第 2 章 下行非正交傳輸技術
| 2.5 比特分割 |
| 2.6 性能評估 |
2.6.1 鍊路性能
為驗證第 2.1 節的容量區域，在 AWGN 信道進行鍊路仿真。UE1（近端用 戶）和 UE2（遠端使用者）的 SNR 分别為 20 dB 和 0 dB。遠端使用者采用 QPSK， 近端使用者采用 QPSK、16QAM 或者 64QAM。功率配置設定比為：0.7 : 0.3，0.75 : 0.25， 0.8 : 0.2；0.85 : 0.15，0.9 : 0.1。對于正交傳輸，自由度配置設定為 0.1～0.9。
取靠近容量界的一些速率對，終大緻拟合出的容量界如圖 2-20 所示。容 易發現，在感興趣的區域内（如邊緣使用者速率/譜效在 0.5～0.9 bit/（s·Hz）區 域内），NOMA 明顯高于 OMA 的容量界。
從 BLER 曲線角度，觀察 Gray 疊加+SLIC 接收機相對非 Gray 疊加+SLIC 接收機的性能增益。具體地，通過調整遠近使用者的功率比，先對齊兩個方案的遠端使用者性能，然後在所述功率比下比較兩個方案的近端使用者的性能。從圖 2-21 可以看出，複合星座圖符合 Gray 映射的方案的性能相對功率域直接疊加方案的 性能有非常明顯的增益。
圖 2-22 對比了 3 種情形下的非正交傳輸的鍊路性能，用速率區域（Rate Region）來描述。其中，UE1 代表近端使用者，其信噪比為 20 dB；UE2 代表遠 端使用者，信噪比為 8 dB。相對于圖 2-20 中的仿真，圖 2-22 的仿真更加符合實 際，例如考慮衰落信道、較為實際的接收機、信道估計誤差等。
圖 2-22 中的三角形圖示的點是當複合星座圖不具有 Gray 映射時采用碼塊 級幹擾消除得到的結果，而菱形圖示的點是當複合星座圖具有 Gray 映射，但采 用調制符号級幹擾消除得到的結果。可以看出這兩種情形下的性能，即速率區 域是重合的，難分高低。并且随着遠端使用者配置設定的功率的增加，近端使用者速率 單調降低，遠端使用者速率單調增加。這說明如果疊加而成的星座圖不符合 Gray 特性，則必須用更複雜的接收機，如碼塊級幹擾消除來達到 Gray 映射＋相對簡 單許多的符号級幹擾消除的性能。而如果既不能保障 Gray 映射，又不想采用複 雜的碼塊級幹擾消除，那麼其性能就如圖中的方形圖示的點所示。當近端使用者 配置設定的功率較高時，複合星座點中距離較近的，由于沒有 Gray 映射的保護，噪 聲很容易造成錯誤譯碼，遠端使用者的幹擾消得不幹淨，使得近端使用者的速率相 比其他兩種情形要低許多。隻有當遠端使用者配置設定的功率逐漸提高時，其譯碼的 成功率得到明顯改善，所造成的幹擾可以消得比較徹底，故近端使用者的速率接 近其他兩種情況。
2.6.2 系統性能
1．Full Buffer 業務，寬帶排程
基于表 2-3 的參數配置表進行配置，其中天線配置為 2 發 2 收，交叉極化， 終端移動速度為 3 km/h，接收機為 MMSE+CWIC，寬帶排程。表 2-6 給出了下 行非正交傳輸和正交傳輸（這裡是 SU-MIMO）的 Full Buffer 業務下的一個系 統仿真結果。從表 2-6 可以看出，邊緣頻譜效率方面，相對傳輸正交提升 30.7%。 平均頻譜效率方面，相對正交傳輸提升約 9.25%。
在 3GPP MUST 研究當中，有多個廠家對 Full Buffer 業務進行了寬帶排程 的仿真，增益範圍為如下：扇區平均譜效增益為 4.37%～12.9%。扇區邊緣譜效 增益為 12.9%～31%。
如前面小節所述，多使用者的多天線（MU-MIMO）技術與非正交傳輸一樣， 都是通過疊加使用者在相同的資源上，以達到更高的和速率。由于一個小區的用 戶數有限，排程器需要在多天線技術和非正交傳輸之間做好平衡。這會使得當 兩種方法混用時，各自的增益都會較低一些。是以總的增益并不是各自增益的 疊加。不過，多天線技術下的多使用者配對的準則是空間信道的低相關并且使用者 的信噪比比較接近，而非正交傳輸的使用者配對需要使用者之間有遠近效應。
