浅谈5G 非正交多址接入技术的军事应用

王珂玮，徐震龙，周凌宇，徐军强

（1.沈阳联勤保障中心综合保障团，沈阳 110043；2.31401 部队，长春 130000；3.96862 部队，洛阳 471003；4.69026 部队，乌鲁木齐 830001）

1 非正交多址接入

5G 移动通信技术的飞速发展，智能终端的快速普及以及互联网和物联网（Internet of Things，IoT）的深入融合，都对现有的移动通信系统和关键技术带来了诸多挑战。伴随着频谱资源的日益短缺和智能终端的迅速普及，多址接入技术由传统正交多址接入（Orthogonal Multiple Access，OMA）向非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，OMA）转变。对于传统的正交多址接入（OMA）技术，每一个终端用户会单独被分配一种时间或者频谱资源，当大量的终端用户同时要求接入时，信道条件差的终端用户能够分配到更多的信道资源用来通信，这样就会导致系统频谱效率降低，限制了整个通信系统的用户容量。但接收机设计的不断优化和设备运算能力的逐渐提升解决了这一问题，多用户可以通过非正交的形式复用同一种信道资源，然后在接收端通过相应的解码器算法进行信号分离和恢复。随着这些技术的逐渐发展，非正交接入（NOMA）模式将逐渐代替正交接入（OMA）模式。

2 军事应用领域

在广泛定位于大规模物联网（mMTC）的基础上，3GPP 已经评估了一部分种类的NOMA 技术方案。这些用途需要连接大量低损耗、高能效的设备。在上行通信链路中发送稀疏的小数据包[1]。尽管评估结果都还令人满意，但哪种技术方案会在未来得到使用，目前为止暂无定论。值得注意的是，很多国家已经开始着手5G 移动通信技术的军事应用研究，随着移动通信技术的发展，5G 必将成为推动军事通信领域应用的助推器。

一是在卫星通信中，卫星通信网络作为国家信息基础网络的一种，以其通信距离远、覆盖面积大、灵活机动、不受环境因素限制等诸多优点，在军事领域的应用上，有着巨大的战略意义。尽管如此，当前卫星通信系统也存在着很多亟待解决的问题。尤其在频带资源有限、用频存在冲突的环境下，天地一体化信息网络、立体卫星网络的应用将会进一步加剧使用同一频率资源信号间的干扰和不同通信系统间的频谱冲突。终端用户采用何种接入方式接入卫星通信网络，并且能在无干扰的前提下有效提升通信容量，最大效率的使用卫星频率、功率资源，已成为目前卫星通信网络研究的重点问题。而NOMA（Non-Orthogonal Multiple Access，非正交多址）技术，作为5G 网络在使用频谱方面逐步兴起的新型技术，可以通过用户分组、码字设置、功率配置等方法实现多用户信号的非正交传输，从而出色的达到提高频谱利用率和通信容量的目的。

二是在隐蔽的军事行动中，其通信网络的网络环境和大规模物联网（mMTC）场景十分相似的。而物联网应用作为5G系统中一个典型的应用场景，其业务规模逐年增长。在这样的场景中，NOMA 技术凭借其非正交的自身优势，在不降低终端用户传输速率的同时，可以用来支持大量监控设备发送信息到联合指挥中心[2]。因此，5G NOMA 接入技术在军事隐蔽行动中的近距离和室内的通信网络中应用，对5G网络的部署和规划有着非常重要的指导意义。

三是在战术区域通信中，随着连接无线网络终端数量的增加，最终形成了网络集群而不是一个扁平的网络[3]。对于在网络集群内部的上行链路通信，用户可以通过NOMA 技术向网络集群头部发送数据包，这样可以提高频谱效率和简化链路调度算法。此外，NOMA 技术还可以代替基于竞争的接入方法进行信道分配，从而增加网络容量，减少数据拥挤和提高传输效率。

3 非正交多址接入技术

目前，NOMA 技术主要被分为两大类：功率域和码域。国际上比较主流的多址接入技术有：日本的功率域非正交多址接入技术（Power-Domain NOMA），中国的稀疏码多址接入技术SCMA（华为公司）、多用户共享多址接入技术MUSA（中兴公司）和图样分割多址接入技术PDMA[4]（大唐公司）。这些方案在性能上都具有自身独特的优势，所以成为了未来5G 多址接入技术的候选方案。

