面向6G的新型多址與波形技術(shù)

李華，郝詩雅，鞏彩紅，李倩倩，戴曉明

專題：6G無線傳輸技術(shù)

面向6G的新型多址與波形技術(shù)

李華，郝詩雅，鞏彩紅，李倩倩，戴曉明

（北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京 100083）

隨著互聯(lián)網(wǎng)終端海量接入，傳統(tǒng)正交多址接入（orthogonal multiple access，OMA）技術(shù)接入效率低，5G NR系統(tǒng)面臨擁塞及高時(shí)延問題，并且在高速場(chǎng)景下，基于正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM）的系統(tǒng)由于多普勒效應(yīng)性能嚴(yán)重惡化。為滿足6G在高速移動(dòng)場(chǎng)景下低時(shí)延、高可靠、海量接入需求，首先，結(jié)合正交時(shí)頻空間（orthogonal time frequency space，OTFS）和圖樣分割多址接入（pattern division multiple access，PDMA）技術(shù)，提出了一種OTFS-PDMA聯(lián)合方案；然后，推導(dǎo)PDMA傳輸碼字在時(shí)延?多普勒（delay-Doppler，DD）域采用不同分配方式的系統(tǒng)輸入?輸出關(guān)系；最后，提出了一種基于期望傳播算法（expectation propagation algorithm，EPA）的低復(fù)雜度接收機(jī)。仿真結(jié)果表明，OTFS-PDMA較傳統(tǒng)的OTFS-OMA技術(shù)能夠顯著提升誤碼率性能；對(duì)于規(guī)則碼本，不同碼字分配方案性能相似，而對(duì)于非規(guī)則碼本，發(fā)送信號(hào)采用集中式擴(kuò)頻優(yōu)于離散式擴(kuò)頻，且對(duì)于離散式擴(kuò)頻，PDMA擴(kuò)頻信號(hào)沿多普勒軸分配，系統(tǒng)可取得較好性能；此外EPA接收機(jī)性能優(yōu)于其他傳統(tǒng)接收機(jī)。

正交時(shí)頻空間；圖樣分割多址接入；碼字分配；期望傳播算法

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)海量終端的接入，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量呈爆炸式增長(zhǎng)，6G通信需要滿足更高頻譜效率、更低傳輸時(shí)延和海量連接需求。1G到5G NR通信系統(tǒng)均采用正交多址接入（orthogonal multiple access，OMA）方式避免多址干擾，但在海量接入場(chǎng)景下，OMA接入效率較低，限制了無線通信資源的自由度，系統(tǒng)會(huì)面臨阻塞、高時(shí)延等問題[1-2]。此外正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM）作為長(zhǎng)期演進(jìn)（long term evolution，LTE）技術(shù)和5G NR標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制技術(shù)，對(duì)多普勒效應(yīng)敏感，導(dǎo)致其在高速場(chǎng)景下的應(yīng)用受限。因此，為滿足6G移動(dòng)通信系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的超低時(shí)延、高可靠及超大連接等需求，需要進(jìn)一步探索新型多址技術(shù)和波形技術(shù)。

