5G非正交多址接入NOMA
现在大家都知道5G包括eMBB（enhanced Mobile Broadband）、mMTC（massive Machine Type Communications）、URLLC（Ultra-Reliable and Low Latency Communications），而且ToB业务已经逐渐扩大。
这些业务为无线多址（MA：multiple access）完全可扩展以支持这些不同的服务需求提出了新的挑战和考虑。5G无线接入技术是基于OFDM的波形，具有潜在的非正交波形和多址支持。
5G空口旨在提供更高的传输速率、更快的接入速度、更大的用户密度以及更好的用户体验，以增强eMBB服务。同时，它连接到新的垂直行业和新设备，通过分别支持大量设备和实现具有超高可靠性和超低时延要求的任务关键型传输，创建了新的应用场景，如mMTC和URLLC服务。
MA是整个物理层链中实现这一目标的关键元素。具体而言，MA在各自使用场景中的预期功能进一步阐述如下：
eMBB
网络容量大：放宽LTE的正交性要求，通过非正交资源使用实现上下行的多用户容量。
高用户密度：减少多用户干扰，从而可以支持更大的用户密度和更高的流量负载，并达到接近单用户链路的质量。
统一用户体验：为小区中心和小区边缘用户，甚至高移动性用户提供统一的用户体验。
Easy MU-MIMO和CoMP：放宽对发射机精确CSI的要求，使多路复用和基站协作更容易，对信道和干扰不确定性等网络损伤更鲁棒。
混合流量类型传输：实现混合流量类型的高效传输和良好平衡的性能，例如，在与低时延小数据包传输交互的同时，为大而恒定的视频数据包提供服务。
mMTC
大规模连接：抗多用户干扰，支持大量连接。
高效的小数据包传输：实现功率和带宽高效、低开销的大规模小数据包的传输，无论是免授权的还是调度的。
URLLC
超低时延传输：在短TTI设计的基础上，低时延允许免授权传输。
超高可靠性传输：在用户相关性和码本冲突频繁发生的无授权传输中，可抵抗用户间干扰。
表1总结了5G MA的预期功能。
直到Release 13，采用正交MA（OMA）。尽管基于OMA开发了许多功能，以提高eMBB场景中的系统容量和用户体验，并增加mMTC服务的连接数量和覆盖范围[例如，引入Rel-12 NAICS功能是为了提供UPT（User perceived throughput）通过使用不同类型的接收机进行PDSCH干扰抵消，增益约为5%-20%；Rel-13 eMTC和NB-IoT设计用于使用窄带宽在可能数千毫秒内为多个UE传输小数据。]，由于其正交设计，满足上述要求仍有以下局限性。
单用户容量的限制：每个正交信道（时间、频率、子空间、序列等）的单用户容量已经接近香农极限（剩余距离来自QAM约束和有限的信道编码长度）。
有限的同时传输用户数：连接数严格受OMA中正交信道数的限制。
无授权传输不可靠：至少对于零星的小数据包，可以省略调度授权的握手过程，以减少控制开销和传输时延。在这种无授权传输模式中，由于OMA中不允许符号冲突，如果无授权传输的潜在用户数量高或流量到达率高，传输可靠性将很差，这将进一步触发大时延（重传和退避所花费的时间）来解决冲突。
MU-MIMO和CoMP严重依赖CSI：在实际网络设置下，闭环MU-MIMO和CoMP无法从理论分析中获得预期增益。这背后的主要原因是它们严重依赖于闭环预编码的精确CSI。然而，当发生诸如信道老化、反馈延迟或某些突发小区间干扰等网络损伤时（这是实际网络中常见的情况），精确的CSI是不可行的，并且这种闭环MU-MIMO或CoMP的性能也会相应降低。
