面向5g的pdma圖樣分割多址接入技術(shù)_imt-2020峰會

1、面向 5G 的 PDMA 圖樣分割多址接入技術(shù)，電信科學(xué)技術(shù)，海淀區(qū)學(xué)院路40號，100191Multiple Acs, PDMA1,2)是電摘要：圖樣分割多址接入技術(shù)或簡稱圖分多址(Pattern Divi信科學(xué)技術(shù)一種新型的非正交多址接入技術(shù)，它基于多用戶通信系統(tǒng)的收發(fā)聯(lián)合優(yōu)化，在發(fā)送端基于多個信號域（如功率域、空域、編碼域）的非正交特征圖樣區(qū)分用戶，在接收端基于用戶圖樣的特征結(jié)構(gòu)采用串行干擾抵消(Sucsiveerference Cancellation,SIC)方式可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)最優(yōu)多用戶檢測接收3,4。本文先分析 PDMA 技術(shù)的基本原理和技術(shù)框架，然后詳述 PDMA 技術(shù)的發(fā)送端和接收

2、端設(shè)計方案，再對 PDMA 技術(shù)進(jìn)行仿真評估，充分證 明了 PDMA 技術(shù)的優(yōu)越性能和未來廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵字：非正交多址接入、圖樣分割多址接入、PDMA1 引言多址接入技術(shù)對于蜂窩移動通信系統(tǒng)具有重要意義，是一個系統(tǒng)信號的基礎(chǔ)性傳輸方式。在 1G-4G 系統(tǒng)中分別采用FDMA、TDMA、CDMA 和 OFDMA 作為主要多址接入方式，其特點(diǎn) 是用戶通過正交的資源分配，使得接收端信號檢測復(fù)雜度降低5,6。為了滿足 5G 高頻譜效率和高連接數(shù)目的需求，可以考慮采用多個用戶在相同資源上發(fā)送，即采用非正交多址接入方式，在接收端采用更復(fù)雜的檢測算法來實(shí)現(xiàn)用戶的正確檢測。非正交多址接入技術(shù)的引入，來源

3、于器件的進(jìn)步和非線性檢測技術(shù)的發(fā)展。理論上，基于串行干擾抵消的非線性多用戶檢測，無論在上行還是下行，都能夠達(dá)到 Shannon 容量的極限7,8,9。Multiple Acs，簡稱 PDMA1,2）技術(shù)，是電信科學(xué)圖樣分割多址接入（Pattern Divi在早期 SIC Amenable Multiple Acs（簡稱 SAMA3）技術(shù)基礎(chǔ)上新型非正交多址接入技術(shù)，它基于發(fā)送端和接收端的聯(lián)合設(shè)計，在發(fā)送端，在相同的時頻域資源內(nèi)，將多個用戶信號進(jìn)行功率域、空域、編碼域的單獨(dú)或聯(lián)合編碼傳輸，在接收端采用串行干擾抵消算法進(jìn)行多用戶檢測，做到通信系統(tǒng)的整體性能最優(yōu)。本文對 PDMA 技術(shù)的基本原理和技

4、術(shù)框架、發(fā)送端方案設(shè)計、接收端方案設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)介紹，并給出了 PDMA 技術(shù)的上下行鏈路基本性能評估，最后對 PDMA 技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。2 PDMA 的基本原理和技術(shù)框架PDMA 的基本原理可以用等效分集度來進(jìn)行解釋。按照 V-BLAST系統(tǒng)的理論10,11，第i層干擾抵消能夠獲得的等效分集度 Ndiv=NR-NT+i，其中 NR 表示接收分集度，NT 表示發(fā)送分集度。對于使用串行干擾抵消方式進(jìn)行檢測的非正交多址接入系統(tǒng)，因各個用戶處于不同的檢測層，為了保證多用戶在接收端檢測后能夠獲得一致的等效分集度，就需要在發(fā)送端為多用戶設(shè)計不一致的發(fā)送分集度。而發(fā)送分集度的構(gòu)造方式，可以在功率、

5、空間、編碼等多種信號域進(jìn)行。PDMA 的技術(shù)框架如圖 1 所示，在發(fā)送端，多個用戶采用易于干擾抵消算法的特征圖樣進(jìn)行區(qū)分；在接收端，對多用戶采用低復(fù)雜度、高性能的串行干擾抵消算法實(shí)現(xiàn)多用戶檢測。與該技術(shù)框架相對應(yīng)，圖 2 給出了 PDMA 的發(fā)送端到接收端的信號處理基本流程圖。相對于正交系統(tǒng)，PDMA 在發(fā)送端增加了圖樣模塊，在接收端增加了圖樣檢測模塊。用戶u 和u 的12SIC檢測圖樣疊加u2Decuu21u1SIC檢測Decuu34u4u3用戶u3和u4的圖樣疊加接收端發(fā)送端圖 1 PDMA 技術(shù)框架 用戶1 解調(diào)譯碼編碼調(diào)制圖樣映射特征圖樣檢測 用戶2 編碼調(diào)制圖樣映射解調(diào)譯碼 用戶N

