面向5G移动物联网场景的PDMA免调度传输
随着第4代移动通信技术（4G）的广泛部署，针对5G的研究已经全面展开。2015年，国际电信联盟（ITU）针对5G定义了三大场景和八大关键技术指标，综合反映了5G面临的需求。2016年， 第3代合作伙伴计划（3GPP）加速开展5G的研究和标准推进工作，同时各国政府和组织积极推进5G的技术试验，由此全球的主流企业都加大了5G研发的投入并推进了整体研发进程。目前， 增强移动宽带（eMBB）和超高可靠低时延通信（URLLC）这两个场景已经被3GPP确定为5G新空口（NR）的优先场景，将在5G标准第1版本R15完成相应的标准化工作，而海量机器类通信（mMTC）场景将在5G第2版本R16完成标准化工作。
URLLC场景和mMTC场景是5G区别于4G的新增场景，反映了移动物联网的需求。尤其是URLLC场景以中国为主导被推入到R15进行标准化，该场景面临的主要挑战有毫秒级的端到端时延和99.999%的超高可靠性，潜在的解决手段有短帧设计、免调度传输、新型编码、协议优化等。mMTC场景面临的主要挑战有每平方公里1百万的连接，潜在的解决手段有免调度传输、新型多址、新波形等。其中，免调度传输是一种数据即来即发的传输方式，数据到达后马上在最近的时间点发出，不需要终端发送调度请求和等待基站调度，极大地降低了业务面时延。免调度传输对于满足URLLC场景的低时延和高可靠性要求均有重要作用，一方面，免调度传输相对于调度传输可以大幅降低时延，从而满足低时延的要求；另一方面，时延降低也意味着在相同的时延要求下可以支持更多的混合自动重传请求（HARQ），从而可以进一步提升可靠性。
对于免调度传输，当使用共享资源的多个用户同时选择相同的资源进行数据发送时会发生冲突，而冲突就可能导致单次传输可靠性下降，进而使传输时延增加。尤其是当网络用户负荷处于重负荷状态时，冲突概率必然会增加而导致系统无法满足URLLC场景的时延指标。为了解决免调度资源使用冲突的问题，本文提出基于图样分割非正交多址接入（PDMA）的免调度传输方案，可以使得一个免调度资源块上复用用户数成倍地提升，明显降低免调度资源上用户冲突的概率，有效保证免调度用户的业务传输时延。
PDMA是大唐电信集团（以下简称大唐）自主创新的非正交多址接入技术，它于2014年在早期串行干扰抵消多址接入（SAMA）技术的研究基础上被提出，并已被ITU接受为面向5G的候选技术而写入技术趋势报告IMT.trend中。受国家863计划的资助，大唐承担了863 5G二期课题“5G新型调制编码和高效链路技术研发”，重点从事PDMA技术的研究、标准推进和技术试验工作。目前，PDMA技术正在3GPP R14版本的5G NR研究项目中得到热烈讨论，已经输出了针对5G典型场景应用的链路和系统性能，从频谱效率提升、接入用户数提升和时延降低等多个方面证明了PDMA技术相对于正交多址接入技术的优势。此外，PDMA技术验证也于2016年9月完成，显示了4物理资源块（PRB）上用PDMA技术接入12用户相对于正交频分复用多址（OFDMA）技术接入4用户的明显优势。
PDMA技术的理论基础是考虑发送端和接收端的联合设计，在发送端将多个用户的信号通过编码图样映射到相同的时域、频域和空域资源进行复用传输，在接收端采用广义串行干扰删除（General SIC）接收机算法进行多用户检测，实现上行和下行的非正交传输，逼近多用户信道的容量边界。基于该理论，PDMA的图样矩阵可以表示成N行M列的矩阵形式，其中行代表复用的资源单元，列代表用户的图样，且图样之间具有不等分集度的特点，这有利于减少SIC接收机的误差传播，其相对等分集度的多用户检测可以获得更优的性能。为了构造好的不等分集度特性，PDMA图样的设计准则主要考虑如下方面：（1）具有不同分集度的组数尽量多，以获得尽量高的复用能力；（2）具有相同分集度的组内的干扰尽量小，使得干扰删除时性能尽量优。基于该分集度构造准则设计的图样矩阵将具有稀疏特性，是一种稀疏编码，而稀疏编码能够构造出无环的Tanner图，利于通过低复杂度迭代检测来实现准最大似然检测的性能。在实际工程实现中，通常考虑采用性能较优的置信传播迭代译码（BP-IDD）接收机，可以获得接近最优的多用户检测性能。
PDMA通过用户在发端对发送信号采用编码、资源映射等处理，如图1所示，进一步增强了复用在相同时频资源上多用户信号的可分离特性和单用户的分集度，从而使得基站可以更好地分离不同用户的信号，同时提高单用户检测性能。
