馬先生說：

最近太忙,，所以《無線演義》更新比較慢。不過幸好有各位支持，所以還會堅持下去,。

這是一篇約稿,，屬于5G系列技術的一部分。本來打算自己寫,，但有幸邀請到了另一位比我更專業(yè)的大牛,，尤為難得的是他和我對5G在技術層面有一致的觀點，所以就由他來主筆,。

史博士：生于東北,，現(xiàn)居北京?？孔V愛國青年,，自嘲為初期懶癌患者。不抽煙,、不喝酒,、不招人煩、不坑蒙拐騙,。久居象塔,，常自謙唇舌魯鈍，然實屬寵辱皆忘,，波瀾不驚,。混跡數(shù)字電視和通信行業(yè)多年,，拒絕不切實際,，堅持腳踏實地，雖自詡資深碼農,，終修成技術大牛,，令我等敬仰之…

備注：部分相關圖片及參考文獻來自互聯(lián)網，如有版權問題,，敬請告知～

前言

 4G的推廣和建設正如火如荼,，5G的競賽和布局已暗流涌動。2016注定會成為5G技術展示集中發(fā)力的一年,。

正如介紹新波形技術時講到,，標準的制定早已超越技術本身，而越來越傾向資本的博弈,，5G新多址技術也沒有逃脫這一窠臼,。幾大主流候選技術缺乏令人驚艷的亮點，只能通過堆積已有研究成果,，用復雜度換取更大的容量和靈活性,。

作為一篇科普類文章,，本文從多址接入技術的定義和演進出發(fā)，自然引出5G時期可能的發(fā)展方向,。令讀者在清晰了解多址接入概念的同時,，可以從非專業(yè)人士的角度，對通信技術的發(fā)展做出思考,。

1. 什么是多址接入

蜂窩系統(tǒng)以信道區(qū)分通信對象,，每個信道容納一個用戶，多個同時進行通信的用戶以不同的信道來區(qū)分,，這就是多址,。在無線通信環(huán)境的電波覆蓋范圍內，建立多個用戶無線信道連接的方法,，就是多址接入技術,。

通俗一點說，多址接入要解決多個設備（目前主要是手機）同時接入網絡的問題,。在移動通信網絡發(fā)展的初期,，解決這個問題比較簡單——用資源（頻率）換服務。因為那時的用戶少（手機和話費都很貴）,，需求低（只是打電話）,，資源相對足夠。進入5G時代,，移動通信網絡的應用場景和用戶需求都發(fā)生了根本性的變化,，對多址接入技術也提出了新的挑戰(zhàn)。

探討5G多址接入的主流候選技術前,，下一節(jié)會簡單回顧從1G到4G所采用的多址接入方式,。其目的是勾畫多址接入方式的發(fā)展路線，同時試圖梳理這些技術能被采用的原因,。

2. 多址接入從1G到4G

首先，多址接入可以用一個形象的場景來描述,。假設有一間面積20平米的會議室（長:寬= 5m:4m）,，10個人同時在這個房間里開會，分成5組,，每組2人,。可以預料,，如果所有人同時開始說話,，場面一定非常混亂,。解決這個問題的辦法,，就是采用多址接入。

1G時代比較簡單粗暴,，既然有5組人開會,，直接把會議室分成互不干擾的5間。這就是1G的多址接入技術——頻分多址（Frequency Division Multiple Access, FDMA）,。這個辦法很有效,，但是代價也很高。為了保證隔音效果,，小會議室之間的墻很厚（0.2米寬）,，會議室的有效面積減少16%。另外,，如果再增加一組人開會，怎么辦,？所以說，FDMA的頻譜使用效率（會議室有效面積）和系統(tǒng)擴展性（增加新的小組）都很差,。

圖1 頻分多址（FDMA）

2G時代,，需要開會的小組數(shù)量逐漸增加（更多用戶）。會議室管理員發(fā)現(xiàn),，同時開會的5個小組,，并不是一直在交流，多數(shù)時間沒有人說話,。管理員拆掉會議室的隔墻,，為每個組配備一個定時器，采用輪流發(fā)言的方式,，每個組只能在規(guī)定的時間片內（0.1s）發(fā)言,。這就是2G的多址接入技術——時分多址（Time Division Multiple Access, TDMA）,。頻譜的使用效率提高了（不需要隔墻）,，系統(tǒng)的容量也增加了（可以允許最多15個小組）。但是,，每個組的發(fā)言時間不能間隔太長（語音延遲）,，所以會議室能容納的小組數(shù)量雖然成倍增長，但仍然有限,。即使這樣,，TDMA也滿足了語音通信的基本要求,，移動通信進入全民時代。

