面向5g的pdma图样分割多址接入技术_imt-2020峰会

1、面向 5G 的 PDMA 图样分割多址接入技术，电信科学技术，海淀区学院路40号，100191Multiple Acs, PDMA1,2)是电摘要：图样分割多址接入技术或简称图分多址(Pattern Divi信科学技术一种新型的非正交多址接入技术，它基于多用户通信系统的收发联合优化，在发送端基于多个信号域（如功率域、空域、编码域）的非正交特征图样区分用户，在接收端基于用户图样的特征结构采用串行干扰抵消(Sucsiveerference Cancellation,SIC)方式可以实现准最优多用户检测接收3,4。本文先分析 PDMA 技术的基本原理和技术框架，然后详述 PDMA 技术的发送端和接收

2、端设计方案，再对 PDMA 技术进行仿真评估，充分证 明了 PDMA 技术的优越性能和未来广阔的应用前景。关键字：非正交多址接入、图样分割多址接入、PDMA1 引言多址接入技术对于蜂窝移动通信系统具有重要意义，是一个系统信号的基础性传输方式。在 1G-4G 系统中分别采用FDMA、TDMA、CDMA 和 OFDMA 作为主要多址接入方式，其特点 是用户通过正交的资源分配，使得接收端信号检测复杂度降低5,6。为了满足 5G 高频谱效率和高连接数目的需求，可以考虑采用多个用户在相同资源上发送，即采用非正交多址接入方式，在接收端采用更复杂的检测算法来实现用户的正确检测。非正交多址接入技术的引入，来源

3、于器件的进步和非线性检测技术的发展。理论上，基于串行干扰抵消的非线性多用户检测，无论在上行还是下行，都能够达到 Shannon 容量的极限7,8,9。Multiple Acs，简称 PDMA1,2）技术，是电信科学图样分割多址接入（Pattern Divi在早期 SIC Amenable Multiple Acs（简称 SAMA3）技术基础上新型非正交多址接入技术，它基于发送端和接收端的联合设计，在发送端，在相同的时频域资源内，将多个用户信号进行功率域、空域、编码域的单独或联合编码传输，在接收端采用串行干扰抵消算法进行多用户检测，做到通信系统的整体性能最优。本文对 PDMA 技术的基本原理和技

4、术框架、发送端方案设计、接收端方案设计进行详细介绍，并给出了 PDMA 技术的上下行链路基本性能评估，最后对 PDMA 技术的未来发展进行了展望。2 PDMA 的基本原理和技术框架PDMA 的基本原理可以用等效分集度来进行解释。按照 V-BLAST系统的理论10,11，第i层干扰抵消能够获得的等效分集度 Ndiv=NR-NT+i，其中 NR 表示接收分集度，NT 表示发送分集度。对于使用串行干扰抵消方式进行检测的非正交多址接入系统，因各个用户处于不同的检测层，为了保证多用户在接收端检测后能够获得一致的等效分集度，就需要在发送端为多用户设计不一致的发送分集度。而发送分集度的构造方式，可以在功率、

5、空间、编码等多种信号域进行。PDMA 的技术框架如图 1 所示，在发送端，多个用户采用易于干扰抵消算法的特征图样进行区分；在接收端，对多用户采用低复杂度、高性能的串行干扰抵消算法实现多用户检测。与该技术框架相对应，图 2 给出了 PDMA 的发送端到接收端的信号处理基本流程图。相对于正交系统，PDMA 在发送端增加了图样模块，在接收端增加了图样检测模块。用户u 和u 的12SIC检测图样叠加u2Decuu21u1SIC检测Decuu34u4u3用户u3和u4的图样叠加接收端发送端图 1 PDMA 技术框架 用户1 解调译码编码调制图样映射特征图样检测 用户2 编码调制图样映射解调译码 用户N

6、编码调制图样映射解调译码图 2 PDMA 发端到收端的信号处理流程图3 PDMA 的发送端方案设计PDMA 在基本时频资源单元的映射方式如图 3 所示，其对应的系统模型可简要表示为： （ ） （1） （2） 其中，Y 表示接收端接收信号矢量，N 表示接收端噪声矢量，X 表示发送端发送信号矢量， HPDMAH=（ 表示 PDMA 多用户编码叠加矩阵， Hch 表示真实无线信道响应矩阵， ）表示发端到收端的PDMA 多用户编码矩阵和真实无线信道响应矩阵复合的等效信道响应矩阵，“”表示两个矩阵的对应位置元素乘积。y1,y2,yN 表示接收端在 N个时频资源单元对应的接收信号，n1,n2,nN 表示接

