第 2 章 5G 新空口關鍵技術
2.1.2 波形實作方式總結
| 2.2 5G 多址接入 |
從資訊理論的角度看，無線信道是一個多址接入信道，多個不同的收發信機共享信道上的時/頻/空間資源來進行資料收發。根據接入方式的不同，多址接入技術通常分為兩大類，即正交多址接入（OMA，Orthogonal Multiple Access）和非正交多址接入（NOMA，Non-Orthogonal Multiple Access）。
采用正交多址方式，使用者間互相不存在幹擾。采用非正交多址方式，每個使用者的信号有可能與其他使用者的信号互相疊加幹擾，但是這種幹擾通常在接收時可以采用信号處理的方式去除，以還原某個特定使用者的信号。
2.2.1 主要正交多址接入方式回顧
到目前為止，世界上大多數通信系統中采用的是正交多址接入方式，這種多址方式的特點是實作起來比較簡單。它主要包含以下幾個大類：
（1）頻分多址：Frequency Division Multiple Access (FDMA)；
（2）時分多址：Time Division Multiple Access (TDMA)；
（3）正交頻分多址：Orthogonal Frequency Division Multiple Access(OFDMA)；
（4）碼分多址：Code Division Multiple Access (CDMA)；
（5）空分多址：Space Division Multiple Access (SDMA)；
（6）極化多址：Polarization Division Multiple Access(PDMA)。
其中，TDMA、FDMA 和 CDMA 的基本原理示意如圖 2-13 所示。
在頻分多址（FDMA）方式下，系統的頻率帶寬被分隔成多個互相隔離的頻道，每個使用者占用其中一個頻道，即采用不同的載波頻率，通過濾波器過濾選取信号并抑制無用幹擾，各信道在時間上可同時使用。為了確定各個隔離的子帶間互相不幹擾，每組子帶間需要預留保護帶寬。FDMA 是早期使用非常廣泛的一種接入方式，實作起來非常簡單，被應用于 AMPS 和 TACS 等第一代無線通信系統中。在頻分多址中，由于每個移動使用者進行通信時占用一個頻率信道，頻帶使用率不是很高。随着移動通信的迅猛發展，很快就顯示出其容量不足等問題。
在時分多址（TDMA）方式下，使用者配置設定到的是不同的時域資源。TDMA把時間分割成互不重疊的時段（幀），再将幀分割成互不重疊的時隙（信道），依據時隙區分不同的使用者信号，進而完成多址接入。這是通信技術中最基本的多址接入技術之一，在 2G（如 GSM 和 D-AMPS）移動通信系統、衛星通信和光纖通信中都被廣泛采用。TDMA 較之 FDMA 具有通信信号品質高、保密性好、系統容量大等優點，但它必須有精确定時和同步的特點，以保證移動終端和基站間的正常通信，是以，技術上相對複雜一些。此外，TDMA 使用者在某一時刻占用了整個頻段進行資料傳輸，是以 受到無線信道的頻率選擇性衰落（Frequency Selective Fading）的影響較大，接收端需要通過信道均衡技術來恢複原有信号。TDMA 和 FDMA 有時候會組合使用（如在 GSM 系統中），以便消除外部幹擾和無線信道深度衰落的影響。
碼分多址（CDMA）通常指的是直接序列擴充 DS-CDMA（相對于跳頻FH-CDMA）。該技術的原理是基于擴頻技術，将需要傳送的具有一定信号帶寬的資訊資料用一個帶寬遠大于信号帶寬的高速僞随機碼進行調制，使原資料信号的帶寬被擴充，再經載波調制後發送出去。接收端使用完全相同的僞随機碼，與接收的寬帶信号做相關處理，把寬帶信号轉換成原資訊資料的窄帶信号，以實作資訊通信。CDMA 技術有很多的優點，如容量大、抗幹擾能力強、網絡規劃簡單等，在 2G（IS-95 cdmaOne）和 3G（WCDMA，cdma2000，TD-SCDMA等）中獲得了廣泛應用。
