多址技术概念（非正交多址技术NOMA）

导读

3GPP的R15版本奠定了5G技术标准基础，其中对于无线信号的编码方案，出现了大量的争论。但最终还是选择了4G中的保留编码(调制)方案，正交频分复用Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM)。

图1 OFDM

但预计今年底前发布的R16版本，将包括一个研究小组的研究结果，该小组负责探索OFDM替代方案。

图2 3GPP组织

通信中的无线标准经常更新，在下一个5G版本中，该研究成果可以解决5G设备功耗较大的问题。

5G基站的功耗

这一直是一个值得讨论的问题，因为5G预计需要更多的基站来提供服务，并连接数十亿的移动设备和物联网设备。

图3 5G基站与传统基站对比

美国国家仪器公司射频和软件无线电研究市场总监James Kimery说:"我认为运营商并没有真正理解功耗对手机的影响，以及手机电池寿命的影响。5G手机的高价格，很大原因来自于电池的消耗”

图4 中国移动的5G试点

Kimery指出，这些担忧不仅仅适用于5G手机。他说，中国移动一直"对基站的耗电量大声疾呼."

一般认为，5G基站的耗电量大约是4G基站的三倍，恰恰我们还需要更多的5G基站来覆盖同一区域。

图5 4G基站VS5G基站

那么，5G为何耗电量那么大呢？

图6 手机耗电

耗电的原因

5G手机需要处理更多任务，需要更大带宽，因而导致耗电量大，这是手机在演进过程中的正常现象。5G手机拥有更快的网速和更高的频谱利用率，牺牲手机耗电量是必然的。

具体而言，多方面因素导致5G手机耗电多。首先，与3G、4G手机相比，5G手机中天线数目明显增加。5G终端设备采用Massive MIMO（大规模多入多出）天线技术，这需要在手机里内置至少8根天线，而每根天线都有自己的功率放大器，这就会产生比较大的功耗。

同时，使用OFDM发送数据，方法是将数据分割成各个部分，并以不同的频率同时发送这些数据，以使这些部分是"正交的"(意思是它们不相互干扰)。

图7 OFDM将串行转换为并行数据，再基带调制

由于OFDM符号是由多个独立经过调制的子载波信号叠加而成的，当各个子载波相位相同或者相近时，叠加信号便会受到相同初始相位信号的调制，从而产生较大的瞬时功率峰值，由此进一步带来较高的峰值平均功率比(PAPR—Peak to Average Power Ratio)，简称峰均比(PAPR)

图8 峰均比定义

基站的设备在如此高的功率下运作，必然会耗电，而且5G相比4G，需要处理更复杂与广泛的数据。

所以在4G网络中，为了避免手机也去处理这么高的PAPR，我们的上行技术是采用SC-FDMA单载波上行接入技术。

现在的SC-FDMA的峰均比是相对多载频OFDM情况下低，如果同一基站下手机都是大功率发送的话，对干扰和电池都不好嘛，进而影响接入和使用时间。

图9 SCFDMA

而OFDMA可以使用多载波，基站一般由电源供电，且发射功率一般比较恒定，所以对于PAPR要求低一些！

例如5G的一些新兴应用，如大规模物联网部署，会因为过高的PAPR令人困恼。

通常情况下，当多个用户(如一组物联网设备)使用OFDM进行通信时，它们的通信将使用正交频分多址(OFDMA)来组织，后者为每个用户分配一小块频谱。

图10 OFDM如何实现不同用户的区分，即多址

NOMA

当前比较热门的一种替代方案，非正交多址接入(NOMA)，一方面可以保持OFDM的优势，同时也可以使得多个用户重复使用相同的频谱。

NOMA据说是NTT Docomo于2014年9月首先倡导的。其思想是发射端不同的用户分配非正交的通信资源。在正交方案当中，如果一块资源平均分配给N个用户，那么受正交性的约束，每个用户只能够分配到1/N的资源。NOMA摆脱了正交的限制，因此每个用户分配到的资源可以大于1/N。在极限情况下，每个用户都可以分配到所有的资源，实现多个用户的资源共享。非正交带来的负面作用是多用户干扰。为了解决这个问题，需要接收机侧采用比较复杂的接收机技术，典型的是SIC接收机。SIC接收机按照一定的顺序逐个解调每个用户的信号。在第一个用户的信号解调出来后，把它的信号重构出来并在接收信号当中减去，对其他用户就没有干扰了。这样逐次把所有用户的信号解调出来。

图11 NOMA技术与OFDMA对比

在OFDMA中，在不同的频率资源上发送不同的用户UE信号，但在Noma情况下，根据小区中UE的位置，在相同频率但在不同的功率水平上发送不同的UE信号。

这样在设备侧，就不需要那么高的功率放大器，可以为省电贡献一部分力量。

OFDM和OFDMA将适合5G的早期需求，像大规模机器式通信这样的应用在至少一年或两年后才会出现。

图12 5G的三大应用场景

但Kimery对该行业将采用任何非OFDMA选项并不乐观。他表示:"有可能会有另一种选择，但可能性不大。因为某种方案一旦实施，就很难改变."

总结

NOMA看起来能够提升频谱效率，提升能量转换能力，不同的厂家也都号称可以提高频谱效率3倍以上。

但能否真正替代OFDM，相信这将会是一个漫长的过程。

文 | Michael Koziol，IEEE Spectrum，24 Jul 2019 | 15:00 GMT，通信M班长编译.

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