信號(hào)的干擾。在功率域NOMA中，接收端首先檢測(cè)功率較強(qiáng)的用戶信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行解碼后，從接收信號(hào)中減去該信號(hào)，然后再檢測(cè)下一個(gè)用戶的信號(hào)。通過(guò)這種逐次消除干擾的方式，能夠有效地分離出不同用戶的信號(hào)。但SIC技術(shù)的性能受到多種因素的影響，如信道估計(jì)的準(zhǔn)確性、解碼順序的選擇等。如果信道估計(jì)存在誤差，可能會(huì)導(dǎo)致接收端無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)和消除用戶信號(hào)，從而降低系統(tǒng)性能。解碼順序的選擇也至關(guān)重要，不合理的解碼順序可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤傳播，影響后續(xù)用戶信號(hào)的檢測(cè)。為了提高SIC技術(shù)的性能，研究人員提出了多種改進(jìn)策略。采用基于信道狀態(tài)信息（CSI）的動(dòng)態(tài)解碼順序選擇方法，根據(jù)用戶的信道質(zhì)量和信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)時(shí)調(diào)整解碼順序，以提高干擾消除的效果。利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN），對(duì)信道狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，優(yōu)化SIC的解碼過(guò)程，提高系統(tǒng)的可靠性。除了SIC技術(shù)，其他新興的干擾管理方法也在不斷發(fā)展。多用戶檢測(cè)（MUD）技術(shù)通過(guò)聯(lián)合檢測(cè)多個(gè)用戶的信號(hào)，利用用戶信號(hào)之間的相關(guān)性，同時(shí)消除多個(gè)用戶之間的干擾。MUD技術(shù)能夠在一定程度上提高系統(tǒng)的性能，尤其是在用戶數(shù)量較多的情況下，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。但MUD技術(shù)的計(jì)算復(fù)雜度較高，對(duì)硬件設(shè)備的要求也較高，限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用。為了降低MUD技術(shù)的計(jì)算復(fù)雜度，研究人員提出了一些改進(jìn)算法，如基于迫零（ZF）和最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則的MUD算法，通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，在保證一定性能的前提下，降低了計(jì)算復(fù)雜度。干擾對(duì)齊（IA）技術(shù)也是一種有效的干擾管理方法。IA技術(shù)通過(guò)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，使干擾信號(hào)在接收端的特定維度上對(duì)齊，從而減少對(duì)目標(biāo)信號(hào)的干擾。在多小區(qū)NOMA系統(tǒng)中，IA技術(shù)可以通過(guò)協(xié)調(diào)不同小區(qū)的信號(hào)傳輸，使小區(qū)間干擾在接收端的某個(gè)子空間內(nèi)對(duì)齊，從而降低干擾對(duì)用戶信號(hào)的影響。IA技術(shù)需要精確的信道狀態(tài)信息和嚴(yán)格的同步要求，在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)難度較大。為了克服這些問(wèn)題，研究人員提出了一些基于分布式算法的IA技術(shù)，通過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息交互和協(xié)作，實(shí)現(xiàn)干擾對(duì)齊，降低了對(duì)集中式控制和精確信道信息的依賴。5.2功率分配優(yōu)化5.2.1功率分配的影響因素在非正交多址（NOMA）系統(tǒng)中，功率分配是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其受到多種因素的綜合影響，這些因素直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能和用戶的體驗(yàn)。信道狀態(tài)是影響NOMA系統(tǒng)功率分配的重要因素之一。