淺談5G 非正交多址接入技術(shù)的軍事應(yīng)用

王珂瑋，徐震龍，周凌宇，徐軍強(qiáng)

（1.沈陽(yáng)聯(lián)勤保障中心綜合保障團(tuán)，沈陽(yáng) 110043；2.31401 部隊(duì)，長(zhǎng)春 130000；3.96862 部隊(duì)，洛陽(yáng) 471003；4.69026 部隊(duì)，烏魯木齊 830001）

1 非正交多址接入

5G 移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，智能終端的快速普及以及互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）的深入融合，都對(duì)現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。伴隨著頻譜資源的日益短缺和智能終端的迅速普及，多址接入技術(shù)由傳統(tǒng)正交多址接入（Orthogonal Multiple Access，OMA）向非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，OMA）轉(zhuǎn)變。對(duì)于傳統(tǒng)的正交多址接入（OMA）技術(shù)，每一個(gè)終端用戶會(huì)單獨(dú)被分配一種時(shí)間或者頻譜資源，當(dāng)大量的終端用戶同時(shí)要求接入時(shí)，信道條件差的終端用戶能夠分配到更多的信道資源用來(lái)通信，這樣就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)頻譜效率降低，限制了整個(gè)通信系統(tǒng)的用戶容量。但接收機(jī)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化和設(shè)備運(yùn)算能力的逐漸提升解決了這一問(wèn)題，多用戶可以通過(guò)非正交的形式復(fù)用同一種信道資源，然后在接收端通過(guò)相應(yīng)的解碼器算法進(jìn)行信號(hào)分離和恢復(fù)。隨著這些技術(shù)的逐漸發(fā)展，非正交接入（NOMA）模式將逐漸代替正交接入（OMA）模式。

2 軍事應(yīng)用領(lǐng)域

在廣泛定位于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）的基礎(chǔ)上，3GPP 已經(jīng)評(píng)估了一部分種類的NOMA 技術(shù)方案。這些用途需要連接大量低損耗、高能效的設(shè)備。在上行通信鏈路中發(fā)送稀疏的小數(shù)據(jù)包[1]。盡管評(píng)估結(jié)果都還令人滿意，但哪種技術(shù)方案會(huì)在未來(lái)得到使用，目前為止暫無(wú)定論。值得注意的是，很多國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始著手5G 移動(dòng)通信技術(shù)的軍事應(yīng)用研究，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，5G 必將成為推動(dòng)軍事通信領(lǐng)域應(yīng)用的助推器。

一是在衛(wèi)星通信中，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)作為國(guó)家信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的一種，以其通信距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大、靈活機(jī)動(dòng)、不受環(huán)境因素限制等諸多優(yōu)點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用上，有著巨大的戰(zhàn)略意義。盡管如此，當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)也存在著很多亟待解決的問(wèn)題。尤其在頻帶資源有限、用頻存在沖突的環(huán)境下，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)、立體衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步加劇使用同一頻率資源信號(hào)間的干擾和不同通信系統(tǒng)間的頻譜沖突。終端用戶采用何種接入方式接入衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，并且能在無(wú)干擾的前提下有效提升通信容量，最大效率的使用衛(wèi)星頻率、功率資源，已成為目前衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)問(wèn)題。而NOMA（Non-Orthogonal Multiple Access，非正交多址）技術(shù)，作為5G 網(wǎng)絡(luò)在使用頻譜方面逐步興起的新型技術(shù)，可以通過(guò)用戶分組、碼字設(shè)置、功率配置等方法實(shí)現(xiàn)多用戶信號(hào)的非正交傳輸，從而出色的達(dá)到提高頻譜利用率和通信容量的目的。

二是在隱蔽的軍事行動(dòng)中，其通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)（mMTC）場(chǎng)景十分相似的。而物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用作為5G系統(tǒng)中一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景，其業(yè)務(wù)規(guī)模逐年增長(zhǎng)。在這樣的場(chǎng)景中，NOMA 技術(shù)憑借其非正交的自身優(yōu)勢(shì)，在不降低終端用戶傳輸速率的同時(shí)，可以用來(lái)支持大量監(jiān)控設(shè)備發(fā)送信息到聯(lián)合指揮中心[2]。因此，5G NOMA 接入技術(shù)在軍事隱蔽行動(dòng)中的近距離和室內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的部署和規(guī)劃有著非常重要的指導(dǎo)意義。