本文主要介绍了PD-NOMA、SCMA、MUSA 和PAMA 这几种非正交多址接入技术的实现原理和接收机流程，见表1。虽然非正交多址接入技术在性能上存在着很多优点，与此同时，也对接收机实现的复杂度和整个通信系统的设计提出了更高的要求。所以我们不仅需要继续优化系统设计，还要有效折衷接收机的复杂度和通信系统性能。

（1）功率域非正交多址接入技术（PD-NOMA）：PD-NOMA即使用功率域实现的非正交多址接入技术。多个用户信号在发送端的功率域上进行叠加形成复用信号，传输到基站进行调制，经发送天线进行传输，最后接收端使用SIC 技术，将复用信号进行分离，完成信号的解调。在传输的过程中，信道条件差的用户会比信道条件好的用户被分配更多的功率资源。

表1 NOMA技术特性比较

以基本单双用户下行单元为例，PD-NOMA 系统的工作原理如图1所示：

（2）稀疏编码多路访问（SCMA）：稀疏码多址SCMA 属于码域类的非正交多址接入技术，通过特定算法，使得每个终端用户被分配到的码序列都是不同的，并且可以使用最优效的码本集合进行信号传输。值得一提的是，使用SCMA 技术，接收端使用MPA（Message Passing Algorithm）算法对复用信号进行解调译码，实现分离和恢复。顾名思义，稀疏码即具有多个零元素的码序列，使用低密度码是SCMA 最大的特点。研究表明，恢复稀疏信号的全部信息，通过很少的测量值就可以实现。这样对接收端恢复信号的要求就降低了，并且可实现无失真信号恢复。也就大大降低了接收机算法的复杂度。

（3）图样分割多址接入技术（PDMA）：图样分割多址PDMA，无论是在通信系统的上行链路还是在下行链路都能无限制的得到良好应用。此技术的发送端和接收端的具体实现流程如下：发送端通过不同信号域（功率域、码域、空域等）的图样来区分用户，通过图样分割技术将不同的用户信号进行区分。然后不同的用户信号经过一系列的调制进行传输。最后接收端同样使用SIC 技术，通过检测特征图样，最终达到区分和恢复不同用户信号的目的。该技术的特点是，在联合优化信道的发送端和接收端，不同用户信号可以进行独立编码或者联合编码传输。使用不同种类的信号域来区分用户信号的方法，也会使得传输方式灵活度、恢复信号容易，这些特点都让PDMA 技术在5G 应用场景中，具有更好的普遍适用性。

（4）多用户共享技术（MUSA）：多用户共享MUSA 是一种基于复数域多元码序列的典型码域非正交多址接入技术，多用于通信系统上行链路，类似于SCMA 技术的工作原理。其主要特点是，能够缩短接入时间，简化接入过程，最终实现在相同时频资源上多用户的可靠接入。不仅如此，还可以降低整个通信系统设计和实现的复杂度，很大程度上节约了能耗和成本。流程如下：发送端首先将不同的用户信号序列进行扩展，最后接收端采用SCI 技术进行用户信号的解调和恢复。MUSA 技术通过将不同的码序列分配给不同的用户从而实现区分不同用户信号的目的。同PD-NOMA 技术相比较，MUSA 技术不仅在发送端还是在接受端编码方面的要求更严格，实现复杂度更高。但这些要求都在现有技术可接受的范畴里，仍然可为大规模的终端用户提供可靠接入。

值得一提的是，文献[5]通过系统仿真，评估了这几种NOMA 技术方案在这三种军事应用场景中应用，并对其性能做了详细的对比。

NOMA技术种类 非正交复用方式 接收方式PD-NOMA 功率域复用 串行干扰消除SCMA 稀疏扩频、高纬调制映射 消息传递算法（MPA）MUSA 复数域多元码序列扩频，时频域叠加传输 SIC PUMA 功率域、空域、码域整体联合的特征图样设计 SIC

4 结束语

在以信息化和网络化为核心的现代战争中，军用通信系统的地位越来越重要。高效、稳定、可靠的军用通信系统不仅可以实现传输流转情报、指挥等重要信息，还可以融合各类战场平台形成作战网络，实现体系作战，这就对我们的移动通信技术提出了更高的要求。而5G 移动通信技术作为一种新兴聚合技术，可以为终端用户提供传统语音、视频等各类数据的需求服务，满足军用通信系统的各种需求。本文仅介绍了5G 非正交多址接入（NOMA）技术在军事领域的应用。而5G 移动通信的其他技术，例如MIMO 天线阵列、超密集组网、高频段通信等都可以应用到军事场景中，对现代军事通信系统产生深远的影响。