技术与标准丨5G非正交多址关键技术研究和性能评估
作者简介
张宏莉
中国信息通信研究院泰尔终端实验室工程师，主要从事科研管理与研究工作。韩玲
中国信息通信研究院泰尔终端实验室高级工程师，主要从事通信相关的研究工作以及通信相关新媒体运营工作。王星妍
中国信息通信研究院泰尔终端实验室工程师，主要从事协议一致性检测的研究工作。论文引用格式：
张宏莉, 韩玲, 王星妍. 5G非正交多址关键技术研究和性能评估[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(6):85-90.
5G非正交多址关键技术研究和性能评估
张宏莉 韩玲 王星妍
（中国信息通信研究院泰尔终端实验室，北京 100191）
摘要：移动通信技术发展已经过五代技术更迭演进，作为关键物理层技术的多址技术一直采用正交多址接入技术。传统正交多址技术就其本身而言在实际非理想状态下基本接近频谱资源利用效率和系统容量的上限。非正交多址技术是一个全新的物理层设计，可以使无线通信突破正交资源限制，进一步提升系统的传输性能、增加系统容量、减少时延和降低功耗。非正交多址的价值已得到产业界的重视，近十年来世界开展了大量的研究，并将其作为一项5G重要的物理层备选技术，在3GPP内进行了大量的讨论。
关键词：5G；非正交多址接入；功率复用；串行干扰消除
中图分类号：TN929.531 文献标志码：A
引用格式：张宏莉, 韩玲, 王星妍. 5G非正交多址关键技术研究和性能评估[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(6):85-90.
DOI：10.12267/j.issn.2096-5931.2022.06.015
0 引言
传统的蜂窝移动通信系统主要采用多址接入技术,包括时分多址接入技术（Time Division Multiple Access，TDMA）、频分多址接入技术（Frequency Division Multiple Access，FDMA）、码分多址接入技术（Code Division Multiple Access，CDMA）等，这些均属于正交多址接入技术（Orthogonal Multiple Access，OMA）。正交多址接入技术的用户数量受到其可用正交资源数量的限制，随着系统设计优化，在频谱资源日渐紧张的今天，其频谱资源利用效率和系统用户容量已接近极限。
为进一步提升频谱效率，突破正交多址技术限制，学界和产业界提出了一种被称为非正交多址的接入技术（Non-Othogonal Multiple Access，NOMA），使频谱效率和系统容量进一步提升。根据文献[1-3]，早在2010年日本NTT DoCoMo公司就提出了多用户信号功率相互叠加、接收端串行干扰消除（Successive Interference Cancellation，SIC）为基础的功率域非正交多址接入技术；2014年，3GPP在4G LTE“多用户叠加编码传输（Multi-User Superposition Transmission，MUST）”研究项目中对下行NOMA技术进行了研究；2018年，3GPP继续在5G NR框架下开展了上行非正交多址技术研究，并在R16阶段形成了NR NOMA技术的研究报告[3]。
1 NOMA技术特点
NOMA在发送端采用功率复用或多址接入签名码，使多用户信号能够共享同一时频资源块，接收端采用SIC等多址干扰消除技术对不同用户区分解码。
（1）功率复用技术。功率复用技术的核心是在时域和频域外增加一个功率的维度，利用不同用户之间的信道增益差异进行线性叠加传输[4]。功率复用技术是非正交多址技术中最简单的类型。由于功率域的引入系统可以放松时频物理资源块的正交性限制，从而使系统容量、频谱效率得到提升。
（2）多址接入签名码技术。多址接入签名码技术是经典的功率域非正交多址技术的演化升级版本，除了传统的功率域，还引入了码域的扩频、加扰、交织，甚至包含了空域编码的多址信道标签，有助于进一步减少非正交多址带来的多址干扰（Multiple Access Interference，MAI），提高接收机对多用户信号的检测性能。
（3）串行干扰消除技术。串行干扰消除技术的核心是对不同功率的多用户信号进行逐次干扰消除。接收信号中功率最大的信号最先被接收机检测出来并被消除，然后根据功率大小依次对各用户信号进行检测，最后完成对所有叠加信号的接收和解调。
2 NOMA技术的性能优势
NOMA技术性能优势如下。
（1）提升频谱效率和系统容量。NOMA技术可以区分同一时间-频率域上的不同的用户，使得多个用户可以在相同时间域和频率域上进一步复用资源。NOMA的系统过载率相对于OMA技术更高，更加接近多用户系统的理论容量界，在保证一定的通信质量的前提下进一步增加了系统总吞吐量。由于资源的非正交分配,不同用户的信号可以在相同的时频资源上叠加，实际上相对于OMA系统进一步拓展了可接入用户的数量，提升了系统的用户容量。
（2）改善小区边缘用户性能。非正交多址技术为保障通信质量和用户公平性，会为小区边缘用户和信道条件较差的用户配置更高的功率。仿真显示，采用NOMA技术方案时，小区边缘用户的吞吐量得到有效提升。
（3）更小时延和低信令开销[5]。在目前研究的一些NOMA技术方案中，NOMA可以设计成免调度的接入方案，终端可以使用开环功控选择合适的功率一次性上传数据，无需与基站进行多次交互，减少了接入时延，降低了信令交互的开销。
