基于服务组的FOFDM-IDMA平台，支持在上行物联网环境中同时进行大规模连接和低延迟

摘要

第五代(5G)移动通信有许多方面的服务，包括由物联网技术(IoT)。为了支持物联网应用程序的不同服务类型，必须满足大量连接和低延迟的异构需求。本文提出了基于服务组的滤波正交频分复用(FOFDM)与交叉分多址(interleaved division multiple access, IDMA)相结合的FOFDM-IDMA，即在uplink (UL)物联网环境中，同时支持大规模连接并满足低延迟的需求。提出的FOFDM-IDMA平台有两个重点:第一，它能够支持各种适合不同服务组的时频粒度共存;第二，它支持低延迟的大规模连接，以提供可靠的通信。因此，提出的FOFDM-IDMA框架可以同时支持下一代通信系统的uRLLC(超可靠低延迟通信)和mMTC(大型机器类型通信)的要求。然而，5G新无线电(NR)可以单独支持uRLLC和mMTC的要求。仿真结果表明，在物联网环境下，该FOFDM-IDMA平台的性能优于传统的方案。

1.介绍

物联网连接的增长速度明显快于移动宽带连接，预计到2025年联网设备将达到300亿台[1]。因此，物联网的应用很大一部分需要大量的连接，广覆盖，低设备成本。然而，仍然有需要低延迟的一些应用，如触觉互联网[2和联网汽车[3.]。

为了满足不同的业务类型异构要求[4，华为提出的FOFDM方案[5，这是一个灵活的波形，与各种参数配置共存。此外，在传统OFDM技术中，每一子带使用一个滤波器来抑制高旁瓣。它是一种多载波调制方案，介绍了时域滤波过程。滤波器的带宽是针对某一子带设计的。

IDMA是一种多址技术[6]其中主要原理是在接收机（Rx）侧来区分通过用户特定的交织器的用户（UE）的。IDMA的优点是通过使用低成本的多用户检测（MUD），适宜wide-或窄带传输，并且支持高数量的用户提供高的频谱效率，这肯定可以受益的IoT连接的功率效率。此外，OFDM与IDMA（OFDM-IDMA）[组合7建议采用这两种技术的大部分好处。不同于资源分配的供款[8- - - - - -13]及电力管制计划[14- - - - - -16对于蜂窝网络和无人驾驶飞机声音识别的工作[17,18]，本文提出了基于服务组的FOFDM-IDMA平台，以支持上行物联网环境中的大规模连接。

本文提出了基于服务组的FOFDM与IDMA (FOFDM-IDMA)相结合，使得适用于不同服务组的各种时频粒度共存，支持低延迟的海量连接，在物联网环境下提供可靠的通信。此外，提出的FOFDM-IDMA框架可以同时支持下一代通信系统的uRLLC和mMTC的要求。但5G NR只能独立支持uRLLC和mMTC的要求。

本文的其余部分安排如下：第二部分2介绍现有OFDM-IDMA方案。中科3.，给出了所提出的基于服务组的FOFDM-IDMA平台的细节，并设计了物联网环境的框架结构。仿真结果在章节中进行了讨论4，我们得出结论：在节纸5。

2.传统的OFDM-IDMA方案

数字1给出了用于用户上行链路的OFDM-IDMA收发信机结构的框图 。在发送端，信息比特为用户首先由编码器（ENC）的编码模块，并且然后由一个长度传播传播序列。随后，将芯片内的数据序列进行扩散由特定用户的交错器交错， 。然后，合成信号被调制，并通过逆映射到子载波的快速傅立叶变换（IFFT）。循环前缀（CP）插入之后，在时域中的码元序列通过多径衰落信道被发送。

在Rx侧，所接收的信号在等式（1）的MUD过程之前经过OFDM调制的逆过程。

我们写 在哪里是脉冲响应用于用户的信道与通道长度 , 附加的白高斯噪声(AWGN)，和 用户是否受到其他问题的干扰和情况。

基本信号估计器（ESE）被施加通过芯片干扰消除对每个副载波执行芯片。的ESE的输入包括在方程所接收信号的（2)和对数似然比(6]。对数似比由解码器在前一次迭代中给出，用于重新估计传输信号，以便在下一次迭代中进行干扰消除。ESE的输出是干扰消除后的软信息，并且对解交织版本通过输入后验概率(APP)解码器(DEC)模块。的12月despreads并再次然后减去扩展序列 ,引起 。 再次交织并馈送到ESE。的ESE和DEC迭代地执行的涡轮过程，直到精制解码比特在最终迭代获得。

