3GPP的R15版本奠定了5G技術标準基礎，其中對于無線信号的編碼方案，出現了大量的争論。但最終還是選擇了4G中的保留編碼(調制)方案，正交頻分複用Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM)。

圖1 OFDM

但預計今年底前發布的R16版本，将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

通信中的無線标準經常更新，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。

這一直是一個值得讨論的問題，因為5G預計需要更多的基站來提供服務，并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件無線電研究市場總監James Kimery說:"我認為運營商并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，很大原因來自于電池的消耗”

圖4 中國移動的5G試點

Kimery指出，這些擔憂不僅僅适用于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

5G手機需要處理更多任務，需要更大帶寬，因而導緻耗電量大，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，多方面因素導緻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終端設備采用Massive MIMO（大規模多入多出）天線技術，這需要在手機裡内置至少8根天線，而每根天線都有自己的功率放大器，這就會産生比較大的功耗。

同時，使用OFDM發送數據，方法是将數據分割成各個部分，并以不同的頻率同時發送這些數據，以使這些部分是"正交的"(意思是它們不相互幹擾)。

圖7 OFDM将串行轉換為并行數據，再基帶調制

由于OFDM符号是由多個獨立經過調制的子載波信号疊加而成的，當各個子載波相位相同或者相近時，疊加信号便會受到相同初始相位信号的調制，從而産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，我們的上行技術是采用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，對幹擾和電池都不好嘛，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恒定，所以對于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，它們的通信将使用正交頻分多址(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

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于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，每個用戶隻能夠分配到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于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幹擾。為了解決這個問題，需要接收機側采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号。在第一個用戶的信号解調出來後，把它的信号重構出來并在接收信号當中減去，對其他用戶就沒有幹擾了。這樣逐次把所有用戶的信号解調出來。

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信号，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信号。

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将适合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對該行業将采用任何非OFDMA選項并不樂觀。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."

NOMA看起來能夠提升頻譜效率，提升能量轉換能力，不同的廠家也都号稱可以提高頻譜效率3倍以上。

但能否真正替代OFDM，相信這将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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