基于PDMA的5G NR低功耗大連接免調度算法

趙琛

（北京北方烽火科技有限公司北京100085）

無線通信的不斷發展使得頻譜成為稀缺資源，另外移動物聯網對海量連接的需求日益迫切。近年，多種非正交多址技術被提出和深入研究，以便解決上述兩個問題。與OMA（正交多址技術）不同，NOMA（非正交多址）在相同的時頻資源上承載多個UE的數據[1]，并且彼此不是正交的，這樣基站和多個UE之間形成了共享信道[2-3]，根據香農公式，這種技術能夠帶來容量和頻譜效率的提升。但是因為多個UE的信號非正交地疊加在一起，檢測發射信號的難度增加，需要利用SIC（串行干擾消除）接收機[4]。由于非線性器件的技術發展迅速，可以通過提高接收機復雜度換取信道容量的提升，逼近香農極限[5]。目前國內的非正交多址的具體方案包括：

1）SCMA（Sparse Code Multiple Access，稀疏碼分多址接入），是一種多個UE的信號在碼域疊加的非正交多址接入技術[6]。

2）MUSA（Multi-User Shared Access，多用戶共享接入），被視為CDMA的改進方案。

3）PDMA（Pattern Division Multiple Access，圖樣分割多址接入）。這種方案對發射端和接收端進行聯合優化[7-8]。在發送端，對多個用戶信號進行功率域、空域、碼域聯合編碼；在接收端，采用SIC進行多用戶檢測[9]，通常考慮性能較優的BP-IDD（置信傳播迭代譯碼，Belief Propagation Iterative Dection and Decoding）接收機[10]，從而最大限度地優化整體性能[11-12]。

1　PDMA

PDMA的核心是根據PDMA圖樣將發送數據映射到同一組資源上，以便實現有差別的發射分集度[13]，從而降低接收機復雜度。PDMA圖樣矩陣定義了從發射數據到一個資源組的映射，映射到一個組中的資源數量決定了發射分集度。多個用戶的數據可以按照不同的PDMA圖樣復用到同一個資源組中，實現非正交發射。

圖1　PDMA發送端到接收端系統框圖

PDMA系統框圖如圖1所示，在發送端將調制符號xk映射到資源上，并產生一個調制向量vk。一個資源組中K個用戶的數據使用不同的PDMA調制向量vk，通過將該用戶的調制符號xk按照PDMA圖樣延拓來獲得，見式（1）。

其中gk是一個N×1的二進制向量。K個用戶在N個RE上的PDMA圖樣組成一個N×K維的PDMA圖樣矩陣見式（2）。

基站的接收信號y可以表示（3）式的形式。

其中n表示接收機的噪聲和干擾，hk表示第k個用戶的上行信道相應向量。記信道相應矩陣HCH=[h1,h2,...,hK]，發射信號x=[x1,x2,...,xK]Γ。則（3）式可以改寫為（4）式的形式。

定義OF（過載因子，Overload Factor）=K/N，反映了PDMA相對于OMA的復用倍數（OMA的N=K）。當N=3，K=5時，OF≈ 167%。

接收信號展開式如（5）式所示。

MMSE-SIC非線性接收機根據SINR順序進行信號重建、譯碼等過程[14-15]。

2　MAC層免授權資源分配

免授權傳輸不需要基站授權，UE每次傳輸不再根據UL-grant來指示，并非完全不對UE的資源做任何限制，有兩種方式：

1）半靜態調度：基站以層3信令方式，半靜態地指示UE在上行傳輸中應當使用的資源，在收到一個新的資源分配信令以前，一直使用信令中指示的時域、頻域和PDMA圖樣資源。

2）SSC指示：根據給定的OF，基站在免調度資源池中的PDMA圖樣資源中查找SSC（Sum Squared Correlation，相關值平方和，定義見式（6））最小的PDMA圖樣，將其索引發送給UE[16]。

2.1　上行資源分配

為UE分配上行無線資源時，由于半靜態資源分配的生效時間較長，對某一個UE來說，時域上呈現傳輸機會的周期性。為不同UE動態分配頻域上帶寬不同、時域上周期不同的資源。

2.1.1　頻域資源分配

根據PDMA的實現原理，對于N×K的PDMA圖樣矩陣，某個UE待發射的某一符號需要映射到N個RE上，為適應PDMA，把N個PRB捆綁成一個RBG，作為資源分配粒度。

2.1.2　PDMA圖樣分配

一個PDMA圖樣矩陣中，不同的圖樣按照分集度可以分為若干組，為距離基站較遠的UE分配分集度較高的PDMA圖樣，為距離基站較近的UE分配分集度較低的PDMA圖樣。

假設一個PDMA圖樣矩陣中的分集度共有NDO種，按升序排列為d1,d2,...,dNDO，然后設定NDO-1個RSRP門限，即RSRP1,RSRP2,...,RSRPNDO-1，UE上報的RSRP高于RSRP1時，為其分配分集度為d1的圖樣；UE上報的RSRP位于RSRPi-1和RSRPi之間時，為其分配分集度為di的圖樣；UE上報的RSPP低于RSRPNDO-1時，為其分配分集度為的圖樣。

2.1.3　時域資源分配

在物聯網應用場景下，單個UE的傳輸速率往往并不高，不需要很小的上行發送周期，免授權調度時，為每個UE設定一個周期，每個周期進行一次上行子幀進行傳輸。并且應根據UE速率需求為其分配不同的傳輸周期。

為滿足在同一資源單元（時/頻域、PDMA圖樣3個維度）上復用多個UE，以及支持不同的UE不同周期的上行發送，同一資源單元需要在時域上分裂成以不同周期發送的子幀組成的集合。規定以2的整數次冪進行分裂，即2P，則分裂出的上行發射周期為個子幀。

圖2為D:U為3:1情況下一種分裂的情況的樹形結構，虛線框為非葉結點，表示已經被分裂的、無法再被整體分配的資源。葉結點分兩種，黃色框表示已經分配給UE的資源、藍色框表示上位被分配的資源，可直接被分配或者繼續被分裂。每個框中的第一個數字表示，第二個數字q表示該資源的子幀號滿足式（7）。

以3個UE為例，時域的分配方案為：

UE2上行發射周期為40個子幀，子幀號滿足：

UE3上行發射周期為40個子幀，子幀號滿足：

尚有下列時域資源處于可被分配狀態：

圖3　UE發射周期與偏移示意圖

圖3中黃色區域是UE1、UE2和UE3在時域上各自的發射周期和偏移的表示。

2.2　上行免授權傳輸過程

為保證每次隨機接入能夠有資源動態地分配給Msg3，可先對Msg3使用的時頻資源做半靜態預留。發送Msg3使用的PRB、MCS、功率調整由RAR的UL-grant指示。基站成功接收Msg3后，根據接收功率決定其將要進行的上行免授權傳輸的分集度和MCS，根據UE的業務對上行傳輸的速率需求，以及時域傳輸周期的P值。并在免授權資源池中為其分配資源、確定子幀偏移。

UE本次發起的隨機接入和上行傳輸過程結束后，要根據頻域、PDMA圖樣索引、時域傳輸周期以及在周期內的子幀偏移參數回收上述資源，回收后上述資源可重新利用，該UE的上行免授權傳輸也隨即結束。

3　結束語

文中針對低功耗大連接的物聯網無線通信技術進行分析和研究，提出了一種新的時域資源分配方式，上行傳輸采用免授權調度方式的改進進行了分析，包括資源半靜態劃分、傳輸過程、免授權調度碰撞解決，為針對低功耗大連接場景免授權調度的設計和仿真工作提供必要的基礎。