（4）更强的系统鲁棒性。基于功率域的NOMA系统对接收端反馈的信道状态信息CSI的准确性的敏感度降低，在传输信道状态不发生大幅、快速改变的情况下，不准确的信道状态信息不会对系统性能产生严重影响。同时，由于接收端采用了SIC技术，系统具备一定的干扰消除能力，减少了干扰对通信的影响。
3 NOMA技术的备选技术方案
为区分同一时频资源上的不同用户，一个行之有效的手段就是为每个用户分配多址接入签名码（MA Signature）。3GPP TR 38.812研究报告总结了当前主要通信企业的NOMA上行信号处理方案和多址接入签名码的设计方案。图1给出了5G NOMA上行信号处理的流程，在5G原有正交信号处理流程的基础上通过替换或增加相应的信号处理环节实现用户上行信号的非正交化。目前，多址接入签名码方案包含以下几类。
3.1 比特级处理技术（Bit Level Processing Based）比特级处理技术的原理是通过为不同用户配置特定的随机序列或交织图案，达到区分不同用户的目的。比特级处理技术目前有两种技术路线：UE特定比特级加扰和UE特定比特级交织。
（1）UE特定比特级加扰技术现有两种技术方案：低码率扩频方案（Low Code Rate Spreading，LCRS）和非正交编码多址接入方案（Non-Orthogonal CodedMultiple Access，NCMA）。比特级加扰的非正交多址接入方案使用了与3GPP R15 PUSCH相同的上行信号处理流程。
（2）UE特定比特级交织技术目前也有两种技术方案：交织域多址接入方案（Interleave Division Multiple Access，IDMA）和交织网格多址接入方案（Interleave-Grid Multiple Access，IGMA）。UE特定的交织图案作为多址接入签名码使用。
3.2 符号级处理技术（Symbol Level Processing）符号级处理技术有如下类型。3.2.1 使用NR原有调制方式的UE特定扩频使用NR原有调制方式的UE特定扩频技术一般采用低正交相关或低密度的符号级扩频序列。符号级扩频序列是这一类方案设计的核心。目前，研究的扩频序列包括韦尔奇界等式序列（Welch BoundEquality，WBE）、量化复值序列（Complex-Valued Sequences with Quantized Elements，CSQE）、ETF（Equiangular Tight Frames）/格拉斯曼序列（Grassmannian Sequence，GS）、广义韦尔奇等式序列（Generalized Welch-Bound Equality，GWBE）、稀疏扩频图案序列、QPSK序列以及多用户干扰参数准则序列(MUI-Qualified)。
（1）采用韦尔奇界等式序列有两种技术方案:韦尔奇界扩频多址接入（Welch-bound Spreading Multiple Access，WSMA）和资源扩频多址接入（Resource Spread Multiple Access，RSMA）。这两种方案使用的韦尔奇界等式序列在设计上要遵从签名码矢量集的相关函数平方之和的边界要求。
（2）采用量化复值函数序列的方案只有多用户共享接入技术（Multi-User Shared Access，MUSA）。MUSA码序列是一种低相关性的复数域星座式短序列多元码。MUSA在相同时频资源用户层数上要优于功率域NOMA技术。
（3）等角紧框架ETF/格拉斯曼序列使用了一种更严格的韦尔奇界等式序列以缩小两条序列相关性的最大值。NCMA方案使用了ETF/格拉斯曼序列。格雷斯曼序列设计问题可理解为最大化序列对间的最小弦距。格雷斯曼序列还可以通过M-QAM星座产生M-QAM量化格雷斯曼序列。
（4）广义韦尔奇等式序列是韦尔奇等式序列的扩展，考虑了功率域差异对序列相关性的影响[6]。用户特定广义韦尔奇界多址接入方案（User-specific Generalized Welch Bound Multiple Access，UGMA）采用了该序列。
（5）稀疏扩频图案序列在扩频码序列中包含了零元素，根据稀疏扩频图案中的零元素的个数是否相等，具体可分为等权重序列、非等权重序列。等权重序列即为稀疏码多址接入技术（Sparse Code Multiple Access，SCMA），非等权重序列为图样分割多址接入技术（Pattern Division Multiple Access，PDMA）。SCMA在多址技术上采用了低密度扩频和滤波OFDM（Filtered-OFDM）两项关键技术。扩频用码本的码字稀疏，不同用户信号之间不易产生干扰，而滤波OFDM指结合子载波滤波技术使资源单元RE的子载波间隔和OFDM符号时长可调，以满足5G空口业务多样性和灵活性要求[7-8]。PDMA主要基于多用户不等分集的PDMA图样矩阵实现时频—功率—空间多维非正交信号叠加传输，以获取更高的多用户复用、分集增益[9]。
（6）QPSK序列的产生方法与NR DMRS序列产生的方法相同，通过对某个序列进行循环移位可以得到其他的序列。相同根值但不同循环移位量的2个QPSK序列的相关性为0，不同根值的序列的QPSK序列的相关性则很低。非正交编码接入方案（Non-Orthogonal Coded Access，NOCA）采用了该序列。
