現(xiàn)在大家都知道5G包括eMBB（enhanced Mobile Broadband）、mMTC（massive Machine Type Communications）、URLLC（Ultra-Reliable and Low Latency Communications），而且ToB業(yè)務(wù)已經(jīng)逐漸擴(kuò)大。

這些業(yè)務(wù)為無線多址（MA：multiple access）完全可擴(kuò)展以支持這些不同的服務(wù)需求提出了新的挑戰(zhàn)和考慮。5G無線接入技術(shù)是基于OFDM的波形，具有潛在的非正交波形和多址支持。

5G空口旨在提供更高的傳輸速率、更快的接入速度、更大的用戶密度以及更好的用戶體驗(yàn)，以增強(qiáng)eMBB服務(wù)。同時(shí)，它連接到新的垂直行業(yè)和新設(shè)備，通過分別支持大量設(shè)備和實(shí)現(xiàn)具有超高可靠性和超低時(shí)延要求的任務(wù)關(guān)鍵型傳輸，創(chuàng)建了新的應(yīng)用場(chǎng)景，如mMTC和URLLC服務(wù)。

MA是整個(gè)物理層鏈中實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵元素。具體而言，MA在各自使用場(chǎng)景中的預(yù)期功能進(jìn)一步闡述如下：

eMBB

• 網(wǎng)絡(luò)容量大：放寬LTE的正交性要求，通過非正交資源使用實(shí)現(xiàn)上下行的多用戶容量。

• 高用戶密度：減少多用戶干擾，從而可以支持更大的用戶密度和更高的流量負(fù)載，并達(dá)到接近單用戶鏈路的質(zhì)量。

• 統(tǒng)一用戶體驗(yàn)：為小區(qū)中心和小區(qū)邊緣用戶，甚至高移動(dòng)性用戶提供統(tǒng)一的用戶體驗(yàn)。

• Easy MU-MIMO和CoMP：放寬對(duì)發(fā)射機(jī)精確CSI的要求，使多路復(fù)用和基站協(xié)作更容易，對(duì)信道和干擾不確定性等網(wǎng)絡(luò)損傷更魯棒。

• 混合流量類型傳輸：實(shí)現(xiàn)混合流量類型的高效傳輸和良好平衡的性能，例如，在與低時(shí)延小數(shù)據(jù)包傳輸交互的同時(shí)，為大而恒定的視頻數(shù)據(jù)包提供服務(wù)。

mMTC

• 大規(guī)模連接：抗多用戶干擾，支持大量連接。

• 高效的小數(shù)據(jù)包傳輸：實(shí)現(xiàn)功率和帶寬高效、低開銷的大規(guī)模小數(shù)據(jù)包的傳輸，無論是免授權(quán)的還是調(diào)度的。

URLLC

• 超低時(shí)延傳輸：在短TTI設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，低時(shí)延允許免授權(quán)傳輸。

• 超高可靠性傳輸：在用戶相關(guān)性和碼本沖突頻繁發(fā)生的無授權(quán)傳輸中，可抵抗用戶間干擾。

表1總結(jié)了5G MA的預(yù)期功能。

直到Release 13，采用正交MA（OMA）。盡管基于OMA開發(fā)了許多功能，以提高eMBB場(chǎng)景中的系統(tǒng)容量和用戶體驗(yàn)，并增加mMTC服務(wù)的連接數(shù)量和覆蓋范圍[例如，引入Rel-12 NAICS功能是為了提供UPT（User perceived throughput）通過使用不同類型的接收機(jī)進(jìn)行PDSCH干擾抵消，增益約為5%-20%；Rel-13 eMTC和NB-IoT設(shè)計(jì)用于使用窄帶寬在可能數(shù)千毫秒內(nèi)為多個(gè)UE傳輸小數(shù)據(jù)。]，由于其正交設(shè)計(jì)，滿足上述要求仍有以下局限性。

• 單用戶容量的限制：每個(gè)正交信道（時(shí)間、頻率、子空間、序列等）的單用戶容量已經(jīng)接近香農(nóng)極限（剩余距離來自QAM約束和有限的信道編碼長度）。

