NOMA，满足5G三大应用场景需求的NR关键技术

5G大连接物联网海量机器通信需要支持单位平方公里内的百万个连接，需要低成本、低信令开销、低时延、低功耗，传统4G OMA（正交多址接入）技术无法满足这些要求。NOMA（非正交多址接入）作为5G NR空口的核心关键技术，有望解决上述问题，满足未来海量大连接mMTC应用场景超低成本、超低功耗、海量小包的需求，同时满足eMBB、uRLLC应用场景下小数据包随机突发情况下真正的免调度和短时延、低功耗要求。

中兴通讯作为3GPP RAN1在NOMA技术方向上5G NR研究专题项目的牵头人，2017年3月正式成功立项NOMA项目。NOMA项目针对小数据包业务的通用解决方案，用于5G 物联网海量机器通信mMTC、小数据包eMBB、低时延uRLLC、V2V等多种应用场景，需要在非正交多址发送方案（发送）、非正交多址接入的接收机设计（接收）、非正交多址接入的流程、链路级与系统级仿真评估和分析方法几个层次进行研究，并输出成果。

NOMA设计目标

ITU定义的5G NR KPI中针对NOMA设计最重要也是最密切相关的指标包括：mMTC海量机器通信终端的连接密度达到100万终端/平方公里；uRLLC超低时延应用中达到1ms时延。而针对差异巨大的垂直行业应用，如自动驾驶、商业零售、能源管理、银行金融保险、健康医疗、工业制造、公共交通与安全、运输与物流等行业，要求的KPI指标不同，技术指标更为复杂。

首先分析一下各应用场景下面临的主要挑战：

● mMTC海量机器通信是NOMA技术最重要的应用场景，面对的问题是海量的低成本+低功耗机器通信终端设备伴随不定时突发的上行小数据包发送，而传统的基于交互式确认模式的正交发送方案在空口信令交互时延和空口信令开销方面效率都比较低。

● 针对非连续突发小包业务的eMBB应用场景，面对的问题是小区边缘用户偏高的发射功率会引发显著的站间干扰，小区边缘用户基于传统接入方案的非激活状态终端在信令开销和高功率消耗上不可避免，导致整体上小区边缘的频谱效率相对较低。

● 针对超低时延超高可靠性uRLLC应用场景，业务特性为主要针对周期性或者事件触发的相对小数据包的流量业务，基于现有交互式确认方案在RTT时延和空口信令开销上都是低效的。

● 针对V2V应用场景，面临的主要问题是资源池随机共享带来冲突问题、受限的车辆密度和较低的频谱效率，以及基于感知带来的高延时、低可靠性和较低的频谱效率。

NOMA技术的主要设计目标就是解决上述问题。针对NOMA技术，有众多厂家和运营商提出了解决方案，中兴通讯提案的MUSA（Multi-User Shared Access）是NOMA多种解决方案中最优秀的一种，是真正可以做到纯随机、免调度、高过载的方案，且接收机复杂度低、可实现性强。中兴通讯MUSA方案采用复数三元短序列作为扩频码，这种序列码简单、运算极简化，且低相关性属性非常明显。这种复数三元短序列扩频码资源数量远远大于其他厂家和运营商提出的方案，具有海量用户接入过程中的高冲突支持能力，最终实现远远优于ITU定义的100万连接/平方公里的KPI指标。NOMA技术将通过降低5G NR空口信令开销、降低终端功耗、增加海量终端连接数、提升频谱效率、降低空口时延、提升可靠性等技术手段，同时支持mMTC海量机器通信、超低时延的uRLLC，并灵活地适配支持非连续突发小包业务的eMBB多种应用场景，全面提升5G网络的资源和能耗使用效率。

NOMA关键技术

NOMA方案的基本要求首先是需要在-164dBm深度覆盖、低于160kbps低速率小包条件下的mMTC、 eMBB小包业务、uRLLC、V2V多应用场景的适应性，其次需要有低相关性大容量的多址接入签名码资源池，第三需要有真正的免调度和海量用户高冲突支持能力，以及低复杂度的先进接收机设计。