3.2.2 使用非NR原有调制方式的UE特定扩频现有的方案中稀疏码多址接入方案SCMA采用了非NR原有调制方式的UE特定扩频技术。SCMA采用了与传统QAM星座调制不同的一种高维调制，SCMA可以增大星座点之间的欧几里得距离，进而降低用户间干扰，最终提高多用户叠加信号中解调出用户信号的成功率。
3.2.3 符号级加扰现有方案中资源扩频多址接入RSMA使用了短码扩频和长码加扰的符号级MA签名码方案。扰码序列可以是UE组级的也可以是小区级的；也可以是Gold序列或ZC序列，或者二者的组合。
3.2.4 填零的UE特定交织现有方案中交织网格多址接入IGMA使用了符号级交织方案。UE根据网络配置要求获取数据矩阵的稀疏密度信息和填零位置序号，然后将符号序列映射到资源元素RE上，并对映射的符号进行符号级交织。
3.3 UE特定稀疏RE映射（UE-Specific Sparse RE Mapping） 非正交多址接入技术方案SCMA、PDMA、IGMA采用了稀疏RE映射作为MA签名码方案。根据相同共享资源的用户数量，可以确定用户签名码稀疏度参数和填零RE的数量，并尽可能使相同资源上同时出现不同用户的概率降到最低。
3.4 OFDM符号交错传输图案（OFDM Symbol Staggered Transmission Pattern）目前，只有异步编码多址接入技术（Asynchronous Coded Multiple Access，ACMA）采用OFDM符号交错传输图案作为MA签名码。每个用户特定的起始发射时间为该用户的关键特征。根据该方案设计[10]，每个NOMA用户的起始时间分布与前N-1个时隙上某个OFDM符号，并在第N个时隙结束时结束所有用户的传输。表1梳理了当前3GPP的5G NOMA备选技术方案的提出公司和每种方案支持的技术类型[3]。表1 5G非正交多址备选技术方案
4 非正交多址的接收技术方案
针对目前5G的各类非正交多址备选技术方案，接收机的信号检测算法主要包含最小均方差MMSE、匹配滤波器MF、基本信号估计ESE、最大后验概率估计MAP、消息传递算法MPA、期望传递算法EPA等，干扰消除技术存在硬消除、软消除、混合消除以及串行、并行、串并混合等多种手段。
3GPP TR38.812中研究的接收机技术方案包括MMSE-IRC、MMSE-硬消除、MMSE-软消除、ESE+SISO、EPA+混合消除等。根据3GPP的仿真分析，MMSE-IRC和MMSE-硬消除接收机的实现复杂度相对较低。
5 非正交多址的仿真性能评估
3GPP在NR非正交多址接入研究项目中，针对mMTC、eMBB、URLLC等部署场景，对各NOMA技术方案的性能进行了链路级和系统级的仿真评估。
5.1 链路级评估结果3GPP对mMTC、eMBB、URLLC等5G部署场景的共35种具体信道场景进行BLER 和SNR仿真评估。3GPP采用的链路级仿真参数参见表2。通过比较各公司提交的链路级仿真结果，大致形成如下结论。表2 3GPP非正交多址链路级仿真参数
（1）对于低传输块大小，单UE频谱利用率<0.15 bit/s/Hz，总频谱利用率<1.8 bit/s/Hz，只要仿真参数配置合理，各个NOMA/MA签名码方案的性能差距较小。
（2）对于中、高传输块大小，单UE频谱利用率在0.3~0.55 bit/s/Hz，总频谱利用率<3.6 bit/s/Hz，仿真参数配置合理，不同NOMA /MA签名码方案的性能差距也较小。LDPC低编码速率（<0.5）的仿真结果要由于高编码速率（>0.5）。
（3）各技术方案均显示UE数量越多，性能恶化越明显。
5.2 系统级评估结果系统级仿真中，3GPP设置了基准的仿真参数（见表3），各公司的实际开展的仿真时在时频资源配置、接收机类型、链路-系统映射关系可能与基准参数配置不尽相同。系统级仿真重点评估给定负载时的高层包到达率PDR（mMTC场景和eMBB场景）、满足可靠性和时延用户比例（URLLC场景），并鼓励各公司提供资源利用率曲线。根据各公司提交的仿真结果，评估结果如下。表3 3GPP非正交多址系统级仿真参数
（1）mMTC场景，丢包率PDR为1% Packet/s/cell时，共有6家企业提交了仿真结果，部分企业的仿真结果相对于基准方案有40%~100%的增益，但个别企业仿真结果认为未显示出增益。
（2）URLLC场景，丢包率PDR为1% Packet/s/cell时，共有3家企业提交了仿真结果，其中2家显示相对于基准方案增益最高可到300%，1家无增益。
（3）eMBB场景，丢包率PDR为1% Packet/s/cell时，共有6家企业提交了仿真结果，2家企业的结果相对于基站方案有2~4倍的增益，2家显示有20%~40%的增益，另外2家无增益或少许增益。
6 结束语
从目前的NOMA技术在3GPP研究进展来看，仅完成技术前期研究阶段的工作，尚未进入标准化的实操，离真正实现标准化仍有距离。NOMA技术未来可以考虑在NOMA-MIMO结合技术、最优低密度扩频码本设计、优化消息传递算法、性能和复杂度折中的最优接收机设计等方面开展更深入的研究，以提高该技术的实用性，更好地满足5G后续演进乃至6G的系统可靠性和性能要求。
参考文献
