從信息理論的角度來看，無線信道是一種經(jīng)典的多址信道，不同的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)共享時(shí)間/頻率/空間資源。根據(jù)多址方案，每個(gè)用戶的信號(hào)可以干擾其他用戶的信號(hào)，在這種情況下，具有非正交多址，或者不干擾其他用戶，在這種情形下，我們有正交多址。在上行鏈路（UL）上，根據(jù)用戶信號(hào)是否需要在基站接收機(jī)處緊密同步，還可以具有同步多址和非同步多址。

本文比較下行鏈路（DL）和上行鏈路的不同多址技術(shù)。需要注意的是，多址技術(shù)的選擇高度依賴于服務(wù)需求，重點(diǎn)關(guān)注具有不同服務(wù)需求的5G網(wǎng)絡(luò)的三種服務(wù)類型

1.eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）：低延遲、更高的頻譜效率/吞吐量

2.eMTC（增強(qiáng)型機(jī)器類型通信）：改進(jìn)鏈路預(yù)算，降低設(shè)備復(fù)雜性，延長(zhǎng)設(shè)備電池壽命（低能耗），支持高密度設(shè)備部署

3.URLLC（超可靠低延遲通信）：高可靠性（低分組錯(cuò)誤率）、低延遲

比較DL和UL的多址接入，重點(diǎn)關(guān)注以下性能指標(biāo)

• 信道容量

• 接收器復(fù)雜性

• 系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性（調(diào)度器、速率自適應(yīng)等）

• 協(xié)議（信令）開銷

通常，至少有四種不同的多址技術(shù)：時(shí)分多址（TDMA：Time Division Multiple Acces）、頻分多址（FDMA：Frequency Division Multiple Access ）、資源擴(kuò)展多址（RSMA：Resource Spread Multiple Access）和空分多址技術(shù)（SDMA：Spatial Division Multiple Access），如圖1所示。值得注意的是，這些技術(shù)并非互斥。事實(shí)上，隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，如今，不同的多址接入技術(shù)可以一起使用，以將其各自的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起，從而獲得最佳的系統(tǒng)性能。

TDMA

TDMA通過為用戶分配不同的時(shí)間資源來進(jìn)行傳輸，從而將用戶分開。TDMA是利用信道的時(shí)間分集的一種非常重要的技術(shù)。無線信道的一個(gè)重要特性是時(shí)變衰落。在多用戶系統(tǒng)中，TDMA允許調(diào)度器通過在信道峰值調(diào)度用戶來利用信道的時(shí)間分集。

然而，由于許多原因，一個(gè)系統(tǒng)只使用TDMA，這意味著在任何給定時(shí)間只調(diào)度一個(gè)用戶，可能導(dǎo)致性能不理想，包括

1.一般來說，純TDMA不能充分利用信道的空間分集和頻率分集

2.對(duì)于eMBB DL，TDM無法實(shí)現(xiàn)DL廣播信道容量限制

3.對(duì)于eMBB UL，單個(gè)用戶很容易受到發(fā)射功率限制，因此無法填充RoT（Rise of Thermal）

4.鏈路預(yù)算影響，在小區(qū)邊緣，TDM通過限制UE可以發(fā)送的時(shí)間，基本上限制了UE可以用來傳遞期望分組的功率。隨著TDM線性地減少UE可以發(fā)送的時(shí)間，鏈路預(yù)算將線性地減少。

總之，TDMA需要與其他多址技術(shù)相結(jié)合，以優(yōu)化系統(tǒng)性能

FDMA

FDMA通過為用戶分配不同的頻率資源來進(jìn)行傳輸，從而分離用戶。FDMA要求系統(tǒng)將整個(gè)帶寬劃分為多個(gè)子帶（載波、RB、音調(diào)等）。

在3G中，這種劃分非常粗略。例如，對(duì)于WCDMA（HSPA），基線部署在5MHz以上的載波，可以捆綁多個(gè)載波進(jìn)行多載波部署。這種方法有許多局限性，包括但不限于（1）5MHz太粗，無法充分利用每個(gè)載波內(nèi)信道的頻率分集，（2）信道仍然是頻率選擇性的（多路徑），需要均衡器或高級(jí)接收機(jī)來實(shí)現(xiàn)高頻譜效率。（3） 脈沖整形濾波器和保護(hù)帶需要分離載波，在WCDMA中，其開銷約為30%（5/3.84）。