正交頻分多址技術（OFDMA）和 FDMA 有相似之處，所不同的是 FDMA的各個子載波間互相之間沒有重疊，而 OFDMA 的各個子載波間是互相重疊的。OFDMA 基于 OFDM 技術，它将整個 OFDM 系統的帶寬分成若幹子信道，每個子信道包括若幹子載波，固定或者動态地配置設定給一個使用者（也可以一個使用者占用多個子信道）。它能有效地抵抗多徑效應所帶來的碼間幹擾，在頻域也可以友善地使用均衡器矯正頻率選擇性衰落。OFDMA 是 4G 時代最重要的核心技術之一。
空分多址（SDMA）的原理如圖 2-14 所示，天線給每個使用者配置設定一個點波束，這樣根據使用者的空間位置就可以區分每個使用者的無線信号。換句話說，處于不同位置的使用者可以在同一時間使用同一頻率和同一碼型而不會互相幹擾。實際上，SDMA 通常都不是獨立使用的，而是與其他多址方式如 FDMA、TDMA 和 CDMA 等結合使用，也就是說對處于同一波束内的不同使用者再采用這些多址方式加以區分。SDMA 實作的核心技術是智能天線的應用，由于無線信道的多變性和複雜性，該技術難度較大，對于系統的數字信号處理能力是個較嚴峻的挑戰。
移動通信從 1G 到 4G 的多址技術都采用了正交設計。到了 5G 時代，目前看來，在移動寬（eMBB）業務場景下，成熟的 OFDMA 技術仍然是一種重要的基礎多址接入技術。但是在 mMTC 和 URLLC 場景下，非正交多址接入技術也是一種可能的選擇。
2.2.2 主要非正交多址接入方案選項
5G 中由于存在三大類不同的使用者業務場景，其對于多址接入也有着豐富的要求（見表 2-4），這就要求在标準化過程中針對不同的場景對不同的多址接入方案給予考量。
例如，在 LTE 系統中為了提高頻譜效率，采用了嚴格的排程和控制過程，如使用者的上行傳送在正交的無線資源上進行獨立排程。而在 mMTC 中，存在大量裝置連接配接，發送的資料包又比較小，是以排程和控制方面的開銷應當盡量降低，以免耗電大并且增加裝置複雜度和成本。
與此同時，正交多址接入雖然使得不同使用者的資料在時間、頻率、碼域互相正交，但是經過無線信道的損害，在接收側其互相間的正交性卻很難保證。此外，采用正交接入方式時，使用者的總數受到了正交資源數的限制。
是以到了 5G 時代，除了 4G 時代采用的 OFDMA，業界還提出了各種非正交的多址接入方案以滿足這些不同場景的需求。
非正交多址接入作為一種新的概念，目的是在時間、頻率、碼域資源上支援超過正交資源數量的使用者數。其基本思路是給發射端不同的使用者配置設定非正交的通信資源，通過把超過正交資源數量的使用者資料在碼域或者功率域（指在發射端對不同使用者依據相關的算法配置設定不同的發射功率）進行傳輸，進而大大增加了系統中的可連接配接裝置數量（可以達到 2～3 倍于正交多址）和使用者/系統的總吞吐量（高達 50%的增益）。
非正交接入帶來的負面作用是多使用者間的互相幹擾。為了解決這個問題，接收機側通常采用比較複雜的接收處理技術，比較典型的是串行幹擾消除（SIC，Successive Interference Cancellation）技術。SIC 接收機的基本原理是按照一定的順序（通常從信号最強的使用者開始按從強到弱的次序）逐個解調每個使用者的信号。在每一個使用者的信号解調出來後，把它的信号重構出來并在其他使用者的接收信号中減去，并對剩下的使用者再次進行判決。這樣逐次把所有使用者的信号解調出來。
圖 2-15 所示為 SIC 技術應用于一種功率域非正交多址方案的情形。考慮單小區 2 使用者下行的場景，基站以總功率 P 向所有使用者發消息。采用非正交多址
接入（NOMA）時，對于信道狀況不好（如較遠）的使用者 2，發送資訊時配置設定較大的功率，而信道狀況較好的使用者 1 則配置設定較小的功率。兩個使用者共用相同的時頻資源。在接收端，采用 SIC 技術，首先單獨檢測信号較強的使用者 2 的發送信号，然後再進行信号重建，把使用者 2 的信号成分從使用者 1 的總接收信号中消除掉，進而解調出正确的使用者 1 發送信号。在更多使用者的場景下也是依此原理，由強到弱逐個解調使用者的發送信号。
