新型多址专题组技术报告.pdf

IMT-2020(5G)推进组 新型 多址 专题组技术报告 技术报告 Technical Report 版权声明 Copyright Notification 本 文档 由 IMT-2020（ 5G） 推进组 新 型多址 专题组 成员 单位 起草 未经书面许可 禁止打印、复制及通过任何媒体传播 2015 IMT-2020推进组 版权所有 目 录 第一章 引言 . 4 第二章 需求与挑战 . 5 第三章 新型多址技术方案 . 7 3.1 稀疏编码多址接入（ SCMA） . 7 3.1.1 应用场景 . 7 3.1.2 技术原理 . 8 3.1.3 关键技术 . 11 3.1.4 仿真评估 . 29 3.2 图样分割多址接入（ PDMA） . 34 3.2.1 应用场景 . 34 3.2.2 技术原理 . 35 3.2.3 关键技术 . 38 3.2.4 仿真评估 . 49 3.3 多用户共享接入（ MUSA） . 56 3.3.1 应用场景 . 56 3.3.2 技术原理 . 57 3.3.3 关键技术 . 60 3.3.4 仿真评估 . 66 3.4 比特分割复用（ BDM） . 77 3.4.1 应用场景 . 77 3.4.2 技术原理 . 77 3.4.3 关键技术 . 80 3.5 迭代多用户检测的比特交织编码调制（ MU-BICMID） . 80 3.5.1 应用场景 . 80 3.5.2 技术原理 . 80 3.6 资源扩展多址接入（ RSMA） . 85 3.6.1 应用场景 . 85 3.6.2 技术原理 . 87 3.6.3 关键技术 . 89 3.7 非正交多址（ NOMA） . 94 3.7.1 应用场景 . 95 3.7.2 技术原理 . 95 3.7.3 关键技术 . 96 3.8 低码率扩展（ LCRS） . 100 3.8.1 应用场景 . 100 3.8.2 技术原理 . 100 3.8.3 关键技术 . 101 3.8.4 仿真评估 . 103 第一章 引言 回顾移 动 通 信的发展历程， 从第 一代移动 通 信 （ 1G）到第四 代 移动通信（ 4G） ，多 址 接 入 技 术一直是移 动通 信系统 演进 的标志， 以 LTE 为代 表的 4G 系统 采用OFDMA 作 为多址接入 方 式， 它 基于 正 交发送和线 性 接收 的 基本思想设计， 在 保证系统性能的前提下，系统设计更加简单， 易 于实现。 但 是，随着 移 动互联网业务和物联网业务应用的 飞 速发展， 面向 2020 年 及未来，移动互联网和移动物联网将 成为未来移动通信发 展 的主要驱动力， 未 来 的 5G 系统 对 用户 体验速率 、系统 容量 、 连接数 以 及时延 指 标都提出了很高要求， 对 现有的以 OFDMA 为 代表的正交多址技术方案形成了严峻挑战。 以叠加 传输为特征的 非 正交多址技术 相 比于 传统 的正交多址，可有效满足 5G典型 场景的 性 能指标要求， 频 谱效率 、 连接数密度以及时延 是 5G 关键的 性 能 指标 。采 用 非 正 交多址， 通 过 多 用户信息的叠加传输，在 相 同的时频资源上可以支持更多的用户连接，可以有 效 满足 物 联网 海 量设备连接能 力 指标要求 ；此外 ， 采 用非正 交多址， 可 实现免调度传输，相比于正交传输可有效 简 化信令流程，大幅度降低空口传输时延， 有 助于实现 1ms 的 空口 传 输 时 延指标 ；最 后，非正交多址技术还可以利用 多 维调制以及码域扩展以获得更高的频 谱 效率 。 因此，通 过 引入非正交多址技术，可以获得更高的系统容量， 更 低的时延，支持更多的用户连接 。 第二章 需求 与挑战 面 向 2020 年 及未来，移动互联网和 物联网 业务 将 成为移动 通信发展的主要驱动力。 