導讀
3GPP的R15版本奠定了5G技術標準基礎，其中對於無線信號的編碼方案，出現了大量的爭論。但最終還是選擇了4G中的保留編碼(調製)方案，正交頻分復用Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM)。
圖1 OFDM
但預計今年底前發布的R16版本，將包括一個研究小組的研究結果，該小組負責探索OFDM替代方案。
圖2 3GPP組織
通信中的無線標準經常更新，在下一個5G版本中，該研究成果可以解決5G設備功耗較大的問題。
5G基站的功耗
這一直是一個值得討論的問題，因為5G預計需要更多的基站來提供服務，並連接數十億的移動設備和物聯網設備。
圖3 5G基站與傳統基站對比
美國國家儀器公司射頻和軟體無線電研究市場總監James Kimery說:"我認為運營商並沒有真正理解功耗對手機的影響，以及手機電池壽命的影響。5G手機的高價格，很大原因來自於電池的消耗」
圖4 中國移動的5G試點
Kimery指出，這些擔憂不僅僅適用於5G手機。他說，中國移動一直"對基站的耗電量大聲疾呼."
一般認為，5G基站的耗電量大約是4G基站的三倍，恰恰我們還需要更多的5G基站來覆蓋同一區域。
圖5 4G基站VS5G基站
那麼，5G為何耗電量那麼大呢？
圖6 手機耗電
耗電的原因
5G手機需要處理更多任務，需要更大帶寬，因而導致耗電量大，這是手機在演進過程中的正常現象。5G手機擁有更快的網速和更高的頻譜利用率，犧牲手機耗電量是必然的。
具體而言，多方面因素導致5G手機耗電多。首先，與3G、4G手機相比，5G手機中天線數目明顯增加。5G終端設備採用Massive MIMO（大規模多入多出）天線技術，這需要在手機里內置至少8根天線，而每根天線都有自己的功率放大器，這就會產生比較大的功耗。
同時，使用OFDM發送數據，方法是將數據分割成各個部分，並以不同的頻率同時發送這些數據，以使這些部分是"正交的"(意思是它們不相互干擾)。
圖7 OFDM將串行轉換為並行數據，再基帶調製
由於OFDM符號是由多個獨立經過調製的子載波信號疊加而成的，當各個子載波相位相同或者相近時，疊加信號便會受到相同初始相位信號的調製，從而產生較大的瞬時功率峰值，由此進一步帶來較高的峰值平均功率比(PAPR—Peak to Average Power Ratio)，簡稱峰均比(PAPR)
圖8 峰均比定義
基站的設備在如此高的功率下運作，必然會耗電，而且5G相比4G，需要處理更複雜與廣泛的數據。
所以在4G網絡中，為了避免手機也去處理這麼高的PAPR，我們的上行技術是採用SC-FDMA單載波上行接入技術。
現在的SC-FDMA的峰均比是相對多載頻OFDM情況下低，如果同一基站下手機都是大功率發送的話，對干擾和電池都不好嘛，進而影響接入和使用時間。
圖9 SCFDMA
而OFDMA可以使用多載波，基站一般由電源供電，且發射功率一般比較恆定，所以對於PAPR要求低一些！
例如5G的一些新興應用，如大規模物聯網部署，會因為過高的PAPR令人困惱。
通常情況下，當多個用戶(如一組物聯網設備)使用OFDM進行通信時，它們的通信將使用正交頻分多址(OFDMA)來組織，後者為每個用戶分配一小塊頻譜。
圖10 OFDM如何實現不同用戶的區分，即多址
NOMA
當前比較熱門的一種替代方案，非正交多址接入(NOMA)，一方面可以保持OFDM的優勢，同時也可以使得多個用戶重複使用相同的頻譜。
NOMA據說是NTT Docomo於2014年9月首先倡導的。其思想是發射端不同的用戶分配非正交的通信資源。在正交方案當中，如果一塊資源平均分配給N個用戶，那麼受正交性的約束，每個用戶只能夠分配到1/N的資源。NOMA擺脫了正交的限制，因此每個用戶分配到的資源可以大於1/N。在極限情況下，每個用戶都可以分配到所有的資源，實現多個用戶的資源共享。非正交帶來的負面作用是多用戶干擾。為了解決這個問題，需要接收機側採用比較複雜的接收機技術，典型的是SIC接收機。SIC接收機按照一定的順序逐個解調每個用戶的信號。在第一個用戶的信號解調出來後，把它的信號重構出來並在接收信號當中減去，對其他用戶就沒有干擾了。這樣逐次把所有用戶的信號解調出來。
圖11 NOMA技術與OFDMA對比
在OFDMA中，在不同的頻率資源上發送不同的用戶UE信號，但在Noma情況下，根據小區中UE的位置，在相同頻率但在不同的功率水平上發送不同的UE信號。
這樣在設備側，就不需要那麼高的功率放大器，可以為省電貢獻一部分力量。
OFDM和OFDMA將適合5G的早期需求，像大規模機器式通信這樣的應用在至少一年或兩年後才會出現。
圖12 5G的三大應用場景
但Kimery對該行業將採用任何非OFDMA選項並不樂觀。他表示:"有可能會有另一種選擇，但可能性不大。因為某種方案一旦實施，就很難改變."
總結
NOMA看起來能夠提升頻譜效率，提升能量轉換能力，不同的廠家也都號稱可以提高頻譜效率3倍以上。
但能否真正替代OFDM，相信這將會是一個漫長的過程。
文 | Michael Koziol，IEEE Spectrum，24 Jul 2019 | 15:00 GMT，通信M班長編譯.
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