5G非正交多址技术专利布局分析
2019-11-14李孟薛敬伟廖佳佳中国电子科技集团公司信息科学研究院北京100086
李孟 薛敬伟 廖佳佳 中国电子科技集团公司信息科学研究院 北京 100086
多址技术是现代通信系统中的一种基础技术，其目标是将通信资源进行合理划分以分配给用户使用。为了进一步增加系统容量，第五代（5G）移动通信系统引入了非正交多址技术。这类技术在时频资源内主动引入多用户间干扰，实现码域、空域或功率域的非正交复用，然后在接收端通过干扰消除技术，实现正确解调。本文首先对多种非正交多址方案进行梳理，然后围绕它们的专利布局进行分析，旨在充分展现该领域的宏观态势。
1 各种新型多址技术
通过在不同资源域中实施多种复用算法，非正交多址技术又进一步衍生出繁多的分支技术。3GPP RAN1工作组的#84bis会议上，多篇提案对目前的非正交多址方案进行了总结归纳，下面针对部分主流方案进行概述。
1.1 非正交多址接入NOMA
非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）技术的基本思想是：在发送端，采用功率复用技术，使同一子信道上的不同用户信号功率按照相关算法分配，使得到达接收端的每个用户的信号功率不同。在接收端，NOMA采用SIC技术，根据不同用户信号功率大小按照一定顺序进行干扰消除，达到区分不同用户的目的。
1.2 稀疏码分多址接入SCMA
稀疏码分多址接入（Sparse Code Multiple Access，SCMA）技术是一种基于码域的非正交多址技术，其基本思想是：在发送端，通过将低密度码（Low Density Signature，LDS）和OFDM技术相结合，通过联合优化LDS中的QAM调制器和线性稀疏扩频，直接将二进制比特数据映射成多维复码字 在接收端，利用消息传递算法进行多用户检测，即使在系统严重过载的情况下也能获得较好的性能，能够显著提高系统容量。相较于NOMA等非正交多址接入技术，SCMA的码本具有一定的灵活性，应用场景广泛。
1.3 图样分割多址接入PDMA
图样分割多址接入（Pattern Division Multiple Access，PDMA）技术是基于多个信号域非正交图样特征来区分多个用户，本质上也是基于稀疏扩频的非正交多址方案。在发送端，多个用户的信息在功率域、空域和码域等特征域单独或者联合编码在接收端，采用低复杂度的SIC算法实现多用户联合解调。由于PDMA可以同时利用信号的功率域、空域和码域等特征来区分不同用户，因此PDMA的频谱利用率较高。
1.4多用户共享接入MUSA
多用户共享接入（Multi-user Shared Access，MUSA）技术是一种码域非正交多址技术。其原理是发送端对每个用户调制后的数据符号通过一个专门设计的序列进行扩频处理，然后扩频后的序列叠加在相同的时频资源传输，在接收端采用SIC解调各个用户的数据。
1.5资源扩展多址接入RSMA
资源扩展多址接入（Resource spread multiple access，RSMA）技术是一种非同步、非正交、基于竞争的多址接入协议。该技术通过结合低码率的信道编码、低相关性的扰码和不同的交织器来区分不同用户的信号。根据不同应用场景，又可以分为单载波RSMA和多载波RSMA。其中单载波RSMA具有较低峰均比，且支持异步传输场景 多载波RSMA则能够实现低延迟接入。
2 非正交多址技术全球专利布局特点
由于2012年国际电信联盟ITU提出了IMT-2020（5G）概念，拉开了研究适应于5G通信的新型多址技术的序幕。全球范围内对非正交多址技术的研发从2012年开始加速，在2012年之前只有零星的相关申请，2012年之后，该技术在专利申请量上体现为一段陡峭上升的走势，并在2016年达到申请量的峰值。2016年5G标准化进程开启，3GPP R15（5G Phase 1）的制定工作提上日程，为了写入通信标准，各项技术逐步进入仿真验证阶段，新的技术研发放缓，专利申请量开始下降。
在非正交多址领域，全球专利申请量排名前五位的申请人依次是：华为、LG电子、NTT、高通公司和大唐移动通信。他们均通过参加3GPP RAN1会议提出了各自不同的非正交多址技术方案。
从申请时间上来看，华为公司从2013年开始进行该领域的专利布局，并在其后的4-5年时间内持续推进相关研究。NTT公司最早在2012年提出相关专利申请，但该公司专利布局总量较少，且在2017年以后停止了该领域的专利申请。高通公司和LG电子则分别在2015-2017年和2016-2017年间开展了集中大量的专利布局。
华为公司在该技术领域布局最多的地区是美国，其次在中国、韩国、欧洲、日本和印度等地均有布局。高通公司在该领域的全球专利布局与华为公司较为类似。NTT公司的专利布局主要集中在美国、欧洲和日本。LG电子的专利布局主要集中在美国、中国、韩国和欧洲。与LG电子相比，大唐移动通信增加了对印度的专利布局。
3 总结
综上分析，非正交多址技术作为5G空口领域的新兴技术，提高了5G系统的频谱利用率和系统容量。目前该领域存在的多个技术分支，其专利布局主要来自各国通信业巨头。通过本文的详尽分析，有利于研发人员和相关企业掌握该技术领域的宏观发展脉络和专利布局现状。
