星地一体化网络通信 第7篇：多址接入技术：高效利用频谱资源的关键

摘要

本文将带你深入了解星地一体化网络的多址接入技术。你将学到经典正交多址技术（FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA、SC-FDMA）的原理与特点、非正交多址技术（PD-NOMA、MUSA、SCMA、RSMA、IDMA）的优势与挑战，以及星地融合网络对多址技术的特殊要求。通过本文的学习，你将理解多址技术如何高效共享有限的频谱资源，掌握未来6G网络的多址技术发展方向。

学习目标

阅读完本文后，你将能够：

• 理解多址原理：阐述正交与非正交多址技术的基本原理
• 对比技术方案：区分FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA等技术特点与适用场景
• 认识融合需求：理解星地融合对多址技术的特殊挑战和解决方案
• 掌握非正交多址：理解NOMA技术的理论优势与实现挑战
• 了解发展趋势：认识未来多址技术的发展方向与应用前景

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第一章：多址接入技术基础

多址接入技术允许多个用户共享相同的频谱资源，是无线通信系统的核心技术之一。从第一代移动通信到5G，多址技术经历了多次演进。

1.1 多址技术的基本原理

flowchart TD
    A[多址接入问题] --> B[频域分割]
    A --> C[时域分割]
    A --> D[码域分割]
    A --> E[空域分割]

    B --> B1[FDMA]
    C --> C1[TDMA]
    D --> D1[CDMA]
    E --> E1[SDMA]

    B1 & C1 & D1 & E1 --> F[正交多址<br>OMA]

    F --> G[用户间<br>无干扰]

    G --> H[容量提升<br>频谱利用率<br>系统复杂度]

图表讲解：这张分类图展示了多址接入技术的四个基本维度。频域分割（FDMA）将可用频谱划分为多个互不重叠的子频带，每个用户分配一个或多个子频带。时域分割（TDMA）将时间划分为帧、时隙、符号等不同层次，用户在指定时隙传输。码域分割（CDMA）通过正交或准正交的扩频码区分用户，所有用户可以同时使用相同频带。空域分割（SDMA）通过空间分隔用户（如波束成形、扇区化）实现频谱复用。

正交多址（OMA）的核心思想是确保用户间干扰为零或足够小，使每个用户可以获得独立的信道质量。这通过在频域、时域、码域或空域的正交划分来实现。正交多址的优点是实现简单，用户间干扰小，信道质量可预测；缺点是频谱利用率受正交约束限制。

1.2 多址技术的发展演进

timeline
    title 多址接入技术演进
    section 1G时代 1980s
        FDMA : 模拟话音<br>频分多址
    section 2G时代 1990s
        TDMA : 数字话音/数据<br>时分多址<br>GSM
        CDMA : 码分多址<br>IS-95
    section 3G时代 2000s
        CDMA : WCDMA<br>cdma2000
    section 4G时代 2010s
        OFDMA : LTE下行<br>正交频分多址
        SC-FDMA : LTE上行<br>单载波FDMA
    section 5G时代 2020s
        OFDMA : NR下行<br>灵活参数配置
        SC-FDMA : NR上行<br>增强特性
    section 6G时代 2030s
        NOMA : 非正交多址<br>极化码
        OFDMA : 演进增强

图表讲解：这张时间线图展示了多址技术从1G到6G的演进历程。1G使用模拟FDMA，系统容量受限于频率资源和干扰，仅支持语音业务。

2G出现了TDMA和CDMA两种技术路线。GSM系统采用TDMA，8个用户共享一个200kHz载波，每个用户占用一个时隙。IS-95系统采用CDMA，所有用户使用相同的1.25MHz频带，通过不同的扩频码区分。CDMA的优势是容量大、抗干扰能力强，但需要精确的功率控制。

3G以CDMA为主，包括WCDMA和cdma2000。CDMA提供了更高的频谱效率和软切换能力，成为3G的主流选择。

4G采用了OFDMA作为多址技术。OFDM将高速数据流分配到多个正交的子载波上，每个子载波可以使用独立的调制编码。这种技术在频谱效率、抗多径能力、MIMO支持等方面具有优势。下行使用OFDMA，上行使用SC-FDMA（单载波FDMA）以降低终端峰均比。

5G NR延续了4G的OFDMA/SC-FDMA，但引入了更多的灵活性，如可变的子载波间隔、可变的循环前缀长度、mini-slot等，以适应多样化的业务需求。

6G将引入NOMA（非正交多址）作为关键技术之一，在干扰管理、频谱效率、大规模连接方面进一步提升性能。

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第二章：经典正交多址技术

经典正交多址技术包括FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA、SC-FDMA等，每种技术都有其适用的场景和限制。

2.1 频分多址（FDMA）

flowchart LR
    A[FDMA] --> B[频带划分]
    A --> C[频段分配]
    A --> D[保护间隔]

    B --> B1[连续频带]
    B --> B2[互不重叠]
    B --> B3[固定分配<br>或 按需分配]

    C --> C1[专用频段]
    C --> C2[业务保障]
    C --> C3[干扰隔离]

    D --> D1[保护频带]
    D --> D2[滤波器邻道泄漏]

    B1 & B2 & B3 & C1 & C2 & C3 & D1 & D2 --> E[系统特性]

