關(guān)于5G的非正交多址接入技術(shù)分析

王華華，李文彬，余永坤

（重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

關(guān)于5G的非正交多址接入技術(shù)分析

王華華，李文彬，余永坤

（重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

5G技術(shù)創(chuàng)新將會(huì)出現(xiàn)在無(wú)線和網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)層面，與傳統(tǒng)方式不同的是，5G將不再以單一多址接入技術(shù)作為主要特征，其采用一組關(guān)鍵技術(shù)—非正交多址接入技術(shù)，內(nèi)涵將更加寬泛。文章分析了當(dāng)前5G研究中最熱門的非正交多址接入技術(shù)、多用戶共享接入技術(shù)和稀疏碼多址接入技術(shù)3種非正交多址技術(shù)的本質(zhì)思想，以及比較了它們各自的優(yōu)勢(shì)和存在的問題，并且在5G多址技術(shù)選取方面對(duì)3種非正交多址技術(shù)提出了選取依據(jù)。

非正交多址接入；多用戶共享接入；稀疏碼多址接入

多址接入技術(shù)對(duì)于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的意義非常重大，是一個(gè)系統(tǒng)中信號(hào)傳輸?shù)幕A(chǔ)。在1G到4G系統(tǒng)中分別采用頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）、時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）和正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）技術(shù)，這使得接收端信號(hào)檢測(cè)復(fù)雜度大大地降低。為了滿足5G高頻譜效率和高連接數(shù)目的需求，可以考慮采用多個(gè)用戶在相同資源上重疊發(fā)送，即采用非正交多址接入方式，在接收端采用更復(fù)雜的檢測(cè)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶的正確檢測(cè)。非正交多址接入技術(shù)的引入，來(lái)源于器件的進(jìn)步和非線性檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。理論上，基于串行干擾抵消的非線性多用戶檢測(cè)，無(wú)論在上行還是下行，都能夠達(dá)到香農(nóng)容量的極限。

1 非正交多址接入技術(shù)分析

1.1 非正交多址接入技術(shù)

非正交多址技術(shù)（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）不同于傳統(tǒng)的正交傳輸，其思想是利用復(fù)雜的接收機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)?yè)Q取頻譜效率的提高，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，芯片的處理能力不斷地增強(qiáng)，使非正交傳輸技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。在NOMA中主要有2種技術(shù)：串行干擾刪除（Successive Interference Cancellation，SIC）技術(shù)和NOMA功率域的復(fù)用。NOMA系統(tǒng)下行鏈路發(fā)收端的信號(hào)處理流程如圖1所示。

由于基站每個(gè)時(shí)域頻域資源單元都承載了n個(gè)用戶信號(hào)，由SIC接收機(jī)原理，終端接收到n個(gè)用戶信號(hào)后，按照先強(qiáng)后弱的順序，逐次檢索出所有用戶信號(hào)。因此，基站在對(duì)用戶信號(hào)進(jìn)行下行發(fā)射功率復(fù)用時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)各自不同的SNR和相關(guān)算法分配給UE1的發(fā)射信號(hào)功率最弱，UE2的發(fā)射信號(hào)功率中等，UE3的發(fā)射信號(hào)功率最強(qiáng)。這就是NOMA功率域復(fù)用技術(shù)。

總的來(lái)說(shuō)，NOMA技術(shù)的發(fā)送端和接收端的處理過(guò)程簡(jiǎn)單直觀、易于實(shí)現(xiàn)，是其最大的優(yōu)點(diǎn)。NOMA通過(guò)采用功率分配的思想和SIC算法，能夠有效區(qū)分用戶，降低系統(tǒng)的干擾，還使小區(qū)邊緣用戶的服務(wù)質(zhì)量得到保證。

1.2 多用戶共享接入技術(shù)

多用戶共享接入（Multi-User Shared Access，MUSA）是一種典型的基于碼域的非正交多址技術(shù)，是CDMA技術(shù)的改進(jìn)。在MUSA技術(shù)中，多用戶可以共享復(fù)用相同的時(shí)域、頻域和空域，在每個(gè)時(shí)域頻域資源單元上，MUSA通過(guò)對(duì)用戶信息擴(kuò)頻編碼，可以顯著提升系統(tǒng)的資源復(fù)用能力。MUSA系統(tǒng)上行鏈路發(fā)收端的信號(hào)處理流程如圖2所示。