7、收端在 N 个时频资源单元对应的噪声， x1,x2,xM 表示发送端进行资源复用的 M 个用户对应的发送信号，hn,m 表示发端到收端的 PDMA 多用户编码矩阵和真实无线信道响应矩阵复合的等效信道响应。在 M 取值为理论最大值 M=2N-1 的情况下，理论 PDMA 多用户编码矩阵 可以表 示为下述形式： （3） +-+-P1功率域P2s s ss s ss s s ss 空域s ss s ss s s码流1码域码流2码流3M 实际取值依赖于期望的复用倍数和系统实现复杂度的折中，因此实际 PDMA 编码矩阵 来源于理论 PDMA 编码矩阵的部分列的选取。基本原则是不同列之间具有合理的 不等分

8、集度，并且不为的多用户数目尽量一致。对应于图 3 的实际 PDMA 编码矩阵表示 （4） 公式（4）表示在 3 个基本资源单元（Resource Unit, RE）上传输 5 个用户（User Equipment, UE），其中用户 1 在 3 个 RE 上发送数据，用户 2 在第 1、2 个 RE 上发送数据，用户 3 在第 2、 3 个 RE 上发送数据，用户 4、5 分别在第 3、1 个 RE 上发送数据，最终叠加形成的第 1 个 RE 上包含用户 1、2、5 的信息，第 2 个 RE 上包含用户 1、2、3 的信息，第 3 个 RE 上包含用户 1、3、4 的信息。Userfreque

9、ncyTimefrequencyTime图 3 PDMA 的时频资源方式对应于上述的时频资源方式，PDMA 进行多用户图样设计时，依据不同信号域特征而具有不同的方式。例如，在进行功率域图样设计时，会基于公式（3）（4）所示的编码矩阵增加功率和相位旋转因子；在进行空域图样设计时，会基于公式（3）（4）所示的编码矩阵在多天线上进行并与预编码矩阵进行结合；在进行编码域图样设计时，会基于公式（3）和公（4）所示的编码矩阵考虑不同延迟的信道编码；等等。具体地，以两天线数据发送为例，如果采用传统非正交方式，如图 4（a）所示，用户 1 在天线 1 上发送符号 S1，用户 2在天线 1 上发送符号 S2，在

10、天线 2 上发送符号 S3，由于天线 1 上同时发送符号 S1 和 S2，即使在接收端采用串行干扰抵消检测算法，性能仍然比较差；而 PDMA 通过简单的空域编码，如图 4（b）所示，天线 1 发送 S1+S2，在天线 2 上发送 S2+S3，形成 S1、S2 和 S3 的一致的等效分集度，接收端通过串行干扰抵消检测算法则可以获得很好的性能。s1 s 2 s 5s1 s2 s3s1 s3 s4s1s1s1s2s200s3s300s4s500s s12发送端 TX1s s13TX2s1ss23TX2发送端 TX1接收端 RX1RX2接收端RX1RX2用户用户s1s1用户1:用户1和用户2的叠加编码

11、信号s1 s2s1 s3TS1TS1时间时间s , s用户2: 23s2s3TS1天线天线（a）传统非正交方式图 4（b）PDMA 非正交方式PDMA 的空域编码图样设计示例4 PDMA 的接收端方案设计PDMA 的接收端分为两个部分，分别是前端检测模块和基于串行干扰抵消的检测模块，如图 5 所示。其中，前端检测模块包含特征图样模式配置模块、功率图样提取模块、编码域图样提取模块和空间域图样提取模块，在特征图样模式配置模块通过控制信令控制不同图样提取模块，如图 6 所示。通过前端检测模块，可以提取出不同用户图样编码特征，然后采用低复杂度的准最大似然检测算法来实现多用户的正确检测接收。用户1接收信

