王华华，李文彬，余永坤

（重庆邮电大学 移动通信重庆市重点实验室，重庆 400065）

关于5G的非正交多址接入技术分析

王华华，李文彬，余永坤

（重庆邮电大学 移动通信重庆市重点实验室，重庆 400065）

5G技术创新将会出现在无线和网络两个层面，与传统方式不同的是，5G将不再以单一多址接入技术作为主要特征，其采用一组关键技术—非正交多址接入技术，内涵将更加宽泛。文章分析了当前5G研究中最热门的非正交多址接入技术、多用户共享接入技术和稀疏码多址接入技术3种非正交多址技术的本质思想，以及比较了它们各自的优势和存在的问题，并且在5G多址技术选取方面对3种非正交多址技术提出了选取依据。

非正交多址接入；多用户共享接入；稀疏码多址接入

多址接入技术对于蜂窝移动通信系统的意义非常重大，是一个系统中信号传输的基础。在1G到4G系统中分别采用频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）、时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）和正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）技术，这使得接收端信号检测复杂度大大地降低。为了满足5G高频谱效率和高连接数目的需求，可以考虑采用多个用户在相同资源上重叠发送，即采用非正交多址接入方式，在接收端采用更复杂的检测算法来实现用户的正确检测。非正交多址接入技术的引入，来源于器件的进步和非线性检测技术的发展。理论上，基于串行干扰抵消的非线性多用户检测，无论在上行还是下行，都能够达到香农容量的极限。

1 非正交多址接入技术分析

1.1 非正交多址接入技术

非正交多址技术（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）不同于传统的正交传输，其思想是利用复杂的接收机设计来换取频谱效率的提高，随着半导体技术的快速发展，芯片的处理能力不断地增强，使非正交传输技术在系统中的应用成为可能。在NOMA中主要有2种技术：串行干扰删除（Successive Interference Cancellation，SIC）技术和NOMA功率域的复用。NOMA系统下行链路发收端的信号处理流程如图1所示。

由于基站每个时域频域资源单元都承载了n个用户信号，由SIC接收机原理，终端接收到n个用户信号后，按照先强后弱的顺序，逐次检索出所有用户信号。因此，基站在对用户信号进行下行发射功率复用时，系统根据各自不同的SNR和相关算法分配给UE1的发射信号功率最弱，UE2的发射信号功率中等，UE3的发射信号功率最强。这就是NOMA功率域复用技术。

总的来说，NOMA技术的发送端和接收端的处理过程简单直观、易于实现，是其最大的优点。NOMA通过采用功率分配的思想和SIC算法，能够有效区分用户，降低系统的干扰，还使小区边缘用户的服务质量得到保证。

1.2 多用户共享接入技术

多用户共享接入（Multi-User Shared Access，MUSA）是一种典型的基于码域的非正交多址技术，是CDMA技术的改进。在MUSA技术中，多用户可以共享复用相同的时域、频域和空域，在每个时域频域资源单元上，MUSA通过对用户信息扩频编码，可以显著提升系统的资源复用能力。MUSA系统上行链路发收端的信号处理流程如图2所示。

图2 MUSA系统处理流程

假设前提条件为基站同一小区、同一时域，有3个用户分别处于频域和空域上，调制符号为：“1010”“1011”“1001”。基站根据小区用户登录信息，首先为在相同资源单元上的每个用户设置一个码序列：“100”“110”“111”。MUSA对终端用户调制符号与用户码序列的算法操作后新生的用户发送信号为：“101100101100”“111110111111”“110111111110”。这3个用户发送信号经过各自的信道响应及噪声影响后，被基站天线接收，并送到SIC接收机，SIC再根据3用户各自的信道估计和码序列分别解调出它们的调制符号。

MUSA技术为每个用户分配的不同码序列，对正交性没有要求，所以MUSA实际上是一种扩频技术。因此MUSA技术具有实现难度较低、系统复杂度可控、支持大量用户接入、原则上不需同步和提升终端电池寿命等5G系统需求的特点，非常适合物联网应用。

1.3 稀疏码多址接入技术

稀疏码分多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）是码域非正交多址接入技术。作为码域精髓的扩频码组码方式，SCMA完全不同于MUSA。SCMA本质思想是发送端，将来自一个或多个用户的多个数据层，SCMA将通过低密度扩频技术和多维调制技术相结合，为用户选择最优的码本集合，通过码域扩频和非正交叠加在同一时频资源单元中发送。接收端采用消息传递算法（Message Passing Algorithm，MPA）进行低复杂度的多用户联合检测，并通过线性解扩和SIC接收机分离出同一时频资源单元中的多个数据层，最后结合信道译码完成多用户信息的恢复。