    E --> E1[优点: 简单可靠]
    E --> E2[缺点: 频谱效率低]
    E --> E3[应用: 卫星通信<br>广播电视]

图表讲解：这张原理图展示了FDMA的核心机制。FDMA将可用频谱划分为多个互不重叠的子频带，每个用户（或业务）分配一个或多个子频带。子频带之间需要保护间隔（保护频带）以避免邻道干扰。

FDMA的优点是实现简单可靠，各用户独立接入，无需严格的同步。每个用户可以使用连续的频带，适合广播电视等连续流业务。FDMA的缺点是频谱效率较低，保护频带浪费资源，且不支持业务的突发性。

FDMA在卫星通信中有广泛应用。例如，传统的C波段卫星转发器通常将500MHz带宽划分为多个转发器，每个转发器占用36MHz或72MHz，分配给不同的业务或用户。用户根据自己的需求租用一个或多个转发器，独立运行。

2.2 时分多址（TDMA）

flowchart TD
    A[TDMA] --> B[帧结构]
    A --> C[时隙分配]
    A --> D[同步机制]

    B --> B1[帧: 基本单位<br>几毫秒]
    B --> B2[时隙: 业务单元<br> fractions of ms]
    B --> B3[符号: 基本符号<br> microseconds]

    C --> C1[静态分配]
    C --> C2[动态分配]
    C --> C3[按需调度]

    D --> D1[位同步]
    D --> D2[帧同步]
    D --> D3[网同步]

    B1 & B2 & B3 & C1 & C2 & C3 & D1 & D2 & D3 --> E[系统特性]

    E --> E1[优点: 连续发射<br>单频谱]
    E --> E2[缺点: 同步要求高<br>保护时间]
    E --> E3[应用: GSM<br>卫星通信]

图表讲解：这张结构图展示了TDMA的核心机制。TDMA将时间划分为帧、时隙、符号等多个层次。帧是TDMA的基本单位，长度通常为几毫秒到几十毫秒。帧内包含多个时隙，每个时隙可以分配给不同用户。时隙进一步包含多个符号，符号是基本的调制单位。

TDMA的时隙分配可以是静态的（固定分配）或动态的（按需调度）。静态分配简单但效率低，动态分配复杂但灵活。动态调度需要信令机制来传递调度信息，增加了系统复杂度。

TDMA需要精确的同步机制。位同步确保接收端正确采样符号边界，帧同步确定帧的起始位置，网同步确保不同基站/卫星的时间基准一致。同步是TDMA的关键挑战，同步误差会导致干扰和容量损失。

TDMA的优点是用户可以使用整个频谱（连续发射），功放效率高，且频谱利用率高于FDMA（无需保护频带）。缺点是需要保护时间（前缀、后缀、循环前缀），且对同步和定时偏差敏感。

2.3 码分多址（CDMA）

flowchart TD
    A[CDMA] --> B[直接序列CDMA]
    A --> C[跳频CDMA]
    A --> D[多载波CDMA]

    B --> B1[高速率扩频序列<br>扩频因子]
    B --> B2[同频同时传输]
    B --> B3[码分多址]

    C --> C1[跳频图案]
    C --> C2[频率变化]
    C --> C3[抗干扰<br>低截获]

    D --> D1[多载波<br>并行CDMA]
    D --> D2[MC-CDMA]

    B1 & B2 & B3 & C1 & C2 & C3 & D1 & D2 --> E[关键技术]

    E --> E1[扩频码设计]
    E --> E2[功率控制]
    E3[码管理]
    E --> E4[软切换]

图表讲解：这张分类图展示了CDMA的三种主要类型。直接序列CDMA（DS-CDMA）是最常见的CDMA形式，用高速率扩频序列（如码片速率1.2288Mcps）与数据信号相乘，将信号扩展到更宽的频带。接收端用相同的扩频序列解扩，恢复原始数据。多个用户可以同时使用相同频带，通过不同的正交或准正交扩频码区分。

跳频CDMA（FH-CDMA）使载波频率按照跳频图案快速变化，在多个频点上跳变。跳频可以避免干扰和截获，在军事通信中有应用。跳频CDMA可以与直序CDMA结合，形成混合系统。

多载波CDMA（MC-CDMA）将数据流分配到多个子载波上，每个子载波进行直序扩频。这是OFDM和CDMA的结合，在3G系统中应用。

CDMA的关键技术包括：

• 扩频码设计：需要足够多的正交或准正交码（如Walsh码、Gold码），码的自相关和互相关特性直接影响系统性能
• 功率控制：CDMA是干扰受限系统，需要精确的功率控制，使所有用户到达基站的功率基本相等
• 码管理：码的分配、复用、规划需要仔细设计，避免码字混淆
• 软切换：CDMA支持软切换（先连后断），切换时更平滑

2.4 正交频分多址（OFDMA）

flowchart TD
    A[OFDMA] --> B[OFDM调制]
    A --> C[子载波分配]
    A --> D[灵活性]

    B --> B1[IFFT变换]
    B --> B2[循环前缀CP]
    B --> B3[多载波并行]

    C --> C1[连续分配<br> localized]
    C --> C2[分布式分配<br>distributed]
    C --> C3[跳频方式]

