面向6G的新型多址与波形技术

李华，郝诗雅，巩彩红，李倩倩，戴晓明

专题：6G无线传输技术

面向6G的新型多址与波形技术

李华，郝诗雅，巩彩红，李倩倩，戴晓明

（北京科技大学计算机与通信工程学院，北京 100083）

随着互联网终端海量接入，传统正交多址接入（orthogonal multiple access，OMA）技术接入效率低，5G NR系统面临拥塞及高时延问题，并且在高速场景下，基于正交频分复用（orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM）的系统由于多普勒效应性能严重恶化。为满足6G在高速移动场景下低时延、高可靠、海量接入需求，首先，结合正交时频空间（orthogonal time frequency space，OTFS）和图样分割多址接入（pattern division multiple access，PDMA）技术，提出了一种OTFS-PDMA联合方案；然后，推导PDMA传输码字在时延−多普勒（delay-Doppler，DD）域采用不同分配方式的系统输入−输出关系；最后，提出了一种基于期望传播算法（expectation propagation algorithm，EPA）的低复杂度接收机。仿真结果表明，OTFS-PDMA较传统的OTFS-OMA技术能够显著提升误码率性能；对于规则码本，不同码字分配方案性能相似，而对于非规则码本，发送信号采用集中式扩频优于离散式扩频，且对于离散式扩频，PDMA扩频信号沿多普勒轴分配，系统可取得较好性能；此外EPA接收机性能优于其他传统接收机。

正交时频空间；图样分割多址接入；码字分配；期望传播算法

0 引言

随着互联网海量终端的接入，移动数据流量呈爆炸式增长，6G通信需要满足更高频谱效率、更低传输时延和海量连接需求。1G到5G NR通信系统均采用正交多址接入（orthogonal multiple access，OMA）方式避免多址干扰，但在海量接入场景下，OMA接入效率较低，限制了无线通信资源的自由度，系统会面临阻塞、高时延等问题[1-2]。此外正交频分复用（orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM）作为长期演进（long term evolution，LTE）技术和5G NR标准的调制技术，对多普勒效应敏感，导致其在高速场景下的应用受限。因此，为满足6G移动通信系统在高动态场景下的超低时延、高可靠及超大连接等需求，需要进一步探索新型多址技术和波形技术。

非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）技术通过功率复用或特征码本设计，允许不同用户复用相同的时、频、空域资源，在理论上相对OMA技术可以获得更高的频谱效率，受到学术界和工业界的广泛关注。目前，主流NOMA技术方案包括基于功率分配的NOMA、基于交织的NOMA（如交织分割多址接入）[3]、基于扰码的NOMA（如资源扩展多址接入）[4]、基于扩频的NOMA（如稀疏码多址接入（sparse code multiple access，SCMA）[5]、图样分割多址接入（pattern division multiple access，PDMA）[6]）等。然而，许多关于NOMA的现有工作都集中在低移动性场景上。随着高速铁路和自动驾驶汽车等发展，传统基于OFDM的通信系统由于子载波正交性破坏，性能严重恶化。且6G通信系统的高频段通信，如毫米波（millimeter wave，MMW）、太赫兹（terahertz，THz）等技术对多普勒效应更加敏感。正交时频空间（orthogonal time frequency space，OTFS）是一种二维调制技术，在高速移动场景中相对OFDM表现出良好的鲁棒性[7]。与传统OFDM不同，OTFS将发送数据放置在时延－多普勒（delay-Doppler，DD）域，可以充分利用时延和多普勒域的分集增益。在DD域，每帧OTFS数据几乎经过相同的信道，即OTFS可以将时频域的快速时变信道转换为时延－多普勒域的准平稳信道，简化了信道估计和检测过程[8-9]。文献[10-12]对OTFS与多址技术的结合模型进行了研究，文献[10]提出将DD域资源以等间隔的方式分配给每个用户，以避免多用户干扰，每个用户的信号仅被限制在时频域平面上的一个子块上；文献[11]提出将多用户的信号在DD网格上沿多普勒轴或时延轴分配在不重叠且相邻的子块上，以解决显著的同信道干扰；文献[12]提出一种SCMA-OTFS结合的方案，并针对下行和上行系统分别设计了二阶段和一阶段接收机，然而接收机复杂度仍然很高，且只针对规则码本进行研究，对于非规则码本扩频信号，在DD域分配方案研究尚不充分。

为满足6G通信在高速场景下高可靠、低时延、海量接入的需求，本文结合OTFS和NOMA技术，首先提出一种新型的OTFS-PDMA模型。PDMA是一种兼顾发送端和接收端的联合设计技术。在发送端，可以将多用户的发送信号在不同域进行复用，如功率域、空域、编码域、频域、时延域和多普勒域；在接收端，可以利用消息传递算法或串行干扰删除技术实现多用户信号检测。接着推导用户PDMA扩频信号在DD网格上不同分配方式下的系统等效输入－输出关系式。考虑PDMA码本和DD域信道稀疏性，提出一种基于期望值传播算法（expectation propagation algorithm，EPA）的低复杂度接收机。最后给出仿真结果及性能分析。