相 比于 以 往传 统 的 移 动通信场景， 5G 将 解决多 样化应用场景 下 差异 化 性 能指标带来的挑战， 不 同应用场景 面临 的 性 能挑战有所不同 ，用户 体验速率、流量密度、时延 、能效和 连接数都 可 能成为不同场景的 挑战 性指标 。从 移动互联网和物联网主要应用 场景 、 业务需求 及 挑战 出发，可 将 5G 典型 场景划分为 连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个 5G 主 要 技术 场景 。 （ 1） 连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足 2020 年 及未来的 移动互联网业务需求，也是传统的 4G 典型技术场景。 连续广域覆盖场景是移动通信最基本的覆 盖方式，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验。该场景的主要挑战在于随时随地（包括小区边缘、高速移动等恶劣环境）为用户提供 100Mbps以上的用户体验速率。 热 点高容量场景 主 要面向局部热点区 域， 为用户提供极高的 数 据 传 输速率，满足网络极高的流量密度需求。 1Gbps用户体验速率 、数十 Gbps峰值速率 和数十 Tbps/平方公 里 的流 量密度需求 是 该场景面临的主要挑战 。 （ 2） 低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网 业务，是 5G 新 的拓展场景 ， 重点解决 传统移动通信 无 法 很好支持 的物联网及 垂直 行 业应用。 低 功耗大连接场景主要面向 智慧 城市、环境监测、 智能 农业 、 森林防火等以传感和 数据 采集 为目标 的应用场景，具有小数据包、 低功耗 、海量连接等特点 。这 类 终端 分布范围广、数量众多， 不 仅要求网络具备 超 千亿连接 的 支持能 力， 满足 百万 /平方公里连接 数 密 度指标要求，而且 还要保证 终端 的超 低功耗和 超 低成本 。 低 时延高可靠场景 主 要面向车联网、工业 控制 等 垂直 行业 的 特殊应用需求，这类应用对 时延 和 可靠性具有极高的 指 标要求， 需 要为用户 提供毫秒 级的端到端时延和接近 100%的 业务可靠性 保证 。 为 满足 连续 广域覆盖 和热 点高容量场景 在 用户 体 验速 率 和 容量方面 的 指标要求， 5G 系统在 争取更多频谱资源的基础 上 ， 需 要大幅度提升系统频谱 效率 ，根据ITU 对 5G 关键 能力指标的要求，频谱效率 相 对于 LTE-Advanced 应 当提升 3-5 倍 ；对 于 低 功耗大连接场景， 百万 /平方公里连接 数 密 度指标要求 对当 前的正交多址接入方式提出了挑战，受频谱资源和基站部署密度的限制， 海 量 、 小数据包物联网设备的连接 会 导致 控制 信道资源 以 及信令开销加大 ； 对于低时 延 高可靠场景， 由于当前正交多址接入需要 完整 的资源分配流程，因此，信令流程复杂，数据传输时延 很长 ，无法 满足空 口 传 输时延 1ms 和 ms 级端到 端 时延的技术指 需 求，尤其对于小数据包的物联网 业务， 会导致传输 效 率 的大 幅度下降。 这 些场景和技术指标 对传统 的正交多址技术方案形成严峻的挑战 ， 需 要 探索新的多址接 入 技术方案 。以 叠加 传输为代表的新型多址接入技术方案在频 谱 效率 增强 ，用户连接能力提升以及 空 口传输时延降低等方面相比正交多址具有明显的技术优势，可适用于不同的 5G 典型 应用场景 。 当 前业界出了一些非正交多址技术 ， 主要包括 NOMA、 SCMA、 PDMA 和MUSA 等。