• 有限的同時(shí)傳輸用戶數(shù)：連接數(shù)嚴(yán)格受OMA中正交信道數(shù)的限制。

• 無授權(quán)傳輸不可靠：至少對(duì)于零星的小數(shù)據(jù)包，可以省略調(diào)度授權(quán)的握手過程，以減少控制開銷和傳輸時(shí)延。在這種無授權(quán)傳輸模式中，由于OMA中不允許符號(hào)沖突，如果無授權(quán)傳輸?shù)臐撛谟脩魯?shù)量高或流量到達(dá)率高，傳輸可靠性將很差，這將進(jìn)一步觸發(fā)大時(shí)延（重傳和退避所花費(fèi)的時(shí)間）來解決沖突。

• MU-MIMO和CoMP嚴(yán)重依賴CSI：在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)設(shè)置下，閉環(huán)MU-MIMO和CoMP無法從理論分析中獲得預(yù)期增益。這背后的主要原因是它們嚴(yán)重依賴于閉環(huán)預(yù)編碼的精確CSI。然而，當(dāng)發(fā)生諸如信道老化、反饋延遲或某些突發(fā)小區(qū)間干擾等網(wǎng)絡(luò)損傷時(shí)（這是實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中常見的情況），精確的CSI是不可行的，并且這種閉環(huán)MU-MIMO或CoMP的性能也會(huì)相應(yīng)降低。

為了超過OMA的限制，非正交MA被認(rèn)為是一種允許正交信道中符號(hào)沖突的MA技術(shù)。它可以在MU-MIMO的正交子空間中支持進(jìn)一步的信號(hào)疊加。通過正確利用非正交性，即使使用MU-MIMO，非正交MA也有可能比OMA提供以下固有優(yōu)勢(shì)。

• 實(shí)現(xiàn)多用戶容量：為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量，但不引入額外資源（頻譜或天線），需要非正交MA。通過星座、符號(hào)沖突模式和聯(lián)合多用戶接收機(jī)的適當(dāng)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)多用戶容量，比任何單個(gè)用戶容量都有更大的增益。

• 支持過載傳輸：非正交MA可以通過引入可承受的符號(hào)沖突來非常有利于擴(kuò)大連接數(shù)，這樣無論正交信道數(shù)多少，連接總數(shù)都會(huì)增加。在這種情況下，系統(tǒng)會(huì)過載，這意味著支持的用戶數(shù)量遠(yuǎn)大于目標(biāo)吞吐量的正交通道數(shù)量。同樣，收發(fā)器設(shè)計(jì)對(duì)于緩解用戶間干擾以獲得良好的鏈路質(zhì)量非常重要。

• 實(shí)現(xiàn)可靠、低延遲的無授權(quán)傳輸：與OMA相比，非正交MA具有對(duì)符號(hào)沖突的魯棒性，可以在半靜態(tài)傳輸中支持高過載傳輸，在無授權(quán)傳輸中支持低得多的丟包率。有鑒于此，重傳的概率要低得多，并且由于碰撞造成的時(shí)延可以大大減少。此外，非正交MA可以與擴(kuò)頻碼一起設(shè)計(jì)，以獲得抗信道突然衰落的時(shí)間/頻率分集保護(hù)，在此基礎(chǔ)上，可以聯(lián)合優(yōu)化擴(kuò)頻塊內(nèi)的符號(hào)星座，為高可靠性通信提供額外的信號(hào)空間分集。

• 啟用開環(huán)MU復(fù)用和CoMP：非正交MA支持開環(huán)用戶復(fù)用。多個(gè)用戶（例如，小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶）可以成對(duì)在同一正交信道上一起傳輸，以改善接入中的延遲和公平性。這種開環(huán)用戶復(fù)用不依賴于精確的CSI，因此它可以對(duì)信道老化和用戶移動(dòng)性等網(wǎng)絡(luò)損傷更為穩(wěn)健。這種方案也可以跨基站引入，用于聯(lián)合傳輸，即開環(huán)CoMP傳輸。它可以提供無邊無際的用戶體驗(yàn)，并滿足5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的以用戶為中心的概念。協(xié)作基站不需要從目標(biāo)UE收集精確的CSI到每個(gè)協(xié)作基站進(jìn)行聯(lián)合預(yù)編碼，而是使用非正交MA，每個(gè)協(xié)作基站都可以選擇一個(gè)非正交碼，并在不與用戶或其伙伴交換CSI信息的情況下聯(lián)合傳輸，從而使協(xié)作更容易、更健壯地應(yīng)對(duì)信道老化和用戶移動(dòng)性等網(wǎng)絡(luò)損傷。