在4G中，采用了更先進(jìn)的FDMA，稱為OFDMA（正交FDMA）。通過在基帶信號(hào)中添加循環(huán)前綴并應(yīng)用IFFT，OFDMA將頻率選擇性信道轉(zhuǎn)換為多個(gè)正交平坦衰落信道（音調(diào)）。這提供了許多優(yōu)點(diǎn)，包括但不限于

1.允許充分利用頻率分集

2.最小化每個(gè)子載波（音調(diào)）之間所需的保護(hù)頻帶

3.將頻率選擇性信道轉(zhuǎn)換為平坦衰落信道，這對(duì)SDMA（MIMO）更友好

由于OFDMA的優(yōu)勢(shì)，我們將互換使用FDMA和OFDMA。

重要的是要注意，盡管OFDMA適用于控制信令開銷可以忽略不計(jì)的大容量業(yè)務(wù)或高數(shù)據(jù)速率，但對(duì)于可能具有較低頻譜效率要求的小burst傳輸，OFDMA可能是不必要的，并且在某些情況下是低效的。

NOMA

RSMA通過為用戶分配不同的簽名以在同一時(shí)間在同一頻率上發(fā)送來分離用戶。到目前為止，OFDMA和TDM都是正交多址技術(shù)，而RSMA通?？梢杂脕砻枋龇钦欢嘀?。有兩種RSMA技術(shù)：CDMA（Coded Division Multiple Access）和SCMA（Sparse Code Multiple Access）。

CDMA使用正交擴(kuò)頻碼在同一發(fā)射機(jī)內(nèi)創(chuàng)建正交信道，并使用具有良好相關(guān)性的擾碼來分離不同的發(fā)射機(jī)（在DL上表示不同的小區(qū)，在UL上則表示不同的設(shè)備）。與OFDMA類似，CDMA是一種線性單一預(yù)編碼方案，它保留了信道容量。然而，CDMA的一個(gè)主要缺點(diǎn)是頻率選擇性（多徑）信道引起的自干擾。為了實(shí)現(xiàn)高頻譜效率，需要使用均衡器或甚至更先進(jìn)的接收機(jī)。因此，在MIMO部署中，CDMA與SDMA結(jié)合不是很友好。

RSMA可以被視為CDMA的變體

1.它使用低密度特征碼CDMA（LDS-CDMA）技術(shù)，其中每個(gè)用戶的信號(hào)通過稀疏特征碼序列進(jìn)行擴(kuò)展。

2.對(duì)于簽名序列中的每個(gè)非零條目，可以獨(dú)立設(shè)計(jì)調(diào)制以優(yōu)化性能

SCMA的主要優(yōu)點(diǎn)是，其簽名序列的稀疏性簡(jiǎn)化了高級(jí)接收機(jī)設(shè)計(jì)。SCMA代碼的稀疏性允許更簡(jiǎn)單的消息傳遞算法（MPA）實(shí)現(xiàn)接近MAP的性能。

然而，SCMA仍然存在復(fù)雜性/實(shí)用性問題，包括（1）盡管MPA是一種更快的迭代MAP解碼器，但與線性接收機(jī)相比，它仍然相當(dāng)復(fù)雜（2）SCMA的性能高度依賴于用于簽名序列中每個(gè)非零項(xiàng)的調(diào)制，因此，代碼設(shè)計(jì)很復(fù)雜（3）由于MPA接收機(jī)的高度非線性，速率預(yù)測(cè)和自適應(yīng)也可能復(fù)雜。

SDMA

SDMA通過在MIMO系統(tǒng)中為用戶分配不同的空間簽名來分離用戶。例如，3G和4G蜂窩系統(tǒng)都設(shè)計(jì)為利用MIMO信道的分集和復(fù)用增益。SDMA也可以被視為RSMA的一種特殊形式，其中簽名是在空間上設(shè)計(jì)的。因?yàn)镸IMO（MU-MIMO）是實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的一種非常重要的技術(shù)。

在高信噪比下，為了使頻譜效率線性增加，信噪比必須呈指數(shù)級(jí)增加。在這種情況下，自由度對(duì)于實(shí)現(xiàn)高頻譜效率變得非常重要。通過適當(dāng)?shù)念A(yù)編碼設(shè)計(jì)，SDMA可以創(chuàng)建多個(gè)正交（或近正交）空間子信道，以增加自由度。每個(gè)空間子信道可以在較低的信噪比下工作，因此更線性的容量區(qū)域。因此，總?cè)萘靠梢燥@著增加。

在低信噪比下，通過適當(dāng)?shù)牟ㄊ?/span>賦形，SDMA可以提高接收信噪比（陣列增益）并降低其方差（分集增益），從而在小區(qū)邊緣實(shí)現(xiàn)更好的覆蓋。