    D --> D1[可变参数]
    D --> D2[动态TBS]
    D --> D3[mini-slot]

    B1 & B2 & B3 & C1 & C2 & C3 & D1 & D2 & D3 --> E[系统优势]

    E --> E1[抗多径强]
    E --> E2[频谱效率高]
    E --> E3[MIMO友好]
    E --> E4[灵活性高]

图表讲解：这张方案图展示了OFDMA的核心机制。OFDMA基于OFDM调制，使用IFFT（快速傅里叶逆变换）将数据调制到多个子载波上，添加循环前缀后发射。OFDM将宽带信道划分为多个窄带子信道，每个子信道经历平坦衰落，均衡简单。

子载波分配可以采用连续分配（localized）或分布式分配（distributed）。连续分配将相邻子载波分配给同一用户，适合低速移动、信道质量稳定的场景。分布式分配将子载波分散到整个频段，可以更好地利用频率分集，适合高速移动、信道质量波动大的场景。

OFDMA的灵活性体现在多个维度。可变参数允许根据信道条件和业务需求调整子载波间隔、循环前缀长度等参数。动态TBS（Transport Block Size）允许根据信道质量自适应调整传输块大小。mini-slot将时隙进一步细分，支持超低时延业务。

OFDMA的优势包括：

• 抗多径能力强：循环前缀消除了符号间干扰
• 频谱效率高：子载波可以紧密排列，保护间隔小
• MIMO友好：每个子载波可以独立进行预编码
• 灵活性高：频域资源分配灵活，支持多样化业务

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第三章：非正交多址技术

正交多址（OMA）确保用户间干扰为零或足够小，但这限制了频谱效率的提升。非正交多址（NOMA）允许用户间干扰存在，通过干扰管理提升系统容量。

3.1 NOMA的基本原理

flowchart TD
    A[NOMA原理] --> B[功率域复用]
    A --> C[码域复用]
    A --> D[多用户共享]

    B --> B1[远-近用户]
    B --> B2[不同功率]
    B --> B3[远近效应<br>作为资源]

    C --> C1[稀疏码本]
    C --> C2[多用户检测]
    C --> C3[码分多址<br>增强型]

    D --> D1[同频同时]
    D --> D2[干扰可控]
    D --> D3[接收机复杂]

    B1 & B2 & B3 & C1 & C2 & C3 & D1 & D2 & D3 --> E[关键技术]

    E --> E1[功率分配]
    E --> E2[接收机算法]
    E --> E3[干扰消除]

图表讲解：这张原理图展示了NOMA的两种主要实现方式。功率域复用NOMA（PD-NOMA）利用功率差异区分用户。远端用户（信道条件差）分配更高功率，近端用户（信道条件好）分配较低功率。接收端使用SIC（连续干扰消除）先解码远端用户，消除其干扰后再解码近端用户。

码域复用NOMA（CDMA）利用稀疏码本（低密度签名）区分用户。稀疏码本的特点是码字非正交但互相关性低，多用户检测算法可以分离不同用户的信号。码域NOMA可以与PD-NOMA结合，进一步提升性能。

NOMA的核心思想是将”干扰”转化为”可用资源”。在OMA系统中，用户间干扰是需要避免的负面影响；在NOMA系统中，干扰可以被利用来区分用户或传输额外的信息。这种思想类似于”化敌为友”——如果无法完全消除干扰，那就控制干扰、利用干扰。

3.2 PD-NOMA原理与实现

flowchart LR
    A[PD-NOMA] --> B[发射端]
    A --> C[接收端]

    B --> B1[功率分配]
    B --> B2[叠加编码]
    B --> B3[同一时频资源]

    B1 --> B1_1[功率比<br>α2: α1]
    B2 --> B2_1[superposition coding<br>常量]

    B3 & B2_1 --> D[信号叠加]

    C --> C1[SIC检测]
    C --> C2[串行干扰消除]

    D --> E1[用户1信号<br>p1 * x1]
    D --> E2[用户2信号<br>p2 * x2]

    E1 & E2 --> F[接收信号 y]

    F --> G[检测用户2<br>直接检测]

    F --> H[消除用户2<br>SIC消除]

    G --> I[检测用户1<br>消除干扰后]

    C1 & C2 & G & H & I --> J[解码顺序<br>关键设计]

图表讲解：这张流程图展示了PD-NOMA的完整过程。发射端将两个用户的信号进行叠加编码（通常线性叠加，superposition coding），在同一时频资源上发射。两个信号的功率比是关键设计参数（α1和α2），通常远端用户分配更多功率。

接收端使用串行干扰消除（SIC）进行检测。首先检测较强信号的用户2（通常功率较大的近端用户），获得其数据估计。然后从接收信号中减去用户2的信号分量，消除其干扰。最后在消除干扰后的信号上检测较弱信号的用户1（功率较小的远端用户）。

解码顺序是PD-NOMA的关键设计。通常先解码强用户，后解码弱用户，因为强用户对弱用户的干扰大，先消除强用户的干扰可以获得更好的性能。但解码顺序不是绝对的，可以根据功率比、信道条件等因素优化。