圖2 時分多址（TDMA）

 3G時代,，開會的小組數(shù)量繼續(xù)增加,，每個小組要求連續(xù)發(fā)言的時間也變長（更大帶寬）。管理員發(fā)現(xiàn),，不同小組可以使用不同的語言交流,，漢語，英語,，德語,，法語，……,。管理員決定,，放棄定時器，為每個小組指定交流語言,，不同的小組使用的語言必須有區(qū)別,。這就是3G的多址接入技術——碼分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）。現(xiàn)在,，用戶可以共享時頻資源（所有的小組都能同時使用全部會議室）,，盡管存在干擾（畢竟有其他人在說話），但不影響業(yè)務質量（本組交流順暢）,。通過找到正交性足夠好的擴頻碼（區(qū)別度很高的語言）,，系統(tǒng)容量可以進一步提高。這時,，會議室面積（帶寬）已經擴大到2G時代的25倍（WCDMA——5MHz）,。擴大會議室的需求可能比較難于理解，暫且解釋為開會的人不僅僅要說話（語音）,，還要做演示（上網）,。

圖3 碼分多址（CDMA）

 4G時代，開會的小組數(shù)量沒有顯著增加（已經并且仍然是每人一部手機）,，但是要求會議室再擴大（更大帶寬）,，以滿足數(shù)據(jù)業(yè)務（視頻）的需求（視頻業(yè)務就比喻為開卡丁車，會議室的面積又不夠用了,，再擴大4倍吧——LTE最大20MHz帶寬）。這時就發(fā)生了著名的4G標準之爭,。最終,，正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division MultipleAccess,  OFDMA）贏得最后的勝利。OFDMA與FDMA差了一個“O”,，這個“O”成功解決了FDMA中保護帶（隔墻）太寬的問題,。

圖4 正交頻分多址（OFDMA）

 【題外話】

在3G時代,，高額授權費、高通稅和反專利授權引起了通訊廠商的眾怒,，中國和歐洲通訊廠商決定,，以后再也不和高通一起玩了。3GPP組織本世紀初就開始了探索新的繞開CDMA的關鍵技術,，OFDM成為了首選,。OFDM技術可以比較好的解決由于碼元周期的縮短以及無線通信中的多徑傳播帶來的致命符號間干擾（ISI）問題，也能更好的和MIMO相結合,。

其實CDMA技術在今天看來一樣優(yōu)秀,，只是在MIMO下的性能要比OFDM差，另外抗ISI干擾中,，如果多徑數(shù)量足夠多,，性能會下降明顯。更大的帶寬會帶來更多工程設計上的問題,，比如Rake接收機在大帶寬,、數(shù)量眾多的多徑干擾下的設計問題等等。另外CDMA技術還有MAI多址干擾的問題（自干擾）,，而OFDM則不明顯,。但是CDMA也有許多比OFDM強的地方，比如抗窄帶干擾方面,，比如PAPR方面,，CDMA都有其優(yōu)勢。

4G的標準之爭,，內容非常豐富和有趣,，也直接導致了通信產業(yè)格局的巨變，有興趣的讀者可以在網絡搜索到更多精彩的分析和解讀,。

多址接入技術從1G時代到4G時代,，經歷了從簡單到復雜，從低效到高效的演變,。這種技術進步,，既是用戶需求推動的結果，也是基礎工業(yè)發(fā)展的必然選擇,。在模擬電子技術占統(tǒng)治地位的1G時代,，FDMA是最直接也是唯一的選擇。隨著數(shù)字技術的高速發(fā)展,，基于嚴格時間同步的TDMA才能走上歷史舞臺,。當大規(guī)模集成電路的工藝和制造逐漸成熟，建立在CDMA和OFDMA基礎上的寬帶通信隨之成為可能,。

因此,，規(guī)劃5G多址接入技術時,，固然需要滿足5G定義的各種場景，但也要同時考慮包括實現(xiàn)的復雜度和制造成本等問題,。

3. 新多址接入

為應對未來低時延,、高可靠性的應用場景要求，以及密集海量接入和超大容量的需求,，在頻譜資源昂貴且受限的現(xiàn)實下,，非正交多址接入技術被視為4G正交接入OFDMA之后的演進趨勢和突破方向。