3.基于服务组的物联网连接FOFDM-IDMA平台

本节提出了一种基于服务组的物联网上行连接多用户系统FOFDM-IDMA平台。然后，根据延迟需求配置专用参数以支持不同的服务组。

3.1。系统模型为服务组基于FOFDM-IDMA平台

数字2如所描绘的为用户示出了基于FOFDM-IDMA平台服务组的框图在服务集团 。IDMA编码器和解码器过程在传统OFDM-IDMA方案是一样的,但不同的是,另一种FOFDM波形,利用可伸缩的数字命理学,比如各种传输时间间隔(创科实业)和副载波间距的通信系统,以满足各种需求的物联网应用。此外，该方案通过子带滤波器克服了典型OFDM的弱点[19，包括高峰值平均功率比(PAPR)和高旁瓣在频域。

所发送的信号被表示为 在哪里为调制符号，IFFT矩阵是什么是子带滤波器的可总分解后的用户在组 。

则接收到的信号可以表示为 在哪里是失真（包括来自其他UE和AWGN干扰）在关于用户可以近似成一个高斯变量根据中心极限定理。

因此，对于服务组基于FOFDM-IDMA平台的操作过程可以在以下步骤中描述的那样，考虑到要求用户在上行链路中进行服务。步骤(1)。用户分组：集团我们需要被服务子分类 , ,在哪里为服务组的总数。步骤(2)。分配参数配置指定适合的预定义参数配置服务组， ,适用于用户 。步骤(3)。FOFDM-IDMA Tx侧处理所有UEs属于其相关的服务组，具有特定的预定义参数配置，执行IDMA编码和FOFDM调制程序，如图所示2。第4步）。FOFDM-IDMA RX端处理在Rx侧的FOFDM解调过程之后，MUD是由ESE和DEC模块执行。的ESE的输出可表示为

此外，DEC模块的功能可以表示为 在哪里传播代码是用户的吗 。

最后，用ESE as估计传输信号的均值和方差

值得注意的是，在步骤1中，用户分组到组, ,根据服务需求，然后在步骤2中，为服务组分配合适的参数配置。步骤3进行IDMA编码和FOFDM调制。因此，前三步显示了FOFDM平台的灵活性，使得适用于不同服务组的各种时频粒度共存。

3.2。FOFDM平台的框架结构及参数配置

基于部分3.1，对于环境的IoT的专用帧结构被设计，并特定参数被配置为FOFDM平台。对于大多数的IoT应用中，较长的TTI是为了使大的覆盖范围和更高的频谱效率，以支持大规模连接（MC）。在另一方面，对于较短往返延迟和低开销有效地发送小数据包更短的TTI仍需要具有较高的低等待时间（LL）的要求的UE的支持部分。因此，在本节中，在环境的IoT两个业务类型的柔性框架结构，提出了如图3.。另外，需要注意的是，由于采用了基于子带滤波的方法，FOFDM平台实现了各种TTI和波形命理，因此FOFDM平台的具体参数配置如表所示1，通过拆分物联网应用到两个子类别进行大规模的连接或低延迟要求。

在表1，机器型通信(LTE-M)的长期演化带宽[1]被采用，它限制机器对机器的传输到与宽带问题正交的可用带宽的一小部分。MC的参数配置为更长TTI和CP大于10的5G新随机接入技术(RAT)μ秒。相反地​​，对于低延迟服务，物理传输应该使用非常小的数据包，以使在100单向物理层传输进行 μ年代;因此，每个数据包不能超过33μ由于结构上的额外延迟，包括发射机的编码过程和接收机的检测及解码过程[20.]。因此,30μ符号持续时间已配置。然后取符号持续时间的倒数，得到子载波间距的值。此外，CP长度配置考虑到开销，这对于低延迟应用程序应该是非常小的[21]。

