无线通信：多址接入技术

简介

       我们知道在蜂窝系统中是以信道来区分通信对象的，一个信道只容纳一个用户进行通信，许多同时进行通信的用户，互相以信道来区分，这就是多址。由于移动通信系统是一个多信道同时工作的系统，具有广播和大面积无线电波覆盖的特点，网内一个用户发射的信号其他用户均可以收到，所以网内用户如何能从播发的信号中识别出发送给本用户地址的信号就成为了建立连接的首要问题。在无线通信环境的电波覆盖范围内，建立用户之间的无线信道的连接，是多址接入方式的问题，解决多址接入问题的方法叫多址接入技术。                  ----摘自百度百科。

       多址接入技术将信号维划分为不同的信道后分配给用户，一般是按照时间轴、频率轴或码字轴将信号空间的维分割为正交或者非正交的用户信道。

频分多址（Frequency Division Multiple Address，FDMA）：以传输信号的载波频率的不同划分来建立多址接入。其将一段频谱划分为更小的频谱，用户独占该小频谱，直至结束，这属于一个维度的重用，早期的模拟通信就是采用这种多址接入方式。

时分多址（Time Division Multiple Address，TDMA）：以传输信号存在时间的不同划分来建立多址接入。在FDMA的基础上，将小的频谱分割成多个时间窗口，每个用户在通信中占用时间窗口，这属于两个维度的重用，GSM采用的就是TDMA的多址接入方式。

码分多址（Code Division Multiple Address，CDMA）：以传输信号码型的不同划分来建立多址接入。在TDMA的基础上，在一个时间窗口内，通过不同的码字区分用户，达到3个维度的重用。该标准由每个高通公司提出。

空分多址（Space Division Multiple Address，SDMA）：用天线阵列或其他方式产生的有向天线也能使信号空间增加一个角度维，利用这个维划分信道就是空分多址。

                                            

        每一代通信系统有自己独特的多址接入技术。我们知道多址接入技术的目的是让多个用户能同时接入基站，享受基站提供的通信服务，并且保证各个用户之间的信号不会互相干扰。

1G：主要采用频分多址接入方式（FDMA）   2G：主要采用时分多址接入方式（TDMA）

3G：主要采用码分多址接入方式（CDMA）   4G：主要采用正交频分复用多址接入方式（OFDMA）

5G：非正交多址接入方式（NOMA）

对于正交频分复用的有关知识，这里有一篇讲解的比较清晰的博客。

非正交多址NOMA技术

       目前，5G以步入商用阶段，在后5G时代，非正交多址接入技术正在被5G的演进技术标准讨论，该技术能够满足大规模连接和高吞吐量的要求。 以下主要内容参考文献[1-2]。

       我们知道在传统的蜂窝通信系统中，主要用的是正交多址接入技术（Orthogonal Multiple Access，OMA），使用OMA可以在低复杂度的情况下轻松分离出不同的用户信号所携带的信息。但是，OMA的一个缺陷是支持的用户数量受到可用正交资源数量的限制。此外，由于时延、偏移和多普勒频移，其正交性总是不可避免地被破坏。因此，如果仍然局限于OMA技术，无法在有限的资源内接入更多的用户，就无法达到5G的频谱效率和大规模连接要求。

       非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）是达到5G要求的重要技术，该技术通过功率域实现非正交多址接入技术，即允许多个终端同时共享同一资源单元，多个信号在发射端进行功率域的多路复用，形成多用户叠加传输信号，然后接收端通常基于SIC（串行干扰删除）技术消除用户间共道干扰，可以实现有限频谱资源的复用，在接收端通过先进的接收机技术来分离每个用户的数据。NOMA技术其重点在于对使用同一个信道的不同链路质量的用户分别分配不同的功率值。例如下图所示（图片来源这里）：

                                       

其中UE1位于小区中心，信道条件较好；UE2位于小区边缘，信道条件较差，因此UE2所分配的功率比UE1要多。

非正交多址的优势

（1）信道容量

       通过加标签的方法，NOMA技术可以区分不同的用户，使得不同的用户可以在时间域和频率域上复用资源。相对于OMA技术，NOMA技术可以更接近多用户系统的容量界速率外，在用户之间的公平性、调度的灵活性以及传输速率总和上，NOMA技术都具有更明显的优势。