12、号用户1输出信号用户2输出信号用户2接收信号用户N输出信号用户N接收信号图 5 PDMA 的结构信令用户编码用户数据检测数据输出图样检测选择器图 6 PDMA前端检测模块的基本结构5 PDMA 的性能评估以LTE 正交方式作为参照，这里对PDMA 技术的上行和下行链路的基本性能进行了评估。涉及的主要仿真条件如表 1 所示，得到的仿真结果如图 7、图 8 所示。对于上行，在相同时频资源上可以复用相对于正交不同倍数的用户，通常简称为系统负荷。针对这里的 150%、200%、300%的系统负荷仿真举例，从图 7 可以看出，对于给定的 QPSK 和 16QAM 这两种调制方式，从 BLER 来看，PD

13、MA 相比 LTE 正交在工作信噪比区间内空域图样检测功率图样检测特征图样模式配置多用户联合检测模块前端 检测模块能获得 2-4dB 的性能增益。从吞吐量增益来看，在系统负荷分别为 150%/200%/300%的情况下，PDMA 相比LTE 正交能分别获得 50%/100%/200%以上的吞吐量增益，并且这种增益在低信噪比情况下更加明显。对于下行功率受限系统，用户间的大尺度差值对性能影响比较大，通常多用户功率差值越大，性能增益越明显。针对这里的 QPSK 调制方式仿真举例，从图 8 可以看出，从 BLER来看，PDMA 相比LTE 正交在工作信噪比区间内能获得 3dB 左右的性能增益。从吞吐量

14、增益来看，在 2 用户没有功率差异的情况下，PDMA 能获得高达 6%的吞吐量增益；而在 2 用户存在功率差异的情况下，PDMA 能获得的吞吐量增益明显增大，能达到 50%以上。而且在低信噪比情况下，PDMA 具有更高的吞吐量增益。表 1 PDMA 链路仿真条件图 7 PDMA 上行链路性能基本参数取值载频2 GHz系统带宽10 MHz调制编码码率QPSK 1/2; 16QAM 1/2；LTE Turbo天线配置1Tx2Rx信道UMa移动速度3km/h信道估计理想HARQNo上行用户占用 PRB 数24PRB上行过载率150%；200%；300%下行用户占用 PRB 数6PRB下行用户数及用户

15、间功率差异2UE：差值0，6dB图 8 PDMA 下行链路性能6 总结PDMA 是电信科学技术一种新型非正交多址接入技术，它具有充分利用多维域处理从而具有使用范围更大、编译码灵活度高、处理复杂度较优点。PDMA 能够普适地应用于面向 5G 的典型场景，包括频谱效率和系统容量的连续广域覆盖场景、热点高容量场景， 接入用户数、降低时延的移动物联网场景12。仿真评估表明，PDMA 在上行能获得 2 倍以上的吞吐量增益，在下行能获得 50%以上的吞吐量增益，是一种提高频谱效率和增加接入用户数的有效技术。可以预见，在未来的 5G 国内外标准化推动过程中，PDMA技术将发挥重要贡献。参考文献123IMT.

16、trend from ITU-R WP5D, Pattern DiviMultiple Acs, Future summit 2014, g.Dai X. M., Sun S. H. and Wang, Y. M. “Sucsiveerference Cancellation AmenableSpace-Time Codes with Good Multiplexing-Diversity Tradeoffs ， ” Wireless Communi., vol. 55, 2010, pp.645654.al4Saito, Yuya; Benjebbour, Anass; Kishiyama,

17、 Yoshihisa; Naura, Takehiro, System-levelperformance evaluation of downlink non-orthogonal multiple acs (NOMA),alIndoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), 2013 IEEE 24thernationalSymium on , vol., no., pp.611,615, 8-11 Sept. 2013.5Chih-Lin I, Corbett Rowell ,Shuangfeng Han, ZhikunXu, Gang Li,

18、Zhengang Pan,” towards green and soft: a 5G prospective”,Communicaiton magazine,februry,2014.5GNOW D3.1 “5G Waveform Candidate Selection”.67Dai X., Sun H, Wang, Y. “Reducing Complexity of Quasi-um-likelihood DetectorsThrough Simplified Branetric and Accumulated Branetric Based Detection,” IEEE Communi. Letters, vol.17, no. 5, pp. 916-919, May 2013.8Dai, Xiaoming, Sun H, Wang, Y. “Reducing Complexity of Quasi-um-likelihoodDetectors Through Companding for Coded MIMO Systems,” IEEE Trans. on Vehi. Tech., vol. 61, no. 3, pp. 1109-1123,