5G多址接入技术的3GPP讨论内容

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5G系统所采用的多址接入技术是么呢?3GPP又是如何明确这些结论的?本文借助3GPP相关讨论文档,梳理R14阶段多址方式的来龙去脉,以作参考。
 
1. 3GPP中5G多址方式的结论
 
R14 SI阶段的一些结论可参见TR38.802。由于2017/3举行的RAN#75标志着SI工作的结束,因此SI的最终结论包含在2017/3及之后的版本中。3GPP TR 38.802 V14.0.0 (2017-03)中信息如下。
 
-    下行:
 
至少对于eMBB的下行来说,至少要支持同步/基于调度的正交多址接入方式。
 
(Synchronous/scheduling-based orthogonal multiple access is at least supported for DL transmissions, at least targeting for eMBB)。
 
-    上行:
 
至少对于eMBB的上行来说,至少要支持同步/基于调度的正交多址接入方式。同步意味着采用定时同步机制来保证UE间的定时偏移量落在循环前缀的范围内。
 
至少对于mMTC,除了正交多址之外,NR至少还把支持上行非正交多址接入作为目标。
 
(Synchronous/scheduling-based orthogonal multiple access is at least supported for UL transmissions, at least targeting for eMBB. Note that synchronous means that timing offset between UEs is within cyclic prefix by e.g. timing alignment. NR targets to support UL non-orthogonal multiple access, in addition to the orthogonal approach, targeting at least for mMTC.)
 
 
2. 多址方式分类方法
 
 
从信息理论的角度看,无线信道是一个多址接入信道,多个不同的收发信机共享信道上的时/频/空间资源来进行数据收发。根据多址接入方式的不同,可区分正交多址和非正交多址。
 
   -    非正交多址:每个用户的信号有可能与其他用户的信号相关干扰的情况下。
 
   -   正交多址:用户间也不存在干扰的情况下。
 
上行方向上,根据用户信号是否需要与基站接收机严格同步,还可以区分为同步多址和异步多址。
 
简单说来,多址接入技术通常分为2大类,即正交多址接入(Orthogonal multiple access,OMA)和非正交多址接入(Non-orthogonal multiple access,NOMA)。
 
不同的多址方式可以互相组合使用,以便利用各自的特点和优势。
 
2.1  正交多址接入(Orthogonal multiple access,OMA)
 
正交多址主要包含以下几类:
 
-  时分多址:Time Division Multiple Access (TDMA),
 
-   频分多址:Frequency Division Multiple Access (FDMA),包括OFDMA。
 
-  码分多址:Code Division Multiple Access (CDMA)。
 
-   空分多址:Spatial Division Multiple Access (SDMA),不过实际上系统有时候难以达到严格正交。
 
时分多址(TDMA)方式下,用户分配不同的时域资源,每个时间段内只能调度一个用户。其主要特性就是能够利用信道的时间分集特性,但是无法利用空间和频率分集,下行容量有限,上行功率有限,小区边缘处功率限制更为明显,因为只能在特定的时间内发送数据包,所以链路预算受UE功率影响较大。因此,TDMA需要与其他机制相结合才更利于系统性能。
 
频分多址(FDMA)方式下,频率资源被分为多个子带(载波、RB、子载波等),用户采用不同的频率资源进行传送,其局限是,如果子带太大,则难以获得频率分集效果,且可能存在频率选择性(多径信道),需要均衡器和先进接收机来提高频谱效率,还需要依靠脉冲整形滤波器和保护带来区分载波,从而增加了系统开销。
 
码分多址下,每个用户被分配不同的伪随机二进制序列,用以进行载波调制和波形扩展,从而每个用户都具有单一的码格式。
 
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LTE系统中,采用的OFDMA(正交FDMA)多址方式相当于TDMA和FDMA的组合,但同时它对FDMA机制进行了改进。OFDMA中,在基带信号中添加循环前缀并应用IFFT,将频率选择性信道转换为多径正交平坦衰落信道,从而更适于与SCMA(MIMO)相结合,同时还能够完全利用频率分集,降低子载波间的保护带,从而获得更大的系统性能增益。
 
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空分多址方式(SDMA)下,MIMO系统中的每个用户被分配不同的空间信息(signature),以获取分集和复用增益。SNR好的情况下,自由度对提高频谱效率很重要。采用合适的预编码设计,SDMA可以创建多个正交(或接近正交)的空间子信道以增加自由度。每个空间子信道可以工作在较低SNR条件下,从而显著提高系统容量。SNR较低时,采用合理的波束赋形,SDMA可以提高接收SNR(阵列增益)并降低其方差(分集增益),从而提高小区边缘的覆盖。此外,最重要的是,MU-MIMO下采用SDMA可以提高系统性能。MIMO信道的自由度受基站和终端侧最小天线数的限制,而对多个用户进行配对,并对空间信息(siganature)仔细设计,系统性能将只受基站侧最大天线数的限制,从而会大幅提高。
 
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2.2   非正交多址接入(Non-orthogonal multiple access,NOMA)
 