PD-NOMA的性能增益主要来自于功率域的自由度。相比于OMA需要给每个用户分配正交资源（不同的时频块），NOMA可以给多个用户分配相同的时频资源，通过功率差异和SIC实现分离。这种功率域的自由度理论上可以提升系统容量。

3.3 码域NOMA技术

flowchart TD
    A[码域NOMA] --> B[MUSA]
    A --> C[SCMA]
    A --> D[IDMA]

    B --> B1[多用户共享<br>稀疏码本]
    B --> B2[互相关低]
    B --> B3[压缩感知]

    C --> C1[低密度签名]
    C --> C2[码字叠加]
    C --> C3[稀疏特性]
    C --> C4[多用户检测]

    D --> D1[交织分多址]
    D --> D2[稀疏序列]
    D --> D3[码字非正交]
    D --> D4[图模型检测]

    B1 & B2 & B3 & C1 & C2 & C3 & C4 & D1 & D2 & D3 & D4 --> E[共同特点]

    E --> E1[码域非正交]
    E --> E2[接收机复杂]
    E --> E3[系统增益]

图表讲解：这张分类图展示了三种码域NOMA技术的特点。MUSA（多用户共享接入）使用稀疏码本，不同用户的码字互相关低。接收端采用压缩感知算法，利用码字的稀疏特性进行多用户检测。MUSA适用于大规模连接场景。

SCMA（稀疏码分多址）使用低密度签名，码字由几个稀疏的非零元素组成。不同用户的码字可以叠加，接收端利用稀疏特性进行检测。SCMA的码字设计非常灵活，可以根据用户数和负载情况调整。

IDMA（交织分多址）通过交织器区分用户，用户的信号经过不同的交织图案，形成稀疏序列。接收端使用图模型检测算法进行检测。IDMA的接收机复杂度较高，但性能良好。

码域NOMA的共同特点是码域非正交，这意味着用户间的干扰不可避免。但通过精心设计的码本和接收机算法，这种干扰可以被管理、利用。码域NOMA的理论增益来自于码域的自由度——传统OMA每个用户需要正交码字，NOMA可以突破正交约束，使用更多码字，支持更多用户。

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第四章：星地融合的多址技术挑战

星地融合网络在多址技术方面面临独特挑战，需要专门的技术方案。

4.1 星地信道的特殊性

flowchart TD
    A[星地信道特征] --> B[大差异]
    A --> C[长时延]
    A --> D[高移动]

    B --> B1[动态范围大]
    B --> B2[信道特性<br>多样]

    C --> C1[往返时延<br>几十到几百ms]
    C --> C2[HARQ效率<br>降低]

    D --> D1[多普pler频移大]
    D --> D2[切换频繁]

    B1 & B2 & C1 & C2 & D1 & D2 --> E[多址设计考虑]

    E --> E1[自适应能力]
    E --> E2[鲁棒性要求]
    E --> E3[灵活性需求]

图表讲解：这张影响图展示了星地信道对多址技术设计的特殊影响。大动态范围是指信道条件变化幅度很大，晴天和暴雨的路径损耗差异可能超过20dB。这意味着多址系统需要很强的自适应能力，根据信道条件调整参数（如编码率、调制阶数、发射功率）。

长时延影响HARQ效率。HARQ是地面移动通信的核心技术，通过ARQ和FEC结合提升性能。但卫星链路的往返时延（LEO约20-50ms，GEO约250-280ms）远大于地面链路（几毫秒），HARQ的重传时延大，效率降低。需要设计适合长时延的HARQ协议或替代方案。

高移动导致的多普勒频移和频繁切换也是挑战。低轨卫星的高速运动产生显著的多普勒频移，影响载波恢复和解调性能。同时，用户在卫星波束间的切换更频繁，切换中断时间更长，影响多址技术的性能。

4.2 星地融合的多址方案

flowchart TD
    A[星地融合多址方案] --> B[架构一]
    A --> C[架构二]
    A --> D[架构三]

    B --> B1[独立系统]
    B --> B2["地面: 5G NR<br/>卫星: 自适应"]
    B --> B3["在网关<br/>交换"]

    C --> C1[紧耦合]
    C --> C2[统一帧结构]
    C --> C3["联合资源<br/>管理"]

    D --> D1[融合多址]
    D --> D2[统一OFDMA]
    D --> D3[上下行差异化]
    D --> D4["卫星地面<br/>协同调度"]

    B1 & B2 & B3 & C1 & C2 & C3 & D1 & D2 & D3 & D4 --> E[选择因素]

    E --> E1[融合程度]
    E --> E2[性能目标]
    E --> E3[实现复杂度]
    E --> E4[成本预算]

图表讲解：这张架构图展示了星地融合多址技术的三种架构方案。架构一是独立系统方案，地面网络和卫星网络独立运行，使用各自的多址技术（5G NR和自适应TDMA/CDMA）。两种系统在网关站交换数据，用户通过双模终端接入。这种方案实现简单，但无法充分发挥融合优势。

架构二是紧耦合方案，地面和卫星使用统一的帧结构和资源管理。这需要对5G NR进行扩展，使其能够支持卫星信道的特殊特性。这种方案性能最优，但实现复杂度高，需要对3GPP标准进行扩展。

架构三是融合多址方案，设计全新的多址技术，充分考虑星地信道的特点。例如，统一的OFDMA框架，但在参数配置、帧结构、资源管理等方面进行优化，同时适应地面和卫星信道。