为了超过OMA的限制，非正交MA被认为是一种允许正交信道中符号冲突的MA技术。它可以在MU-MIMO的正交子空间中支持进一步的信号叠加。通过正确利用非正交性，即使使用MU-MIMO，非正交MA也有可能比OMA提供以下固有优势。
实现多用户容量：为了进一步提高系统容量，但不引入额外资源（频谱或天线），需要非正交MA。通过星座、符号冲突模式和联合多用户接收机的适当设计，可以实现多用户容量，比任何单个用户容量都有更大的增益。
支持过载传输：非正交MA可以通过引入可承受的符号冲突来非常有利于扩大连接数，这样无论正交信道数多少，连接总数都会增加。在这种情况下，系统会过载，这意味着支持的用户数量远大于目标吞吐量的正交通道数量。同样，收发器设计对于缓解用户间干扰以获得良好的链路质量非常重要。
实现可靠、低延迟的无授权传输：与OMA相比，非正交MA具有对符号冲突的鲁棒性，可以在半静态传输中支持高过载传输，在无授权传输中支持低得多的丢包率。有鉴于此，重传的概率要低得多，并且由于碰撞造成的时延可以大大减少。此外，非正交MA可以与扩频码一起设计，以获得抗信道突然衰落的时间/频率分集保护，在此基础上，可以联合优化扩频块内的符号星座，为高可靠性通信提供额外的信号空间分集。
启用开环MU复用和CoMP：非正交MA支持开环用户复用。多个用户（例如，小区中心用户和小区边缘用户）可以成对在同一正交信道上一起传输，以改善接入中的延迟和公平性。这种开环用户复用不依赖于精确的CSI，因此它可以对信道老化和用户移动性等网络损伤更为稳健。这种方案也可以跨基站引入，用于联合传输，即开环CoMP传输。它可以提供无边无际的用户体验，并满足5G网络设计的以用户为中心的概念。协作基站不需要从目标UE收集精确的CSI到每个协作基站进行联合预编码，而是使用非正交MA，每个协作基站都可以选择一个非正交码，并在不与用户或其伙伴交换CSI信息的情况下联合传输，从而使协作更容易、更健壮地应对信道老化和用户移动性等网络损伤。
支持灵活的业务复用：在5G基站中，不同的业务数据可能同时需要传输资源，即使在eMBB场景中，也会同时存在不同类型的业务请求传输。为了有效地传输动态混合流量，在OMA中，传统的做法是使用动态调度来更改资源分配，这会消耗额外的信令开销，并且速度可能不够快，无法满足某些服务的时延要求；而在非正交MA中，由于叠加的性质，低时延的小数据包可以叠加在大数据包之上进行联合传输，从而提高时延并减少开销。
表2总结了OMA在满足5G MA功能方面的局限性以及上面讨论的非正交MA的潜在优势。
5G中考虑的潜在非正交MA将基于OFDM波形，其一般框架可由图1描述。一般来说，非正交特性可以仅在功率域中引入，也可以在混合码和功率域中引进。
沿着这个框架，将讨论每个类别的特性，以及它们是否能够满足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，每个复用数据层都分配了一个功率比，然后直接叠加到每个资源元素（RE）上，因此符号冲突模式与每个RE相同，并且等于叠加在一起的数据层的数量，如下表3所示。
MUST（Downlink Multiuser Superposition Transmission）是仅功率域非正交MA的一个示例。它主要针对下行系统吞吐量增强和小区边缘性能改进[MUST方案可分为三类（TR 36.859有介绍）。在MUST Category 1中，两个或多个共同调度UE的编码位独立映射到组件星座符号，但复合星座没有灰度映射。在MUST Category 2中，两个或多个共同调度UE的编码位被联合映射到组件星座，然后复合星座具有灰度映射。在MUST Category 3中，两个或多个共同调度UE的编码位直接映射到复合星座的符号上（在位到符号映射期间隐式进行功率域叠加）。由于用户编码位之间需要联合映射，MUST类别2和3只能用于DL。因此，当谈到UL时，指的是MUST Category 1。
