从信息理论的角度来看，无线信道是一种经典的多址信道，不同的发射机和接收机在发送数据时共享时间/频率/空间资源。根据多址方案，每个用户的信号可以干扰其他用户的信号，在这种情况下，具有非正交多址，或者不干扰其他用户，在这种情形下，我们有正交多址。在上行链路（UL）上，根据用户信号是否需要在基站接收机处紧密同步，还可以具有同步多址和非同步多址。

本文比较下行链路（DL）和上行链路的不同多址技术。需要注意的是，多址技术的选择高度依赖于服务需求，重点关注具有不同服务需求的5G网络的三种服务类型

1.eMBB（增强型移动宽带）：低延迟、更高的频谱效率/吞吐量

2.eMTC（增强型机器类型通信）：改进链路预算，降低设备复杂性，延长设备电池寿命（低能耗），支持高密度设备部署

3.URLLC（超可靠低延迟通信）：高可靠性（低分组错误率）、低延迟

比较DL和UL的多址接入，重点关注以下性能指标

• 信道容量
• 接收器复杂性
• 系统设计复杂性（调度器、速率自适应等）
• 协议（信令）开销

通常，至少有四种不同的多址技术：时分多址（TDMA：Time Division Multiple Acces）、频分多址（FDMA：Frequency Division Multiple Access ）、资源扩展多址（RSMA：Resource Spread Multiple Access）和空分多址技术（SDMA：Spatial Division Multiple Access），如图1所示。值得注意的是，这些技术并非互斥。事实上，随着无线通信系统的发展，如今，不同的多址接入技术可以一起使用，以将其各自的优势结合在一起，从而获得最佳的系统性能。

TDMA

TDMA通过为用户分配不同的时间资源来进行传输，从而将用户分开。TDMA是利用信道的时间分集的一种非常重要的技术。无线信道的一个重要特性是时变衰落。在多用户系统中，TDMA允许调度器通过在信道峰值调度用户来利用信道的时间分集。

然而，由于许多原因，一个系统只使用TDMA，这意味着在任何给定时间只调度一个用户，可能导致性能不理想，包括

1.一般来说，纯TDMA不能充分利用信道的空间分集和频率分集

2.对于eMBB DL，TDM无法实现DL广播信道容量限制

3.对于eMBB UL，单个用户很容易受到发射功率限制，因此无法填充RoT（Rise of Thermal）

4.链路预算影响，在小区边缘，TDM通过限制UE可以发送的时间，基本上限制了UE可以用来传递期望分组的功率。随着TDM线性地减少UE可以发送的时间，链路预算将线性地减少。

总之，TDMA需要与其他多址技术相结合，以优化系统性能

FDMA

FDMA通过为用户分配不同的频率资源来进行传输，从而分离用户。FDMA要求系统将整个带宽划分为多个子带（载波、RB、音调等）。

在3G中，这种划分非常粗略。例如，对于WCDMA（HSPA），基线部署在5MHz以上的载波，可以捆绑多个载波进行多载波部署。这种方法有许多局限性，包括但不限于（1）5MHz太粗，无法充分利用每个载波内信道的频率分集，（2）信道依旧是频率选择性的（多路径），需要均衡器或高级接收机来实现高频谱效率。（3） 脉冲整形滤波器和保护带需要分离载波，在WCDMA中，其开销约为30%（5/3.84）。

在4G中，采用了更先进的FDMA，称为OFDMA（正交FDMA）。通过在基带信号中添加循环前缀并应用IFFT，OFDMA将频率选择性信道转换为多个正交平坦衰落信道（音调）。这提供了许多优点，包括但不限于

1.允许充分利用频率分集

2.最小化每个子载波（音调）之间所需的保护频带

3.将频率选择性信道转换为平坦衰落信道，这对SDMA（MIMO）更友好

由于OFDMA的优势，我们将互换使用FDMA和OFDMA。

重要的是要注意，尽管OFDMA适用于控制信令开销可以忽略不计的大容量业务或高数据速率，但对于可能具有较低频谱效率要求的小burst传输，OFDMA可能是不必要的，并且在某些情况下是低效的。

