關于5G的非正交多址接入技術分析

王華華，李文彬，余永坤

（重慶郵電大學 移動通信重慶市重點實驗室，重慶 400065）

關于5G的非正交多址接入技術分析

王華華，李文彬，余永坤

（重慶郵電大學 移動通信重慶市重點實驗室，重慶 400065）

5G技術創(chuàng)新將會出現(xiàn)在無線和網(wǎng)絡兩個層面，與傳統(tǒng)方式不同的是，5G將不再以單一多址接入技術作為主要特征，其采用一組關鍵技術—非正交多址接入技術，內(nèi)涵將更加寬泛。文章分析了當前5G研究中最熱門的非正交多址接入技術、多用戶共享接入技術和稀疏碼多址接入技術3種非正交多址技術的本質(zhì)思想，以及比較了它們各自的優(yōu)勢和存在的問題，并且在5G多址技術選取方面對3種非正交多址技術提出了選取依據(jù)。

非正交多址接入；多用戶共享接入；稀疏碼多址接入

多址接入技術對于蜂窩移動通信系統(tǒng)的意義非常重大，是一個系統(tǒng)中信號傳輸?shù)幕A。在1G到4G系統(tǒng)中分別采用頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）、時分多址（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，這使得接收端信號檢測復雜度大大地降低。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，在接收端采用更復雜的檢測算法來實現(xiàn)用戶的正確檢測。非正交多址接入技術的引入，來源于器件的進步和非線性檢測技術的發(fā)展。理論上，基于串行干擾抵消的非線性多用戶檢測，無論在上行還是下行，都能夠達到香農(nóng)容量的極限。

1 非正交多址接入技術分析

1.1 非正交多址接入技術

非正交多址技術（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）不同于傳統(tǒng)的正交傳輸，其思想是利用復雜的接收機設計來換取頻譜效率的提高，隨著半導體技術的快速發(fā)展，芯片的處理能力不斷地增強，使非正交傳輸技術在系統(tǒng)中的應用成為可能。在NOMA中主要有2種技術：串行干擾刪除（Successive Interference Cancellation，SIC）技術和NOMA功率域的復用。NOMA系統(tǒng)下行鏈路發(fā)收端的信號處理流程如圖1所示。

由于基站每個時域頻域資源單元都承載了n個用戶信號，由SIC接收機原理，終端接收到n個用戶信號后，按照先強后弱的順序，逐次檢索出所有用戶信號。因此，基站在對用戶信號進行下行發(fā)射功率復用時，系統(tǒng)根據(jù)各自不同的SNR和相關算法分配給UE1的發(fā)射信號功率最弱，UE2的發(fā)射信號功率中等，UE3的發(fā)射信號功率最強。這就是NOMA功率域復用技術。

總的來說，NOMA技術的發(fā)送端和接收端的處理過程簡單直觀、易于實現(xiàn)，是其最大的優(yōu)點。NOMA通過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)邊緣用戶的服務質(zhì)量得到保證。

1.2 多用戶共享接入技術

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，是CDMA技術的改進。在MUSA技術中，多用戶可以共享復用相同的時域、頻域和空域，在每個時域頻域資源單元上，MUSA通過對用戶信息擴頻編碼，可以顯著提升系統(tǒng)的資源復用能力。MUSA系統(tǒng)上行鏈路發(fā)收端的信號處理流程如圖2所示。

圖2 MUSA系統(tǒng)處理流程

假設前提條件為基站同一小區(qū)、同一時域，有3個用戶分別處于頻域和空域上，調(diào)制符號為：“1010”“1011”“1001”?；靖鶕?jù)小區(qū)用戶登錄信息，首先為在相同資源單元上的每個用戶設置一個碼序列：“100”“110”“111”。MUSA對終端用戶調(diào)制符號與用戶碼序列的算法操作后新生的用戶發(fā)送信號為：“101100101100”“111110111111”“110111111110”。這3個用戶發(fā)送信號經(jīng)過各自的信道響應及噪聲影響后，被基站天線接收，并送到SIC接收機，SIC再根據(jù)3用戶各自的信道估計和碼序列分別解調(diào)出它們的調(diào)制符號。

MUSA技術為每個用戶分配的不同碼序列，對正交性沒有要求，所以MUSA實際上是一種擴頻技術。因此MUSA技術具有實現(xiàn)難度較低、系統(tǒng)復雜度可控、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，非常適合物聯(lián)網(wǎng)應用。