架构选择需要考虑融合程度、性能目标、实现复杂度、成本预算等多个因素。对于大多数应用，架构一（独立系统）是现实的起点；架构三（融合多址）是长期目标；架构二（紧耦合）可能需要长期演进。

4.3 卫星通信的多址技术选择

flowchart TD
    A[卫星多址技术] --> B{卫星类型}

    B -->|GEO| C[MF-TDMA]
    B -->|MEO/LEO| D[混合方案]

    C --> C1[多载波TDMA]
    C --> C2[按需分配]
    C --> C3[效率与灵活性<br>平衡]

    D --> D1[TDMA+CDMA]
    D --> D2[混合方案]
    D --> D3[根据业务选择]

    C & D --> E[业务适配]

    E --> E1[广播业务]
    E --> E2[双向通信]
    E --> E3[接入网业务]

    E1 & E2 & E3 --> F[标准影响]

    F --> F1[DVB-S2]
    F --> F2[DVB-RCS]
    F --> F3[3GPP NTN]

图表讲解：这张选择图展示了不同类型卫星的多址技术选择。高轨（GEO）卫星通常使用MF-TDMA（多载波时分多址），因为覆盖区域固定，业务多为广播型，TDMA可以高效利用转发器资源。

中轨和低轨（MEO/LEO）卫星可能使用混合方案，结合TDMA和CDMA的优势。例如，对于双向通信业务，TDMA可以提供灵活的按需分配；对于大规模接入业务，CDMA可以提供更好的连接性和抗干扰性。

业务适配是关键考虑因素。对于广播业务（如电视广播），连续流TDMA是自然选择，因为需要稳定的、高吞吐量的传输。对于双向通信（如互联网接入），需要灵活的多址技术支持随机接入、突发业务、多用户复用。

标准影响技术选择。DVB-S2、DVB-RCS等卫星广播标准基于TDMA，已被广泛应用。3GPP NTN标准正在将5G NR扩展到卫星，可能采用OFDMA/NOMA等先进多址技术。

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第五章：未来多址技术发展趋势

面向6G和未来应用，多址技术正朝着更高频谱效率、更强灵活性的方向发展。

5.1 NOMA与OMA的融合

flowchart TD
    A[未来多址技术] --> B[NOMA+OMA融合]
    A --> C[智能多址]
    A --> D[语义多址]

    B --> B1[组内NOMA]
    B --> B2[组间OMA]
    B --> B3[组间干扰<br>消除]

    C --> C1[AI辅助]
    C --> C2[动态选择]
    C --> C3[业务感知]

    D --> D1[语义编码]
    D --> D2[特征提取]
    D --> D3[高效传输]

    B1 & B2 & B3 & C1 & C2 & C3 & D1 & D2 & D3 --> E[关键使能]

    E --> E1[信道估计]
    E --> E2[干扰消除]
    E --> E3[接收机算法]

图表讲解：这张融合图展示了未来多址技术的三个发展方向。NOMA+OMA融合结合了两者的优势，在用户组内使用NOMA提升容量，在用户组间保持OMA的简单性。这种分层结构平衡了性能和复杂度。

智能多址利用AI技术，根据信道条件、业务类型、用户QoS需求等，动态选择最合适的多址方案。对于物联网业务，可能使用非正交多址以支持海量连接；对于增强移动宽带（eMBB）业务，可能使用OMA或混合方案。

语义多址是最具创新性的方向。通过语义编码，提取信号的特征或含义，而不是传输原始数据。这可以大幅降低传输数据量，支持新的应用（如语义通信、联邦学习等）。语义多址需要与信源信道编码紧密结合，是6G的前沿研究方向。

这些技术的发展依赖于关键使能技术。信道估计精度直接影响干扰消除效果，高性能的信道估计是NOMA的基础。干扰消除算法需要平衡性能和复杂度，对于星地信道的大动态范围，需要鲁棒的算法。接收机算法需要在性能、复杂度、功耗之间找到平衡。

5.2 6G多址技术展望

flowchart TD
    A[6G多址技术特征] --> B[极化码应用]
    A --> C[大规模连接]
    A --> D[AI原生设计]

    B --> B1[控制信道]
    B --> B2[短包业务]
    B --> B3[可靠性强]

    C --> C1[mMTC]
    C --> C2[海量连接<br>百万/km²]
    C --> C3[稀疏接入<br>免调度]

    D --> D1[神经接口]
    D --> D2[语义通信]
    D --> D3[特征提取]

    B1 & B2 & B3 & C1 & C2 & C3 & D1 & D2 & D3 --> E[技术演进]

    E --> E1[硬件增强]
    E --> E2[算法创新]
    E --> E3[理论突破]

    E1 --> E1_1[新型材料]
    E1 --> E1_2[芯片集成]
    E1 --> E1_3[超大规模阵列]

    E2 --> E2_1[学习算法]
    E2 --> E2_2[优化理论]
    E2 --> E2_3[博弈论]

    E3 --> E3_1[信息论]
    E3 --> E3_2[网络论]

图表讲解：这张展望图展示了6G多址技术的三个核心特征及其使能技术。极化码在5G中已用于控制信道，6G可能扩展到数据信道和其他场景。极化码在短包业务中性能优异，适合未来超低时延通信。

