面向5G的PDMA图样分割多址接入技术

康绍莉 戴晓明 任斌 电信科学技术研究院

面向5G的PDMA图样分割多址接入技术

康绍莉 戴晓明 任斌 电信科学技术研究院

图样分割多址接入技术或简称图分多址（Pattern Division Multiple Access，PDMA）是电信科学技术研究院提出的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（Successive Interference Cancellation，SIC）方式可以实现准最优多用户检测接收。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。

非正交多址接入 图样分割多址接入 PDMA

1 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。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重叠发送，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。

图样分割多址接入（Pattern Division Multiple Access，PDMA）技术，是电信科学技术研究院在早期SICAmenable MultipleAccess（SAMA）研究基础上提出的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接收机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，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、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接收机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映射模块，在接收端增加了图样检测模块。

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：

图1 PDMA技术框架

图2 PDMA发端到收端的信号处理流程图

图3 PDMA的时频资源映射方式

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，HPDMA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，H=（Hche HPDMA）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，“e”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：

M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集度，并且不同行的多用户数目尽量一致。对应于图3的实际PDMA编码矩阵表示为：

图4 PDMA的空域编码图样设计示例

公式（4）表示在3个基本资源单元（ResourceUnit，RE）上传输5个用户（UserEquipment，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。

对应于上述的时频资源映射方式，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映射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）、（4）所示的编码矩阵考虑不同延迟的信道编码等。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。

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解析模块、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解析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。

表1 PDMA链路仿真条件

图5 PDMA的接收机结构

图6 PDMA接收机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、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，PDMA相比LTE正交在工作信噪比区间内能获得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。

对于下行功率受限的系统，用户间的大尺度衰落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。

图7 PDMA上行链路性能

图8 PDMA下行链路性能

6 结束语

PDMA是电信科学技术研究院提出的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、处理复杂度较低等优点。PDMA能够普适地应用于面向5G的典型场景，包括提升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，提升接入用户数、降低时延的移动物联网场景。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。

2015-04-28）