1 OTFS-PDMA系统模型

本文考虑OTFS-PDMA上行编码系统，OTFS-PDMA系统流程如图1所示。假设个用户共享个时延－多普勒域资源元素（delay-Doppler resource element，DDRE）。PDMA扩频信号分配在OTFS系统DD域网格上：

1.1 PDMA

其中，行表示资源数，列表示用户数，码本中的“1”和“0”分别表示用户是否占用对应的DDRE。例如，对于规则码本，用户1的数据映射在第一个和第二个DDRE上。定义为码本矩阵的行重（“1”的个数），表示每个DDRE上的信号复用度；为码本矩阵的列重，表示每个用户的发送分集度。对于式（4）的PDMA码本，每个用户等分集，即、，称为规则码本。为非规则码本。为便于分析，本文以规则码本为例，PDMA 6个用户在4个DDRE上复用方式如图2所示。

图2 PDMA 6个用户在4个DDRE上复用方式

1.2 OTFS

图3 OTFS调制解调系统框架

图4 PDMA扩频码字在DD网格分配方式

对于PDMA码字集中式映射方式，联合上述OTFS-PDMA发送和接收过程，用户的输入－输出关系，以向量形式表示为：

（1）发送端PDMA码字集中式映射（参考式（2）），等效输入－输出关系可以表示为：

（2）发送端PDMA码字离散式映射（参考式（3）），等效输入－输出关系可以表示为：

1.3 OTFS-PDMA

考虑含有背景噪声的实际场景，则对于个用户，OTFS-PDMA系统的输入－输出关系为：

2 基于EPA的低复杂度接收机

2.1 EPA接收机

考虑到PDMA码本矩阵和OTFS等效信道矩阵的稀疏特性，本文提出采用基于EPA算法的低复杂度接收机。EPA的核心思想是通过矩匹配将复杂的后验分布近似为简单的指数家族分布，如高斯分布。EPA基于高斯近似，在因子图的变量节点（variable node，VN）和因子节点（function node，FN）之间迭代更新均值方差[13-14]。

图5 OTFS-PDMA系统因子图

当达到预设的最大迭代次数时，利用最后一次迭代的后验概率计算对数似然比（log-likelihood ratio，LLR）为：

EPA算法流程如算法1所示。

算法1 EPA算法流程

计算：

2.2 复杂度分析

本文通过复数乘法次数衡量EPA计算复杂度，其中EPA的复杂度主要来自VN和FN之间均值方差以及在VN处后验信息的计算，复杂度分析见表1，可以看出，EPA的计算复杂度与、呈线性关系，而传统基于最小均方误差（minimum mean-square error，MMSE）的接收机与呈立方关系[14]。

表1 复杂度分析

3 仿真验证分析

图6 PDMA扩频信号在DD平面不同分配方式性能对比

图7 OTFS-PDMA与OTFS-OMA不同接收机性能对比

4 结束语

本文针对6G通信在高速场景中高可靠、低时延和海量接入的需求，对NOMA和OTFS技术进行了研究。首先，推导OTFS-PDMA系统等效模型，并针对在DD网格上不同的PDMA码字分配方式，给出对应的输入－输出表达式；考虑到PDMA码本和DD域信道的稀疏性，提出一种基于EPA的低复杂度迭代接收机；最后，仿真验证所提OTFS-PDMA模型与EPA接收机的优越性。结果表明，OTFS-PDMA性能优于OTFS-OMA；对于PDMA规则码本，在DD域的信号分配方案对性能影响较小，而对于非规则码本，PDMA信号采用集中式扩频优于离散式方案，当采用集中式扩频时，沿多普勒轴和沿时延轴PDMA信号分配方案系统性能相似，当采用离散式扩频时，信号沿多普勒轴分配方案可以取得较好的性能；此外，所采用的EPA接收机性能和复杂度都优于传统的算法。

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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

戴晓明，daixiaoming@ustb.edu.cn

国家自然科学基金资助项目（No.61871029）

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

李华（1995− ），男，北京科技大学计算机与通信工程学院博士生，主要研究方向为5G+/6G、非正交多址接入、正交时频空调制技术和大规模MIMO信号检测与信道估计。

郝诗雅（1995− ），女，北京科技大学计算机与通信工程学院博士生，主要研究方向为5G+/6G、非正交多址接入、正交时频空调制技术和大规模MIMO信号检测。

巩彩红（1988− ），女，北京科技大学计算机与通信工程学院博士生，主要研究方向为物理层安全、非正交多址接入技术和智能超表面。

李倩倩（1993− ），女，北京科技大学计算机与通信工程学院博士生，主要研究方向为非正交多址接入技术、智能超表面技术和信号检测与估计。

戴晓明（1973− ），男，博士，北京科技大学计算机与通信工程学院教授、博士生导师，图样分割多址技术提出者，IMT-2020（5G）新型多址接入技术组副组长，主要研究方向为5G+/6G、大规模MIMO天线、非正交多址接入和ASIC芯片设计等。