关键点1：低相关性大容量多址接入签名码资源池
中兴通讯MUSA选择复数三元短序列扩频码作为多址接入编码方案。扩展长度为4的复数三元短序列扩频码无论在码资源池总数，还是在相关性系数低于0.8的码资源数量上都远远高于PN实域长码和稀松码，真实应用场景中每一个低相关系数的码字就对应一个非正交多址接入状态下的终端使用的码字，以避免相同小区中大量终端随机甚至同时接入网络时刻可能发生的冲突。中兴通讯复数三元短序列扩频码具有真正的免调度、低相关性、大容量的优势，实现mMTC场景下所需的海量用户高冲突支持能力。这种复数三元短序列扩频码的运算不需要使用乘法只需要使用加法，能够最大程度地简化5G NR基站侧先进接收机MMSE SIC的算法实现和硬件设计。该扩频码方案还支持窄带（频域较少的RB子信道），通过简单的两级扩展支持增强覆盖，并很容易与MIMO技术集成，从而获得空间分集自由度带来的增益。

关键点2：终端发射端实现真正的免调度one-shot发送
终端在接入5G NR站点时从MUSA非正交多址接入签名码资源池中选择一个码字进行扩展。终端发射端可以在随机接入过程中做到真正的免调度one-shot发送，这样终端可以使用开环功控选择合适的功率一次性上传数据，无需与基站进行多次交互，从而了降低终端的功耗。中兴通讯拥有的专利技术保证在相同小区用户中出现使用相同扩频码的概率尽量低，在低概率发生的多址接入签名码字冲突情况下，可以通过计时器设置实现终端数据的重传。

5G NR基站侧接收机可以真正快速地实现多用户的盲检。算法先进、实现简单的低复杂度MMSE SIC接收机通过遍历预定义的复数三元短序列扩频码资源池，锁定能量最高的用户，从而实现多用户接入过程中串行顺序的用户盲检。

关键点3：算法和实现简单的MMSE-SIC接收机
如图1中MMSE-SIC接收机工作原理的样例，假设4个用户在4个RB子信道频域中发送，而MUSA复数三元短序列扩频码采用扩展码长为4。假想在海量机器通信物联网mMTC应用场景中，单个小区中有12个终端的原始数据同时突发上传，经过码长为4的复域扩展码字扩展之后，共享空口频域上的4个RB资源同时发到空中，基站侧SIC接收机通过遍历复数三元短序列扩频码资源池首先锁定和解码能量最高的用户，然后从多用户混合信号中去除这个解码出来的能量最高用户的干扰数据和能量，SIC接收机周而复始地依次锁定和解码相对能量最高的用户，直至完成最后一个用户全部锁定和解码。由于复数三元短序列扩频码的运算过程不用乘法只用加法，这将简化基站侧先进接收机MMSE SIC的算法实现和硬件设计，实现接收机设计成本和性能的最佳平衡。
 

小结

在中国工业与信息产业部MIIT牵头的国测第一阶段测试中，中兴通讯MUSA测试中12个用户同时接入基站，达到300%过载率的容量支持能力。而在2017年Q2—Q3国测第二阶段测试中，中兴通讯MUSA测试中24个用户同时接入基站，做到了真正免调度条件下600%的过载率。在国测二阶段eMBB/uRLLC/mMTC混合场景测试场景中，eMBB达到小区多用户吞吐率15Gbps，高于ITU定义的10Gbps，mMTC远超每平方公里100万连接的要求，uRLLC时延0.42ms，也远好于ITU要求的1ms。

在5G NR空口的标准化过程中，NOMA（非正交多址接入）技术通过低相关性大容量多址接入签名码资源池的设计，在终端侧实现真正免调度的one-shot发送，基站接收机实现算法简单、运算效率高的盲检过程，突破满足未来mMTC海量大连接应用场景低成本、低功耗、海量接入的需求外延，并同时满足eMBB、uRLLC应用场景下小数据包随机突发情况下真正的免调度、短时延、低功耗要求。NOMA技术在5G NR空口带来的降低接入信令开销、功耗和时延，高过载率海量大连接支持能力，以及针对小数据包传送的多应用场景适应性等多个方面优势，将帮助运营商带来更好的运营收益。