（2）提升频谱效率和小区边缘吞吐量

       在NOMA中，用户分享非正交的时频资源。在AWGN信道中，虽然OMA和NOMA都可以达到容量界，但是NOMA可以保证更大的用户公平性。

（3）大连接

       在NOMA中，支持的用户数量不受正交时频资源的严格限制。因此，在资源不足的情况下，NOMA能够显著增加同时连接的用户数量，所以可以支持大规模连接。

（4）更低的延迟和更少的信令开销

       在传统的依赖于访问授权请求的OMA中，用户发起连接必须先向基站发送调度请求，基站在收到请求之后，通过下行链路发送信号来调度响应用户的接入请求。因此这将极大增加传输延迟和信令开销，在5G的大规模连接情况下这是不可接受的。LTE的访问授权过程大约需要15.5ms，这无法满足5G中用户延时保持在1ms以下的要求。而在一些NOMA的上行链路中，不需要动态调度。例如，在SCMA的上行链路中，可以为与时域和频域中定义的预配置资源（例如码本）相关联的用户实现无授权的多址访问。此外，在接收机处，使用盲检测和压缩感知（Compressive Sensing，CS）可以用于数据检测，实现了无授权的上行链路传输，显著减少了传输的延迟和信令开销。

（5）不需要准确的信道状态信息

       在功率域NOMA中，对信道状态信息的准确性要求降低，因为信道状态信息仅仅用于功率分配。只要信道不快速改变，不准确的信道状态信息将不会严重影响系统性能。

NOMA基本原理

        NOMA技术本质上是一种增加了功率域的扩展OFDMA的新型多址接入技术，其基本原理是允许多个信号通过同一时频资源进行无线传输，在接收端利用SIC技术对该多用户叠加信号进行有效区分，但SIC技术对各个用户信号的接收功率有一定要求，符合要求才能被有效解码。

串行干扰删除（SIC）技术：其基本原理是逐步减去最大信号功率用户的干扰，SIC 检测器在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决，判决出一个用户就同时减去该用户信号造成的多址干扰（MAI），按照信号功率大小的顺序来进行操作，功率较大信号先进行操作。这样一直进行循环操作，直至消除所有的多址干扰为止。

        我们考虑一个一般的上行NOMA系统，其中有N（N>1）个用户同时通过同一个信道向该小区的同一个基站发送信息，通过NOM-A的方式以最大功率或者是其他被指定分配的功率。在接收端，基站接收到的是来自N个不同用户的复合信号，将采用SIC分别将该N个信号进行解码。由于通过最优信道增益的信号到达接收端的接收信号可能最强，该信号将被优先解码，这时，该最大信道增益用户的信号在解码时将收到其他N-1个信号的干扰。同理而言，信道增益第二大的信号将受到其他N-2个信号的干扰，最小信道增益的信号可以无干扰解码。

       假设该N个用户的信道增益分别是h1,h2,...,hN，且h1>h2>...>hN（已考虑路径损耗。阴影和衰落）。在网络中，每个用户被分配一个信道来发送其数据，不同的用户通过NOMA共享信道。对于在同一信道上复用的用户，基站可以通过SIC技术顺序解码重叠信号。为了实现最大频谱效率，最佳解码顺序是信道功率增益的降序。

非正交多址技术方案

签名方案的设计是区分不同用户的重要手段。通过在链路上进行替换或增加模块，是现有NOMA技术签名设计的方法。常用的签名方案包括比特级加扰器、比特级交织器、符号级加扰序列、符号级扩频序列、调制方式、映射方式以及功率分配等。这里不再一一介绍，详情参考文献[1]。

未来的研究方向

（1）扩频序列或码本设计

（2）与MIMO相结合

（3）接收机设计

（4）与认知无线电相结合

（5）信道估计

（6）全双工NOMA

参考文献

[1]  杨一夫，武刚等，面向后5G的非正交多址技术综述.

[2]  江慧，面向5G物联网的上行接入技术研究[D]. 北京邮电大学

本文地址：https://blog.csdn.net/haut_ykc/article/details/105822158