其 中 NOMA 是 最基本的非正交多址技术， 它 是基于简单的功率域叠加方式， 通 过 将 SNR 差 距较大的两个用户 进 行配 对， 为远 端用户分配更高的发射功率，为近端用户分配较 低 的发射功率 。在 接收侧，远端 用户直接 进行信息解调 ，而近端用户先解调远 端 用户的信息，再 从 接收信号中去除远端用户干扰 后 再解调自身信息 。 通 过 这种方式，可以实现用户信息的叠加传输。 而 以 SCMA（稀 疏码分多址） 、 PDMA（图 样分割多址） 和 MUSA（多 用户 共享 多址） 为 代表的非正交多址接入方式 分 别是华为、大唐和中兴提出 的 技术方 案 ， 技 术方案相对比较复杂，下 面 章 节将详细进行介绍，其中， SCMA 和 MUSA 是 基于码域叠加的非正交多址技 术， PDMA 是 联合空域、码域和 功率 域优化的非正 交多址 技 术。 第三章 新型 多址技术方案 3.1 稀疏 编码多址接入（ SCMA） SCMA (Sparse Code Multiple Access)是一种基于稀疏码本的新型非正交多址技术。其核心理念是通过码域扩展和非正交叠加，实现同样资源数下容纳更多用户，使得在用户体验不受影响的前提下，增加网络总体吞吐量。利用多维调制技术和频域扩频分集技术， SCMA 能够大幅提高用户连接数和链路性能以实现海量连接，还可以通过免授权 (Grant-free)接入方式降低接入延时和信令开销，并且降低终端能耗。此外， SCMA 和现有的 OFDM 技术可以 完美兼容。本小节后面将分别讨论 SCMA 的应用场景、技术原理和关键技术。 3.1.1 应用 场景 根据 IMT-2020 推进组发布的 5G 愿景与需求白皮书， 5G 通信场景划分为广域连续覆盖、热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠为代表的 4 个典型通信场景，前两个是面向移动 互联网 业务的通信场景， 而 后两个是 5G 新拓展的面向物联网业务的通信场景。下面对 SCMA 技术在 5G 各个典型 通信 场景下的应用前景 进行一个简单的分析。 广域连续覆盖 ：该场景的关键挑战在于满足小区边缘和高速移动场景下的用户体验速率。由于 SCMA 技术 可以有效提升 频谱效率， 同样可以有效提升小区边缘用户传输速率，因此可以适用于广域连续覆盖场景 。有文献研究 表明 ， 与LTE 相比 ，采用 SCMA 下行小区边缘用户传输速率可以有效提升近 35%1。 热点高容量 ：该场景的主要挑战在于如何满足 Gbps 量级的用户传输速率和Tbps/km2 的流量密度 。目前与 LTE 相比 ， SCMA 的下行系统吞吐量可以提升 30%甚至更高 1。 此外 ，当 SCMA 与 MU-MIMO 结合时，可获得更高的下行系统吞吐量增益。 因此， SCMA 可以有效促进热点高容量场景下传输速率指标的满足。 低功耗大连接 ：新型多址技术的 主要优势 在于可 以有效提升用户接入能力。对于上行 SCMA，目前上行用户接入能力可达 LTE 系统的 3 倍以上 2。 并且 ，对于上行 SCMA 可以采用免调度传输、进一步简化信令流程，降低传输时延和功耗。可见低功耗大连接场景引入 SCMA 同样具有较强的吸引力。 低时延高可靠 ：在前面已经提到，在上行新多址技术中可以采用免调度传简化信令流程，有效降低传输时延。此外，得益于系统频谱效率和用户接入能力的提升，相比于正交多址技术，在相同传输速率下采用 SCMA 可以获得更低的误2019-1-21 第 8 页 , 共 108 页 比特率，其传输可靠性更高。 综上， SCMA 技术 适用于 5G 各个典型技术应用场 景 ，且具有很高的应用价值 。 