大规模连接是6G的核心需求之一，目标是支持百万/平方公里级别的设备连接。这需要极简的接入流程、免调度传输、高效的资源利用。稀疏接入、非正交多址、无grant传输等技术将发挥重要作用。

AI原生设计意味着从设计之初就考虑AI技术的集成。这包括神经接口（直接与神经系统通信）、语义通信（传输含义而非数据）、特征提取（压缩感知）等多个方面。这将从根本上改变多址技术的设计理念。

技术演进需要硬件增强、算法创新和理论突破的共同推动。硬件增强（新材料、芯片集成、超大规模阵列）提供物质基础，算法创新（学习算法、优化理论、博弈论）提供方法论，理论突破（信息论、网络论）提供指导。

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核心概念总结

概念名称	定义	优势	挑战
FDMA	频分多址，分割频谱	简单可靠	频谱效率低
TDMA	时分多址，分割时间	连续发射、功放效率	同步要求高
CDMA	码分多址，正交码	抗干扰、软切换	功率控制复杂
OFDMA	正交频分多址	抗多径、频谱效率	同步要求、PAPR
NOMA	非正交多址	容量提升	接收机复杂

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常见问题解答

Q1：5G系统选择OFDMA作为多址技术，而不是CDMA，这种选择背后的关键考虑是什么？

答：5G选择OFDMA而不是CDMA，是在技术、经济、生态等多方面权衡后的结果。这种选择反映了无线通信系统设计的基本原则：在满足性能要求的前提下，选择最简单、最经济、最生态友好的方案。

性能考虑：OFDMA和CDMA都可以提供类似的频谱效率和峰值速率。理论上，CDMA的软切换和宏分集可以提供更好的移动性，但OFDMA通过快速切换和多点协作也可以达到类似效果。OFDMA在频谱效率、抗多径、MIMO支持等方面具有优势，特别适合宽带传输和大规模MIMO。

实现复杂度是关键因素。CDMA需要精确的功率控制（范围达80dB）、严格的码管理、复杂的接收机算法。OFDMA的接收机相对简单，均衡器复杂度可控。对于5G的复杂目标（如大规模MIMO、毫米波、超高可靠低时延），OFDMA的实现复杂度更可控。

产业生态影响深远。WiMAX（全球微波接入互操作性）选择了OFDMA，形成了OFDMA的产业生态和标准体系。4G LTE也选择了OFDMA，积累了大量经验和技术储备。5G延续OFDMA可以利用产业规模，降低设备成本，加速商用部署。如果5G切换到CDMA，整个产业链需要重建，成本和时间投入巨大。

频谱灵活性是OFDM的优势。OFDM可以灵活地分配子载波，支持碎片频谱。CDMA需要连续的频带，对频谱规划和配置的要求更高。5G需要支持多样化的频段（低频段、中频段、毫米波）、多样的带宽（5MHz、10MHz、20MHz、100MHz），OFDMA的灵活性更适应这种需求。

MIMO友好性是关键。OFDM的每个子载波可以独立进行预编码，非常适合大规模MIMO。CDMA的扩频操作与MIMO的结合较复杂，尤其是大规模MIMO。5G的大规模MIMO（64天线、128天线甚至更多）需要每个天线、每个子载波的独立控制，OFDMA更适合。

功率效率是终端关心的。OFDM的单载波变体（DFT-s-OFDM）具有较低的峰均比（PAPR），终端功放效率高，电池续航更长。CDMA的峰均比较高，需要更多功率回退，降低效率。

当然，CDMA并非没有优势。CDMA在干扰管理、小区边缘性能、软切换等方面仍有价值。因此，5G NR在某些场景下（如物联网 mMTC的免调度传输）保留了CDMA的思想（使用扩频序列进行区分）。

总体而言，5G选择OFDMA是基于技术成熟度、实现复杂度、产业生态、性能需求等多方面综合评估的结果。这种选择反映了无线通信系统设计的务实原则：在满足需求的前提下，选择最简单、最经济的方案。

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Q2：NOMA理论上可以提升系统容量，但实际应用中面临哪些挑战？为什么5G没有大规模采用NOMA？

答：NOMA的理论优势确实存在，但实际应用中面临接收机复杂度、信道估计精度、功率分配优化、部署成本等多重挑战。5G没有大规模采用NOMA主要是基于”够用就好”的原则——OMA已经能满足5G的性能需求，NOMA的增益不值得其带来的额外复杂度。

接收机复杂度是最大障碍。NOMA需要多用户检测（MUD）或连续干扰消除（SIC），复杂度随用户数呈指数级增长。例如，要解码4个用户，可能需要尝试4! = 24种组合；解码8个用户需要8! = 40320种组合。这种复杂度在硬件实现和实时性方面都是巨大挑战。相比之下，OMA的接收机复杂度与用户数呈线性关系，易于实现。

信道估计精度影响NOMA性能。NOMA需要精确的信道状态信息（CSI）来进行功率分配和干扰消除。在实际系统中，信道估计存在误差，特别是对于弱用户（功率分配少），信道估计误差较大。CSI误差会严重影响干扰消除效果，导致性能下降。星地信道的动态范围大，信道估计更具挑战。

