1.3 技术优势

未来5G无线网络将需要范式转换，以支持具有不同数据速率和延迟要求的大量设备。特别是面向5G物联网（IoT）和移动互联网设备不断增长的需求对5G无线系统提出了挑战性要求。NOMA作为一项极具潜力的技术能够解决5G网络所面临的挑战。

1.NOMA的技术优势

NOMA通过功率分配允许多个用户共享相同资源。在NOMA中，每个用户都能够使用整个通信的所有带宽。因此，NOMA具有如图1-2所示的技术优势[14]。

1）大规模连接：目前业界有一个合理的共识，即NOMA对于大规模连接是必不可少的，因为在所有正交多址（OMA）技术中，服务用户的数量本质上受到资源块数量的限制。相反地，通过将用户信息叠加，NOMA能够在同一资源块服务更多用户。从这个意义上说，NOMA被认为是一种为IoT量身定制的通信技术。因为在IoT中会有大量零星的IoT设备随时发送短的数据包。

2）低延迟：5G应用的延迟需求是多样化的。不幸的是，OMA不能保证如此广泛的延迟需求。因为无论一个设备传输多少位数据，该设备都必须先等待，直到空闲资源块可用为止。相反地，NOMA支持灵活的调度，因为它可以根据所使用的应用和设备的感知服务质量（Quality of Service，QoS）容纳不同数量的设备。

3）高频谱效率：在单小区上行和下行通信系统中，NOMA被认为是理论上使用频谱效率最优的技术。其原因在于NOMA能够分享整个带宽，而OMA受用户数量限制只能使用一部分频谱资源。此外，NOMA能够融合其他技术从而获得更好的频谱效率，如大规模MIMO和毫米波、无线信息与能量协同传输、无人机通信等。

4）公平性：NOMA的一个主要特征就是能分配更多的功率给小区边缘用户。这样，NOMA就能够平衡不同用户间吞吐量的公平性。维护上述公平性的技术有功率分配、用户分簇、协作NOMA和发送端预编码设计等。

5）鲁棒性：5G必须支持异构通信和不同的无线通信环境，在5G中采用NOMA技术的原因在于其具有鲁棒性，包括可扩展性、兼容性和灵活性。从理论上讲，NOMA作为现有OMA的一个 “附加”（add-on）技术，必须能够兼容现有的OMA多址接入技术。

2.NOMA融合技术

鉴于未来5G高频谱效率、低传输延迟及应用的多样性需求，任何一项技术都无法完全满足未来移动通信的需求。因此，未来通信网络必定是NOMA和其他先进的移动通信技术的融合，例如协作中继、多输入多输出、协作多点传输、可见光通信、链路自适应、网络编码、无线信息与能量协同传输、无人机等，如图1-3所示[15]。NOMA与上述技术的融合将是未来移动通信技术实用化面临的重要挑战。

1）协作中继：在无线网络中，协同通信由于能够提供空间分集来减缓衰落，同时解决了在小型通信终端上安装多个天线的困难，因此得到了广泛的关注。在协作通信中，利用中继节点将信息转发到期望的目的节点。因此，将协作通信技术融合到NOMA技术中能够进一步提高系统容量和可靠性，两种典型的协作NOMA系统如图1-4所示。协作NOMA利用了NOMA系统中可用的先验信息。在该方案中，信道条件较好的用户为其他用户译码信息，因此，这些用户充当中继，提高与基站连接较差的用户的接收可靠性。通过使用超宽带（Ultra-Wideband，UWB）和蓝牙（Bluetooth，BT）等短程通信技术，可以为信道条件较差用户与信道条件较好的用户实现可靠通信。

2）多输入多输出：波束赋形（Beamforming，BF）是一种用于各种无线定向通信系统的信号处理技术，多用户BF在MIMO系统中被认为是一种容量增强技术。在多用户BF系统中，每个用户都由一个BF向量支持，正交于其他用户信道，以消除其他用户的干扰，从而最大限度地实现可最优的容量。因此，NOMA与多用户BF融合技术（NOMA-BF）同时具有NOMA和BF的优点。NOMA-BF技术能够同时允许两个用户分享一个波束向量。为减少波束间和波束内干扰，NOMA-BF提出基于用户相关性和信道增益的不同来获得分簇和功率分配算法。与传统波束赋型系统相比，NOMA-BF能够提高系统和容量，确保用户公平性。

3）多点协作：在蜂窝系统中，与接近基站的用户相比，小区边缘用户通常数据速率较低。在协作多点传输（Coordinated Multipoint，CoMP）方式下，多个基站共同服务边缘用户，以提高小区边缘用户性能，如图1-5所示。CoMP系统对应的基站需要将相同信道分配给小区边缘用户，因此系统的频谱效率将会随着小区边缘用户数目的增加而不断恶化。为了解决这一问题，研究者们提出了一些方案。

4）可见光：可见光通信（VLC）系统的主要缺点之一是光源的窄调制带宽，这导致难以获得合适的数据速率。与无线通信一样，光无线通信也考虑各种信号处理技术，以及多载波和多天线系统，以便在VLC系统中实现更高的数据速率。由于NOMA是下一代无线通信的一个潜在候选对象，所以NOMA在VLC中的可行性也是一个值得关注的课题。利用NOMA技术增强高速率VLC的可达吞吐量是可行的。

5）链路自适应：混合自动重复请求（Hybrid Automatic Repeat Request，HARQ）协议是链路自适应的重要组成部分，它利用重传分集和信道编码增益来实现可靠的通信。当同时传输多个NOMA数据包时，存在一个冲突，一个重传请求被发送给冲突中的用户。即使数据包发生冲突，每个数据包至少可以传递一定数量的信息。利用HARQ可以将所有的重传信号进行组合，从而提高NOMA的频谱效率。

6）网络编码：随机线性网络编码（Random Linear Network Coding，RLNC）是一种允许数据重传的良好编码方案。在RLNC中，源节点不需要知道期望接收方丢失的数据包。到目前为止，各种RLNC技术已经被提出，用于提高组播和广播服务的传输效率。通过RLNC和NOMA融合技术，可以进一步提高下行网络组播服务的性能，提高组播和广播服务的传输效率。

7）无线信息与能量协同传输：为了增强频谱效率，5G网络另一个主要目标是最大化能量效率。许多研究者指出无线信息与能量协同传输（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer，SWIPT）是一个解决无线通信系统能量效率的可行方法。通过将SWIPT和NOMA结合起来，可以建立一个协作通信协议，其中小区中心用户充当能量收集中继，帮助小区边缘用户。与传统的NOMA相比，SWIPT的使用不会影响NOMA系统近端用户和远端用户的分集阶数。

8）无人机：在通信领域，无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）辅助通信以其优越的灵活性和自主性被业界和学术界公认为一种新兴的通信技术。一方面，许多行业项目已经部署用于空中全球大规模连接，如谷歌Loon项目、Facebook的互联网无人交付及美国AT&T的机载LTE服务；另一方面，UAV被认为是5G辅助极具潜力的技术之一。在UAV融合5G及B5G道路上，多址接入技术是必须具备的条件。因此，UAV-NOMA是实现空天一体化（Air-to-Everything，A2E）的重要技术。