三是在戰(zhàn)術(shù)區(qū)域通信中，隨著連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)量的增加，最終形成了網(wǎng)絡(luò)集群而不是一個(gè)扁平的網(wǎng)絡(luò)[3]。對(duì)于在網(wǎng)絡(luò)集群內(nèi)部的上行鏈路通信，用戶可以通過(guò)NOMA 技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)集群頭部發(fā)送數(shù)據(jù)包，這樣可以提高頻譜效率和簡(jiǎn)化鏈路調(diào)度算法。此外，NOMA 技術(shù)還可以代替基于競(jìng)爭(zhēng)的接入方法進(jìn)行信道分配，從而增加網(wǎng)絡(luò)容量，減少數(shù)據(jù)擁擠和提高傳輸效率。

3 非正交多址接入技術(shù)

目前，NOMA 技術(shù)主要被分為兩大類：功率域和碼域。國(guó)際上比較主流的多址接入技術(shù)有：日本的功率域非正交多址接入技術(shù)（Power-Domain NOMA），中國(guó)的稀疏碼多址接入技術(shù)SCMA（華為公司）、多用戶共享多址接入技術(shù)MUSA（中興公司）和圖樣分割多址接入技術(shù)PDMA[4]（大唐公司）。這些方案在性能上都具有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，所以成為了未來(lái)5G 多址接入技術(shù)的候選方案。

本文主要介紹了PD-NOMA、SCMA、MUSA 和PAMA 這幾種非正交多址接入技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理和接收機(jī)流程，見(jiàn)表1。雖然非正交多址接入技術(shù)在性能上存在著很多優(yōu)點(diǎn)，與此同時(shí)，也對(duì)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和整個(gè)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。所以我們不僅需要繼續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還要有效折衷接收機(jī)的復(fù)雜度和通信系統(tǒng)性能。

（1）功率域非正交多址接入技術(shù)（PD-NOMA）：PD-NOMA即使用功率域?qū)崿F(xiàn)的非正交多址接入技術(shù)。多個(gè)用戶信號(hào)在發(fā)送端的功率域上進(jìn)行疊加形成復(fù)用信號(hào)，傳輸?shù)交具M(jìn)行調(diào)制，經(jīng)發(fā)送天線進(jìn)行傳輸，最后接收端使用SIC 技術(shù)，將復(fù)用信號(hào)進(jìn)行分離，完成信號(hào)的解調(diào)。在傳輸?shù)倪^(guò)程中，信道條件差的用戶會(huì)比信道條件好的用戶被分配更多的功率資源。

表1 NOMA技術(shù)特性比較

以基本單雙用戶下行單元為例，PD-NOMA 系統(tǒng)的工作原理如圖1所示：

（2）稀疏編碼多路訪問(wèn)（SCMA）：稀疏碼多址SCMA 屬于碼域類的非正交多址接入技術(shù)，通過(guò)特定算法，使得每個(gè)終端用戶被分配到的碼序列都是不同的，并且可以使用最優(yōu)效的碼本集合進(jìn)行信號(hào)傳輸。值得一提的是，使用SCMA 技術(shù)，接收端使用MPA（Message Passing Algorithm）算法對(duì)復(fù)用信號(hào)進(jìn)行解調(diào)譯碼，實(shí)現(xiàn)分離和恢復(fù)。顧名思義，稀疏碼即具有多個(gè)零元素的碼序列，使用低密度碼是SCMA 最大的特點(diǎn)。研究表明，恢復(fù)稀疏信號(hào)的全部信息，通過(guò)很少的測(cè)量值就可以實(shí)現(xiàn)。這樣對(duì)接收端恢復(fù)信號(hào)的要求就降低了，并且可實(shí)現(xiàn)無(wú)失真信號(hào)恢復(fù)。也就大大降低了接收機(jī)算法的復(fù)雜度。

