基于PDMA的5G NR低功耗大连接免调度算法

2018-06-11赵琛

电子设计工程 2018年11期

赵琛

（北京北方烽火科技有限公司北京100085）

无线通信的不断发展使得频谱成为稀缺资源，另外移动物联网对海量连接的需求日益迫切。近年，多种非正交多址技术被提出和深入研究，以便解决上述两个问题。与OMA（正交多址技术）不同，NOMA（非正交多址）在相同的时频资源上承载多个UE的数据[1]，并且彼此不是正交的，这样基站和多个UE之间形成了共享信道[2-3]，根据香农公式，这种技术能够带来容量和频谱效率的提升。但是因为多个UE的信号非正交地叠加在一起，检测发射信号的难度增加，需要利用SIC（串行干扰消除）接收机[4]。由于非线性器件的技术发展迅速，可以通过提高接收机复杂度换取信道容量的提升，逼近香农极限[5]。目前国内的非正交多址的具体方案包括：

1）SCMA（Sparse Code Multiple Access，稀疏码分多址接入），是一种多个UE的信号在码域叠加的非正交多址接入技术[6]。

2）MUSA（Multi-User Shared Access，多用户共享接入），被视为CDMA的改进方案。

3）PDMA（Pattern Division Multiple Access，图样分割多址接入）。这种方案对发射端和接收端进行联合优化[7-8]。在发送端，对多个用户信号进行功率域、空域、码域联合编码；在接收端，采用SIC进行多用户检测[9]，通常考虑性能较优的BP-IDD（置信传播迭代译码，Belief Propagation Iterative Dection and Decoding）接收机[10]，从而最大限度地优化整体性能[11-12]。

1　PDMA

PDMA的核心是根据PDMA图样将发送数据映射到同一组资源上，以便实现有差别的发射分集度[13]，从而降低接收机复杂度。PDMA图样矩阵定义了从发射数据到一个资源组的映射，映射到一个组中的资源数量决定了发射分集度。多个用户的数据可以按照不同的PDMA图样复用到同一个资源组中，实现非正交发射。

图1　PDMA发送端到接收端系统框图

PDMA系统框图如图1所示，在发送端将调制符号xk映射到资源上，并产生一个调制向量vk。一个资源组中K个用户的数据使用不同的PDMA调制向量vk，通过将该用户的调制符号xk按照PDMA图样延拓来获得，见式（1）。

其中gk是一个N×1的二进制向量。K个用户在N个RE上的PDMA图样组成一个N×K维的PDMA图样矩阵见式（2）。

基站的接收信号y可以表示（3）式的形式。

其中n表示接收机的噪声和干扰，hk表示第k个用户的上行信道相应向量。记信道相应矩阵HCH=[h1,h2,...,hK]，发射信号x=[x1,x2,...,xK]Γ。则（3）式可以改写为（4）式的形式。

定义OF（过载因子，Overload Factor）=K/N，反映了PDMA相对于OMA的复用倍数（OMA的N=K）。当N=3，K=5时，OF≈ 167%。

接收信号展开式如（5）式所示。

MMSE-SIC非线性接收机根据SINR顺序进行信号重建、译码等过程[14-15]。

2　MAC层免授权资源分配

免授权传输不需要基站授权，UE每次传输不再根据UL-grant来指示，并非完全不对UE的资源做任何限制，有两种方式：

1）半静态调度：基站以层3信令方式，半静态地指示UE在上行传输中应当使用的资源，在收到一个新的资源分配信令以前，一直使用信令中指示的时域、频域和PDMA图样资源。

2）SSC指示：根据给定的OF，基站在免调度资源池中的PDMA图样资源中查找SSC（Sum Squared Correlation，相关值平方和，定义见式（6））最小的PDMA图样，将其索引发送给UE[16]。

2.1　上行资源分配

为UE分配上行无线资源时，由于半静态资源分配的生效时间较长，对某一个UE来说，时域上呈现传输机会的周期性。为不同UE动态分配频域上带宽不同、时域上周期不同的资源。

2.1.1　频域资源分配

根据PDMA的实现原理，对于N×K的PDMA图样矩阵，某个UE待发射的某一符号需要映射到N个RE上，为适应PDMA，把N个PRB捆绑成一个RBG，作为资源分配粒度。

2.1.2　PDMA图样分配

一个PDMA图样矩阵中，不同的图样按照分集度可以分为若干组，为距离基站较远的UE分配分集度较高的PDMA图样，为距离基站较近的UE分配分集度较低的PDMA图样。

假设一个PDMA图样矩阵中的分集度共有NDO种，按升序排列为d1,d2,...,dNDO，然后设定NDO-1个RSRP门限，即RSRP1,RSRP2,...,RSRPNDO-1，UE上报的RSRP高于RSRP1时，为其分配分集度为d1的图样；UE上报的RSRP位于RSRPi-1和RSRPi之间时，为其分配分集度为di的图样；UE上报的RSPP低于RSRPNDO-1时，为其分配分集度为的图样。

2.1.3　时域资源分配

在物联网应用场景下，单个UE的传输速率往往并不高，不需要很小的上行发送周期，免授权调度时，为每个UE设定一个周期，每个周期进行一次上行子帧进行传输。并且应根据UE速率需求为其分配不同的传输周期。

为满足在同一资源单元（时/频域、PDMA图样3个维度）上复用多个UE，以及支持不同的UE不同周期的上行发送，同一资源单元需要在时域上分裂成以不同周期发送的子帧组成的集合。规定以2的整数次幂进行分裂，即2P，则分裂出的上行发射周期为个子帧。

图2为D:U为3:1情况下一种分裂的情况的树形结构，虚线框为非叶结点，表示已经被分裂的、无法再被整体分配的资源。叶结点分两种，黄色框表示已经分配给UE的资源、蓝色框表示上位被分配的资源，可直接被分配或者继续被分裂。每个框中的第一个数字表示，第二个数字q表示该资源的子帧号满足式（7）。

以3个UE为例，时域的分配方案为：

UE2上行发射周期为40个子帧，子帧号满足：

UE3上行发射周期为40个子帧，子帧号满足：

尚有下列时域资源处于可被分配状态：

图3　UE发射周期与偏移示意图

图3中黄色区域是UE1、UE2和UE3在时域上各自的发射周期和偏移的表示。

2.2　上行免授权传输过程

为保证每次随机接入能够有资源动态地分配给Msg3，可先对Msg3使用的时频资源做半静态预留。发送Msg3使用的PRB、MCS、功率调整由RAR的UL-grant指示。基站成功接收Msg3后，根据接收功率决定其将要进行的上行免授权传输的分集度和MCS，根据UE的业务对上行传输的速率需求，以及时域传输周期的P值。并在免授权资源池中为其分配资源、确定子帧偏移。

UE本次发起的随机接入和上行传输过程结束后，要根据频域、PDMA图样索引、时域传输周期以及在周期内的子帧偏移参数回收上述资源，回收后上述资源可重新利用，该UE的上行免授权传输也随即结束。