更重要的是，通過啟用MU-MIMO，SDMA可以實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)性能。由于設(shè)備的有限尺寸，設(shè)備側(cè)的天線數(shù)量比基站側(cè)的天線的數(shù)量有更多的限制。對(duì)于點(diǎn)到點(diǎn)MIMO信道，它的自由度受到接收機(jī)和發(fā)射天線的最小數(shù)量的限制。然而，使用MU-MIMO，可以取消此限制。通過仔細(xì)配對(duì)和設(shè)計(jì)用于多個(gè)用戶的空間簽名，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，并且只會(huì)受到基站側(cè)天線數(shù)量的限制。

另一個(gè)需要注意的是，由于多徑引起的自干擾，SDMA性能在頻率選擇性信道下可能受到限制。因此，為了更好的系統(tǒng)性能，將SDMA部署在OFDMA之上是非常自然的。

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到目前為止，討論不同的多址接入技術(shù)。在具有頻率選擇性、時(shí)變衰落、具有多個(gè)發(fā)射和接收天線的信道以及多個(gè)用戶的無線通信系統(tǒng)中，有許多信道/用戶特性可用于優(yōu)化系統(tǒng)性能，包括但不限于頻率分集、時(shí)間分集、空間分集等，不同的多址技術(shù)必須組合在一起以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

到目前為止，為了實(shí)現(xiàn)最佳頻譜效率，OFDMA+SDMA+TDMA是最先進(jìn)的方法。這三種多址技術(shù)是正交方案（實(shí)際上，SDMA不是完全正交的）。如前所述，選擇多址接入取決于服務(wù)需求。至少有兩個(gè)問題：

1.在DL上，已經(jīng)表明非正交多址（SPC）可以實(shí)現(xiàn)比正交多址更好的容量限制。然而，在實(shí)踐中，為了利用頻率分集（子帶調(diào)度）、時(shí)間分集（TDM調(diào)度）和空間分集（MU-MIMO調(diào)度），調(diào)度器需要足夠的用戶進(jìn)行選擇。非正交多址接入必須使用相同的用戶池。由于使用池的大小有限，非正交多址可以給系統(tǒng)帶來哪些額外的好處？

2.還有像eMTC這樣的服務(wù)，它只需要低頻譜效率、低設(shè)備復(fù)雜度和功耗。正交多址OFDMA+SDMA+TDMA需要UL上用戶之間的緊密同步，這會(huì)導(dǎo)致信令負(fù)載。

在5G系統(tǒng)中，在給定具有塊傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)線性時(shí)不變信道。信道容量可以寫為log2(det(I + PHHHHP))，其中假設(shè)噪聲是單位能量的零平均高斯。P是發(fā)射機(jī)處的線性塊預(yù)編碼器。很容易表明，任何單一預(yù)編碼器都給出相同的信道容量。在所有的單一預(yù)編碼器中，對(duì)角化HHH的預(yù)編碼器通過創(chuàng)建多個(gè)正交子信道來簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這使得接收機(jī)以及容量實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)更容易。在這種情況下，MAP接收機(jī)退化為線性接收機(jī)。OFDMA本質(zhì)上是通過引入循環(huán)前綴來正交化多路徑信道并使信道矩陣H為圓形的設(shè)計(jì)。此外，考慮到總發(fā)射功率限制，OFDMA有可能實(shí)現(xiàn)充水功率負(fù)載，充分利用頻率分集，以最大化信道容量。當(dāng)然，OFDMA還通過消除多路徑干擾使MIMO（MU-MIMO）設(shè)計(jì)更易于處理。總之，當(dāng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是最大化頻譜效率時(shí)，OFDMA是一個(gè)非常重要的構(gòu)建塊。其他多址技術(shù)（TDMA、SDMA和RSMA）可以建立在OFDMA之上以獲得更好的性能。

UL eMBB

eMBB的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以高頻譜效率傳輸大量數(shù)據(jù)。因此，假設(shè)服務(wù)在RRC_CONNECTED狀態(tài)下啟動(dòng)，其中不同用戶的UL已經(jīng)同步。

到目前為止，為了提高頻譜效率，OFDMA（SC-OFDMA）是一種可以提供良好性能/復(fù)雜性權(quán)衡的候選方案。在部署MIMO通信時(shí)，充分利用MIMO信道產(chǎn)生的空間分集/復(fù)用非常重要。當(dāng)接收器和發(fā)射天線的數(shù)量之間的差異很大時(shí)，MU-MIMO尤其重要。

