5G通信中新型多址接入技术的原理与性能研究

 

摘要

本研究聚焦5G通信中新型多址接入技术，阐述其原理并分析性能。在梳理新型多址接入技术发展背景基础上，深入剖析非正交多址接入（NOMA）、稀疏码多址接入（SCMA）等典型技术原理，通过理论推导、仿真实验等方法，从系统容量、用户公平性、频谱效率等维度评估性能，揭示其优势与局限，为5G网络优化及6G技术预研提供参考。

一、引言

随着移动互联网和物联网迅猛发展，对通信系统容量、连接数及传输速率提出更高要求。5G作为新一代移动通信技术，需突破传统多址接入技术局限。新型多址接入技术应运而生，旨在提升频谱效率、支持海量连接，成为5G通信关键技术之一，对其原理与性能研究意义重大。

二、5G通信多址接入技术发展背景

传统多址接入技术如时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）和码分多址（CDMA）在4G及之前通信系统广泛应用，但面对5G场景需求渐显不足。5G三大应用场景为增强移动宽带（eMBB）、海量机器类通信（mMTC）和超可靠低时延通信（uRLLC），要求系统具备更高频谱效率、支持更多连接设备及更低时延与更高可靠性。传统多址技术基于正交资源分配，难以在有限频谱资源下满足这些复杂需求，促使新型多址接入技术发展。

三、新型多址接入技术原理

（一）非正交多址接入（NOMA）

NOMA原理是在相同时间、频率和码字资源上，通过功率复用区分不同用户信号。发射端对不同用户数据进行叠加编码，利用功率分配使不同用户信号功率不同；接收端采用连续干扰消除（SIC）技术，先解码功率强的用户信号，再从接收信号中减去已解码信号，实现对其他用户信号解码。如在下行链路中，基站根据用户信道条件分配功率，信道条件差的用户分配较高功率，以保证通信质量。

（二）稀疏码多址接入（SCMA）

SCMA是一种基于码本的非正交多址技术。它将多个用户数据映射到多维稀疏码本上，不同用户码字在码本中具有特定稀疏结构。在发送端，用户数据通过特定编码映射到稀疏码字，多个用户码字叠加后发送；接收端利用消息传递算法（MPA），根据码本稀疏特性和信道信息恢复各用户数据。由于码字稀疏性，接收端可有效降低计算复杂度，实现多用户信号检测。

（三）其他新型多址技术

除NOMA和SCMA，还有图样分割多址接入（PDMA）、多进制相移键控 - 多址接入（MUSA）等新型多址技术。PDMA通过设计不同资源图样区分用户，MUSA则基于低密度扩频码实现多用户接入，这些技术原理各有特点，均为提升5G通信性能提供新思路。

四、新型多址接入技术性能研究

（一）系统容量分析

理论推导表明，NOMA和SCMA等新型多址技术在相同频谱资源下，相比传统正交多址技术可提升系统容量。以NOMA为例，通过功率复用和SIC技术，可有效利用信道资源，增加系统传输数据量。仿真实验在不同用户数量和信道条件下对比传统TDMA与NOMA系统容量，结果显示NOMA系统容量提升显著，尤其在用户数量较多时优势更明显。

（二）用户公平性评估

用户公平性是多址接入技术重要性能指标。NOMA中功率分配策略对用户公平性有较大影响，若功率分配不合理，信道条件差的用户可能获得较差服务质量。研究提出多种功率分配算法，如基于比例公平准则的功率分配，在提升系统容量同时保证一定用户公平性。SCMA通过码本设计和多用户检测算法，可在一定程度上平衡不同用户通信性能，保障用户公平性。

（三）频谱效率研究

新型多址技术通过非正交资源利用提升频谱效率。SCMA利用多维码本和稀疏编码，使频谱效率大幅提高。在实际5G网络部署场景中，结合不同业务类型和流量分布，对新型多址技术频谱效率进行测试，结果显示其在支持海量连接和高速数据传输业务时，频谱效率比传统多址技术有明显改善，能更好适应5G多样化业务需求。

（四）抗干扰能力分析

5G通信环境复杂，多址接入技术抗干扰能力至关重要。NOMA接收端SIC技术在一定程度上可抵抗用户间干扰，但对干扰信号强度和干扰源数量有一定限制。SCMA由于码本稀疏特性，在干扰环境下具有较好鲁棒性，通过仿真不同干扰场景下信号误码率，验证其抗干扰优势，为5G网络在复杂电磁环境下稳定运行提供技术支持。

五、结论与展望

本研究深入分析5G通信中新型多址接入技术原理与性能。NOMA、SCMA等技术通过创新的非正交资源分配和信号处理方式，在系统容量、频谱效率等方面展现出优于传统多址技术的性能。然而，新型多址技术也面临一些挑战，如接收端复杂度增加、多用户同步与干扰协调难度加大等。未来研究方向包括进一步优化算法降低接收端复杂度，研究与其他5G关键技术融合方案，以及探索面向6G通信的更先进多址技术，以持续提升移动通信系统性能，满足未来不断增长的通信需求。