• 支持靈活的業(yè)務(wù)復(fù)用：在5G基站中，不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可能同時(shí)需要傳輸資源，即使在eMBB場(chǎng)景中，也會(huì)同時(shí)存在不同類型的業(yè)務(wù)請(qǐng)求傳輸。為了有效地傳輸動(dòng)態(tài)混合流量，在OMA中，傳統(tǒng)的做法是使用動(dòng)態(tài)調(diào)度來更改資源分配，這會(huì)消耗額外的信令開銷，并且速度可能不夠快，無法滿足某些服務(wù)的時(shí)延要求；而在非正交MA中，由于疊加的性質(zhì)，低時(shí)延的小數(shù)據(jù)包可以疊加在大數(shù)據(jù)包之上進(jìn)行聯(lián)合傳輸，從而提高時(shí)延并減少開銷。

表2總結(jié)了OMA在滿足5G MA功能方面的局限性以及上面討論的非正交MA的潛在優(yōu)勢(shì)。

5G中考慮的潛在非正交MA將基于OFDM波形，其一般框架可由圖1描述。一般來說，非正交特性可以僅在功率域中引入，也可以在混合碼和功率域中引進(jìn)。

沿著這個(gè)框架，將討論每個(gè)類別的特性，以及它們是否能夠滿足5G非正交MA所需的功能和需求。

Power Domain非正交多址

在功率域非正交MA中，每個(gè)復(fù)用數(shù)據(jù)層都分配了一個(gè)功率比，然后直接疊加到每個(gè)資源元素（RE）上，因此符號(hào)沖突模式與每個(gè)RE相同，并且等于疊加在一起的數(shù)據(jù)層的數(shù)量，如下表3所示。

MUST（Downlink Multiuser Superposition Transmission）是僅功率域非正交MA的一個(gè)示例。它主要針對(duì)下行系統(tǒng)吞吐量增強(qiáng)和小區(qū)邊緣性能改進(jìn)[MUST方案可分為三類（TR 36.859有介紹）。在MUST?Category 1中，兩個(gè)或多個(gè)共同調(diào)度UE的編碼位獨(dú)立映射到組件星座符號(hào)，但復(fù)合星座沒有灰度映射。在MUST?Category 2中，兩個(gè)或多個(gè)共同調(diào)度UE的編碼位被聯(lián)合映射到組件星座，然后復(fù)合星座具有灰度映射。在MUST?Category 3中，兩個(gè)或多個(gè)共同調(diào)度UE的編碼位直接映射到復(fù)合星座的符號(hào)上（在位到符號(hào)映射期間隱式進(jìn)行功率域疊加）。由于用戶編碼位之間需要聯(lián)合映射，MUST類別2和3只能用于DL。因此，當(dāng)談到UL時(shí)，指的是MUST?Category 1。

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這種具有自適應(yīng)功率分配的疊加傳輸?shù)囊粋€(gè)好特點(diǎn)是簡(jiǎn)單。對(duì)于要疊加在MUST中的兩個(gè)數(shù)據(jù)層，除了聯(lián)合調(diào)制，發(fā)射機(jī)側(cè)的物理層程序幾乎沒有大的變化。在接收機(jī)端，應(yīng)用了多用戶檢測(cè)器，如符號(hào)級(jí)IC、碼字級(jí)IC（CWIC）或ML。

然而，同樣由于這種簡(jiǎn)單性，除了功率差之外，沒有其他方法來區(qū)分不同數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)符號(hào)。這種對(duì)疊加符號(hào)之間功率不平衡的嚴(yán)重依賴可能會(huì)限制調(diào)度的靈活性，即它限制了可以配對(duì)的用戶數(shù)量，并限制了配對(duì)用戶應(yīng)具有的SNR間隙。當(dāng)兩個(gè)以上用戶的信號(hào)疊加時(shí)，很難保持任何兩個(gè)用戶之間的信噪比差距足夠大，也很難確定信號(hào)每層的最佳功率不平衡值。在這種情況下，如果不進(jìn)行任何碼域擴(kuò)展，CWIC和ML都不可能具有良好的檢測(cè)性能。