功率分配优化是复杂问题。NOMA的功率分配需要综合考虑所有用户的信道条件，是一个非凸优化问题。在时变信道中，功率分配需要频繁更新，计算和信令开销大。对于星地链路的长时延，频繁更新功率分配不现实，可能需要更保守的、慢速的功率调整。

部署成本是运营商关注的。NOMA需要在基站和终端侧都升级硬件和软件，增加资本支出和运营复杂度。如果NOMA带来的容量提升有限（理论上是20-30%，实际可能更低），而成本增加显著，运营商可能不愿意部署。

标准化和互操作性也是挑战。NOMA涉及多个厂商的设备协同，需要统一的标准和接口。5G标准化过程中，NOMA曾被考虑，但由于技术复杂度、性能增益不确定、时间紧迫等原因，最终没有被采纳。一旦标准确定，后续再引入NOMA的门槛更高。

业务场景的适配性是另一个考虑。NOMA对于特定的场景（如超密集网络、小区边缘用户）可能有价值，但对于大多数场景（用户分布均匀、信道条件良好），NOMA的收益有限。5G的设计目标已经满足大多数应用需求，NOMA的边际收益不足。

因此，5G选择了OMA作为基础，并在特定场景（如mMTC的免调度传输）中引入了NOMA的思想。6G可能会更深入地研究NOMA，与AI技术结合，在特定场景下发挥价值。

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Q3：卫星通信的多址技术与地面5G有什么差异？为什么卫星通信更倾向于使用TDMA？

答：卫星通信与地面5G在信道特性、业务特征、部署约束等方面存在根本差异，这些差异导致多址技术的选择和实现方式显著不同。卫星通信更倾向于使用TDMA，主要基于以下几个因素：

信道稳定性是首要考虑。卫星信道（特别是GEO）的信道特性相对稳定，多径分量少，时延扩展小，不会像地面信道那样经历剧烈的快衰落。这种稳定的信道非常适合TDMA——用户可以预先分配固定的时隙，不需要复杂的调度和动态资源分配。相比之下，地面信道时变快，需要更灵活的调度。

业务特征也适合TDMA。卫星通信的早期业务主要是语音和低速数据，这些业务具有恒定速率特性，适合固定时隙分配。即使后来的宽带接入业务，TDMA的按需分配模式也可以有效支持。地面5G的业务更加多样化，包括突发数据、自适应流视频、大规模物联网等，需要更灵活的频域资源分配。

同步难度是关键差异。地面系统可以通过基站间的高精度同步（GPS/北斗同步）实现分布式TDMA，这种同步精度足以支持OFDMA。卫星与地面站的距离远、相对运动快、高精度时钟源昂贵，实现精确同步很困难。TDMA对同步的要求相对较低，更适合卫星环境。

功放效率对卫星至关重要。卫星平台功率有限，功放效率直接影响卫星的容量和寿命。TDMA用户可以连续发射，功放可以工作在较高效率点；CDMA用户需要功率控制，功放效率可能较低。OFDM（特别是上行DFT-s-OFDM）具有较低的峰均比，也适合功放效率要求，但同步要求更高。

标准演进路径也影响技术选择。DVB-S2等卫星通信标准基于TDMA，经过长期验证，已成为成熟方案。3GPP NTN标准正在将5G NR扩展到卫星，可能会引入OFDMA，但在初期可能会兼容TDMA模式以保持平滑过渡。

需要强调的是，“更倾向于TDMA”并不意味着不用其他技术。现代卫星通信系统往往是混合方案，结合了多种多址技术：

• 下行（卫星到地面）：对于广播型业务，可能使用TDMA的变体（如多载波TDMA）
• 上行（地面到卫星）：对于双向接入业务，可能使用MF-TDMA或多载波TDMA
• 星间链路：可能使用CDMA或其他技术

总体而言，卫星通信选择多址技术时，更强调稳定、可靠、成熟，而不是追求极致性能。这与卫星平台的高成本、高可靠性要求一致。

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Q4：非正交多址（NOMA）的”非正交”是指什么？用户间干扰不会降低系统容量吗？

答：“非正交”是多址技术中的一个重要概念，理解它需要区分”完全正交”和”部分正交”。

完全正交是指不同用户的信号在某种域（频域、时域、码域）完全不重叠，用户间干扰为零。例如：

• 频域正交：用户1使用子载波1、2、3，用户2使用4、5、6，频谱完全不重叠，干扰为零
• 时域正交：用户1占用时隙1，用户2占用时隙2，时间完全不重叠，干扰为零
• 码域正交：用户1使用Walsh码1，用户2使用Walsh码2，码字完全正交，互相关为零

完全正交是最理想的用户隔离方式，但正交约束限制了资源利用。例如，频域正交要求为每个用户分配独立的频段，不能充分利用频谱；码域正交需要足够多的正交码，码字数量受序列长度限制。

非正交打破了完全正交的约束，允许用户间干扰存在，但通过某种方式管理或利用这种干扰。NOMA的”非正交”主要体现在：

功率域非正交（PD-NOMA）：多个用户可以在相同时频资源上传输，通过不同功率分配区分。远端用户（功率大）对近端用户（功率小）产生干扰，但接收端可以通过SIC消除干扰，获得净增益。

