面向6G的新型多址與波形技術

李華，郝詩雅，鞏彩紅，李倩倩，戴曉明

專題：6G無線傳輸技術

面向6G的新型多址與波形技術

李華，郝詩雅，鞏彩紅，李倩倩，戴曉明

（北京科技大學計算機與通信工程學院，北京 100083）

隨著互聯網終端海量接入，傳統正交多址接入（orthogonal multiple access，OMA）技術接入效率低，5G NR系統面臨擁塞及高時延問題，并且在高速場景下，基于正交頻分復用（orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM）的系統由于多普勒效應性能嚴重惡化。為滿足6G在高速移動場景下低時延、高可靠、海量接入需求，首先，結合正交時頻空間（orthogonal time frequency space，OTFS）和圖樣分割多址接入（pattern division multiple access，PDMA）技術，提出了一種OTFS-PDMA聯合方案；然后，推導PDMA傳輸碼字在時延?多普勒（delay-Doppler，DD）域采用不同分配方式的系統輸入?輸出關系；最后，提出了一種基于期望傳播算法（expectation propagation algorithm，EPA）的低復雜度接收機。仿真結果表明，OTFS-PDMA較傳統的OTFS-OMA技術能夠顯著提升誤碼率性能；對于規則碼本，不同碼字分配方案性能相似，而對于非規則碼本，發送信號采用集中式擴頻優于離散式擴頻，且對于離散式擴頻，PDMA擴頻信號沿多普勒軸分配，系統可取得較好性能；此外EPA接收機性能優于其他傳統接收機。

正交時頻空間；圖樣分割多址接入；碼字分配；期望傳播算法

0 引言

隨著互聯網海量終端的接入，移動數據流量呈爆炸式增長，6G通信需要滿足更高頻譜效率、更低傳輸時延和海量連接需求。1G到5G NR通信系統均采用正交多址接入（orthogonal multiple access，OMA）方式避免多址干擾，但在海量接入場景下，OMA接入效率較低，限制了無線通信資源的自由度，系統會面臨阻塞、高時延等問題[1-2]。此外正交頻分復用（orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM）作為長期演進（long term evolution，LTE）技術和5G NR標準的調制技術，對多普勒效應敏感，導致其在高速場景下的應用受限。因此，為滿足6G移動通信系統在高動態場景下的超低時延、高可靠及超大連接等需求，需要進一步探索新型多址技術和波形技術。

非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）技術通過功率復用或特征碼本設計，允許不同用戶復用相同的時、頻、空域資源，在理論上相對OMA技術可以獲得更高的頻譜效率，受到學術界和工業界的廣泛關注。目前，主流NOMA技術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（如資源擴展多址接入）[4]、基于擴頻的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，許多關于NOMA的現有工作都集中在低移動性場景上。隨著高速鐵路和自動駕駛汽車等發展，傳統基于OFDM的通信系統由于子載波正交性破壞，性能嚴重惡化。且6G通信系統的高頻段通信，如毫米波（millimeter wave，MMW）、太赫茲（terahertz，THz）等技術對多普勒效應更加敏感。正交時頻空間（orthogonal time frequency space，OTFS）是一種二維調制技術，在高速移動場景中相對OFDM表現出良好的魯棒性[7]。與傳統OFDM不同，OTFS將發送數據放置在時延－多普勒（delay-Doppler，DD）域，可以充分利用時延和多普勒域的分集增益。在DD域，每幀OTFS數據幾乎經過相同的信道，即OTFS可以將時頻域的快速時變信道轉換為時延－多普勒域的準平穩信道，簡化了信道估計和檢測過程[8-9]。文獻[10-12]對OTFS與多址技術的結合模型進行了研究，文獻[10]提出將DD域資源以等間隔的方式分配給每個用戶，以避免多用戶干擾，每個用戶的信號僅被限制在時頻域平面上的一個子塊上；文獻[11]提出將多用戶的信號在DD網格上沿多普勒軸或時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[12]提出一種SCMA-OTFS結合的方案，并針對下行和上行系統分別設計了二階段和一階段接收機，然而接收機復雜度仍然很高，且只針對規則碼本進行研究，對于非規則碼本擴頻信號，在DD域分配方案研究尚不充分。

為滿足6G通信在高速場景下高可靠、低時延、海量接入的需求，本文結合OTFS和NOMA技術，首先提出一種新型的OTFS-PDMA模型。PDMA是一種兼顧發送端和接收端的聯合設計技術。在發送端，可以將多用戶的發送信號在不同域進行復用，如功率域、空域、編碼域、頻域、時延域和多普勒域；在接收端，可以利用消息傳遞算法或串行干擾刪除技術實現多用戶信號檢測。接著推導用戶PDMA擴頻信號在DD網格上不同分配方式下的系統等效輸入－輸出關系式。考慮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）的低復雜度接收機。最后給出仿真結果及性能分析。