DL eMBB

眾所周知，當(dāng)兩個(gè)用戶具有較大的SNR差異時(shí)，非正交疊加編碼有可能實(shí)現(xiàn)比正交（TDM，F(xiàn)DM）設(shè)計(jì)更好的性能。值得注意的是，非正交疊加編碼可以在OFDM波形之上實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，在LTE MUST研究中，用戶信號(hào)在調(diào)制符號(hào)電平上疊加，而對(duì)于SCMA，可以基于低密度擴(kuò)展序列和調(diào)制的聯(lián)合設(shè)計(jì)來疊加用戶信號(hào)。

然而，還需要注意的是，為了使疊加編碼顯示出性能優(yōu)勢(shì)，調(diào)度器需要將兩個(gè)具有明顯不同SNR的用戶配對(duì)。一般來說，這需要系統(tǒng)有足夠數(shù)量的用戶下載大量數(shù)據(jù)。這可以被視為多用戶多樣性的一個(gè)用例。同時(shí)，系統(tǒng)性能優(yōu)化還要求多用戶分集來利用信道的其他特性，例如頻率分集（子帶調(diào)度）、空間分集（MU-MIMO）。事實(shí)上，在LTE MUST研究期間已經(jīng)表明，與寬帶調(diào)度相比，通過子帶調(diào)度，來自SPC的增益降低了。由于用戶池的有限規(guī)模和大規(guī)模MIMO的部署，SPC的增益在可用于優(yōu)化系統(tǒng)性能的其他技術(shù)（包括但不限于子帶調(diào)度、SU-MIMO、MU-MIMO）之上，還有待研究。

UL/DL mMTC

與eMBB相比，mMTC具有明顯不同的服務(wù)需求。高頻譜效率不是eMTC服務(wù)最關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)，相反，鏈路預(yù)算和接收機(jī)復(fù)雜度/功耗更為重要。對(duì)于以eMTC等短數(shù)據(jù)突發(fā)為主導(dǎo)的應(yīng)用程序，一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是可擴(kuò)展到大量具有低設(shè)備復(fù)雜性、低功耗和擴(kuò)展覆蓋范圍的活動(dòng)設(shè)備。

由于mMTC服務(wù)的長(zhǎng)占空比，它自然要求設(shè)計(jì)將mMTC設(shè)備置于類似于RRC_IDLE的RRC狀態(tài)，其中不需要與網(wǎng)絡(luò)同步以節(jié)省電池。因此，對(duì)于mMTC討論，重點(diǎn)討論UE從類似于RRC_IDLE的RRC狀態(tài)開始的場(chǎng)景。現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的一個(gè)限制因素通常是在任何用戶數(shù)據(jù)傳輸之前建立無線電連接的大量信令開銷。

圖2說明了信令過程，通過該過程，空閑設(shè)備在傳輸有效載荷數(shù)據(jù)之前建立與網(wǎng)絡(luò)的無線連接：

A、 設(shè)備從空閑狀態(tài)喚醒，并首先通過主同步序列和輔助同步序列（PSS/SSS）獲取定時(shí)

B、 設(shè)備解碼物理廣播信道（PBCH）以提取主信息塊（MIB）信息，以及獲取系統(tǒng)幀號(hào)（SFN）。MIB通常每40毫秒廣播一次。

C、 設(shè)備讀取系統(tǒng)信息塊（SIB），以提取基本網(wǎng)絡(luò)配置以開始隨機(jī)接入。這至少包括按順序讀取SIB1和SIB2信息，它們通常分別每隔80ms和160ms周期性地廣播。

D、 設(shè)備啟動(dòng)隨機(jī)接入和RRC連接過程，包括4個(gè)步驟

a、 設(shè)備發(fā)送隨機(jī)接入前導(dǎo)碼。

b、 基站用上行鏈路資源進(jìn)行響應(yīng)，并調(diào)整設(shè)備的上行鏈路定時(shí)。

c、 設(shè)備以身份響應(yīng)潛在的爭(zhēng)用解決方案。

d、 基站確認(rèn)所選ID并解決爭(zhēng)用。

E、 設(shè)備啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求以注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)是否是初始附著，該步驟包括一系列操作，包括MME和基站處的認(rèn)證和安全上下文設(shè)置，以及服務(wù)網(wǎng)關(guān)和PDN網(wǎng)關(guān)處的默認(rèn)承載設(shè)置。