圖5 候選的5G非正交多址技術

3.1 概況

目前業(yè)界提出的一些新型多址技術包括基于編碼調制,，結合CDMA與OFDM,，向功率域擴展以及多維度擴展等幾個方向，表1列出了幾種典型的代表候選技術[1]-[3],。這些新的多址方式,，雖然技術特點各異，但出發(fā)點基本相同：在保持單用戶速率的基礎上擴展系統(tǒng)容量,，接收機具備多用戶同時檢測和分離能力,，降低系統(tǒng)接入延遲。

另外,，由于當前通信系統(tǒng)（基站 終端）的非對稱性,，上下行系統(tǒng)模型存在顯著差別。如果5G時代仍然采用這種模式,，多址接入技術的設計則既要考慮業(yè)務特點,、系統(tǒng)帶寬、調制編碼和干擾管理等層面的影響,，也要考慮設備基帶能力,、射頻性能和成本等工程問題的制約。

表1 幾種典型的5G新多址接入候選技術

限于篇幅,，本文將重點描述CDMA OFDM的多址接入方式,，簡單介紹以NOMA和PDMA為代表的向功率域和空間域等多維度擴展的多址接入方式。介紹以技術原理為主,，包括模型概念,，發(fā)射和接收機原理，技術優(yōu)缺點等功能性描述,，而省略包含鏈路仿真和系統(tǒng)仿真等角度的性能評估,。

3.2 碼域非正交多址

碼域非正交多址是指多個數(shù)據(jù)層通過碼域擴頻和非正交疊加后，在相同的時/頻/空資源發(fā)送,，這些數(shù)據(jù)層可以來自一個或多個用戶,，接收端通過線形解擴或干擾刪除分離各用戶的信息。擴頻碼字的設計直接影響這類多址方式的性能和接收機的復雜度。

【題外話】

OFDM-CDMA混合技術最早可以追溯到1993年在日本橫濱舉行的PIMRC會議,，由Linnartz和Fazel分別提出，并迅速發(fā)展起來,。針對兩項技術融合的研究方向非常廣泛,，當時主流的方案有以下三種：多載波CDMA（MC-CDMA）、多載波直接序列擴頻CDMA（MC-DS-CDMA）和多音頻CDMA（MT-CDMA）,。這些方案可以分為頻域擴頻和時域擴頻兩類,，前者是用給定的擴頻碼來擴展原始數(shù)據(jù)，然后用每個碼片來調制不同的載波,，MC-CDMA技術即屬于此種類型,。后者是用擴頻碼來擴展已經進行了串并變換后的數(shù)據(jù)流，然后用每個數(shù)據(jù)流來調制不同的載波,，MC-DS-CDMA和MT-CDMA屬于此種類型,。研究表明，MC-CDMA具有概念清楚,、結構簡單,、性能優(yōu)越等優(yōu)點，比其余兩種方案好,，因此得到了最廣泛的研究,。高通公司主導的3G標準CDMA200以及4G候選標準UMB都采用了這種多載波CDMA技術。

另外,，Hoshyar在2006年提出一種基于低密度簽名結構（Low-Density Signature Structure）的同步直列擴頻系統(tǒng)[4],。在系統(tǒng)過載（overload）時，這種結構能有效的解決由于擴頻碼正交性變差而導致的性能下降,。同時,，接收端采用消息傳遞算法（Message Passing Algorithm,MPA）進行迭代多用戶檢測，能從最大后驗概率的角度取得接近最優(yōu)的性能,。

3.2.1 多用戶共享接入（MUSA）

MUSA是一種基于復數(shù)域多元碼的上行非正交多址接入技術,。各接入用戶使用易于串行干擾刪除（SIC）接收機的、具有低互相關的復數(shù)域多元碼序列將其調制符號進行擴展,，擴展后的符號可以在相同的時頻資源里發(fā)送,。接收側使用線性處理加上碼塊級SIC來分離各用戶的信息。

擴展序列會直接影響MUSA的性能和接收機復雜度,，是MUSA的關鍵部分,。使用特別的復數(shù)域多元碼序列作為擴展序列，即使序列長度很短時,，也能保持相對較低的互相關,。

結合先進的SIC接收機，MUSA可以支持免調度過程的海量連接場景，減輕系統(tǒng)的信令開銷和實現(xiàn)難度,。存在遠近效應時,，MUSA還能利用不同用戶到達SNR的差異來提高SIC分離用戶數(shù)據(jù)的性能。即也能如功率域NOMA那樣,，將“遠近干擾”轉化為“遠近增益”,，從而簡化甚至取消嚴格的閉環(huán)功控過程。