表 2-7 是一個 4 發射天線的系統仿真結果，每個扇區的使用者數是 10。可以 看出如果配對使用者可以采用不同的空間預編碼，其小區平均譜效相對基線（正 交傳輸）的情形有 35%的顯著增益，而如果隻能采用相同的空間預編碼則對平 均譜效帶來的增益隻有 2%。這說明至少從小區平均吞吐的角度，多天線技術可 以較好地與非正交傳輸結合，來進一步提高小區平均譜效。當然也注意到，采用 不同的預編碼，對小區邊緣的譜效并沒有積極的效果，其增益從 17%降至 6%。
2．FTP 業務，兩發射天線，寬帶排程
表 2-8 給出了 FTP1 業務，檔案大小為 0.1 MB 高負載情況下與 SU-MIMO 的性能（以 UPT 度量，User Perceived Throughput，使用者感覺吞吐）對比情況。 從表 2-8 中結果可以看出：資源使用率（RU）為 0.7 左右時，平均吞吐量方面， 下行非正交傳輸相對正交傳輸有 10.7%的增益；邊緣吞吐量方面，下行非正交 傳輸相對正交傳輸有 17.8%的增益。RU 為 0.8 左右時，平均吞吐量方面，下行 非正交傳輸相對正交傳輸有 15.54%的增益；邊緣吞吐量方面，下行非正交傳輸 相對正交傳輸有 8.85%的增益。相比 RU 為 0.7 左右時的增益，RU 為 0.8 左右 時下行非正交傳輸邊緣吞吐量的增益要小一些，原因是更多的資料包未能在規 定的時間内傳輸完成而被丢棄。
系統性能的趨勢可以從激活使用者數、排程使用者比例等統計結果來解釋。 圖 2-23（a）給出了 RU 為 0.7 左右時，扇區中激活使用者數比例，同時激活的用 戶數多為 21 個。圖 2-23（b）給出了 RU 為 0.8 左右時，扇區中激活使用者數 比例，同時激活的使用者數多為 24 個。激活使用者越多，意味着被排程的使用者數 越多。
圖 2-24（a）給出了 RU 大約為 0.7 時，下行非正交傳輸時配對使用者比例，将 近 57%的使用者進行正交多址傳輸，13%的使用者進行下行非正交傳輸。圖 2-24（b） 給出了 RU 大約為 0.8 時，下行非正交傳輸時配對使用者比例，将近 59%的使用者 進行正交多址傳輸，25%的使用者進行下行非正交傳輸，這說明負載越高，配對 成功的機率越高。這就解釋了為什麼非正交傳輸在小區平均體驗速率、50%體 驗速率和 95%體驗速率相比正交傳輸有明顯的增益。
不同負載下，非正交傳輸相對正交傳輸的性能增益不同。RU 越接近 1，其 性能越接近 Full Buffer 的性能。在 3GPP MUST 研究當中，有多個廠家對 FTP 業務進行了寬帶排程的仿真。當 RU 約為 60%和 80%時，非正交傳輸相比正交 傳輸的增益範圍如下。
- RU 約為 60%時，平均使用者側吞吐量增益為−9%～7.97%。使用者側平均吞 吐量增益為−13%～15.89%。
- RU 約為 80%時，平均使用者側吞吐量增益為 1%～20.23%。使用者側平均吞 吐量增益為 4.4%～25.37%。
3．FTP 業務，兩發射天線，子帶排程
圖 2-25 是每個扇區内的同時進行子帶排程的使用者數的分布，相應的資源利 用率在 76%左右。這個分布與排程器算法關系很大。大約有 27%的時間，一個 扇區内隻有一個使用者被排程。
圖 2-26 是系統仿真的使用者感覺的吞吐量分布。對比了正交傳輸的單使用者 MIMO，基于鏡像轉換的非正交（也稱 MUST Category 2）和比特分割的非正交 （也稱 MUST Category 3）的吞吐。仿真中的基站側和終端側分别有兩根天線， 每個使用者可以是一層（Rank = 1）或者二層傳輸（Rank = 2）。非正交配對的兩 個使用者的空間預編碼矩陣相同。在鏡像轉換的方案中，功率配置設定有 4 種，即 α = 0.14，0.17，0.23，0.36。排程器可以動态地在正交傳輸和非正交傳輸之間切換， 并且帶有外環的鍊路自适應，用來補償 CQI 估計不準确和信令延遲的影響。圖 中分别考察了 RU 在 60%和 80%左右的吞吐量。
表 2-9 列舉了當資源使用率在 85%左右時，使用者感覺吞吐量的均值，95%、 50%、5%以及底部 5%的均值。可以看出鏡像轉換方案的吞吐在中等速率和小 區邊緣速率上較比特分割的方案要略好，公平性更好。這與之前的分析相符， 即鏡像轉換方案可以支援更靈活的功率配置設定，以充分發揮非正交傳輸的潛在 優勢。