在 5G R15 的讨論中，許多公司如高通、華為、中興和大唐電信都分别提出了自己的多址接入技術，分别為資源擴充多址接入（RSMA，Resource SpreadMultiple Access）、稀疏偏碼多址接入（SCMA，Sparse Code Multiple Access）、多使用者共享接入（MUSA，Multi-User Shared Access）和圖樣分隔多址接入（PDMA，Pattern Defined Multiple Access）。雖然實作的技術細節有所不同，但是它們都屬于非正交的接入技術。
大部分基于 OFDM 波形的非正交接入方案的實作都有一定的共同之處，都是在發射端通過 FEC 編碼、碼域映射、功率域的配置設定、OFDM 調制，在接收端通過 OFDM 解調、多使用者聯合檢測、FEC 解碼來完成整個端到端的通信，其基本原理可用圖 2-16 來表示。詳細可參考[3GPP R1-162153:Overview of Non-orthogonalMutiple Access for 5G ]。
比較典型的非正交接入方式包含（但不限于此）：
（1）多使用者共享接入：Multi-user Shared Access (MUSA）；
（2）資源擴充多址接入：Resource Spread Multiple Access (RSMA）；
（3）稀疏編碼多址接入：Sparse Code Multiple Access(SCMA）；
（4）圖樣分割多址接入：Pattern Defined Multiple Access (PDMA）；
（5）非正交多址接入：Non-orthogonal Multiple Access（NOMA）。
雖然非正交多址接入會帶來多使用者幹擾，但是對提高系統的總流量是有益處的。圖 2-17 所示為系統在兩個使用者終端的情形下采用正交和非正交多址接入時的總資料吞吐量對比示意。可以看出，采用非正交的多址接入技術提高了 UE1+UE2的總流量。在存在很多個終端時，情況也一樣，即系統的總資料吞吐量遠遠大于采用正交接入方式時的吞吐量。
在圖 2-18 所示的執行個體中，使用者 1較使用者 2 更靠近基站，因而有較高的信道增益。采用正交多址接入的 OFDMA時，兩個使用者被配置設定了相同的功率，其機關頻譜資料傳輸速率分别為 R1=3.33bit/(s·Hz)和 R2=0.5bit/(s·Hz)；采用非正交多址接入（NOMA）時，根據不同使用者的信道增益可以調整配置設定給它的發射功率，如給較遠的使用者 2 配置設定更高的功率（在此處，使用者 1 和使用者2 分别被配置設定了總發射功率的 1/5 和 4/5），然後在接收端通過信号處理的方法進行多使用者檢測，其結果是達到R1=4.39bit/s 和 R2=0.74bit/s，（R1+R2）總體上可以取得比 OFDMA 更高的資料傳輸速率。與此同時，邊緣使用者的資料率也得到了提高。在此情況下，利用無線通信的遠近效應（Near Far Effect）來提高頻譜效率。
非正交多址相對于正交多址的優點可以見表 2-5[可參見 3GPP R1- 162153]。
但是，非正交多址接入也存在一些缺點，比如接收算法比較複雜，這個問題當采用消息傳遞算法（MPA，Message Passing Algorithm）時尤其明顯。另外，在 SIC 算法中也存在錯誤傳遞等問題，即當對某個使用者的資料解調錯誤後，這種錯誤會影響并傳遞給後續别的較弱信号使用者的解調。
在下面幾節中我們簡單介紹一下 5G 标準化過程出現的幾種重要的非正交接入多址方式。
2.2.2.1 稀疏編碼多址接入
在 5G 标準化過程中，稀疏編碼多址接入（SCMA，Sparse Code MultipleAccess）是由華為主導推動的一種多址接入方式，它可同時用于無線上行和下行通信。SCMA 在發射端采用非正交碼進行擴充處理，使得不同使用者的資料映射到稀疏的多元碼字上，然後采用同一個時/頻域資源傳輸。為了實作高吞吐量
的增益，接收端采用近乎最優（Near Optimal）檢測的進階接收算法，如采用MPA 進行處理和使用者資料檢測。雖然這種接收算法實作起來通常會比較複雜，然而由于采用碼字的稀疏特性，是以可以明顯減少 MPA 實作的複雜度。
SCMA 的基本原理如圖 2-19 所示。在 SCMA 中，比特流直接映射到不同的稀疏的碼字上，每個使用者僅使用 1 個碼字。