SCMA在多址方面主要结合低密度扩频和自适应正交频分复用技术（Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing（F-OFDM，OFDM））两项重要得多址技术，通过联合优化LDS中的F-OFDM调制器和线性稀疏扩频，根据设计好的码本集合将数据比特直接映射为码字。

Filtered OFDM是基于子带滤波的OFDM。该技术将系统划分为若干个子带，子带之间只有极小的保护带，各个子带可以根据实际的业务场景来配置不同的波形参数，支持5G对动态软空口的灵活需求。F-OFDM的系统简化模型如图3所示。

与传统的OFDM系统相比，F-OFDM将频带划分为多个子带，在收发两端都有子带滤波器。每个子带可根据实际的业务需求来配置不同的参数，如FFT点数、CP长度等。发送端与接收端的处理流程描述如下。发送端各个子带的数据映射到不同的子载波上，并用子带滤波器进行滤波，抑制邻带带来的干扰。接收端采用匹配滤波器来对子带数据的解耦合。F-OFDM可为5G实现频域和时域的资源灵活复用，可以灵活调整频域中的保护带宽和时域中的循环前缀，甚至可以达到最小值，既可提高多址接入效率，又可满足各种业务空口接入要求。

因此，SCMA 由于码本设计上的灵活性和适用场景的多样性，得到广泛关注。SCMA的稀疏码技术和F-OFDM技术是其重要的优势，既可快速分离码域用户信号，又非常适应5G的多样性。当前SCMA研究的主要难点在码本设计如何更高效、译码算法如何更快速简便等。SCMA是一个有巨大潜力的非正交多址技术。

图3 F-OFDM系统处理流程

2 3种非正交多址接入技术的比较

NOMA采用的是多个用户信号强度的线性叠加，硬件结构简单，技术性不高，是非正交多址接入技术中最简单的一种。MUSA是通过对同一时频承载资源单元采用扩频编码技术，它是仅有码域应用的非正交多址接入技术。MUSA在同时频用户层数方面优于NOMA，但其是以降低系统性能为代价的。SCMA可以灵活地调整时频承载资源单元的大小，不仅可以适应系统空口接入众多业务中的各种需求，还能够一定程度上提高系统的频谱容量和多址接入效率。PDMA可以在时频资源单元的基础上叠加不同信号功率的用户信号，但是其技术性是最复杂的，还需投入研究。3种非正交多址技术的特性以及它们的优势和存在的问题如表1所示。

3 结语

相比于正交多址技术，针对4种非正交多址方案进行分析，NOMA进行了功率复用，所以接收机具有一定的复杂度；MUSA是一种典型的码域非正交方案，采用复数域多元码序列进行扩频，虽然技术较为简单，但用户间干扰较大且无法承载更多用户；PDMA进行码域、空域和功率域联合优化，采用易于SIC算法的特征样图区分不同信号域，但过于复杂不易于实现；SCMA利用了码本的稀疏性和低复杂度的MPA算法，具有很大的潜力。

对于5G来说，非正交多址技术能获得频谱效率的提升，且在不增加资源占用的前提下同时服务更多用户，并且具有应用场景较为广泛、性能具有顽健性、适用于海量连接场景等优势。尽管NOMA，MUSA，PDMA和SCMA各有优势，但笔者认为，对于选择5G多址接入的技术还是因需而异，并且侧重点还是应该放在传统的频域和时域承载资源上面。另外，4种技术也需要未来不断进行优化。

表1 3种非正交多址技术的特性比较

[1]康绍莉，戴晓明，任斌.面向5G的PDMA图样分割多址接入技术[J].电信网技术，2015（5）：43-47.

[2]张长青.面向5G的非正交多址技术（NOMA）浅析[J].邮电设计技术，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]毕奇，梁林，杨姗，等.面向5G的非正交多址接入技术[J].电信科学，2015（5）：14-21.

[5]康绍莉，戴晓明，任斌.面向5G的PDM A图样分割多址接入技术[J].电信网技术，2015（5）：43-47.

[6]王波，梅晓丽.浅析非正交多址接入技术[J].卷宗，2015（4）：280.

[7]张长青.面向5G的非正交多址接入技术的比较[J].电信网技术，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

王华华（1981— ），男，山西临汾人。