4.仿真及性能评估

在本节中，我们执行，用于将滤波的正交频分多址（FOFDMA），OFDM-IDMA，和所提出的FOFDM-IDMA与参数配置为MC的模拟。

波形参数按表配置1和卷积码与被用于每个UE码率后跟一个长度为8的扩展序列。该模拟是采用一个扩展典型城市（ETU）模型[多径衰落信道下22]，可移动性为1公里/小时，并采用完美的信道估计。每个子带分配10个子载波，假设IDMA译码器迭代10次，最终得到每个UE的译码位。

BER性能不同数量FOFDMA，OFDM-IDMA的UE的，并且所提出的FOFDM-IDMA方案时 在图中示出4。数字4结果表明，随着所支持的问题数量的增加，BER性能会越来越差。当 而UEs个数等于64,FOFDMA、OFDM-IDMA、FOFDM-IDMA的BER为 , ,和 ,分别。FOFDM-IDMA的性能最好，FOFDMA的性能最差。这说明，具有IDMA的波形更适合支持大规模连接。

三种方案的BER性能：FOFDMA，OFDM-IDMA与MC参数配置，以及所提出的FOFDM-IDMA（包括具有用于MC和LL参数配置两个服务组）中进一步调查 透视。八个十六假设UE共享资源。对于FOFDM-IDMA平台，我们假设UE的具有较高的低等待时间要求的一小部分，即，用于LL两个UE和六个UE用于MC时8个UE被考虑。此外，还有四个UE为LL和十二UE以MC，十六UE被考虑。BER演出的三种方案图进行比较5。

数字5结果表明，传统OFDM-IDMA具有较好的误码率性能，比目标误码率高出2.2 dB左右 ,相比FOFDMA，其具有表现最差，因为IDMA可以潜在地利用频率分集，由于每个用户采用更宽的频率带宽。Our proposed service group based FOFDM-IDMA platform gives the best performance, and the gain is 0.3 dB over the conventional OFDM-IDMA at the target BER of ,它来自于FOFDM的子带滤波器，以保护邻居免受干扰。同时满足不同服务组对UEs的服务需求，提供了参数灵活的适用性。

5.结论

在本文中，FOFDM-IDMA建议，其中有大量的配套连接和实现低延迟需求的物联网环境中提供可靠的通信时的能力。此外，对于环境的IoT的专用帧结构提出的，具体的参数被配置为FOFDM平台。此外，提出的FOFDM-IDMA框架可以同时支持下一代通信系统的uRLLC和mMTC的要求。但5G NR只能独立支持uRLLC和mMTC的要求。The simulation results confirm that, compared with conventional OFDM-IDMA, the proposed scheme shows 0.3 dB SNR gain at the target BER of 。此外，所提出的FOFDM-IDMA平台能够同时存在适合不同服务组的各种时频粒度。

数据可用性

由于项目隐私政策，我们不应该共享这些数据。

利益冲突

作者宣称，有兴趣就本文发表任何冲突。

作者的贡献

Lin Shi提出了基于服务组的滤波正交频分复用(FOFDM)与交叉分多路接入(IDMA)相结合的思想，即FOFDM-IDMA，以同时支持大量连接，满足uplink (UL)物联网环境下的低延迟需求。此外，她还为手稿写了一些技术方面的内容，并进行了模拟。手稿的全部框图由Ishtiaq Ahmad制作，并绘制了灵活的框架结构，支持海量连接、低延迟的多种物联网服务。此外，他还撰写了部分稿件，并对稿件中所有的英文错误进行了修改。He YuJing通过讨论，帮助提出了FOFDM-IDMA方案，该方案在物联网环境中提供可靠通信时，能够支持大规模连接并满足低延迟要求。此外，她还写了一些技术方程，帮助分析所提出的方案。Chang KyungHi是这份手稿的技术带头人。他提出了FOFDM-IDMA方案和仿真方面的所有技术问题。此外，他还对整篇稿件的模拟方法进行了修正，并对稿件在模拟环境和结构上的所有错误进行了修正。

致谢

这项工作是由韩国政府科学、信息通信技术和未来规划部(MSIP)资助的信息和通信技术促进研究所(IITP)通过开发下一代公共安全通信基础技术资助的2017-0-00316。

参考

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