圖 2-20 中，共有 6 個使用者，對于每個使用者，每 2bit 映射到一個複數位字中。所有使用者的碼字在 4 個互相正交的資源上複用發送，達到了 150%的過載。
圖 2-21 所示為 SCMA、LDS、OFDMA、SC-FDMA 在上行鍊路的誤塊率（BLER）性能對比，可以看出在給定的仿真條件下，相對于 OFDMA 和SC-FDMA，SCMA 有超過 2dB 的增益。
SCMA 在對于時延要求不高的場景下可以大大提高系統的容量。圖 2-22所示為 SCMA 和 LTE 基準方案的連接配接數性能對比，可以看出，基于競争的SCMA 方案的可支援連接配接裝置數大大超過 LTE 基準方案。
當然，SCMA 在實用性上也存在一些缺點。比如，雖然采用 MPA 算法解碼是一種快速的疊代解碼器，但是相對于别的接收算法（如 SIC）來說，它還是非常複雜的。
SCMA 的詳情可參見 3GPP 提案 R1-162153 以及文獻[46-47]。
2.2.2.2 多使用者共享接入（MUSA）
多使用者共享接入（MUSA，Multi-User Shared Access）是中興通信主導推動的一種基于複數域多元碼的非正交多址接入技術，适合免排程的多使用者共享接入。其基本原理（如圖 2-23 所示）是每個使用者調制後的資料符号采用特殊設計的序列進行擴充，每個使用者的擴充符号采用共享接入技術，采用相同的無線資源進行傳送。在基站側則采用 SIC 技術從疊加信道中對每個使用者的資料進行解碼。
在 MUSA 中，特殊設計的分布序列需要具有相關性低且非二進制的特點，其設計非常重要。另外，還需要考慮 SIC 實作的複雜度。是以，通常選擇短的僞随機序列。
從圖 2-24 所示的計算機仿真結果可以看出，在給定場景下，對于平均 BLER=1%，MUSA 采用長度為 4、8、16 的附屬擴充序列分别可以實作 225%、300%、350%的使用者過載，這意味着 MUSA 相對于正交接入可以支援更多的使用者數。
MUSA 也可用于下行傳輸，與用于上行傳輸時不同，此時作為一種功率域的多址接入技術，用于提高中心使用者和邊緣使用者的容量。詳細可參見 3GPP 的提案R1-162226:Discussion on Multiple Access on New Radio Interface 以及文獻[51]。
2.2.2.3 資源擴充多址接入 資源擴充多址接入（RSMA，Resource Spread Multiple Access）是高通公司
主導推動的一種多址接入方式。它采用低速率的信道碼和相關性較好的擾碼結合來區分不同的發射端使用者。在 RSMA 模式下，不管使用者的數目是多還是少，所有使用者都使用相同的頻率和時間資源，實作終端到基站的資料傳送（如圖 2-25所示）。
RSMA 有兩種不同的類型。
（1）單載波 RSMA：單載波波形利于降低耗電以及擴充覆寫，峰均比（PAPR）也很低，支援免排程傳輸和非同步接入。
（2）多載波 RSMA：更利于低延遲時間接入，同樣也支援免排程傳輸。
采用 RSMA 的好處可以從圖 2-26 所示的一個處于空閑狀态的裝置在需要發射資料前和網絡側進行連接配接的信令流程中看出，通常需要通過 D 這一系列步驟實作接入和上行定時調整等功能。而如果采用非正交的 RSMA，裝置無須等待網絡設定時頻資源，多個裝置的發射信号雖然互相重疊且完全不同步，但是在基站側仍然能夠被檢測出來。采用不同的擾碼甚至不同的交織器來區分不同使用者間的信号，并限定基站側接入時隙的數目，可以滿足小包傳送的需求，并降低搜尋複雜度。
關于 RSMA，高通在 3GPP 提案中進一步給出了對于 5G 系統中的多址接入方式在 5G 哪些應用場景中使用的建議，其具體内容見表 2-6。其中的建議是在 mMTC 和 URLLC 的上行采用 RSMA。
高通關于 RSMA 提案的詳細内容可以參見 3GPP R1-163510:Candidates ofMultiple Access Techniques。
2.2.2.4 圖樣分割多址接入