NOMA

RSMA通过为用户分配不同的签名以在同一时间在同一频率上发送来分离用户。到目前为止，OFDMA和TDM都是正交多址技术，而RSMA通常可以用来描述非正交多址。有两种RSMA技术：CDMA（Coded Division Multiple Access）和SCMA（Sparse Code Multiple Access）。

CDMA使用正交扩频码在同一发射机内创建正交信道，并使用具有良好相关性的扰码来分离不同的发射机（在DL上表示不同的小区，在UL上则表示不同的设备）。与OFDMA类似，CDMA是一种线性单一预编码方案，它保留了信道容量。然而，CDMA的一个主要缺点是频率选择性（多径）信道引起的自干扰。为了实现高频谱效率，需要使用均衡器或甚至更先进的接收机。因此，在MIMO部署中，CDMA与SDMA结合不是很友好。

RSMA可以被视为CDMA的变体

1.它使用低密度特征码CDMA（LDS-CDMA）技术，其中每个用户的信号通过稀疏特征码序列进行扩展。

2.对于签名序列中的每个非零条目，可以独立设计调制以优化性能

SCMA的主要优点是，其签名序列的稀疏性简化了高级接收机设计。SCMA代码的稀疏性允许更简单的消息传递算法（MPA）实现接近MAP的性能。

然而，SCMA依旧存在复杂性/实用性问题，包括（1）尽管MPA是一种更快的迭代MAP解码器，但与线性接收机相比，它依旧相当复杂（2）SCMA的性能高度依赖于用于签名序列中每个非零项的调制，因此，代码设计很复杂（3）由于MPA接收机的高度非线性，速率预测和自适应也可能复杂。

SDMA

SDMA通过在MIMO系统中为用户分配不同的空间签名来分离用户。例如，3G和4G蜂窝系统都设计为利用MIMO信道的分集和复用增益。SDMA也可以被视为RSMA的一种特殊形式，其中签名是在空间上设计的。因为MIMO（MU-MIMO）是实现高频谱效率的一种非常重要的技术。

在高信噪比下，为了使频谱效率线性增加，信噪比必须呈指数级增加。在这种情况下，自由度对于实现高频谱效率变得非常重要。通过适当的预编码设计，SDMA可以创建多个正交（或近正交）空间子信道，以增加自由度。每个空间子信道可以在较低的信噪比下工作，因此更线性的容量区域。因此，总容量可以显著增加。

在低信噪比下，通过适当的波束赋形，SDMA可以提高接收信噪比（阵列增益）并降低其方差（分集增益），从而在小区边缘实现更好的覆盖。

更重要的是，通过启用MU-MIMO，SDMA可以实现更好的系统性能。由于设备的有限尺寸，设备侧的天线数量比基站侧的天线的数量有更多的限制。对于点到点MIMO信道，它的自由度受到接收机和发射天线的最小数量的限制。然而，使用MU-MIMO，可以取消此限制。通过仔细配对和设计用于多个用户的空间签名，可以进一步提高系统性能，并且只会受到基站侧天线数量的限制。

另一个需要注意的是，由于多径引起的自干扰，SDMA性能在频率选择性信道下可能受到限制。因此，为了更好的系统性能，将SDMA部署在OFDMA之上是非常自然的。

到目前为止，讨论不同的多址接入技术。在具有频率选择性、时变衰落、具有多个发射和接收天线的信道以及多个用户的无线通信系统中，有许多信道/用户特性可用于优化系统性能，包括但不限于频率分集、时间分集、空间分集等，不同的多址技术必须组合在一起以实现最佳性能。

到目前为止，为了实现最佳频谱效率，OFDMA+SDMA+TDMA是最先进的方法。这三种多址技术是正交方案（实际上，SDMA不是完全正交的）。如前所述，选择多址接入取决于服务需求。至少有两个问题：