非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）技術(shù)通過功率復(fù)用或特征碼本設(shè)計(jì)，允許不同用戶復(fù)用相同的時(shí)、頻、空域資源，在理論上相對(duì)OMA技術(shù)可以獲得更高的頻譜效率，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前，主流NOMA技術(shù)方案包括基于功率分配的NOMA、基于交織的NOMA（如交織分割多址接入）[3]、基于擾碼的NOMA（如資源擴(kuò)展多址接入）[4]、基于擴(kuò)頻的NOMA（如稀疏碼多址接入（sparse code multiple access，SCMA）[5]、圖樣分割多址接入（pattern division multiple access，PDMA）[6]）等。然而，許多關(guān)于NOMA的現(xiàn)有工作都集中在低移動(dòng)性場(chǎng)景上。隨著高速鐵路和自動(dòng)駕駛汽車等發(fā)展，傳統(tǒng)基于OFDM的通信系統(tǒng)由于子載波正交性破壞，性能嚴(yán)重惡化。且6G通信系統(tǒng)的高頻段通信，如毫米波（millimeter wave，MMW）、太赫茲（terahertz，THz）等技術(shù)對(duì)多普勒效應(yīng)更加敏感。正交時(shí)頻空間（orthogonal time frequency space，OTFS）是一種二維調(diào)制技術(shù)，在高速移動(dòng)場(chǎng)景中相對(duì)OFDM表現(xiàn)出良好的魯棒性[7]。與傳統(tǒng)OFDM不同，OTFS將發(fā)送數(shù)據(jù)放置在時(shí)延－多普勒（delay-Doppler，DD）域，可以充分利用時(shí)延和多普勒域的分集增益。在DD域，每幀OTFS數(shù)據(jù)幾乎經(jīng)過相同的信道，即OTFS可以將時(shí)頻域的快速時(shí)變信道轉(zhuǎn)換為時(shí)延－多普勒域的準(zhǔn)平穩(wěn)信道，簡(jiǎn)化了信道估計(jì)和檢測(cè)過程[8-9]。文獻(xiàn)[10-12]對(duì)OTFS與多址技術(shù)的結(jié)合模型進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[10]提出將DD域資源以等間隔的方式分配給每個(gè)用戶，以避免多用戶干擾，每個(gè)用戶的信號(hào)僅被限制在時(shí)頻域平面上的一個(gè)子塊上；文獻(xiàn)[11]提出將多用戶的信號(hào)在DD網(wǎng)格上沿多普勒軸或時(shí)延軸分配在不重疊且相鄰的子塊上，以解決顯著的同信道干擾；文獻(xiàn)[12]提出一種SCMA-OTFS結(jié)合的方案，并針對(duì)下行和上行系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)了二階段和一階段接收機(jī)，然而接收機(jī)復(fù)雜度仍然很高，且只針對(duì)規(guī)則碼本進(jìn)行研究，對(duì)于非規(guī)則碼本擴(kuò)頻信號(hào)，在DD域分配方案研究尚不充分。

為滿足6G通信在高速場(chǎng)景下高可靠、低時(shí)延、海量接入的需求，本文結(jié)合OTFS和NOMA技術(shù)，首先提出一種新型的OTFS-PDMA模型。PDMA是一種兼顧發(fā)送端和接收端的聯(lián)合設(shè)計(jì)技術(shù)。在發(fā)送端，可以將多用戶的發(fā)送信號(hào)在不同域進(jìn)行復(fù)用，如功率域、空域、編碼域、頻域、時(shí)延域和多普勒域；在接收端，可以利用消息傳遞算法或串行干擾刪除技術(shù)實(shí)現(xiàn)多用戶信號(hào)檢測(cè)。接著推導(dǎo)用戶PDMA擴(kuò)頻信號(hào)在DD網(wǎng)格上不同分配方式下的系統(tǒng)等效輸入－輸出關(guān)系式?？紤]PDMA碼本和DD域信道稀疏性，提出一種基于期望值傳播算法（expectation propagation algorithm，EPA）的低復(fù)雜度接收機(jī)。最后給出仿真結(jié)果及性能分析。

1 OTFS-PDMA系統(tǒng)模型

本文考慮OTFS-PDMA上行編碼系統(tǒng)，OTFS-PDMA系統(tǒng)流程如圖1所示。假設(shè)個(gè)用戶共享個(gè)時(shí)延－多普勒域資源元素（delay-Doppler resource element，DDRE）。PDMA擴(kuò)頻信號(hào)分配在OTFS系統(tǒng)DD域網(wǎng)格上：