圖樣分割多址接入（PDMA，Pattern Division Multiple Access）是中國電信研究院和大唐電信主導推動的一種多址接入方案。PDMA 依靠獨特設計的多使用者分集模式來識别功率域、時域、頻域、空間域和碼域的非正交傳輸。發送側使用者設定不同的非正交模式，接收側采用通用的 SIC 技術進行次優的多使用者檢測，以根據使用者的不同模式來對重疊的使用者資訊進行區分。PDMA 試圖在多個次元上聯合利用并優化信号的疊加，以便擷取更優性能。PDMA 技術架構和端到端信号處理流程分别如圖 2-27 和圖 2-28 所示。詳細原理可以參考文獻[43]。
圖 2-29 和圖 2-30 所示為 PDMA 性能的計算機仿真，仿真表明在設定的場景下，PDMA 在上下行鍊路上相比 LTE 的正交接入方式具有更好的 BLER 性能。同時，在系統過負荷的情況下，也可以獲得更高的吞吐量。
但是 PDMA 也面臨很多挑戰，如怎麼對多個域上的模式進行設計，性能和接收機複雜度的均衡以及某些模式會導緻峰均比增高等。關于 PDMA 介紹的詳細内容可以參考 3GPP 提案 R1-163383:Candidate Solution for New Multiple Access。
2.2.2.5 其他方案選項
除了前面幾節所描述的幾種方案，在标準化過程中還出現了其他一些非交碼分多址接入提案，如 Non-orthogonal Coded Multiple Access (NCMA)、低碼率擴充（Low Code Rate Spreading）、頻域擴充（Frequency Domain Spreading）、Non-orthogonal Multiple Access(NOMA)、Interleave Division Multiple Access (IDMA)等，其基本思路與其他的非正交接入方式有共同之處，在這裡不再一一介紹。
下節簡單回顧一下 R15 中對于多址接入部分的讨論和最終結果。
2.2.3 3GPP 對多址接入規範的讨論過程
2016 年 4 月 11—15 日在南韓釜山召開了 RAN1#84bis 會議，參會者讨論了波形和多址接入方案。在會上，由中國移動、華為、海思、富士、CATT、中國電信送出了提案 R1-163656: WF on Multiple Access for NR。
其核心要點如下：
（1）除了 OFDMA 外，也應該研究和讨論針對 5G 各種場景的非正交多址方案；
（2）至少對于 mMTC 的上行，應該考慮自動/不需授權/基于競争的非正交多址接入方案。
在會上，與會者還同意了采用鍊路仿真和系統仿真對多址接入方案進行評估，其中：
①鍊路仿真（LLS，Link Level Simulation）主要用于新方法的可行性，以及不同方案的比較；
② 系統仿真（SLS，System Level Simulation）主要用于不同方案的比較，以及流量/排程/多小區幹擾的驗證；
③ 評估的場景則包含 TR38.913 中所定義的所有 3 種場景，即 eMBB、mMTC和 URLLC。
此外，中國移動送出的 R1-162870 提案中對幾種新的多址接入提案進行了總結對比（見表 2-7）。
2016 年 5 月 23—27 日在中國南京召開了 RAN1#85 會議，會議對于多址接入的各種方案進行了再次讨論。大量的讨論集中在自動/不需授權/基于競争的上行非正交多址上。與會各方都同意接收機的複雜性也應該是評估選項的重要名額和關注點。會議在 Docomo、Panasonic、LG 的倡議下還達成了一緻（可參見R1-165656）：5G NR 至少在 eMBB 場景下上下行都要支援同步/基于排程的正交
多址方案（同步意為使用者終端間的時間差異小于 OFDM 的循環字首）。
2016 年 8 月 22—26 日在瑞典哥德堡舉行了 RAN1#86 會議。與會者基本同意在 mMTC 場景下至少在上行支援自動/不需授權/基于競争的上行非正交多址。提案 R1-168427 詳細總結了在 RAN1 讨論中已經出現的所有 15 種非正交多址方案，其詳細的清單如下：
• Sparse Code Multiple Access (SCMA) (如 R1-162153)；
