通信原理学习笔记（3）多址技术

下一代多址技术（NGMA）

在6G以及更远的未来，由于无线设备数量的爆炸性增长和各种无线服务的爆炸性增长，如虚拟/增强现实和一切互联网，下一代无线网络面临着异构的挑战、大量的连接、超高的带宽效率和超低的延迟要求[8]。为了解决这些挑战，预计将开发先进的多址方案，即下一代多址接入技术（Next Generation Multiple Access，NGMA），它能够比现有的多址方案以更效率的方式支持大量用户。

由于目前对NGMA的研究还处于非常早期的阶段，在本文中，主要探索NGMA的演化，特别关注非正交多址（NOMA），即从NOMA到NGMA的过渡。下面是关于NGMA设计的新考虑事项。

        1.大规模接入（Massive Access）

现有的关于多址访问方案的信息理论结果主要集中在寻找无限编码块长度和固定用户数量的容量限制，为此，[9]的作者提出了多接入信道（MnAC）的概念，用于建模一个具有单个接收机和多个发射机的信道，其数量随着块长度的增加而无限制地增长。

        2.短包传输（Short-packet Transmission）

除了大规模接入之外，NGMA需要考虑的另一个新特性是物联网应用中的短包传输，由于低延迟要求，编码块长度需是有限的和短的。对于这种情况，[10]的作者推导出了给定块长度和错误概率的最大信道编码率。特别是，与无限编码块长度的情况相比，速率差距被量化。

如何将这一结果扩展到用户数量有限且有限且编码块长度有限的区域仍然是一个有待解决的问题。NGMA的趋势是从正交性过渡到非正交性，即，允许多个用户/设备共享相同的资源，而不是将它们分配给专用的正交资源。这一趋势背后的原因可以解释如下。一方面，正交传输方案与非正交传输方案相比是严格次优的。另一方面，鉴于下一代无线网络中用户/设备数量的爆炸式增长，对于给定的可用正交资源，正交传输方案只能支持有限数量的用户/设备。

下面介绍了一些可能的NGMA候选技术及其技术基础。

        1.PD-NOMA和CD-NOMA

PD-NOMA和CD-NOMA是5G中核心的多址接入技术[11]，PD-NOMA，通过功率大小来区分用户，CD-NOMA使用不同的编码，在接收端使用消息传递算法（MPA）来解码以区分用户，具体的技术细节在2.6节中提到。这两种接入技术在6G中可能依旧被继续沿用。

        2.空分多址（SDMA）

随着多天线技术的快速发展，MIMO通信在当前的5G标准和即将到来的未来无线网络中发挥着重要作用。SDMA实现的核心技术是智能天线的应用，理想情况下它要求天线给每个用户分配一个点波束；这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号，换句话说，处于不同位置的用户可以在同一时间使用同一频率和同一码型而不会相互干扰。

图10  SDMA为每个用户建立空间信道

实际上，SDMA通常都不是独立使用的，而是与其他多址方式如FDMA、TDMA和CDMA等结合使用，也就是说对于处于同一波束内的不同用户再用这些多址方式加以区分。

        3.速率分割多址接入（RSMA）

RSMA，即速率分割多址接入，是近年来提出的用于多用户多天线通信的一种新的非正交多天线传输方案。依靠速率分割技术，发射器将每个用户的部分消息（即私有消息）分割成一个公共消息，面向所有服务用户。其余的私有消息和构造的公共消息通过波束形成器传输，如SDMA。接收器在解码公共消息时，将所有用户的私有消息视为干扰，并从接收到的信号（即SIC）中减去公共消息。随后，对预期的私有消息进行解码并与解码的公共消息的部分组合[12]。

图11  RSMA系统模型

RSMA不需要在同一时频资源上同时传输多个用户的信号，而是利用基站、用户设备或中继设备之间的协作，通过多路传输实现数据的发送和接收。由于这种方式避免了多个用户同时竞争同一个资源的情况，因此可以提高系统中的容量和可靠性。

图12  多天线技术

鉴于上述可能的候选技术，本文重点关注利用NOMA来开发NGMA，其主要原因可概括如下。一方面，过载的情况是下一代无线网络的一个重要用例，而NOMA是一个很有前途的候选方案。另一方面，现有的研究贡献表明，NOMA提供了更高程度的兼容性和灵活性。这使得NOMA能够与下一代网络的其他组件进行协同集成，如多天线技术、智能反射面技术，基于NOMA的无人机辅助通信等，都是NOMA在未来可以使用到的场景。

图13  智能反射面技术

图14  基于NOMA的无人机辅助通信

文献[8]的作者也提出了未来6G所可能采用的下行方向上基于多天线和NOMA的NGMA框架。并且基于图15的信号模型，通过结合多天线和NOMA技术的优点提供了增强的自由度，同时也给出了一些NGMA框架的一些特殊情况，如SDMA，基于波束形成器的NOMA，基于集群的NOMA，以进一步证明其提供灵活传输方案的能力。

图15  下行方向上基于多天线和NOMA的NGMA框架

总结

多址接入技术，就是在一个通信网络中，在数据链路层解决多个用户如何高效共享物理链路资源的协议。我认为多址技术就是在通信网中容纳更多用户，并且把这些用户一一区分开来的技术。从1G开始从频域上区分，2G的时域上区分，再到3G上利用不同的编码来区分，再从4G中由正交的多载波来携带信息，5G从正交到非正交传输演进，以及未来可能产生的多址技术，其目的都是为了在有限的频谱资源上面，装载更多的用户信息，提高用户连接数和传输速率。

参考文献

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10. Y. Polyanskiy, H. V. Poor, and S. Verdu, “Channel coding rate in the fifinite blocklength regime,” IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 56, no. 5, pp. 2307–2359, May 2010.
11. Dai L, Wang B, Yuan Y, et al. Non-orthogonal multiple access for 5G: solutions, challenges, opportunities, and future research trends[J]. IEEE Communications Magazine, 2015, 53(9): 74-81.
12. 鲍慧,崔林林.速率分割多址系统中速率公平性最大化研究[J].通信技术,2022,55(11):1444-1448.