由于上行免调度传输的时频资源是多个用户共享的，则在特定的时频资源上可能出现多用户的上行传输发生碰撞，如果发端不进行处理，有可能恶化检测性能。为了提升免调度传输碰撞情况下的检测性能，PDMA非正交多址技术通过用户在发端对发送信号采用不同的图样，增强了复用在相同时频资源上多用户信号的可分离特性和单用户的分集度，从而使得基站可以更好地分离不同用户的信号，同时提高单用户检测性能。应用于免调度传输的PDMA基本传输单元是时间、频率、图样矢量、导频等资源的四元组合，如图2所示，在共享的时频资源上有28个候选的PDMA基本传输单元，0到6对应相同导频资源和不同的PDMA图样矢量， 0、7、14、21对应同一PDMA图样矢量和不同的导频资源，其他依此类推。用户进行PDMA基本传输单元映射时，考虑如下约束：基站根据部署场景下的用户数和基站处理器能力来选取PDMA图样矩阵，再根据PDMA图样矩阵的不等分集度特点，考虑终端与基站的距离远近准则，远端用户分配高分集度码字，近端用户分配低分集度码字。
PDMA免调度传输在技术方案上包含5个基本步骤：步骤1，基站和终端预定义上行免调度关键参数，包括系统带宽、免调度和有调度的时频资源划分比例、上行免调度的PDMA基本传输单元和终端到PDMA基本传输单元的映射关系；步骤2，终端通过随机接入过程向基站发起随机接入请求，并成功接入基站；步骤3，基站根据路损等映射参数建立该终端与PDMA传输基本单元的映射关系，并且将该映射关系通知该终端，通过该映射关系，基站可以获取每个PDMA基本传输单元上承载的所有候选终端用户；步骤4，终端获取基站下发的自身与PDMA传输基本单元的映射关系，当有数据业务发送时，在分配的PDMA基本传输单元上多个终端可以同时发送数据和导频；步骤5，基站在每个PDMA基本传输单元上实时监测所有候选终端用户的上行信号，判断候选终端用户是否有数据发送，对于有数据发送的终端用户进行导频信道估计和数据检测。
针对PDMA应用于免调度传输的效果，大唐进行了丰富的仿真分析。针对用户配置共享时频资源，基于3GPP 5G NR中针对多址评估的仿真条件，我们对比了使用[4,x]图样矩阵的PDMA与OFDMA在总频谱效率、系统丢包率、碰撞概率方面的性能对比。仿真评估结果表明，PDMA相对于OFDMA能够提供3倍的总吞吐量，PDMA相对于OFDMA能够提供3倍的包到达率，PDMA相对于OFDMA机制显著地降低了碰撞概率，这主要在于PDMA增加了免调度的资源池大小。
此外，大唐也开发了PDMA原型系统，涉及1台基站12台终端，也搭建了室外验证环境，如图3所示，并进行了PDMA与OFDMA的对比测试。首先进行了多用户连接能力的测试，测试结果如下：针对所设置的4PRB资源，OFDMA只能够接入4个用户，而PDMA能够接入12个用户。随后进行了上行容量的测试，测试结果如下：针对所设置的4PRB资源，OFDMA成功接入4个用户后达到的总吞吐量为108.8千兆比特/秒，而PDMA成功接入12个用户后达到的总吞吐量为326.4千兆比特/秒。上述测试结果表明，PDMA的上行接入用户数为OFDMA的3倍，多用户成功接入后PDMA获得的上行容量是OFDMA的3倍。
总结来讲，PDMA技术是一种面向5G的非正交多址接入技术，能够普适地应用于5G的典型场景。针对移动物联网的URLLC和mMTC场景，PDMA技术能够与免调度传输相结合，提升系统吞吐量，降低冲突概率，从而满足系统对时延降低和可靠性提升的要求。后续，大唐会在前期研发成果基础上，进一步推动以PDMA为代表的新型多址接入在3GPP R15的立项研究，并在5G的第二、三阶段技术试验中更加全面充分地验证PDMA技术。
致谢：感谢国家863计划项目课题“5G新型调制编码和高效链路技术研发”（课题编号：2015AA01A709）的支持。
研究团队简介
王映民：大唐电信集团首席科学家，总工程师。
康绍莉：大唐无线移动创新中心技术专家。
任斌、岳新伟、唐万伟：大唐与北邮/北航联合培养的博士生。
戴晓明：北京科技大学教授。
备注：除戴晓明外，其余作者均隶属于大唐电信无线移动通信国家重点实验室。
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