这种具有自适应功率分配的叠加传输的一个好特点是简单。对于要叠加在MUST中的两个数据层，除了联合调制，发射机侧的物理层程序几乎没有大的变化。在接收机端，应用了多用户检测器，如符号级IC、码字级IC（CWIC）或ML。
然而，同样由于这种简单性，除了功率差之外，没有其他方法来区分不同数据层的数据符号。这种对叠加符号之间功率不平衡的严重依赖可能会限制调度的灵活性，即它限制了可以配对的用户数量，并限制了配对用户应具有的SNR间隙。当两个以上用户的信号叠加时，很难保持任何两个用户之间的信噪比差距足够大，也很难确定信号每层的最佳功率不平衡值。在这种情况下，如果不进行任何码域扩展，CWIC和ML都不可能具有良好的检测性能。
此外，这种叠加方法不能提供足够的保护，特别是对于小数据包传输，这被认为是mMTC等场景中的典型流量类型。如果在分配的RB上发生深度衰落，则两个信号的传输都可能失败。在这种情况下，如果使用快速调度来跟踪每个RB粒度的信道，则开销太大，无法承受。相反，另一种方法是考虑代码域扩展，以增加传输此类小数据包的多样性，并将调度开销限制在合理的水平。类似的保护对于小区边缘用户也很有用，因为如果没有代码域保护，小区间干扰的不确定性很容易使小区边缘用户的传输失败。因此，码域扩频是一种有效的方法，可以在功率域叠加的基础上提高对信道和干扰不确定性的鲁棒性。
对于UL来说，尽管信道随机性可以在用户之间功率不平衡的基础上提供额外的区分，但功率域非正交MA即使使用全ML接收机也仍然面临着信道和干扰不确定性的问题。如果采用无授权传输，并且每个RE上的符号冲突模式一直在变化，因此不可预见，则问题会更加严重。在这种情况下，防止码域扩散的分集保护对于实现和保持良好性能至关重要。
混合码和功率域非正交MA
在码域非正交MA中，每个复用数据层都分配了一个非正交码，这通常是频率或时间上的扩频码，符号冲突模式取决于代码设计，如表4所示。在混合码和功率域非正交MA中，每个多路复用数据层同时分配了扩频码和功率比。扩频码保持在码域中定义的符号冲突模式，而功率比进一步调整功率分配以获得更好的总体性能（主要是DL所需的）。
码域非正交MA的基本特征是扩频。不同的扩频码设计会导致不同的符号冲突模式和不同的多用户接收机。
一种方法是直接将OFDM与非正交扩频码结合。在这种情况下，系统可以支持重载（即支持的数据层的数量大于正交通道的数量）。虽然这种非正交设计的符号冲突模式在每个RE上仍然是完全冲突的，但接收器可以利用扩频码中的良好结构（例如，低相关性）来解码，从而提高性能和合理的复杂度。
当过载因子变得非常高时，越来越多的序列之间很难保持低相关性，检测性能可能会降低。类似的情况也可能发生在免授权传输中。特别是，每个用户随机选择序列可能会导致序列冲突，这也会破坏原有的低相关结构，导致性能损失。在这两种情况下，必须应用ML型检测器来保证稳健的检测性能，从而提高接收机复杂度。因此，可以将符号冲突保持在中等水平的解决方案更为有利。
在这种情况下，最好在非正交扩频码设计中考虑稀疏性（有意将“0”放在扩频码中，并保持非零音调的数量低），以将符号冲突保持在中等水平，从而使层间干扰更小，接收机复杂度也合理。在这种情况下，可以在系统中使用低复杂度消息传递算法（MPA：message passing algorithm），以适应更高的过载，同时仍然以合理的复杂度接近ML检测性能。
一般来说，扩频码设计具有不同程度的稀疏性，有可能为提高频谱效率提供编码增益。然而，扩展tone上QAM符号的线性重复不能利用这种潜力。在这种情况下，提出了作为码域非正交设计的一部分的高级调制方案，以进一步改善星座约束的多用户容量区域。