[1] OTAO N, KISHIYAMA Y, HIGUCHI K. Perfomace of non-orthogonal access with SIC in celluar downlink using proportional fair-based resource allocation[C]//2012 International Symposium on Wireless Communication Systems(ISWCS). Paris: IEEE Press, 2012:476-480.[2] 3GPP. Study on downlink multiuser superposition transmission (MUST) for LTE (release 13)[R], 2015.[3] 3GPP. Study on non-orthogonal multple access (NOMA)for NR (release 16)[R], 2018.[4] TIAN F, CHEN X. Multiple-antenna techniques in nonorthogonalmultiple access: a review[C]//Frontiers of Information Technology & Electronic Engineerin, 2019.[5] 杨一夫, 武刚, 李欣然, 等. 面向后 5G 的非正交多址技术综述[J]. 无线电通信技术, 2020,46(1):26-34.[6] NTT DoCoMo. Transmitter design for uplink NOMA[R], 2017.[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] Huawei, HiSilicon. Discussion on the design of SCMA[R], 2017.[9] CATT. NOMA transmitter side signal processing[R], 2017.[10] Hughes. NR-NOMA: partially asynchronous and multilayered transmission of ACMA[R], 2017.
Study on 5G Non-Orthogonal multiple access technology & performance evaluation
ZHANG Hongli, HAN Ling, WANG Xingyan
(CTTL Terminal Labs, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China)
Abstract: The cellular communication technology has undergone five generations of evolution, yet its multiple access technologies as one of the key physical layer technologies still belongs among the orthognal multiple access technology. The legacy orthognal multiple access technology might have approached the ceiling of spectrum effeciency and system capacity in realistic senario. Non-orthogonal multiple access is an emerging design of physical layer, which can break the limitaion of finite orthogonal resource, fortifying transmission performance, increasing the system capacity, reducing latency and lower power comsuption. Non-orthogonal multiple access has become a highlighted research subject in the last decade,which leads to a large number of research finds. Non-orthogonal multiple access technology now is one of candidate technologies of 5G physical layer, which is under intensive discussion in the 3GPP organization.Keywords: 5G; NOMA; power domain multiplexing; SIC
本文刊于《信息通信技术与政策》2022年 第6期
主办：中国信息通信研究院
《信息通信技术与政策》官网开通啦！
为进一步提高期刊信息化建设水平，为广大学者提供更优质的服务，我刊于2020年11月18日起正式推出官方网站，现已进入网站试运行阶段。我们将以更专业的态度、更丰富的内容、更权威的报道，继续提供有前瞻性、指导性、实用性的优秀文稿，为建设网络强国和制造强国作出更大贡献！
推荐阅读
《信息通信技术与政策》2022年 第5期目次
你“在看”我吗？