圖2 MUSA系統(tǒng)處理流程

假設(shè)前提條件為基站同一小區(qū)、同一時(shí)域，有3個(gè)用戶分別處于頻域和空域上，調(diào)制符號(hào)為：“1010”“1011”“1001”。基站根據(jù)小區(qū)用戶登錄信息，首先為在相同資源單元上的每個(gè)用戶設(shè)置一個(gè)碼序列：“100”“110”“111”。MUSA對(duì)終端用戶調(diào)制符號(hào)與用戶碼序列的算法操作后新生的用戶發(fā)送信號(hào)為：“101100101100”“111110111111”“110111111110”。這3個(gè)用戶發(fā)送信號(hào)經(jīng)過(guò)各自的信道響應(yīng)及噪聲影響后，被基站天線接收，并送到SIC接收機(jī)，SIC再根據(jù)3用戶各自的信道估計(jì)和碼序列分別解調(diào)出它們的調(diào)制符號(hào)。

MUSA技術(shù)為每個(gè)用戶分配的不同碼序列，對(duì)正交性沒有要求，所以MUSA實(shí)際上是一種擴(kuò)頻技術(shù)。因此MUSA技術(shù)具有實(shí)現(xiàn)難度較低、系統(tǒng)復(fù)雜度可控、支持大量用戶接入、原則上不需同步和提升終端電池壽命等5G系統(tǒng)需求的特點(diǎn)，非常適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

1.3 稀疏碼多址接入技術(shù)

稀疏碼分多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）是碼域非正交多址接入技術(shù)。作為碼域精髓的擴(kuò)頻碼組碼方式，SCMA完全不同于MUSA。SCMA本質(zhì)思想是發(fā)送端，將來(lái)自一個(gè)或多個(gè)用戶的多個(gè)數(shù)據(jù)層，SCMA將通過(guò)低密度擴(kuò)頻技術(shù)和多維調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，為用戶選擇最優(yōu)的碼本集合，通過(guò)碼域擴(kuò)頻和非正交疊加在同一時(shí)頻資源單元中發(fā)送。接收端采用消息傳遞算法（Message Passing Algorithm，MPA）進(jìn)行低復(fù)雜度的多用戶聯(lián)合檢測(cè)，并通過(guò)線性解擴(kuò)和SIC接收機(jī)分離出同一時(shí)頻資源單元中的多個(gè)數(shù)據(jù)層，最后結(jié)合信道譯碼完成多用戶信息的恢復(fù)。

SCMA在多址方面主要結(jié)合低密度擴(kuò)頻和自適應(yīng)正交頻分復(fù)用技術(shù)（Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing（F-OFDM，OFDM））兩項(xiàng)重要得多址技術(shù)，通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化LDS中的F-OFDM調(diào)制器和線性稀疏擴(kuò)頻，根據(jù)設(shè)計(jì)好的碼本集合將數(shù)據(jù)比特直接映射為碼字。

Filtered OFDM是基于子帶濾波的OFDM。該技術(shù)將系統(tǒng)劃分為若干個(gè)子帶，子帶之間只有極小的保護(hù)帶，各個(gè)子帶可以根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)場(chǎng)景來(lái)配置不同的波形參數(shù)，支持5G對(duì)動(dòng)態(tài)軟空口的靈活需求。F-OFDM的系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

與傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)相比，F(xiàn)-OFDM將頻帶劃分為多個(gè)子帶，在收發(fā)兩端都有子帶濾波器。每個(gè)子帶可根據(jù)實(shí)際的業(yè)務(wù)需求來(lái)配置不同的參數(shù)，如FFT點(diǎn)數(shù)、CP長(zhǎng)度等。發(fā)送端與接收端的處理流程描述如下。發(fā)送端各個(gè)子帶的數(shù)據(jù)映射到不同的子載波上，并用子帶濾波器進(jìn)行濾波，抑制鄰帶帶來(lái)的干擾。接收端采用匹配濾波器來(lái)對(duì)子帶數(shù)據(jù)的解耦合。F-OFDM可為5G實(shí)現(xiàn)頻域和時(shí)域的資源靈活復(fù)用，可以靈活調(diào)整頻域中的保護(hù)帶寬和時(shí)域中的循環(huán)前綴，甚至可以達(dá)到最小值，既可提高多址接入效率，又可滿足各種業(yè)務(wù)空口接入要求。

因此，SCMA 由于碼本設(shè)計(jì)上的靈活性和適用場(chǎng)景的多樣性，得到廣泛關(guān)注。SCMA的稀疏碼技術(shù)和F-OFDM技術(shù)是其重要的優(yōu)勢(shì)，既可快速分離碼域用戶信號(hào)，又非常適應(yīng)5G的多樣性。當(dāng)前SCMA研究的主要難點(diǎn)在碼本設(shè)計(jì)如何更高效、譯碼算法如何更快速簡(jiǎn)便等。SCMA是一個(gè)有巨大潛力的非正交多址技術(shù)。