1.在DL上，已经表明非正交多址（SPC）可以实现比正交多址更好的容量限制。然而，在实践中，为了利用频率分集（子带调度）、时间分集（TDM调度）和空间分集（MU-MIMO调度），调度器需要足够的用户进行选择。非正交多址接入必须使用相同的用户池。由于使用池的大小有限，非正交多址可以给系统带来哪些额外的好处？

2.还有像eMTC这样的服务，它只需要低频谱效率、低设备复杂度和功耗。正交多址OFDMA+SDMA+TDMA需要UL上用户之间的紧密同步，这会导致信令负载。

在5G系统中，在给定具有块传输的传统线性时不变信道。信道容量可以写为log2(det(I + PHHHHP))，其中假设噪声是单位能量的零平均高斯。P是发射机处的线性块预编码器。很容易表明，任何单一预编码器都给出相同的信道容量。在所有的单一预编码器中，对角化HHH的预编码器通过创建多个正交子信道来简化系统设计。这使得接收机以及容量实现方案设计更容易。在这种情况下，MAP接收机退化为线性接收机。OFDMA本质上是通过引入循环前缀来正交化多路径信道并使信道矩阵H为圆形的设计。此外，考虑到总发射功率限制，OFDMA有可能实现充水功率负载，充分利用频率分集，以最大化信道容量。当然，OFDMA还通过消除多路径干扰使MIMO（MU-MIMO）设计更易于处理。总之，当设计目标是最大化频谱效率时，OFDMA是一个非常重要的构建块。其他多址技术（TDMA、SDMA和RSMA）可以建立在OFDMA之上以获得更好的性能。

UL eMBB

eMBB的设计目标是以高频谱效率传输大量数据。因此，假设服务在RRC_CONNECTED状态下启动，其中不同用户的UL已经同步。

到目前为止，为了提高频谱效率，OFDMA（SC-OFDMA）是一种可以提供良好性能/复杂性权衡的候选方案。在部署MIMO通信时，充分利用MIMO信道产生的空间分集/复用非常重要。当接收器和发射天线的数量之间的差异很大时，MU-MIMO尤其重要。

DL eMBB

众所周知，当两个用户具有较大的SNR差异时，非正交叠加编码有可能实现比正交（TDM，FDM）设计更好的性能。值得注意的是，非正交叠加编码可以在OFDM波形之上实现。事实上，在LTE MUST研究中，用户信号在调制符号电平上叠加，而对于SCMA，可以基于低密度扩展序列和调制的联合设计来叠加用户信号。

然而，还需要注意的是，为了使叠加编码显示出性能优势，调度器需要将两个具有明显不同SNR的用户配对。一般来说，这需要系统有足够数量的用户下载大量数据。这可以被视为多用户多样性的一个用例。同时，系统性能优化还要求多用户分集来利用信道的其他特性，例如频率分集（子带调度）、空间分集（MU-MIMO）。事实上，在LTE MUST研究期间已经表明，与宽带调度相比，通过子带调度，来自SPC的增益降低了。由于用户池的有限规模和大规模MIMO的部署，SPC的增益在可用于优化系统性能的其他技术（包括但不限于子带调度、SU-MIMO、MU-MIMO）之上，还有待研究。

UL/DL mMTC

与eMBB相比，mMTC具有明显不同的服务需求。高频谱效率不是eMTC服务最关键的设计目标，相反，链路预算和接收机复杂度/功耗更为重要。对于以eMTC等短数据突发为主导的应用程序，一个关键的设计挑战是可扩展到大量具有低设备复杂性、低功耗和扩展覆盖范围的活动设备。

由于mMTC服务的长占空比，它自然要求设计将mMTC设备置于类似于RRC_IDLE的RRC状态，其中不需要与网络同步以节省电池。因此，对于mMTC讨论，重点讨论UE从类似于RRC_IDLE的RRC状态开始的场景。现有蜂窝系统实现高频谱效率的一个限制因素通常是在任何用户数据传输之前建立无线电连接的大量信令开销。