1.3 稀疏碼多址接入技術

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。作為碼域精髓的擴頻碼組碼方式，SCMA完全不同于MUSA。SCMA本質(zhì)思想是發(fā)送端，將來自一個或多個用戶的多個數(shù)據(jù)層，SCMA將通過低密度擴頻技術和多維調(diào)制技術相結合，為用戶選擇最優(yōu)的碼本集合，通過碼域擴頻和非正交疊加在同一時頻資源單元中發(fā)送。接收端采用消息傳遞算法（Message Passing Algorithm，MPA）進行低復雜度的多用戶聯(lián)合檢測，并通過線性解擴和SIC接收機分離出同一時頻資源單元中的多個數(shù)據(jù)層，最后結合信道譯碼完成多用戶信息的恢復。

SCMA在多址方面主要結合低密度擴頻和自適應正交頻分復用技術（Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing（F-OFDM，OFDM））兩項重要得多址技術，通過聯(lián)合優(yōu)化LDS中的F-OFDM調(diào)制器和線性稀疏擴頻，根據(jù)設計好的碼本集合將數(shù)據(jù)比特直接映射為碼字。

Filtered OFDM是基于子帶濾波的OFDM。該技術將系統(tǒng)劃分為若干個子帶，子帶之間只有極小的保護帶，各個子帶可以根據(jù)實際的業(yè)務場景來配置不同的波形參數(shù)，支持5G對動態(tài)軟空口的靈活需求。F-OFDM的系統(tǒng)簡化模型如圖3所示。

與傳統(tǒng)的OFDM系統(tǒng)相比，F(xiàn)-OFDM將頻帶劃分為多個子帶，在收發(fā)兩端都有子帶濾波器。每個子帶可根據(jù)實際的業(yè)務需求來配置不同的參數(shù)，如FFT點數(shù)、CP長度等。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，并用子帶濾波器進行濾波，抑制鄰帶帶來的干擾。接收端采用匹配濾波器來對子帶數(shù)據(jù)的解耦合。F-OFDM可為5G實現(xiàn)頻域和時域的資源靈活復用，可以靈活調(diào)整頻域中的保護帶寬和時域中的循環(huán)前綴，甚至可以達到最小值，既可提高多址接入效率，又可滿足各種業(yè)務空口接入要求。

因此，SCMA 由于碼本設計上的靈活性和適用場景的多樣性，得到廣泛關注。SCMA的稀疏碼技術和F-OFDM技術是其重要的優(yōu)勢，既可快速分離碼域用戶信號，又非常適應5G的多樣性。當前SCMA研究的主要難點在碼本設計如何更高效、譯碼算法如何更快速簡便等。SCMA是一個有巨大潛力的非正交多址技術。

圖3 F-OFDM系統(tǒng)處理流程

2 3種非正交多址接入技術的比較

NOMA采用的是多個用戶信號強度的線性疊加，硬件結構簡單，技術性不高，是非正交多址接入技術中最簡單的一種。MUSA是通過對同一時頻承載資源單元采用擴頻編碼技術，它是僅有碼域應用的非正交多址接入技術。MUSA在同時頻用戶層數(shù)方面優(yōu)于NOMA，但其是以降低系統(tǒng)性能為代價的。SCMA可以靈活地調(diào)整時頻承載資源單元的大小，不僅可以適應系統(tǒng)空口接入眾多業(yè)務中的各種需求，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可以在時頻資源單元的基礎上疊加不同信號功率的用戶信號，但是其技術性是最復雜的，還需投入研究。3種非正交多址技術的特性以及它們的優(yōu)勢和存在的問題如表1所示。

3 結語

相比于正交多址技術，針對4種非正交多址方案進行分析，NOMA進行了功率復用，所以接收機具有一定的復雜度；MUSA是一種典型的碼域非正交方案，采用復數(shù)域多元碼序列進行擴頻，雖然技術較為簡單，但用戶間干擾較大且無法承載更多用戶；PDMA進行碼域、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)分不同信號域，但過于復雜不易于實現(xiàn)；SCMA利用了碼本的稀疏性和低復雜度的MPA算法，具有很大的潛力。

對于5G來說，非正交多址技術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服務更多用戶，并且具有應用場景較為廣泛、性能具有頑健性、適用于海量連接場景等優(yōu)勢。盡管NOMA，MUSA，PDMA和SCMA各有優(yōu)勢，但筆者認為，對于選擇5G多址接入的技術還是因需而異，并且側重點還是應該放在傳統(tǒng)的頻域和時域承載資源上面。另外，4種技術也需要未來不斷進行優(yōu)化。

表1 3種非正交多址技術的特性比較

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

[2]張長青.面向5G的非正交多址技術（NOMA）淺析[J].郵電設計技術，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，楊姍，等.面向5G的非正交多址接入技術[J].電信科學，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[J].電信網(wǎng)技術，2015（5）：43-47.

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

[7]張長青.面向5G的非正交多址接入技術的比較[J].電信網(wǎng)技術，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。