1.1 PDMA

其中，行表示資源數(shù)，列表示用戶數(shù)，碼本中的“1”和“0”分別表示用戶是否占用對(duì)應(yīng)的DDRE。例如，對(duì)于規(guī)則碼本，用戶1的數(shù)據(jù)映射在第一個(gè)和第二個(gè)DDRE上。定義為碼本矩陣的行重（“1”的個(gè)數(shù)），表示每個(gè)DDRE上的信號(hào)復(fù)用度；為碼本矩陣的列重，表示每個(gè)用戶的發(fā)送分集度。對(duì)于式（4）的PDMA碼本，每個(gè)用戶等分集，即、，稱為規(guī)則碼本。為非規(guī)則碼本。為便于分析，本文以規(guī)則碼本為例，PDMA 6個(gè)用戶在4個(gè)DDRE上復(fù)用方式如圖2所示。

圖2 PDMA 6個(gè)用戶在4個(gè)DDRE上復(fù)用方式

1.2 OTFS

圖3 OTFS調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)框架

圖4 PDMA擴(kuò)頻碼字在DD網(wǎng)格分配方式

對(duì)于PDMA碼字集中式映射方式，聯(lián)合上述OTFS-PDMA發(fā)送和接收過程，用戶的輸入－輸出關(guān)系，以向量形式表示為：

（1）發(fā)送端PDMA碼字集中式映射（參考式（2）），等效輸入－輸出關(guān)系可以表示為：

（2）發(fā)送端PDMA碼字離散式映射（參考式（3）），等效輸入－輸出關(guān)系可以表示為：

1.3 OTFS-PDMA

考慮含有背景噪聲的實(shí)際場(chǎng)景，則對(duì)于個(gè)用戶，OTFS-PDMA系統(tǒng)的輸入－輸出關(guān)系為：

2 基于EPA的低復(fù)雜度接收機(jī)

2.1 EPA接收機(jī)

考慮到PDMA碼本矩陣和OTFS等效信道矩陣的稀疏特性，本文提出采用基于EPA算法的低復(fù)雜度接收機(jī)。EPA的核心思想是通過矩匹配將復(fù)雜的后驗(yàn)分布近似為簡(jiǎn)單的指數(shù)家族分布，如高斯分布。EPA基于高斯近似，在因子圖的變量節(jié)點(diǎn)（variable node，VN）和因子節(jié)點(diǎn)（function node，F(xiàn)N）之間迭代更新均值方差[13-14]。

圖5 OTFS-PDMA系統(tǒng)因子圖

當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的最大迭代次數(shù)時(shí)，利用最后一次迭代的后驗(yàn)概率計(jì)算對(duì)數(shù)似然比（log-likelihood ratio，LLR）為：

EPA算法流程如算法1所示。

算法1 EPA算法流程

計(jì)算：

2.2 復(fù)雜度分析

本文通過復(fù)數(shù)乘法次數(shù)衡量EPA計(jì)算復(fù)雜度，其中EPA的復(fù)雜度主要來自VN和FN之間均值方差以及在VN處后驗(yàn)信息的計(jì)算，復(fù)雜度分析見表1，可以看出，EPA的計(jì)算復(fù)雜度與、呈線性關(guān)系，而傳統(tǒng)基于最小均方誤差（minimum mean-square error，MMSE）的接收機(jī)與呈立方關(guān)系[14]。