圖6 MUSA示意圖

3.2.2 稀疏碼多址接入（SCMA）

SCMA是一種采用稀疏碼本的新型非正交多址技術,。其核心理念是通過碼域稀疏擴展和非正交疊加,，實現(xiàn)同樣資源數(shù)下容納更多用戶，使得在用戶體驗不受影響的前提下,，增加網絡總體吞吐量,。

SCMA和現(xiàn)有技術的一個區(qū)別點在于其將比特到碼字的映射過程[5]。下圖所示的比特到碼字映射,，包括6個數(shù)據(jù)層,，對應6個碼本。每個碼本4個碼字,，長度為4,。映射時，根據(jù)比特對應的編號從碼本中選擇碼字,，不同數(shù)據(jù)層的碼字直接疊加,。

圖7 SCMA碼本映射示意圖

如何設計SCMA碼本是一個重要的研究課題。研究指出,，采用多維星座圖設計可以獲得編碼和成形增益,，SCMA的碼本設計正是從這點出發(fā)[6]。和已有多維星座圖設計方案不同的是,，SCMA需要考慮多個用戶復用時相互之間的影響,。

SCMA可以用于上行和下行。對于上行,，利用非正交疊加,，在同樣資源下，容納更多用戶，實現(xiàn)海量連接。利用盲檢測技術可以同時對用戶狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行檢測,，為免授權的上行隨機競爭接入機制提供可能,。對于下行,，SCMA利用多維調制技術和頻域擴頻分集技術，提升鏈路傳輸質量，鏈路自適應更為魯棒。此外,，SCMA可以和現(xiàn)有的OFDM技術完全兼容,，包括當前系統(tǒng)中的導頻設計和信道估計，支持現(xiàn)有的MIMO發(fā)送模式,。

當然,，SCMA也面臨很多技術挑戰(zhàn)。首先,，接收機實現(xiàn)復雜度要高于4G系統(tǒng),，需要開發(fā)低復雜度的接收機算法，實現(xiàn)復雜度與性能的合理折中[7][8],。其次，新增了數(shù)據(jù)層的概念,，系統(tǒng)增加了一維自由度,，需要研究多用戶調度、用戶分組和功率分配的優(yōu)化方案,。此外,，與多天線技術的結合，包括空間域的稀疏擴頻方式的探索也不成熟,。

3.3 功率域非正交多址

功率域非正交多址是指在發(fā)送端將多個用戶的信號在功率域直接疊加,，接收端采用串行干擾刪除區(qū)分不同用戶的信號。通過發(fā)射機和接收機的聯(lián)合設計,，可使多層數(shù)據(jù)流在相同的時/頻/空域資源里傳輸[9],。總的來說,，NOMA主要有3個技術特點：

1. 接收端采用SIC技術,。其基本思想是采用逐級消除干擾策略，依次逐個分離單個用戶數(shù)據(jù),，直至消除所有的多址干擾,。技術的關鍵就是能否設計出可接受復雜度的SIC接收機。

2. 發(fā)送端采用功率復用技術,。功率復用不同于簡單的功率控制,，是遵循相關的算法進行功率分配。發(fā)送端對不同的用戶分配不同的發(fā)射功率,，接收端以此作為區(qū)分用戶的依據(jù),。

3. 不依賴用戶反饋CSI。現(xiàn)實網絡因為移動性和反饋延遲等原因,，用戶并不能實時反饋有效的網絡狀態(tài)信息,。采用SIC技術的NOMA方案可以很好地適應這種情況，在高速移動場景下獲得更好的性能,，并能組建更好的移動節(jié)點回程鏈路,。

跟CDMA和OFDMA相比，NOMA子信道之間采用正交傳輸，沒有明顯的遠近效應問題,，多址干擾（MAI）問題也沒那么嚴重,；由于不依賴用戶反饋的CSI信息，在采用AMC和功率復用技術后,，應對各種多變的鏈路狀態(tài)更加自如,；同一子信道可以由多個用戶共享，跟4G相比,，在保證傳輸速度的同時,，提高了頻譜效率。

圖8 NOMA示意圖

3.4 多維度非正交多址

圖分多址（PDMA）是一種基于在多用戶間引入合理不等分集度提升容量的原理,，通過設計多用戶不等分集的PDMA圖樣矩陣,，實現(xiàn)時頻域、功率域和空域等多維度的非正交信號疊加傳輸,，獲得更高的多用戶復用和分集增益的非正交多址接入技術[10],。

PDMA可以在時頻資源以及空域資源進行有針對性的用戶圖樣設計，其技術框架包括在發(fā)送端和接收端都進行基于多用戶的整體優(yōu)化和聯(lián)合優(yōu)化設計,。發(fā)送端基于多個信號域（包括時域,、頻域、空域等）的非正交特征圖樣（Pattern）區(qū)分用戶,；接收端基于用戶圖樣的特征結構,，采用廣義串行干擾刪除（General SIC）方式實現(xiàn)準最優(yōu)的多用戶檢測接收。