6、編碼調(diào)制圖樣映射解調(diào)譯碼圖 2 PDMA 發(fā)端到收端的信號處理流程圖3 PDMA 的發(fā)送端方案設(shè)計PDMA 在基本時頻資源單元的映射方式如圖 3 所示，其對應(yīng)的系統(tǒng)模型可簡要表示為： （ ） （1） （2） 其中，Y 表示接收端接收信號矢量，N 表示接收端噪聲矢量，X 表示發(fā)送端發(fā)送信號矢量， HPDMAH=（ 表示 PDMA 多用戶編碼疊加矩陣， Hch 表示真實(shí)無線信道響應(yīng)矩陣， ）表示發(fā)端到收端的PDMA 多用戶編碼矩陣和真實(shí)無線信道響應(yīng)矩陣復(fù)合的等效信道響應(yīng)矩陣，“”表示兩個矩陣的對應(yīng)位置元素乘積。y1,y2,yN 表示接收端在 N個時頻資源單元對應(yīng)的接收信號，n1,n2,nN 表示接

7、收端在 N 個時頻資源單元對應(yīng)的噪聲， x1,x2,xM 表示發(fā)送端進(jìn)行資源復(fù)用的 M 個用戶對應(yīng)的發(fā)送信號，hn,m 表示發(fā)端到收端的 PDMA 多用戶編碼矩陣和真實(shí)無線信道響應(yīng)矩陣復(fù)合的等效信道響應(yīng)。在 M 取值為理論最大值 M=2N-1 的情況下，理論 PDMA 多用戶編碼矩陣 可以表 示為下述形式： （3） +-+-P1功率域P2s s ss s ss s s ss 空域s ss s ss s s碼流1碼域碼流2碼流3M 實(shí)際取值依賴于期望的復(fù)用倍數(shù)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的折中，因此實(shí)際 PDMA 編碼矩陣 來源于理論 PDMA 編碼矩陣的部分列的選取?；驹瓌t是不同列之間具有合理的 不等分

8、集度，并且不為的多用戶數(shù)目盡量一致。對應(yīng)于圖 3 的實(shí)際 PDMA 編碼矩陣表示 （4） 公式（4）表示在 3 個基本資源單元（Resource Unit, RE）上傳輸 5 個用戶（User Equipment, UE），其中用戶 1 在 3 個 RE 上發(fā)送數(shù)據(jù)，用戶 2 在第 1、2 個 RE 上發(fā)送數(shù)據(jù)，用戶 3 在第 2、 3 個 RE 上發(fā)送數(shù)據(jù)，用戶 4、5 分別在第 3、1 個 RE 上發(fā)送數(shù)據(jù)，最終疊加形成的第 1 個 RE 上包含用戶 1、2、5 的信息，第 2 個 RE 上包含用戶 1、2、3 的信息，第 3 個 RE 上包含用戶 1、3、4 的信息。Userfreque

9、ncyTimefrequencyTime圖 3 PDMA 的時頻資源方式對應(yīng)于上述的時頻資源方式，PDMA 進(jìn)行多用戶圖樣設(shè)計時，依據(jù)不同信號域特征而具有不同的方式。例如，在進(jìn)行功率域圖樣設(shè)計時，會基于公式（3）（4）所示的編碼矩陣增加功率和相位旋轉(zhuǎn)因子；在進(jìn)行空域圖樣設(shè)計時，會基于公式（3）（4）所示的編碼矩陣在多天線上進(jìn)行并與預(yù)編碼矩陣進(jìn)行結(jié)合；在進(jìn)行編碼域圖樣設(shè)計時，會基于公式（3）和公（4）所示的編碼矩陣考慮不同延遲的信道編碼；等等。具體地，以兩天線數(shù)據(jù)發(fā)送為例，如果采用傳統(tǒng)非正交方式，如圖 4（a）所示，用戶 1 在天線 1 上發(fā)送符號 S1，用戶 2在天線 1 上發(fā)送符號 S2，在

10、天線 2 上發(fā)送符號 S3，由于天線 1 上同時發(fā)送符號 S1 和 S2，即使在接收端采用串行干擾抵消檢測算法，性能仍然比較差；而 PDMA 通過簡單的空域編碼，如圖 4（b）所示，天線 1 發(fā)送 S1+S2，在天線 2 上發(fā)送 S2+S3，形成 S1、S2 和 S3 的一致的等效分集度，接收端通過串行干擾抵消檢測算法則可以獲得很好的性能。s1 s 2 s 5s1 s2 s3s1 s3 s4s1s1s1s2s200s3s300s4s500s s12發(fā)送端 TX1s s13TX2s1ss23TX2發(fā)送端 TX1接收端 RX1RX2接收端RX1RX2用戶用戶s1s1用戶1:用戶1和用戶2的疊加編碼