非正交多址接入(Non-orthogonal multiple access,NOMA)种类繁多。下面针对RAN1会议讨论中出现的一些类型进项简单分析。
 
 
3. RAN1#84b会议中的NoMA类型
 
 
RAN1#84b会议中,中兴和高通公司的提案R1-163695:WF on multiple access for NR)中进行了归纳,大致包含(但不限于)以下类型:
 
- 多用户共享接入:Multi-user shared access (MUSA),仅用于上行),(e.g., R1-162226)
 
- 资源扩展多址接入:Resource spread multiple access (RSMA),(e.g., R1-163510)
 
- 稀疏编码多址接入:Sparse code multiple access(SCMA) (e.g,R1-162153)
 
- 图样分割多址接入:Pattern defined multiple access (PDMA),(e.g., R1-163383)
 
- 非正交码分多址接入:Non-orthogonal coded multiple access (NCMA),(e.g., R1-162517)
 
- 低码率扩展:Low code rate spreading,(e.g., R1-162385)
 
- 频域扩展:Frequency domain spreading,(e.g., R1-162385)
 
- 非正交多址接入:Non-orthogonal multiple access (NOMA) (e.g., R1-163111)
 
针对以上类型,根据提案提炼关键信息如下。
 
3.1   多用户共享接入:MUSA (e.g., R1-162226)
 
R1-162226:Discussion on multiple access for new radio interface,ZTE
 
mMTC场景下,上行存在数百万人机连接,因此,上行需要考虑数据包小且离散的特点,还要求成本低、功耗小。LTE中为了提高频谱效率,采用了严格的调度和控制过程,如用户的上行传送在正交的无线资源上进行独立调度,而mMTC中,数据包短且连接数多,因此调度和控制方面的开销应当尽量降低,以免耗电并增加设备复杂度和成本。同时,mMTC对频谱效率的需求也没那么严格。
 
MUSA是一种码域的非正交多址接入技术。从概念上讲,每个用户的调制后的数据符号采用特殊设计的序列进行扩展,这比采用传统的DS-CDMA序列更易于采用后续的干扰删除等手段。之后,每个用户的扩展符号采用共享接入技术,同时采用相同的无线资源进行传送,这本质上是一个superposition过程。最后,可以在基站侧采用SIC技术从叠加信道中对每个用户的数据进行解码。
 
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MUSA中,特殊设计的分布序列用于确定多个用户和系统间的干扰,需要具有相关性低且非二进制的特点,其设计非常重要。另外,还需要考虑SIC实现的复杂度。因此,短的伪随机序列是一个选择。
 
MUSA也可用于下行,它与上行不同,是一种功率域的多址接入技术,用于提高衷心拥护和边缘用户的容量。
 
3.2    资源扩展多址接入:Resource spread multiple access (RSMA) (如R1-163510)
 
RSMA接入模式下,不管用户的数目多还是少,所有用户都使用相同的频率和时间资源,实现到基站的传送。也就是说,每个用户的发射功率可以在所用可用的时/频资源上扩展。
 
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R1-163510:Candidate NR multiple access schemes中,Qualcomm指出,RSMA将低速率信道码和具有较好相关特性的扰码(scrambling code)混合使用(可选采用不同的交织器)。
 
不同的类型适用于不同的场景,示例如下:
 
-        单载波RSMA:单载波波形利于降低耗电并扩展覆盖,PAPR业极底。支持免调度传输和可能的异步接入。
 
-        多载波RSMA:更利于低时延接入和免调度传输。
 
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mMTC业务中,图中D这一步需要实现接入和上行定时调整等功能,如果采用非正交的RSMA,设备无需等待网络设定时频资源,多个用户的信号虽然互相重叠且异步传送,但是在基站侧仍然能够被检测出来。采用不同的扰码甚至不同的交织器来区分不同用户间的信号,并限定基站侧接入时隙的数目,可以满足小包传送的需求,并降低搜索复杂度。另外,RSMA下带宽相对较大,易于实现频率分集,提高系统容量。
 
5G系统中的多址接入方式建议:
 
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3.3       稀疏编码多址接入:Sparse code multiple access (SCMA) (e.g,R1-162153)
 
R1-162153:Overview of non-orthogonal multiple access for 5G,Huawei, HiSilicon
 
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OFDM波形基础上的通用NoMA平台如图所示。一般来讲,NoMA可以在功率域引入,也可以在码域和功率域混合引入。
 
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对于功率域的NoMA,每个复用的数据层设定一个功率比率,然后直接叠加在每个RE上,因此符号与每个RE的冲突模式(collision pattern)都相同,等于叠加在一起的数据层的数目。MUST就是仅依靠功率域的多址接入的一个实例。
 
功率域的NoMA的特点是简单,但是对功率不均衡性的严重依赖,也可能限制了调度方面的灵活性。另外,上行用户间功率不平衡性确实存在,但是这种方式仍然难以抵挡干扰的不确定性。
 