F、 設(shè)備開始傳輸有效載荷數(shù)據(jù)。

在設(shè)備開始傳輸有效載荷數(shù)據(jù)之前，有一個(gè)漫長(zhǎng)的信令過程。這樣的開銷有利于允許有效地傳輸大量數(shù)據(jù)。然而，對(duì)于諸如eMTC服務(wù)之類的小數(shù)據(jù)事務(wù)，信令開銷可能是低效的。

顯然，對(duì)于eMTC設(shè)計(jì)優(yōu)化，在用戶可以在UL上傳輸數(shù)據(jù)之前，減少信令開銷以及用戶功耗是非常關(guān)鍵的。從多址接入的角度來看，步驟D對(duì)于正交多址方案是必要的，因?yàn)樾枰Y源分配和設(shè)備的上行鏈路定時(shí)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)來自不同設(shè)備的發(fā)射信號(hào)之間的正交性。使用非正交RSMA，設(shè)備不需要等待網(wǎng)絡(luò)分配專用頻率或時(shí)間資源進(jìn)行傳輸，不同設(shè)備的信號(hào)可以彼此重疊，但仍可以在基站恢復(fù)。此外，不同設(shè)備的信號(hào)可以彼此異步。事實(shí)上，出于檢測(cè)目的，甚至更優(yōu)選從不同設(shè)備進(jìn)行異步傳輸。這些特性使非正交RSMA成為小數(shù)據(jù)無授權(quán)傳輸?shù)挠欣x擇。如圖2所示，非正交RSMA也可以通過高級(jí)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)MAC信道容量區(qū)域。

根據(jù)具體的實(shí)現(xiàn)，不同設(shè)備的信號(hào)可以在基站處通過使用不同的擾碼或使用不同的交織來分離。為了便于說明，簡(jiǎn)單地假設(shè)用戶被文檔其余部分的不同擾碼分隔。此外，由于擾碼（例如，由最大長(zhǎng)度序列生成的擾碼）的良好相關(guān)性，即使在使用相同的擾碼時(shí)，只要兩個(gè)信號(hào)是異步的，它們也可以很好地分離。eMTC設(shè)備可能隨時(shí)使用RSMA進(jìn)行傳輸。然而，為了降低基站的搜索復(fù)雜度，僅為設(shè)備提供有限數(shù)量的接入時(shí)隙以開始傳輸。請(qǐng)注意，這是一個(gè)比步驟D中所要求的要寬松得多的同步要求，而不需要基站進(jìn)行任何定時(shí)調(diào)整，因?yàn)榛舅阉髌魍ǔＴ诿總€(gè)接入時(shí)隙周圍搜索相對(duì)較大的窗口。

eMTC的一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是在限制設(shè)備發(fā)射功率的情況下擴(kuò)展鏈路預(yù)算，這意味著接收機(jī)必須在低信噪比下工作，或者系統(tǒng)必須在非常低的頻譜效率下工作。一個(gè)數(shù)據(jù)包需要幾秒鐘才能在小區(qū)邊緣傳送。從鏈路級(jí)的角度來看，使用寬帶傳輸信號(hào)是有益的，因?yàn)樗鼮樾盘?hào)提供了更多的頻率分集，以對(duì)抗干擾的突發(fā)性和信道的頻率選擇性。對(duì)于信號(hào)的寬帶傳輸，為了增加系統(tǒng)容量，無正交多址是一種自然的解決方案。否則，如果實(shí)施正交多址接入，在任何給定的時(shí)間只有少數(shù)用戶可以進(jìn)行傳輸，整個(gè)系統(tǒng)可能無法在全電位（IoT）下工作。

對(duì)于DL也存在類似的考慮，對(duì)于小數(shù)據(jù)事務(wù)，建立RRC連接和執(zhí)行UL同步可能成本過高，并對(duì)設(shè)備電池壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。對(duì)于小的移動(dòng)終端（MT）有效載荷，期望避免RRC連接建立和UL同步過程。

UL/DL URLLC

URLLC服務(wù)要求數(shù)據(jù)包的高可靠性和低延遲傳送。假設(shè)URLLC在RRC_CONNECTED狀態(tài)下啟動(dòng)是合理的。因此，設(shè)計(jì)目標(biāo)與eMBB類似，eMBB需要高信道容量的方案。請(qǐng)注意，此處的信道容量是由于URLLC的要求而導(dǎo)致的停機(jī)容量。多址接入的選擇可以類似于eMBB，而應(yīng)將更多的設(shè)計(jì)重點(diǎn)放在提高信道中斷能力（尾部行為）上.