圖3 F-OFDM系統(tǒng)處理流程

2 3種非正交多址接入技術(shù)的比較

NOMA采用的是多個(gè)用戶信號(hào)強(qiáng)度的線性疊加，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)性不高，是非正交多址接入技術(shù)中最簡(jiǎn)單的一種。MUSA是通過(guò)對(duì)同一時(shí)頻承載資源單元采用擴(kuò)頻編碼技術(shù)，它是僅有碼域應(yīng)用的非正交多址接入技術(shù)。MUSA在同時(shí)頻用戶層數(shù)方面優(yōu)于NOMA，但其是以降低系統(tǒng)性能為代價(jià)的。SCMA可以靈活地調(diào)整時(shí)頻承載資源單元的大小，不僅可以適應(yīng)系統(tǒng)空口接入眾多業(yè)務(wù)中的各種需求，還能夠一定程度上提高系統(tǒng)的頻譜容量和多址接入效率。PDMA可以在時(shí)頻資源單元的基礎(chǔ)上疊加不同信號(hào)功率的用戶信號(hào)，但是其技術(shù)性是最復(fù)雜的，還需投入研究。3種非正交多址技術(shù)的特性以及它們的優(yōu)勢(shì)和存在的問題如表1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

相比于正交多址技術(shù)，針對(duì)4種非正交多址方案進(jìn)行分析，NOMA進(jìn)行了功率復(fù)用，所以接收機(jī)具有一定的復(fù)雜度；MUSA是一種典型的碼域非正交方案，采用復(fù)數(shù)域多元碼序列進(jìn)行擴(kuò)頻，雖然技術(shù)較為簡(jiǎn)單，但用戶間干擾較大且無(wú)法承載更多用戶；PDMA進(jìn)行碼域、空域和功率域聯(lián)合優(yōu)化，采用易于SIC算法的特征樣圖區(qū)分不同信號(hào)域，但過(guò)于復(fù)雜不易于實(shí)現(xiàn)；SCMA利用了碼本的稀疏性和低復(fù)雜度的MPA算法，具有很大的潛力。

對(duì)于5G來(lái)說(shuō)，非正交多址技術(shù)能獲得頻譜效率的提升，且在不增加資源占用的前提下同時(shí)服務(wù)更多用戶，并且具有應(yīng)用場(chǎng)景較為廣泛、性能具有頑健性、適用于海量連接場(chǎng)景等優(yōu)勢(shì)。盡管NOMA，MUSA，PDMA和SCMA各有優(yōu)勢(shì)，但筆者認(rèn)為，對(duì)于選擇5G多址接入的技術(shù)還是因需而異，并且側(cè)重點(diǎn)還是應(yīng)該放在傳統(tǒng)的頻域和時(shí)域承載資源上面。另外，4種技術(shù)也需要未來(lái)不斷進(jìn)行優(yōu)化。

表1 3種非正交多址技術(shù)的特性比較

[1]康紹莉，戴曉明，任斌.面向5G的PDMA圖樣分割多址接入技術(shù)[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2015（5）：43-47.

[2]張長(zhǎng)青.面向5G的非正交多址技術(shù)（NOMA）淺析[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2015（11）：49-53.

[3]BICHAI W，KUN W，ZHAO HL，et al. Comparison study of non-orthogonal multiple access schemes for 5G[C].Beijing：IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting，2015.

[4]畢奇，梁林，楊?yuàn)櫍?面向5G的非正交多址接入技術(shù)[J].電信科學(xué)，2015（5）：14-21.

[5]康紹莉，戴曉明，任斌.面向5G的PDM A圖樣分割多址接入技術(shù)[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2015（5）：43-47.

[6]王波，梅曉麗.淺析非正交多址接入技術(shù)[J].卷宗，2015（4）：280.

[7]張長(zhǎng)青.面向5G的非正交多址接入技術(shù)的比較[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2015（11）：42-49.

[8]TAO Y，LIU L，LIU S，et al. A survey：several technologies of non-orthogonal transmission for 5G[J].China Communications，2015（10）：1-15.

Analysis of 5G non-orthogonal multiple access technology

Wang Huahua, Li Wenbin, Yu Yongkun
（Chongqing Key Laboratory of Mobile Communications, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China）

The 5G technology innovation will appear in two levels of the wireless and network, and different from the traditional way, 5G will no longer uses the single multiple access technology as the main feature, which uses a set of key technologies of Non-Orthogonal Multiple Access（NOMA）technology, the content will be more broad. This paper analyzes the essential thought of the three Non-Orthogonal Multiple technology of NOMA, Multi-User Shared Access（MUSA）and Sparse Code Multiple Access（SCMA）in the current 5G study, and compares their respective advantages and the existing problems. In the selection of 5G multiple access technology, puts forward the selection basis of three Non-Orthogonal Multiple technology.

non-orthogonal multiple access; Multi-User Shared Access; Sparse Code Multiple Access

王華華（1981— ），男，山西臨汾人。