面向5G的PDMA圖樣分割多址接入技術

康紹莉 戴曉明 任斌 電信科學技術研究院

面向5G的PDMA圖樣分割多址接入技術

康紹莉 戴曉明 任斌 電信科學技術研究院

圖樣分割多址接入技術或簡稱圖分多址（Pattern Division Multiple Access，PDMA）是電信科學技術研究院提出的一種新型的非正交多址接入技術，它基于多用戶通信系統的收發聯合優化，在發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分用戶，在接收端基于用戶圖樣的特征結構采用串行干擾抵消（Successive Interference Cancellation，SIC）方式可以實現準最優多用戶檢測接收。本文先分析PDMA技術的基本原理和技術框架，然后詳述PDMA技術的發送端和接收端設計方案，再對PDMA技術進行仿真評估，充分證明了PDMA技術的優越性能和未來廣闊的應用前景。

非正交多址接入 圖樣分割多址接入 PDMA

1 引言

多址接入技術對于蜂窩移動通信系統具有重要意義，是一個系統信號的基礎性傳輸方式。在1G→4G系統中分別采用FDMA、TDMA、CDMA和OFDMA作為主要多址接入方式，其特點是用戶通過正交的資源分配，使得接收端信號檢測復雜度降低。為了滿足5G高頻譜效率和高連接數目的需求，可以考慮采用多個用戶在相同資源上重疊發送，即采用非正交多址接入方式，在接收端采用更復雜的檢測算法來實現用戶的正確檢測。非正交多址接入技術的引入，來源于器件的進步和非線性檢測技術的發展。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，都能夠達到Shannon容量的極限。

圖樣分割多址接入（Pattern Division Multiple Access，PDMA）技術，是電信科學技術研究院在早期SICAmenable MultipleAccess（SAMA）研究基礎上提出的新型非正交多址接入技術，它基于發送端和接收端的聯合設計，在發送端，在相同的時頻域資源內，將多個用戶信號進行功率域、空域、編碼域的單獨或聯合編碼傳輸，在接收端采用串行干擾抵消接收機算法進行多用戶檢測，做到通信系統的整體性能最優。

本文對PDMA技術的基本原理和技術框架、發送端方案設計、接收端方案設計進行詳細介紹，并給出了PDMA技術的上下行鏈路基本性能評估，最后對PDMA技術的未來發展進行了展望。

2 PDMA的基本原理和技術框架

PDMA的基本原理可以用等效分集度來進行解釋。按照V-BLAST系統的理論，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表示發送分集度。對于使用串行干擾抵消方式進行檢測的非正交多址接入系統，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，就需要在發送端為多用戶設計不一致的發送分集度。而發送分集度的構造方式，可以在功率、空間、編碼等多種信號域進行。

PDMA的技術框架如圖1所示，在發送端，多個用戶采用易于干擾抵消接收機算法的特征圖樣進行區分；在接收端，對多用戶采用低復雜度、高性能的串行干擾抵消算法實現多用戶檢測。與該技術框架相對應，圖2給出了PDMA的發送端到接收端的信號處理基本流程圖。相對于正交系統，PDMA在發送端增加了圖樣映射模塊，在接收端增加了圖樣檢測模塊。

3 PDMA的發送端方案設計

PDMA在基本時頻資源單元的映射方式如圖3所示，其對應的系統模型可簡要表示為：

圖1 PDMA技術框架

圖2 PDMA發端到收端的信號處理流程圖

圖3 PDMA的時頻資源映射方式

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表示發送端發送信號矢量，HPDMA表示PDMA多用戶編碼疊加矩陣，Hch表示真實無線信道響應矩陣，H=（Hche HPDMA）表示發端到收端的PDMA多用戶編碼矩陣和真實無線信道響應矩陣復合的等效信道響應矩陣，“e”表示兩個矩陣的對應位置元素乘積。y1，y2，…，yN表示接收端在N個時頻資源單元對應的接收信號，n1，n2，…，nN表示接收端在N個時頻資源單元對應的噪聲，x1，x2，…，xM表示發送端進行資源復用的M個用戶對應的發送信號，hn,m表示發端到收端的PDMA多用戶編碼矩陣和真實無線信道響應矩陣復合的等效信道響應。

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：

M實際取值依賴于期望的復用倍數和系統實現復雜度的折中，因此實際PDMA編碼矩陣來源于理論PDMA編碼矩陣的部分列的選取。基本原則是不同列之間具有合理的不等分集度，并且不同行的多用戶數目盡量一致。對應于圖3的實際PDMA編碼矩陣表示為：

圖4 PDMA的空域編碼圖樣設計示例

公式（4）表示在3個基本資源單元（ResourceUnit，RE）上傳輸5個用戶（UserEquipment，UE），其中用戶1 在3個RE上發送數據，用戶2在第1、2個RE上發送數據，用戶3在第2、3個RE上發送數據，用戶4、5分別在第3、1個RE上發送數據，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。

對應于上述的時頻資源映射方式，PDMA進行多用戶圖樣設計時，依據不同信號域特征而具有不同的方式。例如，在進行功率域圖樣設計時，會基于公式（3）、（4）所示的編碼矩陣增加功率和相位旋轉因子；在進行空域圖樣設計時，會基于公式（3）、（4）所示的編碼矩陣在多天線上進行映射并與預編碼矩陣進行結合；在進行編碼域圖樣設計時，會基于公式（3）、（4）所示的編碼矩陣考慮不同延遲的信道編碼等。具體地，以兩天線數據發送為例，如果采用傳統非正交方式，如圖4（a）所示，用戶1在天線1上發送符號S1，用戶2在天線1上發送符號S2，在天線2上發送符號S3，由于天線1上同時發送符號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發送S1+S2，在天線2上發送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。

4 PDMA的接收端方案設計

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解析模塊、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解析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，然后采用低復雜度的準最大似然檢測算法來實現多用戶的正確檢測接收。

表1 PDMA鏈路仿真條件

圖5 PDMA的接收機結構

圖6 PDMA接收機前端檢測模塊的基本結構

5 PDMA的性能評估

以LTE正交方式作為參照，這里對PDMA技術的上行和下行鏈路的基本性能進行了評估。涉及的主要仿真條件如表1所示，得到的仿真結果如圖7、8所示。

對于上行，在相同時頻資源上可以復用相對于正交不同倍數的用戶，通常簡稱為系統負荷。針對這里的150%、200%、300%的系統負荷仿真舉例，從圖7可以看出，對于給定的QPSK和16QAM這兩種調制方式，從BLER來看，PDMA相比LTE正交在工作信噪比區間內能獲得2～4dB的性能增益。從吞吐量增益來看，在系統負荷分別為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。

對于下行功率受限的系統，用戶間的大尺度衰落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間內能獲得3dB左右的性能增益。從吞吐量增益來看，在2用戶沒有功率差異的情況下，PDMA能獲得高達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。

圖7 PDMA上行鏈路性能

圖8 PDMA下行鏈路性能

6 結束語

PDMA是電信科學技術研究院提出的一種新型非正交多址接入技術，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、處理復雜度較低等優點。PDMA能夠普適地應用于面向5G的典型場景，包括提升頻譜效率和系統容量的連續廣域覆蓋場景、熱點高容量場景，提升接入用戶數、降低時延的移動物聯網場景。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的有效技術。可以預見，在未來的5G國內外標準化推動過程中，PDMA技術將發揮重要貢獻。

2015-04-28）