1 OTFS-PDMA系統模型

本文考慮OTFS-PDMA上行編碼系統，OTFS-PDMA系統流程如圖1所示。假設個用戶共享個時延－多普勒域資源元素（delay-Doppler resource element，DDRE）。PDMA擴頻信號分配在OTFS系統DD域網格上：

1.1 PDMA

其中，行表示資源數，列表示用戶數，碼本中的“1”和“0”分別表示用戶是否占用對應的DDRE。例如，對于規則碼本，用戶1的數據映射在第一個和第二個DDRE上。定義為碼本矩陣的行重（“1”的個數），表示每個DDRE上的信號復用度；為碼本矩陣的列重，表示每個用戶的發送分集度。對于式（4）的PDMA碼本，每個用戶等分集，即、，稱為規則碼本。為非規則碼本。為便于分析，本文以規則碼本為例，PDMA 6個用戶在4個DDRE上復用方式如圖2所示。

圖2 PDMA 6個用戶在4個DDRE上復用方式

1.2 OTFS

圖3 OTFS調制解調系統框架

圖4 PDMA擴頻碼字在DD網格分配方式

對于PDMA碼字集中式映射方式，聯合上述OTFS-PDMA發送和接收過程，用戶的輸入－輸出關系，以向量形式表示為：

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

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

1.3 OTFS-PDMA

考慮含有背景噪聲的實際場景，則對于個用戶，OTFS-PDMA系統的輸入－輸出關系為：

2 基于EPA的低復雜度接收機

2.1 EPA接收機

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算法的低復雜度接收機。EPA的核心思想是通過矩匹配將復雜的后驗分布近似為簡單的指數家族分布，如高斯分布。EPA基于高斯近似，在因子圖的變量節點（variable node，VN）和因子節點（function node，FN）之間迭代更新均值方差[13-14]。

圖5 OTFS-PDMA系統因子圖

當達到預設的最大迭代次數時，利用最后一次迭代的后驗概率計算對數似然比（log-likelihood ratio，LLR）為：

EPA算法流程如算法1所示。

算法1 EPA算法流程

計算：

2.2 復雜度分析

本文通過復數乘法次數衡量EPA計算復雜度，其中EPA的復雜度主要來自VN和FN之間均值方差以及在VN處后驗信息的計算，復雜度分析見表1，可以看出，EPA的計算復雜度與、呈線性關系，而傳統基于最小均方誤差（minimum mean-square error，MMSE）的接收機與呈立方關系[14]。

表1 復雜度分析

3 仿真驗證分析

圖6 PDMA擴頻信號在DD平面不同分配方式性能對比

圖7 OTFS-PDMA與OTFS-OMA不同接收機性能對比

4 結束語

本文針對6G通信在高速場景中高可靠、低時延和海量接入的需求，對NOMA和OTFS技術進行了研究。首先，推導OTFS-PDMA系統等效模型，并針對在DD網格上不同的PDMA碼字分配方式，給出對應的輸入－輸出表達式；考慮到PDMA碼本和DD域信道的稀疏性，提出一種基于EPA的低復雜度迭代接收機；最后，仿真驗證所提OTFS-PDMA模型與EPA接收機的優越性。結果表明，OTFS-PDMA性能優于OTFS-OMA；對于PDMA規則碼本，在DD域的信號分配方案對性能影響較小，而對于非規則碼本，PDMA信號采用集中式擴頻優于離散式方案，當采用集中式擴頻時，沿多普勒軸和沿時延軸PDMA信號分配方案系統性能相似，當采用離散式擴頻時，信號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接收機性能和復雜度都優于傳統的算法。

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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

國家自然科學基金資助項目（No.61871029）

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

李華（1995? ），男，北京科技大學計算機與通信工程學院博士生，主要研究方向為5G+/6G、非正交多址接入、正交時頻空調制技術和大規模MIMO信號檢測與信道估計。

郝詩雅（1995? ），女，北京科技大學計算機與通信工程學院博士生，主要研究方向為5G+/6G、非正交多址接入、正交時頻空調制技術和大規模MIMO信號檢測。

鞏彩紅（1988? ），女，北京科技大學計算機與通信工程學院博士生，主要研究方向為物理層安全、非正交多址接入技術和智能超表面。

李倩倩（1993? ），女，北京科技大學計算機與通信工程學院博士生，主要研究方向為非正交多址接入技術、智能超表面技術和信號檢測與估計。

戴曉明（1973? ），男，博士，北京科技大學計算機與通信工程學院教授、博士生導師，圖樣分割多址技術提出者，IMT-2020（5G）新型多址接入技術組副組長，主要研究方向為5G+/6G、大規模MIMO天線、非正交多址接入和ASIC芯片設計等。