在無(wú)線通信中，信道具有時(shí)變特性，受到多徑衰落、陰影衰落和多普勒頻移等因素的影響，不同用戶的信道條件存在差異。信道增益反映了信號(hào)在傳輸過(guò)程中的衰減程度，信道增益較大的用戶，信號(hào)傳輸質(zhì)量較好，在功率分配時(shí)可以適當(dāng)降低其發(fā)射功率；而信道增益較小的用戶，如小區(qū)邊緣用戶，由于信號(hào)傳輸損耗大，需要分配較高的發(fā)射功率，以保證其通信質(zhì)量。當(dāng)用戶處于多徑衰落嚴(yán)重的區(qū)域時(shí)，信號(hào)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的畸變和衰減，為了保證信號(hào)能夠被正確接收，需要為該用戶分配更多的功率。信道的時(shí)變特性也要求功率分配能夠?qū)崟r(shí)適應(yīng)信道的變化。在高速移動(dòng)場(chǎng)景中，如高鐵通信，用戶的信道狀態(tài)會(huì)快速變化，需要采用動(dòng)態(tài)的功率分配策略，根據(jù)實(shí)時(shí)的信道狀態(tài)信息，及時(shí)調(diào)整用戶的發(fā)射功率，以保證通信的穩(wěn)定性和可靠性。用戶需求對(duì)功率分配也有著重要影響。不同用戶的業(yè)務(wù)類型和數(shù)據(jù)速率要求各不相同。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)，如語(yǔ)音通話、視頻會(huì)議等，需要保證較低的傳輸時(shí)延和較高的可靠性，在功率分配時(shí)應(yīng)優(yōu)先滿足這些用戶的需求，為其分配足夠的功率，以確保語(yǔ)音和視頻的流暢傳輸。對(duì)于數(shù)據(jù)速率要求較高的業(yè)務(wù)，如高清視頻下載、在線游戲等，需要分配更多的功率來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足用戶對(duì)大數(shù)據(jù)量快速傳輸?shù)男枨?。在一個(gè)包含多種業(yè)務(wù)的NOMA系統(tǒng)中，需要綜合考慮不同用戶的業(yè)務(wù)需求，合理分配功率，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化。服務(wù)質(zhì)量（QoS）指標(biāo)是功率分配必須考慮的因素。QoS指標(biāo)包括誤碼率、吞吐量、時(shí)延等。在功率分配時(shí)，需要根據(jù)不同用戶的QoS要求來(lái)調(diào)整發(fā)射功率。對(duì)于對(duì)誤碼率要求嚴(yán)格的用戶，如金融交易類應(yīng)用，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要分配足夠的功率來(lái)降低誤碼率，提高信號(hào)的可靠性。對(duì)于對(duì)吞吐量要求較高的用戶，如大數(shù)據(jù)傳輸用戶，應(yīng)分配更多的功率以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，增加吞吐量。而對(duì)于對(duì)時(shí)延要求苛刻的用戶，如車(chē)聯(lián)網(wǎng)中的車(chē)輛通信，需要快速響應(yīng)，在功率分配時(shí)要確保信號(hào)能夠及時(shí)傳輸，減少時(shí)延。5.2.2優(yōu)化算法與模型為了實(shí)現(xiàn)NOMA系統(tǒng)中功率的合理分配，研究人員提出了多種優(yōu)化算法和模型，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。凸優(yōu)化是一種常用的優(yōu)化方法，用于解決功率分配問(wèn)題。凸優(yōu)化問(wèn)題具有良好的數(shù)學(xué)性質(zhì)，其目標(biāo)函數(shù)和約束條件都是凸函數(shù)，能夠保證找到全局最優(yōu)解。在NOMA系統(tǒng)的功率分配中，可以構(gòu)建基于凸優(yōu)化的模型。以最大化系統(tǒng)和速率為目標(biāo)，將用戶的發(fā)射功率作為優(yōu)化變量，考慮用戶的功率限制、QoS要求等約束條件。假設(shè)系統(tǒng)中有K個(gè)用戶，用戶k的發(fā)射功率為p_k，信道增益為h_k，噪聲功率為\sigma^2，則系統(tǒng)和速率可以表示為R=\sum_{k=1}^{K}\log_2(1+\frac{p_k|h_k|^2}{\sum_{j\neqk}p_j|h_j|^2+\sigma^2})。約束條件可以包括功率限制0\leqp_k\leqP_{max,k}，以及QoS約束，如誤碼率約束P_{e,k}\leqP_{e,max,k}等。