PDMA關鍵技術包括發(fā)送端關鍵技術,，接收端關鍵技術,，多天線關鍵技術等。在發(fā)送端需要考慮的有：圖樣矩陣設計,、圖樣分配方案設計,、功率分配方案設計、鏈路自適應等,。在接收端需要考慮的有：高性能低復雜度的檢測算法,、基于導頻的激活檢測算法等。同時還要考慮與多天線結合的技術,。

圖9 PDMA實現(xiàn)方式示意圖

4. 總結

主流的5G多址接入候選技術,，都是在4G的時域和頻域基礎上，向碼域,、功率域和空間域其中的一個或幾個維度擴展,。同時在接收端采用更加復雜的多用戶聯(lián)合檢測或者串行干擾消除算法提高系統(tǒng)性能。

與以往不同的是,，5G不再以單一多址接入技術作為主要特征,，內涵將更加寬泛,。5G標準將會采用一組關鍵技術，如引入大規(guī)模天線陣列,、超密集組網,、新型多址和高頻段通信等新型無線技術，以及基于軟件定義網絡（SDN）和/或網絡功能虛擬化（NFV）技術的新型網絡架構,，從而推動5G在無線和網絡兩個層面出現(xiàn)重大技術創(chuàng)新,。

2016年，5G標準化工作正式啟動,，技術方案快速收斂,，試驗平臺加速開發(fā)，5G研究進入快車道,。值得高興的是,，中國廠商及研究機構在這些技術的研究和推廣中扮演了十分重要的角色，從3G時代的跟隨,，到4G時代齊頭并進，再到5G時代成功躋身引領者行列,。

5. 寫在最后

4月28日,，蘋果公司發(fā)布第二季財報后，市值在一天之內蒸發(fā)近500億美元,。業(yè)內人士普遍認為,，產品創(chuàng)新乏力是蘋果業(yè)績下滑的主要因素。無論曾經的成績多么輝煌,，獨領風騷之后,，就很難通過不斷進化來持續(xù)擴大市場，摩托羅拉如是,，諾基亞也如是,。通信行業(yè)在飛速發(fā)展20年后，逐漸進入平穩(wěn)期,。如何保持創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力,，居安思危，避免淪落到傳統(tǒng)紙質媒體或者廣播電視行業(yè)的尷尬處境,，是每個通信從業(yè)人員值得思考和關注的問題,。

6. Reference

[1]     Whiter paper, “5G Concept,5G Key Technology-Novel Multiple Access,” China IMT-2020 (5G) Promotion Group,Feb., 2015

[2]    Shuang Chen, Kewu Peng, Yushu Zhang and Jian Song, “NearCapacity LDPC coded MU-BICM-ID for 5G”, IWCMC'15, Aug. 2015

[3]     Yue Xiao, Shunshun Wang, etal., “OFDM With Interleaved Subcarrier-Index Modulation”, IEEE Comm. Letters,vol. 18, no. 8, Aug. 2014

[4]     Reza Hoshyar, Ferry P.Wathan, Rahim Tafazolli, “Novel Low-Density Signature Structure for SynchronousDS-CDMA Systems”, IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 56, No. 4, April2008

[5]     Hosein Nikopour and HadiBaligh, 'Sparse code multiple access,' in IEEE 24th PIMRC, 2013, pp.332-336.

[6]     M. Taherzadeh, H.Nikopour, A. Bayesteh and H. Baligh, 'SCMA codebook design,'Proceedings of IEEE VTC'Fall, Sep. 2014.

[7]     Hang Mu, Zheng Ma, et al.,“A Fixed Low Complexity Message Pass Algorithm Detector for Up-link SCMASystem”, IEEE Wireless Comm. Letters, Vol. 4, Aug. 2015.

[8]     Yiqun Wu, Shunqing Zhang, YanChen , “Iterative multiuser receiver in sparse code multiple access systems”,IEEE International Conference on Communications (ICC), 2015

[9]     Y. Saito, et al.,'Non-orthogonal multiple access (NOMA) for future radio access,'Proceedings of IEEE VTC-Spring, May, 2013.

[10]  JieZeng, Bing Li, Xin Su, Liping Rong, Rongrong Xing, “Pattern division multipleaccess (PDMA) for cellular future radio access”, IEEE Wireless Communications& Signal Processing (WCSP), 2015