表1 復(fù)雜度分析

3 仿真驗(yàn)證分析

圖6 PDMA擴(kuò)頻信號(hào)在DD平面不同分配方式性能對(duì)比

圖7 OTFS-PDMA與OTFS-OMA不同接收機(jī)性能對(duì)比

4 結(jié)束語

本文針對(duì)6G通信在高速場(chǎng)景中高可靠、低時(shí)延和海量接入的需求，對(duì)NOMA和OTFS技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，推導(dǎo)OTFS-PDMA系統(tǒng)等效模型，并針對(duì)在DD網(wǎng)格上不同的PDMA碼字分配方式，給出對(duì)應(yīng)的輸入－輸出表達(dá)式；考慮到PDMA碼本和DD域信道的稀疏性，提出一種基于EPA的低復(fù)雜度迭代接收機(jī)；最后，仿真驗(yàn)證所提OTFS-PDMA模型與EPA接收機(jī)的優(yōu)越性。結(jié)果表明，OTFS-PDMA性能優(yōu)于OTFS-OMA；對(duì)于PDMA規(guī)則碼本，在DD域的信號(hào)分配方案對(duì)性能影響較小，而對(duì)于非規(guī)則碼本，PDMA信號(hào)采用集中式擴(kuò)頻優(yōu)于離散式方案，當(dāng)采用集中式擴(kuò)頻時(shí)，沿多普勒軸和沿時(shí)延軸PDMA信號(hào)分配方案系統(tǒng)性能相似，當(dāng)采用離散式擴(kuò)頻時(shí)，信號(hào)沿多普勒軸分配方案可以取得較好的性能；此外，所采用的EPA接收機(jī)性能和復(fù)雜度都優(yōu)于傳統(tǒng)的算法。

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New multiple access and waveform technology for 6G

LI Hua, HAO Shiya, GONG Caihong, LI Qianqian, DAI Xiaoming

School of Computer and Communication Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

With the explosive growth of Internet devices, the 5G new radio (NR) system faces congestion and high latency issues due to the low access efficiency of traditional orthogonal multiple access (OMA). Besides this, the performance of the orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM)-based system is severely degraded due to the Doppler effect in high-speed scenarios. To meet the low-latency, high-reliability, and massive connection requirements of 6G communication in high-mobility scenarios, firstly, a novel orthogonal time frequency space (OTFS)-based pattern division multiple access (PDMA) scheme, shortened as OTFS-PDMA, was proposed. Then, the system input-output relationship of different types of PDMA codeword allocation schemes in the delay-Doppler (DD) domain was derived. Finally, a low-complexity expectation propagation algorithm (EPA)-based receiver was proposed. Simulation results illustrate that the proposed OTFS-PDMA scheme achieves significant performance gains over the conventional OTFS-OMA scheme. For regular PDMA patterns, the PDMA codeword allocation has a slight impact on the system performance. For irregular patterns, the centralized spreading method outperforms the discrete one. For discrete spreading scheme, the system can achieve better performance by assigning irregular PDMA spread signals along the Doppler direction. In addition, the proposed EPA receiver outperforms its conventional counterparts.

orthogonal time frequency space, pattern division multiple access, pattern allocation, expectation propagation algorithm

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022271

2022?08?22；

2022?10?11

戴曉明，daixiaoming@ustb.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61871029）

The National Natural Science Foundation of China (No.61871029)

李華（1995? ），男，北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院博士生，主要研究方向?yàn)?G+/6G、非正交多址接入、正交時(shí)頻空調(diào)制技術(shù)和大規(guī)模MIMO信號(hào)檢測(cè)與信道估計(jì)。

郝詩雅（1995? ），女，北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院博士生，主要研究方向?yàn)?G+/6G、非正交多址接入、正交時(shí)頻空調(diào)制技術(shù)和大規(guī)模MIMO信號(hào)檢測(cè)。

鞏彩紅（1988? ），女，北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院博士生，主要研究方向?yàn)槲锢韺影踩?、非正交多址接入技術(shù)和智能超表面。

李倩倩（1993? ），女，北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院博士生，主要研究方向?yàn)榉钦欢嘀方尤爰夹g(shù)、智能超表面技術(shù)和信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)。

戴曉明（1973? ），男，博士，北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，圖樣分割多址技術(shù)提出者，IMT-2020（5G）新型多址接入技術(shù)組副組長(zhǎng)，主要研究方向?yàn)?G+/6G、大規(guī)模MIMO天線、非正交多址接入和ASIC芯片設(shè)計(jì)等。