图2说明了信令过程，通过该过程，空闲设备在传输有效载荷数据之前建立与网络的无线连接：

A、 设备从空闲状态唤醒，并首先通过主同步序列和辅助同步序列（PSS/SSS）获取定时

B、 设备解码物理广播信道（PBCH）以提取主信息块（MIB）信息，以及获取系统帧号（SFN）。MIB通常每40毫秒广播一次。

C、 设备读取系统信息块（SIB），以提取基本网络配置以开始随机接入。这至少包括按顺序读取SIB1和SIB2信息，它们通常分别每隔80ms和160ms周期性地广播。

D、 设备启动随机接入和RRC连接过程，包括4个步骤

a、 设备发送随机接入前导码。

b、 基站用上行链路资源进行响应，并调整设备的上行链路定时。

c、 设备以身份响应潜在的争用解决方案。

d、 基站确认所选ID并解决争用。

E、 设备启动网络连接请求以注册到网络。根据是否是初始附着，该步骤包括一系列操作，包括MME和基站处的认证和安全上下文设置，以及服务网关和PDN网关处的默认承载设置。

F、 设备开始传输有效载荷数据。

在设备开始传输有效载荷数据之前，有一个漫长的信令过程。这样的开销有利于允许有效地传输大量数据。然而，对于诸如eMTC服务之类的小数据事务，信令开销可能是低效的。

显然，对于eMTC设计优化，在用户可以在UL上传输数据之前，减少信令开销以及用户功耗是非常关键的。从多址接入的角度来看，步骤D对于正交多址方案是必要的，因为需要资源分配和设备的上行链路定时调整来实现来自不同设备的发射信号之间的正交性。使用非正交RSMA，设备不需要等待网络分配专用频率或时间资源进行传输，不同设备的信号可以彼此重叠，但仍可以在基站恢复。此外，不同设备的信号可以彼此异步。事实上，出于检测目的，甚至更优选从不同设备进行异步传输。这些特性使非正交RSMA成为小数据无授权传输的有利选择。如图2所示，非正交RSMA也可以通过高级接收机实现MAC信道容量区域。

根据具体的实现，不同设备的信号可以在基站处通过使用不同的扰码或使用不同的交织来分离。为了便于说明，简单地假设用户被文档其余部分的不同扰码分隔。此外，由于扰码（例如，由最大长度序列生成的扰码）的良好相关性，即使在使用相同的扰码时，只要两个信号是异步的，它们也可以很好地分离。eMTC设备可能随时使用RSMA进行传输。然而，为了降低基站的搜索复杂度，仅为设备提供有限数量的接入时隙以开始传输。请注意，这是一个比步骤D中所要求的要宽松得多的同步要求，而不需要基站进行任何定时调整，因为基站搜索器通常在每个接入时隙周围搜索相对较大的窗口。

eMTC的一个设计目标是在限制设备发射功率的情况下扩展链路预算，这意味着接收机必须在低信噪比下工作，或者系统必须在非常低的频谱效率下工作。一个数据包需要几秒钟才能在小区边缘传送。从链路级的角度来看，使用宽带传输信号是有益的，因为它为信号提供了更多的频率分集，以对抗干扰的突发性和信道的频率选择性。对于信号的宽带传输，为了增加系统容量，无正交多址是一种自然的解决方案。否则，如果实施正交多址接入，在任何给定的时间只有少数用户可以进行传输，整个系统可能无法在全电位（IoT）下工作。

对于DL也存在类似的考虑，对于小数据事务，建立RRC连接和执行UL同步可能成本过高，并对设备电池寿命产生负面影响。对于小的移动终端（MT）有效载荷，期望避免RRC连接建立和UL同步过程。

UL/DL URLLC

URLLC服务要求数据包的高可靠性和低延迟传送。假设URLLC在RRC_CONNECTED状态下启动是合理的。因此，设计目标与eMBB类似，eMBB需要高信道容量的方案。请注意，此处的信道容量是由于URLLC的要求而导致的停机容量。多址接入的选择可以类似于eMBB，而应将更多的设计重点放在提高信道中断能力（尾部行为）上.