此外，這種疊加方法不能提供足夠的保護(hù)，特別是對(duì)于小數(shù)據(jù)包傳輸，這被認(rèn)為是mMTC等場(chǎng)景中的典型流量類型。如果在分配的RB上發(fā)生深度衰落，則兩個(gè)信號(hào)的傳輸都可能失敗。在這種情況下，如果使用快速調(diào)度來跟蹤每個(gè)RB粒度的信道，則開銷太大，無法承受。相反，另一種方法是考慮代碼域擴(kuò)展，以增加傳輸此類小數(shù)據(jù)包的多樣性，并將調(diào)度開銷限制在合理的水平。類似的保護(hù)對(duì)于小區(qū)邊緣用戶也很有用，因?yàn)槿绻麤]有代碼域保護(hù)，小區(qū)間干擾的不確定性很容易使小區(qū)邊緣用戶的傳輸失敗。因此，碼域擴(kuò)頻是一種有效的方法，可以在功率域疊加的基礎(chǔ)上提高對(duì)信道和干擾不確定性的魯棒性。

對(duì)于UL來說，盡管信道隨機(jī)性可以在用戶之間功率不平衡的基礎(chǔ)上提供額外的區(qū)分，但功率域非正交MA即使使用全ML接收機(jī)也仍然面臨著信道和干擾不確定性的問題。如果采用無授權(quán)傳輸，并且每個(gè)RE上的符號(hào)沖突模式一直在變化，因此不可預(yù)見，則問題會(huì)更加嚴(yán)重。在這種情況下，防止碼域擴(kuò)散的分集保護(hù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)和保持良好性能至關(guān)重要。

混合碼和功率域非正交MA

在碼域非正交MA中，每個(gè)復(fù)用數(shù)據(jù)層都分配了一個(gè)非正交碼，這通常是頻率或時(shí)間上的擴(kuò)頻碼，符號(hào)沖突模式取決于代碼設(shè)計(jì)，如表4所示。在混合碼和功率域非正交MA中，每個(gè)多路復(fù)用數(shù)據(jù)層同時(shí)分配了擴(kuò)頻碼和功率比。擴(kuò)頻碼保持在碼域中定義的符號(hào)沖突模式，而功率比進(jìn)一步調(diào)整功率分配以獲得更好的總體性能（主要是DL所需的）。

碼域非正交MA的基本特征是擴(kuò)頻。不同的擴(kuò)頻碼設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致不同的符號(hào)沖突模式和不同的多用戶接收機(jī)。

一種方法是直接將OFDM與非正交擴(kuò)頻碼結(jié)合。在這種情況下，系統(tǒng)可以支持重載（即支持的數(shù)據(jù)層的數(shù)量大于正交通道的數(shù)量）。雖然這種非正交設(shè)計(jì)的符號(hào)沖突模式在每個(gè)RE上仍然是完全沖突的，但接收器可以利用擴(kuò)頻碼中的良好結(jié)構(gòu)（例如，低相關(guān)性）來解碼，從而提高性能和合理的復(fù)雜度。

當(dāng)過載因子變得非常高時(shí)，越來越多的序列之間很難保持低相關(guān)性，檢測(cè)性能可能會(huì)降低。類似的情況也可能發(fā)生在免授權(quán)傳輸中。特別是，每個(gè)用戶隨機(jī)選擇序列可能會(huì)導(dǎo)致序列沖突，這也會(huì)破壞原有的低相關(guān)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致性能損失。在這兩種情況下，必須應(yīng)用ML型檢測(cè)器來保證穩(wěn)健的檢測(cè)性能，從而提高接收機(jī)復(fù)雜度。因此，可以將符號(hào)沖突保持在中等水平的解決方案更為有利。

在這種情況下，最好在非正交擴(kuò)頻碼設(shè)計(jì)中考慮稀疏性（有意將“0”放在擴(kuò)頻碼中，并保持非零音調(diào)的數(shù)量低），以將符號(hào)沖突保持在中等水平，從而使層間干擾更小，接收機(jī)復(fù)雜度也合理。在這種情況下，可以在系統(tǒng)中使用低復(fù)雜度消息傳遞算法（MPA：message passing algorithm），以適應(yīng)更高的過載，同時(shí)仍然以合理的復(fù)雜度接近ML檢測(cè)性能。

一般來說，擴(kuò)頻碼設(shè)計(jì)具有不同程度的稀疏性，有可能為提高頻譜效率提供編碼增益。然而，擴(kuò)展tone上QAM符號(hào)的線性重復(fù)不能利用這種潛力。在這種情況下，提出了作為碼域非正交設(shè)計(jì)的一部分的高級(jí)調(diào)制方案，以進(jìn)一步改善星座約束的多用戶容量區(qū)域。