通過(guò)凸優(yōu)化算法，如內(nèi)點(diǎn)法、梯度下降法等，可以求解出最優(yōu)的功率分配方案，使得系統(tǒng)和速率最大化。博弈論也被廣泛應(yīng)用于NOMA系統(tǒng)的功率分配。博弈論是研究決策主體之間相互作用和策略選擇的理論，將NOMA系統(tǒng)中的用戶視為博弈參與者，功率分配策略視為參與者的策略。在功率分配博弈中，每個(gè)用戶都希望通過(guò)調(diào)整自己的發(fā)射功率來(lái)最大化自身的效用，同時(shí)考慮其他用戶的策略對(duì)自己的影響。每個(gè)用戶的效用可以定義為其數(shù)據(jù)傳輸速率減去發(fā)射功率的代價(jià)，即U_k=R_k-c_kp_k，其中R_k是用戶k的數(shù)據(jù)傳輸速率，c_k是功率代價(jià)系數(shù)。用戶之間通過(guò)不斷調(diào)整自己的發(fā)射功率，尋求納什均衡點(diǎn)，在該點(diǎn)上，每個(gè)用戶都無(wú)法通過(guò)單方面改變自己的策略來(lái)提高自身的效用。通過(guò)博弈論方法，可以實(shí)現(xiàn)用戶之間的功率分配平衡，提高系統(tǒng)的公平性和整體性能。除了凸優(yōu)化和博弈論方法，還有其他一些優(yōu)化算法也在NOMA系統(tǒng)功率分配中得到應(yīng)用。遺傳算法（GA）是一種基于自然選擇和遺傳變異原理的優(yōu)化算法，通過(guò)模擬生物進(jìn)化過(guò)程，搜索最優(yōu)解。在NOMA系統(tǒng)功率分配中，遺傳算法將功率分配方案編碼為染色體，通過(guò)選擇、交叉和變異等操作，不斷進(jìn)化染色體，尋找最優(yōu)的功率分配方案。粒子群優(yōu)化算法（PSO）是一種模擬鳥(niǎo)群覓食行為的優(yōu)化算法，通過(guò)粒子在解空間中的運(yùn)動(dòng)，尋找最優(yōu)解。在功率分配中，PSO算法將每個(gè)粒子視為一個(gè)功率分配方案，通過(guò)粒子之間的信息共享和協(xié)作，不斷調(diào)整粒子的位置，以找到最優(yōu)的功率分配方案。這些優(yōu)化算法各有特點(diǎn)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中可以根據(jù)具體需求選擇合適的算法，以實(shí)現(xiàn)NOMA系統(tǒng)功率分配的優(yōu)化。5.3與現(xiàn)有通信技術(shù)的兼容性5.3.1兼容性挑戰(zhàn)在未來(lái)移動(dòng)通信的發(fā)展進(jìn)程中，實(shí)現(xiàn)非正交多址（NOMA）技術(shù)與現(xiàn)有5G等通信技術(shù)的融合，是推動(dòng)通信技術(shù)持續(xù)進(jìn)步的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，這一融合過(guò)程面臨著諸多技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)層面的兼容性挑戰(zhàn)。從技術(shù)角度來(lái)看，NOMA技術(shù)與現(xiàn)有5G通信技術(shù)在物理層和鏈路層存在顯著差異。在物理層，5G通信技術(shù)主要基于正交頻分多址（OFDMA）技術(shù)，通過(guò)為不同用戶分配正交的子載波來(lái)實(shí)現(xiàn)多用戶通信，這種方式在保障用戶信號(hào)獨(dú)立性和避免干擾方面具有良好的性能。而NOMA技術(shù)打破了正交性限制，允許不同用戶的信號(hào)在相同的時(shí)頻資源上疊加傳輸，這使得NOMA系統(tǒng)在接收端需要采用更為復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)，如連續(xù)干擾消除（SIC）等，來(lái)分離不同用戶的信號(hào)。這種物理層傳輸方式的差異，導(dǎo)致NOMA技術(shù)與5G現(xiàn)有物理層架構(gòu)難以直接兼容。在5G基站中，信號(hào)的接收和處理主要針對(duì)OFDMA信號(hào)設(shè)計(jì)，若要引入NOMA技術(shù)，需要對(duì)基站的硬件和信號(hào)處理算法進(jìn)行大規(guī)模改造，增加了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度和成本。在鏈路層，5G通信技術(shù)的資源調(diào)度和管理機(jī)制是基于OFDMA的正交特性進(jìn)行設(shè)計(jì)的。5G系統(tǒng)根據(jù)用戶的信道狀態(tài)信息（CSI），為用戶分配正交的時(shí)頻資源塊，以確保用戶