• Multi-User Shared Access (MUSA) (如 R1-162226)；
• Low Code Rate Spreading (LCRS) (如 R1-162385)；
• Frequency Domain Spreading (FDS) (如 R1-162385)；
• Non-Orthogonal Coded Multiple Access (NCMA) (如 R1-162517)；
• Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) (如 R1-163111)；
• Pattern Division Multiple Access (PDMA) (如 R1-163383)；
• Resource Spread Multiple Access (RSMA) (如 R1-163510)；
• Interleave-Grid Multiple Access (IGMA) (如 R1-163992)；
• Low Density Spreading with Signature Vector Extension (LDS-SVE) (如R1-164329)；
• Low Code Rate and Signature Based Shared Access (LSSA) (如 R1-164869)；
• Non-Orthogonal Coded Access (NOCA) (如 R1-165019)；
• Interleave Division Multiple Access (IDMA) (如 R1-165021)；
• Repetition Division Multiple Access (RDMA) (如 R1-167535)；
• Group Orthogonal Coded Access (GOCA) (如 R1-167535)。
總的來說，非正交多址接入在上行的總流量方面比 OFDMA 要高，其應付過載的能力也要強不少。會議同意在 mMTC 的上行考慮采用非正交多址接入方案。
2016 年 10 月 10—14 日，在葡萄牙裡斯本召開了 RAN1#86bis 會議。此次會議是 RAN1 對多址接入第一階段讨論的最後一次會議，會議同意将針對mMTC 的讨論推遲到第二階段再繼續進行。
其中，華為、中國移動、中國電信等公司的提案（R1-1610956:WF on CommonFeatures and General Framework of MA Schemes）提出了一個非正交接入多址方案的統一架構（見圖 2-31），得到了與會者的支援，提案内容如下。
（1）所有針對上行傳輸的非正交多址接入具有如下共同特征：
① 發射端采用多址簽名（MA Signature）；
② 接收端允許采用多使用者檢測方法對使用者進行分離。
（2）這些不同的多址技術可以采用具有共同特征的實作框圖（見圖 2-31），通過不同的編碼方法、交織器（Interleaver）設計、碼本映射（Mapping）方式加以區分。
此外，關于采用非正交多址的增益，與會者們基本同意（詳細可以參見R1-1610745:WF on summary of UL non-orthogonal MA progress）。其内容如下：
（1）在采用先進的接收算法的情況下，非正交多址接入由于多址簽名碰撞所帶來的性能損耗不是太大；
（2）非正交多址在理想信道估值的假設下可以取得非常可觀的總流量和過載增益。
2.2.4 R15 中的多址接入規範
3GPP 在 R15 中的讨論總結如下。
（1）在 eMBB 場景下，3GPP 決定上下行都仍然采用成熟的 OFDMA 技術。
（2）各公司同時也達成共識，非正交多址技術（NOMA）通過引入碼域或者功率域次元的區分設計，利用先進的接收算法，能夠給 5G NR 帶來更多選擇。是以在一部分業務場景，如針對 mMTC 的上行應用，不需授權的非正交多址比正交多址或許能夠更好地滿足大連接配接的需求。
（3）URLLC 場景比較複雜，有待進一步的研究。
這部分的詳細内容可以參見 3GPP TS38.211。
| 2.3 5G 信道編碼 |