码域非正交（码域NOMA）：多个用户的码字不完全正交（互相关不为零），但互相关性足够低，可以通过多用户检测算法分离。

关键理解：NOMA的用户间干扰确实存在，会降低单个用户的信干比（SINR）。但是，如果干扰得到有效管理（通过SIC消除、多用户检测等），系统总容量（所有用户的速率之和）可以提升。NOMA本质上是用”接收端复杂度换取系统容量”。

可以通过一个简化例子说明：假设有两个用户，信道都是1（归一化）：

• OMA方案：给每个用户分配0.5的资源，速率 = log2(1 + 0.5) + log2(1 + 0.5) = 1 bit/s/Hz
• NOMA方案：给用户1分配0.8功率，用户2分配0.2功率，速率 = log2(1 + 0.2) + log2(1 + 0.8) ≈ 1.15 bit/s/Hz

NOMA的速率更高，但需要复杂的接收机（SIC）。如果信道估计不准或SIC算法性能不好，NOMA的优势可能无法实现。

对于星地融合网络，NOMA的挑战更大：

• 信道估计误差大：星地信道的大动态范围和长时延会影响信道估计精度
• SIC复杂度高：SIC需要强大的计算能力，对于地面终端（特别是手持终端）可能不现实
• 时延影响：长往返时延限制了快速的信道状态反馈和参数调整

因此，星地融合网络可能需要更加务实的NOMA方案，或者只在特定场景（如馈电链路、固定终端）中使用NOMA。

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Q5：未来6G的多址技术会有哪些突破性变化？AI会带来哪些新的可能性？

答：6G的多址技术将朝着智能化、语义化、空天地海一体化的方向发展，AI将深入融入多址技术的各个环节，带来全新的可能性。

AI原生多址是最具革命性的方向。当前的多址技术是基于预定义的规则和算法，AI的作用有限。AI原生多址意味着从设计之初就考虑AI的融入，使用神经网络进行信道估计、干扰消除、资源调度等。例如：

• 神经信道估计：用深度学习模型估计时变、非线性信道，可能超越传统算法
• 深度干扰消除：使用神经网络进行SIC，可能避免复杂的数学建模
• 强化学习调度：基于RL的资源调度，可以适应复杂的业务模式和用户行为

AI原生多址的优势在于其适应性和学习能力。传统算法基于数学模型，需要准确建模信道和干扰；AI可以学习复杂、非线性的关系，从数据中优化策略。

语义多址是最具创新性的方向。当前的多址技术传输的是”数据”（bits），语义多址传输的是”含义”（semantics）。通过特征提取、语义编码，可以大幅降低传输数据量，支持新的应用：

• 语义通信：传输语言的语义表示，而非比特序列
• 联邦学习：在保护隐私的前提下，分布式训练AI模型
• 神经接口：直接与人类神经系统通信

语义多址需要信源编码、信道编码、深度学习的深度融合，是6G的前沿研究方向。

大规模连接的多址是6G的另一个重点。为了支持百万/平方公里级别的设备连接，需要极简化的多址方案：

• 免调度传输：用户无需动态调度，根据预配置或信道条件自主传输
• 稀疏接入：用户随机选择资源，碰撞重传，适合低功耗、小数据
• 非正交随机接入：用户随机选择签名进行传输，接收端利用稀疏性检测

这些技术需要极简的终端实现、高效的碰撞解决算法、灵活的资源配置。

空天地海一体化多址是6G的终极目标。这需要将地面5G、卫星通信、空中平台、海洋通信等多系统的多址技术进行统一：

• 跨层设计：物理层、链路层、网络层协同设计
• 频谱共享：不同系统动态共享频谱资源
• 统一调度：统一的资源管理和调度框架

AI将在这个过程中发挥关键作用，通过智能决策实现复杂的资源协调。

极化码的应用扩展也值得关注。极化码在5G中已用于控制信道，6G可能扩展到数据信道和其他场景。极化码在短包业务中性能优异，适合6G的超低时延通信需求。

总体而言，6G的多址技术将更加智能化、语义化、一体化，AI将从”辅助工具”变为”核心驱动”。这将带来范式性的变化，但也面临技术成熟度、标准化、产业化等多重挑战。

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总结

本文系统性地介绍了星地一体化网络的多址接入技术。我们了解到：

• 技术分类：正交多址（FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA）与非正交多址（NOMA）各有特点
• 星地挑战：大动态范围、长时延、高移动等信道特殊性影响多址技术选择
• 融合方案：独立系统、紧耦合、融合多址是三种可能的架构方案
• 未来方向：AI原生多址、语义多址、大规模连接是6G的发展方向

多址接入技术是提升频谱效率、支持更多用户的关键技术。随着技术进步，多址技术将朝着更智能、更灵活、更高效的方向发展，为6G空天地海一体化网络提供基础支持。

下篇预告

下一篇我们将深入探讨资源管理与干扰管理技术，带你了解频谱资源、功率资源、时隙资源的管理方法，干扰的类型与抑制技术，以及星地融合网络的资源管理挑战。你将学习频率复用、波束跳变、跨轨道协同等资源管理技术，以及自适应抗干扰、星上处理等干扰管理技术。