5G笔记| 概述：F-OFDM、新型NOMA多址

5G的多样化需求通过新型调制编码、新型多址、大规模天线和新型多载波等技术来满足，其中新型多载波技术有滤波正交频分复用F-OFDM、通用滤波多载波UFMC、滤波器组多载波FBMC等技术，它们都使用滤波机制减少子载波的频谱泄露，从而放松时频同步的要求，避免OFDM的主要缺点

F-OFDM：[子带滤波] 时域冲激响应较长的滤波器，子带内部处理与OFDM一致
UFMC：[子带滤波（比子载波滤波和全频段滤波更灵活）] 时域冲激响应较短的滤波器，无OFDM的CP
FBMC：[基于子载波的滤波（需要非常紧凑的频域响应）] 放弃复数域正交，换取波形时频局域性上的设计自由度，更灵活的适配信道变化，也不需要CP
GFDM：[子载波的滤波和灵活的分块结构] 对时间和频率进行更为细致的划分，从而通过不同配置满足不同应用场景的需求
这里重点关注5G的F-OFDM技术

引入：4G的OFDM的缺点

4G的OFDM的缺点：

参数集固定：子载波间隔、符号长度、TTI均固定，不够灵活
子载波间隔（△f=1T\triangle f=\frac{1}{T}△f=T1，TTT为OFDM符号周期）和符号长度TTT固定
频谱旁瓣大，频谱边带滚降满，还预留10%带宽作为保护带

5G的波形仍然基于OFDM来设计，但5G需要多样性业务支持，从而要求灵活的波形配置

车联网低时延要求更短的TTI和符号长度，对应较大的子载波间隔
物联网连接数量巨大，但传送的数据量小，要求大量子载波，且子载波间隔小
对应也允许较长的OFDM符号长度和TTI，并且此时几乎不需要考虑多径效应引发的ISI，因此不需要再引入CP

传输时间间隔TTI：无线资源调度的最小时间单位，在LTE中等于一个子帧（两个slot）的时长，即1ms

可见，5G新波形需要灵活的参数集，另外也需要更高频谱效率（MIMO友好性和支持高阶调制）、上行、下行和side link链路具有统一波形

F-OFDM

F-OFDM允许不同的子载波具有不同物理带宽（同时对应不同的符号长度、保护间隔/CP长度），从而满足不同业务需求；

如图，不同参数的OFDM波形共存，使用不同的子带滤波器创建了多个OFDM子载波组（具有不同子载波间隔、OFDM符号长度、保护间隔）
另外，F-OFDM通过优化滤波器，也降低了带外泄露，从而降低频域保护间隔（最低一个子载波物理带宽，对应频域保护间隔开销1%），提升频谱利用率
由于子带间能量隔离，子带之间不带需要严格同步，有利于支持异步信号传输，减少同步信令开销

总之，F-OFDM继承了OFDM适配MIMO等优点，还进一步提升了灵活性和频谱效率

5G新空口的OFDM

空口：空中接口Air Interface，理解为基站到手机的路径，它定义了无线信号的频率、带宽、编码等传输规范
5G新空口也称为5G NR(New Radio)

5G新空口采用具有可扩展特性循环前缀的OFDM(CP-OFDM)

其符号长度TTT固定不再固定，进而子载波间隔△f\triangle f△f可以调整
通过加窗、滤波在频域限制OFDM信号的带外辐射
上下行波形相同

新型NOMA多址技术

传统多址技术，主要是在时域、频域；
5G新型NOMA多址技术，多用户信息叠加在相同时频资源上，通过码域、空域、功率域来提高接入容量和频谱效率，从而可以用于5G的大规模物联网业务

NOMA多址技术：

时频资源分配类似OFDMA
时域上仍以OFDM符号为最小单位，并插入CP防止ISI
频域上仍以子信道为最小单位，并彼此正交（然而用户之间不正交）
区别在于，NOMA允许不同用户使用相同时频资源，多用户共享一个OFDM符号/子信道
不仅在时频域区分用户，还在码域、空域、功率域上为用户赋予不同特征，从而区分用户

CDMA的远近效应问题（边缘用户和中心用户的功率差异），在NOMA中反而起到助力作用（依靠功率域区分用户）

NOMA关键技术：串行干扰消除SIC

NOMA中相同时频资源上可能承载着不同功率的多用户，消除多址干扰MAI的典型技术就是串行干扰消除SIC
其原理在于，从功率最大的信号开始，逐一解调，并逐一减去当前信号的MAI

如图，依次对功率最大的信号进行匹配滤波、数据判决、幅度估计，然后消除干扰

具体NOMA方案

稀疏码分多址接入SCMA [码域多址]
①低密度扩频：单用户数据用4个子载波中的2个来传输，总体上6个用户共享4个子载波（因此称为稀疏，主要是为了保证解调多用户数据），通过稀疏码字来区分用户；
注意，用户间不严格正交，即一个用户占两个子载波，一个子载波上有3个用户，难以解调，这需要多维/高维调制
②多维/高维调制：（传统IQ调制：两维，幅度与相位）每个用户使用统一分配的稀疏编码码本进行多维/高维调制，虽然仍调制幅度和相位，但最终多个用户的星座点欧式距离更远，在接收端通过消息过滤算法MPA解码，从而可以多用户解调（一个子载波虽然有多个用户数据，但不同用户用不同“标签”）区分开

上图为一个时域符号上的SCMA，纵向的方格代表不同子载波，不同Layer对应不同用户，所有层对应稀疏编码码本进行调制，然后各个层的结果叠加
图样分割多址PDMA：[码域 / 空域 / 功率域多址] 基于非正交特征图样的技术
通过图样分割技术，发送端多个用户采用特征图样区分（加大不同用户区分度，从而改善SIC干扰消除性能），接收端采用串行干扰消除SIC实现多用户检测

用户图样可以在功率域（功率分配/时频资源与功率联合分配）、码域（与CDMA不同，码字无需对齐）、空域（多用户编码，如图）独立进行，也可以联合进行
多用户共享接入技术MUSA：基于复数域多元码及增强叠加编码
不同用户已调符号经复数域多元码序列进行扩展，扩展后的符号在相同时频资源上发送，接收端采用线性处理+码块级SIC（串行干扰消除）译码
扩展序列与传统CDMA的长PN序列不同（长PN序列在5G海量连接下过载率大，导致SIC复杂低效），MUSA扩展序列是复数域的多元码序列，在码长较短的情况下也有较低的互相关
另外，大量用户可以通过随机选取扩展序列，在相同时频资源上接入，且无需资源申请，免调度，甚至可以免除严格的上行同步，信令开销小