11、信號s1 s2s1 s3TS1TS1時間時間s , s用戶2: 23s2s3TS1天線天線（a）傳統(tǒng)非正交方式圖 4（b）PDMA 非正交方式PDMA 的空域編碼圖樣設(shè)計示例4 PDMA 的接收端方案設(shè)計PDMA 的接收端分為兩個部分，分別是前端檢測模塊和基于串行干擾抵消的檢測模塊，如圖 5 所示。其中，前端檢測模塊包含特征圖樣模式配置模塊、功率圖樣提取模塊、編碼域圖樣提取模塊和空間域圖樣提取模塊，在特征圖樣模式配置模塊通過控制信令控制不同圖樣提取模塊，如圖 6 所示。通過前端檢測模塊，可以提取出不同用戶圖樣編碼特征，然后采用低復(fù)雜度的準(zhǔn)最大似然檢測算法來實(shí)現(xiàn)多用戶的正確檢測接收。用戶1接收信

12、號用戶1輸出信號用戶2輸出信號用戶2接收信號用戶N輸出信號用戶N接收信號圖 5 PDMA 的結(jié)構(gòu)信令用戶編碼用戶數(shù)據(jù)檢測數(shù)據(jù)輸出圖樣檢測選擇器圖 6 PDMA前端檢測模塊的基本結(jié)構(gòu)5 PDMA 的性能評估以LTE 正交方式作為參照，這里對PDMA 技術(shù)的上行和下行鏈路的基本性能進(jìn)行了評估。涉及的主要仿真條件如表 1 所示，得到的仿真結(jié)果如圖 7、圖 8 所示。對于上行，在相同時頻資源上可以復(fù)用相對于正交不同倍數(shù)的用戶，通常簡稱為系統(tǒng)負(fù)荷。針對這里的 150%、200%、300%的系統(tǒng)負(fù)荷仿真舉例，從圖 7 可以看出，對于給定的 QPSK 和 16QAM 這兩種調(diào)制方式，從 BLER 來看，PD

13、MA 相比 LTE 正交在工作信噪比區(qū)間內(nèi)空域圖樣檢測功率圖樣檢測特征圖樣模式配置多用戶聯(lián)合檢測模塊前端 檢測模塊能獲得 2-4dB 的性能增益。從吞吐量增益來看，在系統(tǒng)負(fù)荷分別為 150%/200%/300%的情況下，PDMA 相比LTE 正交能分別獲得 50%/100%/200%以上的吞吐量增益，并且這種增益在低信噪比情況下更加明顯。對于下行功率受限系統(tǒng)，用戶間的大尺度差值對性能影響比較大，通常多用戶功率差值越大，性能增益越明顯。針對這里的 QPSK 調(diào)制方式仿真舉例，從圖 8 可以看出，從 BLER來看，PDMA 相比LTE 正交在工作信噪比區(qū)間內(nèi)能獲得 3dB 左右的性能增益。從吞吐量

14、增益來看，在 2 用戶沒有功率差異的情況下，PDMA 能獲得高達(dá) 6%的吞吐量增益；而在 2 用戶存在功率差異的情況下，PDMA 能獲得的吞吐量增益明顯增大，能達(dá)到 50%以上。而且在低信噪比情況下，PDMA 具有更高的吞吐量增益。表 1 PDMA 鏈路仿真條件圖 7 PDMA 上行鏈路性能基本參數(shù)取值載頻2 GHz系統(tǒng)帶寬10 MHz調(diào)制編碼碼率QPSK 1/2; 16QAM 1/2；LTE Turbo天線配置1Tx2Rx信道UMa移動速度3km/h信道估計理想HARQNo上行用戶占用 PRB 數(shù)24PRB上行過載率150%；200%；300%下行用戶占用 PRB 數(shù)6PRB下行用戶數(shù)及用戶

15、間功率差異2UE：差值0，6dB圖 8 PDMA 下行鏈路性能6 總結(jié)PDMA 是電信科學(xué)技術(shù)一種新型非正交多址接入技術(shù)，它具有充分利用多維域處理從而具有使用范圍更大、編譯碼靈活度高、處理復(fù)雜度較優(yōu)點(diǎn)。PDMA 能夠普適地應(yīng)用于面向 5G 的典型場景，包括頻譜效率和系統(tǒng)容量的連續(xù)廣域覆蓋場景、熱點(diǎn)高容量場景， 接入用戶數(shù)、降低時延的移動物聯(lián)網(wǎng)場景12。仿真評估表明，PDMA 在上行能獲得 2 倍以上的吞吐量增益，在下行能獲得 50%以上的吞吐量增益，是一種提高頻譜效率和增加接入用戶數(shù)的有效技術(shù)。可以預(yù)見，在未來的 5G 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化推動過程中，PDMA技術(shù)將發(fā)揮重要貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)123IMT.

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