3.1.2 技 术原理 无线传输资源包括时间、频率、空间、功率、码序列等。 从广义上 看，多址接入技术是 如何使用这些资源进行传输以及基站如何区分 不同 用户数据的方式。在传统的设计中，用户至少在一个维度上是可区分的 ，或者说用户之间是正交的。比如 ， TDMA 在 时间上 用户 具有独占性，即每个时间资源片只能分配给一个用户使用。类似的， FDMA 在频率上用户具有独占性， CDMA 在码域上用户具有独占性， SDMA 是在空域上用户有独占性，而 4G 中采用的 OFDMA 则是在二维时频资源栅格上用户具有独占性。然而 ， 当有资源以独占 的方式被使用时，这种资源的使用效率就可能受限，而且系统总容纳传输用户数会直接受到该独占资源的可分片粒度限制，从而不能 进行 弹性扩展。面对 5G 通信中提出的更高频谱效率，更大容量，更多连接，以及更低时延的总体需求， 5G 多址 技术 的资源利用必须更为有效。 在近年的国内外 5G 研究当中， 非正交多址接入方式广受关注。在费正交多址接入方式下，没有任何一个资源维度下用户是具有独占性的 。 为应对未来低时延、高可靠性的应用场景要求，以及密集多用户海量接入和超大容量的需求，在频谱资源昂贵且受限的现实下，非正交 多址 接入技术被视为 4G 正交 接入OFDMA 之后 的演进趋势和突破方向。这类技术趋势的成型，还有以下两点重要原因：一个是 点到点单链路的频谱效率提升已经随着调制编码技术的逐步演进而逼近香农极限，因此，考虑如何在给定的频谱资源下，实现系统或网络总频谱效率、总吞吐量，以及总接入用户数的成倍提升； 另一个是 随着数字信号处理芯片能力在摩尔定律下的逐年提升，曾经令人望而却步的非正交检测和译码复杂度问题也逐渐趋于平缓，使得发展该技术成为了一种可能。 SCMA 正是顺应这一趋势和目标的重要技术手段。其目标是在不增加系统资源的前提下，通过发送端的调制波形和稀疏 码本设计，以及接收端的低复杂度最优用户检测接收机设计，实现给定资源下，相比现行 LTE-A 的正交接入设计，成倍提升网络总频谱效率以及同时接入服务用户数，从而助力下一代无线网络实现超大容量和超海量连接的需求。这一类非正交的接入方式成为 5G 候选接入方式的可能性非常大，主要原因有： 首先 为适应用户数和吞吐量大幅增长的需求，非正交接入提出的在有限资 源上复用多个用户的方式，是下一代无线空口技术突破瓶颈的必经途径；其次 ，数字信号处理芯片能力随着摩尔定律逐年提升，令人望而却步的非 正交解码复杂度问题也逐渐趋于平缓，使得发展该技 术成为了一种2019-1-21 第 9 页 , 共 108 页 可能；另外， 通过稀疏码的设计和优化，可以简化接收端的多用户检测器设计、提高发送端的分集增益，进而在降低复杂度的同时提升系统鲁棒性。 图 3-1 所示为 5G 非正交多址技术的通用框架结构。 发送端在单用户信道编码之后，进入核心的码本映射模块，包括调制映射、 码域扩展和功率优化，这三个部分也可联合设计，获得额外编码增益。 由于在接收端多个用户的信号叠加在一起，必须进行多个用户信号的联合检测。 接收端经过多用户联合检测后的软信息可输入单用户纠错编码的译码模块进行译码，也可以将信道译码的结果 反馈到多用户联合检测器进行 迭代译码，可进一步提升性能。上下行的结构均可用 下图表示，区别在于多用户信号叠加的位置不同，下行多用户信号在过信道前，在发送端叠加，而上行多用户信号则在经过无线信道后，在接收端叠加。 