多址接入技术 非正交多址 NOMA

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多址接入技术 非正交多址 NOMOA

　

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　　每一代通信系统有自己独特的多址接入技术。多址接入技术的目的是让多个用户能同时接入基站，享受基站提供的通信服务，保证各个用户之间的信号不会互相干扰。

　　第一代移动通信系统（1G）主要采用频分多址接入方式（FDMA），第二代移动通信系统（2G）主要采用时分多址接入方式（TDMA），第三代移动通信系统（3G）主要采用码分多址接入方式（CDMA），第四代通信系统（4G）主要采用正交频分复用多址接入方式（OFDMA），而非正交多址接入方式（NOMA）是下一代移动通信系统（5G）一个热门的技术。下面从第一代移动通信系统开始先容每一代移动通信系统所采用的多址接入方式。

频分多址　FDMA

　　频分多址，即FrequencyDivision Multiple Access，FDMA。顾名思义，频分多址利用不同的频带来区分用户，即用户的数据在不同的频带上传输，而从避免用户间信号的相互干扰。

　　第一代移动通信系统采用FDMA作为多址方式。FDMA的原理如下图所示，其中User1，User2，User3，User4，User5和User6分别在频点f1，f2，f3，f4，f5和f6上传输数据。各个频点之间有相应的保护频带，保证每个用户的信号不被其他用户干扰。

时分多址 TDMA

　　时分多址，即Time DivisionMultiple Access，TDMA。顾名思义，时分多址利用不同的时隙来区分用户，即用户的数据在不同的时隙上传输，从而避免用户间信号的相互干扰。

　　第二代移动通系统主要采用TDMA作为多址方式。TDMA的原理如下图所示，其中User1，User2，User3，User4，User5和User6分别在时隙t1，t2，t3，t4，t5和t6上传输数据。各个时隙的时间不会相互重叠，保证每个用户的信号不被其他用户干扰。

码分多址 CDMA

　　码分多址，即Code DivisionMultiple Access，CDMA。顾名思义，码分多址利用不同的码字来区分用户，即用户的数据用不用的码字进行加扰，从而避免用户间信号的相互干扰。

　　第三代移动通信系统主要采用CDMA作为多址方式。大家以一个例子来讲解码分多址的原理。

A，B，C，D四个发射端分别采用四种码字，

1. A: (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)
   
2. B: (-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)
   
3. C: (-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1)
   
4. D: (-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1)

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　　假设A发送数据1，B发送数据0，C不发送数据，D发送数据1，则

1. A·1  =  (-1-1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)
   
2. B·(-1) =  (1 1 -1 +1 -1 -1 -1 +1)
   
3. D·1  =  (-1+1 -1 -1 -1 -1 +1 -1)
   
4. S  =  A·1 + B·(-1) + D·1  =  (-1+1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)

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　　接收侧收到码字序列S后，依次与各个码字相乘提取出各个码字上承载的信号。

1. S·A=（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8=1，   A发送1
   
2. S·B=（＋1－1－3－1－1－3＋1－1）／8=－1， B发送0
   
3. S·C=（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8=0，   C无发送
   
4. S·D=（＋1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／8=1，   D发送1

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　　CDMA经常与TDMA、FDMA一起使用，这样系统就能在同时、同频的无线资源上传输多个用户的数据，多个用户的数据靠不同的码字序列进行区分。

正交频分复用 OFDM

　　正交频分复用，即OrthogonalFrequency Division Multiplex，OFDM。正交频分复用是在频分复用的基础上进一步压缩频带，提高频谱利用率。如下图所示，用户之间的频带有所交叠，但是每个用户频带功率最大的那个点其他的信号能量都为0，所以在每个用户频带功率最大值点处，各个用户信号依旧是正交的。详细的OFDM原理先容可以参考博客http://blog.csdn.net/madongchunqiu/article/details/18614233/。

　　OFDM相比FDMA提高了频谱利用率。4G系统（LTE）采用正交频分复用作为多址接入方式。下图即LTE系统的视频资源结构，时间上每个单位叫做一个OFDM符号，频域上每个单位叫做一个子载波。LTE系统可以同时利用时域和频域进行区分用户，个人感觉LTE就像是一个采用OFDM技术的FDMA、TDMA系统。

非正交多址 NOMA

　　目前，5G的研究如火如荼。非正交多址接入，即Non-orthogonal Multiple Access，NOMA，是5G的一个热门备选技术。

NOMA跟以往的多址接入技术不同，NOMA采用非正交的功率域来区分用户。所谓非正交就是说用户之间的数据可以在同一个时隙，同一个频点上传输，而仅仅依靠功率的不同来区分用户。如下图所示，User1和User2在同一频域/时域上传输数据，而依靠功率的不同来区分用户。User3和User4之间类似。

　　下面大家以两个UE为例详细的先容NOMA的技术原理。如图所示，UE1位于小区中心，信道条件较好；UE2位于小区边缘，信道条件较差。大家根据UE的信道条件来给UE分配不同的功率，信道条件差的分配更多功率，即UE2分配的功率比UE1多。

发射端

　　假设基站发送给UE1的符号为 x1，发送给UE2的数据为 x2，功率分配因子为 a。则基站发送的信号为

s=sqrt(a) x1 + sqrt(1-a) x2

因为UE2位于小区边缘，信道条件较差，所以大家给UE2分配较多的功率，即0 < a < 0.5。

接收端

　　UE2收到的信号为

y2=h2 s + n2 = h2( sqrt(a) x1 + sqrt(1-a) x2 ) + n2

因为UE2的信号x2分配的功率较多，所以UE2可以直接把UE1的信号x1当作噪声，直接解调解码UE2的信号即可。

　　UE1收到的信号为

y1=h1 s + n1 = h1( sqrt(a) x1 + sqrt(1-a) x2 ) + n1

因为UE1的信号 x1 分配较少的功率，所以UE1不能直接调节解码UE1自己的数据。相反，UE1需要先跟UE2一样先解调解码UE2的数据 x2。解出 x2 后，再用 y1 减去归一化的 x2 得到UE1自己的数据，y1 - h2 sqrt(1-a) x2 .最后再解调解码UE1自己的数据。

（备注：以上推导只表征NOMA技术原理，推导不是很严谨。）