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码域非正交多址方式下,每个复用的数据层被设定一个非正交码,通常为时域或频域扩展码。符号冲突模式(collision pattern)取决于码的设计。采用混合的码域和功率域多址接入方式,每个复用的数据层同时设定一个扩展码和一个功率比率。这是的符号冲突模式保持在码域,而功率比例则进一步利用功率分配来保证更好的性能(主要用于下行)。
 
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ZTE的R1-162226中对SCMA的描述如下:
 
SCMA的发射端采用扩展处理,接收端采用MAP(maximum a posteriori probability)处理。它使用低密度或者稀疏的非零序列来降低接收侧MAP处理的复杂度。
 
SCMA中,比特流直接映射到不同的稀疏的码字上,每个用户使用1个码字。图中总共6个用户。同一个码本中的所有码字在2个维度上都包含0,不同码本中的0的位置是独特的,以便实现2个用户间的碰撞避免。对于每个用户,2比特映射到一个complex码字中。所有用户的码字在4个正交资源上复用。
 
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Qualcomm在R1-163510中提到,对于SCMA来说,还有复杂度和实用性方面的顾虑。比如,(1)即使MPA(Message Passing Algorithm)解码器是一种快速的迭代MAP解码器,但是相对于线形接收机来说,它还是太复杂了。(2)SCMA的性能取决于签名序列中非零entry所使用的调制方式,因此码设计较为复杂。(3)由于MPA接收机具有较高的非线性,因此rate预测和自适应也会比较复杂。
 
3.4    图样分割多址接入:Pattern defined multiple access (PDMA),(e.g., R1-163383)
 
Fujitsu在R1-162334中提到,对于PDMA,不同用户采用不同(unequal)分集的pattern,占用不同的资源长度(如图c所示)。Pattern可以采用多个维度进行定义,包括时间、频率和空间等。多用户检测可以基于通用的SIC。
 
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NTT Docomo在R1-163111中 提到,PDMA依靠独特设计的多用户分集模式(pattern)来识别功率域、时域、频域、空域和码域的非正交传输。发送侧用户设定不同的非正交pattern(包括功率域、时域、频域、空域和码域),接收侧采用通用SIC进行次优(sub-optimal)多用户检测,以根部用户的不同pattern来对重叠的用户信息进行区分。PDMA试图在多个维度上联合利用并优化信号的superposition,以便获取更优性能。但是它也面临很多挑战,如如何对多个域上的pattern进行设计、性能和接收机复杂度的均衡、某些pattern会导致PAPR增高等。
 
CATT的R1-163383论述如下:
 
SIC接收机中,如果一个包产生错误,则后续包也会产生错误,这可以称为误差传播问题。另外,解包过程中信号重构过程也依靠信道关机的准确性。为此,可以考虑对已经完成解码用户的可靠性进行增强,或采用先进的接收检测算法,如最大似然(ML)或最大后验概率(MAP)等,但这使得检测复杂度增加,可能难以实施。采用稀疏编码(sparse coding)可以显著降低检测复杂度(……referring to low density parity check (LDPC) coding),亦即数据仅映射到资源组的一小部分资源上去。
 
基于正交OFDM波形或者其他扩展的非正交波形,提出一种基于码的新型NOMA机制。采用码进行数据到一组资源的稀疏映射,码可以采用二进制矩阵来表示。矩阵维度等于组内资源的数目,矩阵中每个元素对应组内的一个资源,“1”表示数据将映射到相应的资源上去,实际上,码中“1”的数目由其传输分集order来定义。码矩阵有共享同一个资源组的所有码来构建。
 
假设6个用户在4个RE上进行复用,下图为1个码矩阵及对应的资源映射的例子。用户1的数据映射到组内所有资源上,用户2的数据映射到前3个资源上,相应地,6个用户传送分集的order是4、3、2、2、1和1。
 
 
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3.5    其它
 
非正交码分多址接入:Non-orthogonal coded multiple access(NCMA),(e.g., R1-162517)、低码率扩展:Low coderate spreading (e.g., R1-162385),频域扩展:Frequency domain spreading,(e.g., R1-162385),非正交多址接入:Non-orthogonal multiple access (NOMA) (e.g., R1-163111),后续学习研究。
 
参考资料:
 
 
【原创连载】5G关键技术(1月11日277#更新),http://www.txrjy.com/thread-920549-1-1.html
 
5G: 关键技术介绍,https://blog.csdn.net/qq_34624951/article/details/78649270
 
非正交多址接入的关键技术研究,http://www.zte.com.cn/cndata/magazine/zte_communications/2017/3/articles/201706/P020170616597571893401.pdf
 
多址接入技术 FDMA TDMA CDMANOMA,  https://blog.csdn.net/jxwxg/article/details/53366657
 
R1-163510, Candidate NRMultiple Access Schemes, Qualcomm, RAN1 #84b
 
OFDMA. https://www.gta.ufrj.br/ensino/eel879/trabalhos_vf_2014_2/rafaelreis/ofdma_scfdma.html
 
CDMA Basics, https://dolcera.com/wiki/index.php/CDMA_Basics
 
RAN1 #84b会议文档 http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSGR1_84b/
 
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