单 用 户 纠 错编 码调 制 映 射码 域 扩 展（ 空 / 时 / 频 ）每 用 户信 息 比 特无 线 信 道码 本 映 射可 联 合 优 化单 用 户 纠 错译 码多 用 户 联 合 检 测可 联 合 设 计每 用 户 译 码 比 特接 收 端 联 合 译 码下 行 多 址 多 用 户信 号 叠 加 位 置上 行 多 址 多 用 户信 号 叠 加 位 置功 率 优 化图 3-1-1： 5G 非正交多址 技术通用框架结构 SCMA 的 发送端特征如下图所示， 其中 信道编码后的比特直接被映射为多维稀疏码字，这些码字来自于预先编排的 SCMA 码本，每一个数据流被看做一层，每层对应一个 SCMA 码本。基于 SCMA技术，不同用户 的数据在码域和功率域得以复用，并共享时频资源。如果复用的数据层 数 超过复用码字的长度，则称 系统出现过载 （ overloading） 。 SCMA 的发送结构具有很高的灵活性，可以通过码本设计实现不同维度的资源叠加使用。例如，当码本中的扩频因子大于 1 时，码本设计可以是多维调制、功率分配，以及稀疏扩频联合优化的多址接入；而当码本中的扩频因子设置为 1 的时候，码本设计等效回退到仅功率叠加的多址接入。又例如，可以控制扩频因子上非零元素的个数，针对不同应用场景，实现不同程度的分集保护，同时也通过限制单码块上非零元素的个数，从实现角度与接收端复杂度之间得到很好的平衡。综上所述， SCMA 可包含通用框架的各项特点，因此可以看作 5G 新多址的灵活实现结构。完整 的 SCMA 实现结构 包含接收端调制映射与码域扩展（频域为例）、功率优化的联合优化，并通过 稀疏扩展来平衡接收端复杂度。 2019-1-21 第 10 页 , 共 108 页 用户 1用户 2用户 3用户 4用户 5用户 6S C M A 码本映射：调制 + 灵活扩频S C M A 码本映射：调制 + 灵活扩频S C M A 码本映射：调制 + 灵活扩频S C M A 码本映射：调制 + 灵活扩频S C M A 码本映射：调制 + 灵活扩频S C M A 码本映射：调制 + 灵活扩频纠错编码 1纠错编码 2纠错编码 3纠错编码 4纠错编码 5纠错编码 6b 11 b 12 b 21 b 22 b 31 b 32 b 41 b 42 b 51 b 52 b 61 b 62 时 / 频 / 空S C M A 码块 1 （扩频因子 =4 ） S C M A 码块 2信道编码 调制 / 码本映射信号空间叠加稀疏码 本（扩频 因 子 F 可变， F = 1 功率域直接叠加）图 3-1-2： 5G 新空口灵活 SCMA 发送结构 SCMA 和现有技术的一个 关键 区别点在于其 将比特直接映射为多维调制符号表示的码字。 SCMA 包含多个数据层，每一个数据层 对应一个预先定义好的的码本，每个码本包含多个码字，同一个码本中的不同码字具有相同的稀疏图样。下图所示的例子中，有 6个数据层对应 6个码本，每个码本包含 4个码字，码字长度为 4。比特到码字映射时，根据 比特对应的编号从码本中选择对应的码字，以非正交的方式叠加。 如何设计 SCMA码本是一个重要的研究课题。 现有文献指出，采用多维星座图设计可以获得编码和成形增益，这正是 SCMA 码本设计的重要 出发点。和已有多维星座图设计方案不同， SCMA 需要考虑多个用户复用时相互之间的影响。 图 3-1-3 SCMA 的比特到码字映射过程 和正 交接入相比，传统编码过载的非正交接入由于容纳了更多数据流而提升了系统整体吞吐率，但也因此增加接收端检测复杂度。然而，对于 SCMA 来说，过载带来的接收检测复杂度是可以承受的，并能在可控的复杂度 内实现近似最大似然译码的检测性能，主要通过以下两个因素来控制：第一是 SCMA 码字的稀疏性；第二是 SCMA 码字设计时采用了多维调制星座点降阶投影（ Projection）的星座点缩减技术。下图 3-1-4 展示了终端采用缩减星座点的降阶投影码本进行调制映射的原理。终端的编码比特首先被映射成了从 SCMA 码本中选出的稀疏码字，该码本采用了降阶投影后的星座设计（此处为 4 点星座 3 点的投影）。此