（3）圖樣分割多址接入技術(shù)（PDMA）：圖樣分割多址PDMA，無(wú)論是在通信系統(tǒng)的上行鏈路還是在下行鏈路都能無(wú)限制的得到良好應(yīng)用。此技術(shù)的發(fā)送端和接收端的具體實(shí)現(xiàn)流程如下：發(fā)送端通過(guò)不同信號(hào)域（功率域、碼域、空域等）的圖樣來(lái)區(qū)分用戶，通過(guò)圖樣分割技術(shù)將不同的用戶信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。然后不同的用戶信號(hào)經(jīng)過(guò)一系列的調(diào)制進(jìn)行傳輸。最后接收端同樣使用SIC 技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)特征圖樣，最終達(dá)到區(qū)分和恢復(fù)不同用戶信號(hào)的目的。該技術(shù)的特點(diǎn)是，在聯(lián)合優(yōu)化信道的發(fā)送端和接收端，不同用戶信號(hào)可以進(jìn)行獨(dú)立編碼或者聯(lián)合編碼傳輸。使用不同種類的信號(hào)域來(lái)區(qū)分用戶信號(hào)的方法，也會(huì)使得傳輸方式靈活度、恢復(fù)信號(hào)容易，這些特點(diǎn)都讓PDMA 技術(shù)在5G 應(yīng)用場(chǎng)景中，具有更好的普遍適用性。

（4）多用戶共享技術(shù)（MUSA）：多用戶共享MUSA 是一種基于復(fù)數(shù)域多元碼序列的典型碼域非正交多址接入技術(shù)，多用于通信系統(tǒng)上行鏈路，類似于SCMA 技術(shù)的工作原理。其主要特點(diǎn)是，能夠縮短接入時(shí)間，簡(jiǎn)化接入過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)在相同時(shí)頻資源上多用戶的可靠接入。不僅如此，還可以降低整個(gè)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，很大程度上節(jié)約了能耗和成本。流程如下：發(fā)送端首先將不同的用戶信號(hào)序列進(jìn)行擴(kuò)展，最后接收端采用SCI 技術(shù)進(jìn)行用戶信號(hào)的解調(diào)和恢復(fù)。MUSA 技術(shù)通過(guò)將不同的碼序列分配給不同的用戶從而實(shí)現(xiàn)區(qū)分不同用戶信號(hào)的目的。同PD-NOMA 技術(shù)相比較，MUSA 技術(shù)不僅在發(fā)送端還是在接受端編碼方面的要求更嚴(yán)格，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度更高。但這些要求都在現(xiàn)有技術(shù)可接受的范疇里，仍然可為大規(guī)模的終端用戶提供可靠接入。

值得一提的是，文獻(xiàn)[5]通過(guò)系統(tǒng)仿真，評(píng)估了這幾種NOMA 技術(shù)方案在這三種軍事應(yīng)用場(chǎng)景中應(yīng)用，并對(duì)其性能做了詳細(xì)的對(duì)比。

NOMA技術(shù)種類 非正交復(fù)用方式 接收方式PD-NOMA 功率域復(fù)用 串行干擾消除SCMA 稀疏擴(kuò)頻、高緯調(diào)制映射 消息傳遞算法（MPA）MUSA 復(fù)數(shù)域多元碼序列擴(kuò)頻，時(shí)頻域疊加傳輸 SIC PUMA 功率域、空域、碼域整體聯(lián)合的特征圖樣設(shè)計(jì) SIC

4 結(jié)束語(yǔ)

在以信息化和網(wǎng)絡(luò)化為核心的現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，軍用通信系統(tǒng)的地位越來(lái)越重要。高效、穩(wěn)定、可靠的軍用通信系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)傳輸流轉(zhuǎn)情報(bào)、指揮等重要信息，還可以融合各類戰(zhàn)場(chǎng)平臺(tái)形成作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)體系作戰(zhàn)，這就對(duì)我們的移動(dòng)通信技術(shù)提出了更高的要求。而5G 移動(dòng)通信技術(shù)作為一種新興聚合技術(shù)，可以為終端用戶提供傳統(tǒng)語(yǔ)音、視頻等各類數(shù)據(jù)的需求服務(wù)，滿足軍用通信系統(tǒng)的各種需求。本文僅介紹了5G 非正交多址接入（NOMA）技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。而5G 移動(dòng)通信的其他技術(shù)，例如MIMO 天線陣列、超密集組網(wǎng)、高頻段通信等都可以應(yīng)用到軍事場(chǎng)景中，對(duì)現(xiàn)代軍事通信系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。