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張鈺婕 康紹莉 白偉 彭瑩 索士強(qiáng) 孫韶輝

(1.中國信息通信科技集團(tuán)有限公司無線移動(dòng)通信全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;2.中信科移動(dòng)通信技術(shù)股份有限公司,北京 100083)

0 引言

多址接入技術(shù)是歷代移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本技術(shù),通過劃分共享的無線資源支持區(qū)分多用戶的傳輸,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的提升,提高通信效率和資源利用率。多址接入技術(shù)從1G-FDMA、2G-TDMA、3G-CDMA 到4G和5G 的正交頻分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)技術(shù),在可接受的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度前提下逐步提升系統(tǒng)容量。在進(jìn)行5G 標(biāo)準(zhǔn)化時(shí),業(yè)界從擴(kuò)頻、加擾、交織、編碼和調(diào)制等方面進(jìn)行了非正交多址接入技術(shù)的研究,探討了多種應(yīng)用場景,也給出了鏈路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的初步性能評(píng)估[1]。業(yè)界對(duì)6G 的愿景、需求、技術(shù)趨勢(shì)進(jìn)行了探討[2],在國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)針對(duì)6G 未來技術(shù)趨勢(shì)的研究報(bào)告[3]中,展望了大規(guī)模多進(jìn)多出技術(shù)、非正交多址技術(shù)和不需要授權(quán)的接入?yún)f(xié)議等多址接入技術(shù)方向。2023 年6 月,ITU 完成《IMT 面向2030 及未來發(fā)展的框架和總體目標(biāo)建議書》[4],提出了6G 的六大應(yīng)用場景,一方面,對(duì)5G 場景進(jìn)行增強(qiáng),提出沉浸式通信、超大規(guī)模連接、極高可靠低時(shí)延通信場景;另一方面,在5G 場景的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展,提出泛在連接、人工智能(Artifical Intelligence,AI)與通信融合、感知與通信融合場景。ITU 為了支持新增的應(yīng)用場景,在5G 提出的需求指標(biāo)基礎(chǔ)上,新增了覆蓋能力、感知相關(guān)能力、AI 相關(guān)能力、安全/隱私/彈性、可持續(xù)性、互操作性等需求指標(biāo);在演進(jìn)的應(yīng)用場景中,對(duì)連接密度、可靠性、時(shí)延、移動(dòng)性都提出了更高的要求。其中,連接密度需要滿足106～108個(gè)/km2,與5G 相比最高提升100 倍;時(shí)延需要滿足0.1～1 ms,與5G 相比最高提升10 倍[4];連接密度的提高、時(shí)延的降低,對(duì)多址接入技術(shù)有著強(qiáng)烈的需求。

針對(duì)6G 的典型場景和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)需求,本文對(duì)新型多址接入技術(shù)進(jìn)行研究,旨在提升可同時(shí)接入用戶數(shù)、降低接入時(shí)延等方面的性能。文中介紹了6G典型場景和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)需求、滿足6G 場景與需求的新型多址接入技術(shù)潛在解決方案,提出了非協(xié)調(diào)隨機(jī)接入和傳輸(Uncoordinated Random Access and Transmission,URAT)技術(shù),并對(duì)其基本原理、通信流程、實(shí)現(xiàn)方案和性能評(píng)估進(jìn)行介紹。

1 6G 典型場景和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)新型多址接入的需求分析

ITU 在《IMT 面向2030 及未來發(fā)展的框架和總體目標(biāo)建議書》[4]中,提出了沉浸式通信、極高可靠低時(shí)延通信、超大規(guī)模連接、泛在連接、人工智能與通信融合、感知與通信融合六大應(yīng)用場景;在對(duì)5G 連接密度、移動(dòng)性、可靠性、時(shí)延需求指標(biāo)演進(jìn)的同時(shí),提出了一些新的技術(shù)指標(biāo)。超大規(guī)模連接場景的典型用例包括環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、空天地一體化[5-6]、智慧城市等,對(duì)連接密度提出了更高的要求。現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)通常在終端接入成功后才開始數(shù)據(jù)傳輸,所能夠支持的終端數(shù)量受限于數(shù)據(jù)傳輸資源和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)信令資源,難以滿足連接密度要求。因此,需要采用新型多址接入技術(shù)來支持更大終端連接數(shù)。

以環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)為例,該用例具有低成本、小體積、易部署等特點(diǎn),在自動(dòng)化倉儲(chǔ)物流、智能家居、醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。在不同用例中,終端設(shè)備的連接密度和通信頻次有所差異,連接密度高達(dá)85～750 萬/km2,通信頻次從每秒發(fā)送一次消息到每小時(shí)發(fā)送一次不等[7]。環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備不具備傳統(tǒng)電池,對(duì)功耗十分敏感,因此需要對(duì)接入過程進(jìn)行簡化,采用極簡、極低功耗、極低復(fù)雜度的接入方式,降低信令開銷和功耗。

以數(shù)字孿生為例,該用例綜合運(yùn)用感知、計(jì)算、建模、仿真、通信等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了物理世界和數(shù)字世界之間的無縫連接,理論上連接的終端數(shù)量是無限的,業(yè)界認(rèn)為每平方公里終端連接數(shù)量可以達(dá)到千萬級(jí)[8-10]。對(duì)于如此大規(guī)模連接的場景,網(wǎng)絡(luò)的資源無法支持網(wǎng)絡(luò)與所有終端進(jìn)行從初始接入到多址傳輸整個(gè)過程的交互,需要對(duì)信令交互過程進(jìn)行簡化、優(yōu)化、融合等。在時(shí)延方面,要求空口時(shí)延達(dá)到亞毫秒(ms)級(jí),需要對(duì)接入和數(shù)據(jù)傳輸流程進(jìn)行簡化,減少終端和網(wǎng)絡(luò)的交互次數(shù),降低時(shí)延。

據(jù)筆者統(tǒng)計(jì),6G 的超大規(guī)模連接場景需要支持每平方公里千萬級(jí)至億級(jí)的設(shè)備連接,與5G 支持每平方公里百萬級(jí)的設(shè)備連接相比,提升了10～100 倍。現(xiàn)有方案先完成接入再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,容易造成接入網(wǎng)過載以及信令擁塞,帶來嚴(yán)重的時(shí)延和信令開銷,難以滿足6G 超大規(guī)模連接場景的需求,由此需要采用新型多址接入技術(shù)來支持海量終端的連接。

2 6G 新型多址接入的潛在解決方案

超大規(guī)模連接場景對(duì)連接密度提出了更高的要求。一方面,可以通過降低不同用戶之間的導(dǎo)頻碰撞概率,提升接入的用戶數(shù),如采用獨(dú)立多導(dǎo)頻、模式分割隨機(jī)接入等導(dǎo)頻優(yōu)化設(shè)計(jì)方案;另一方面,可以通過多用戶編碼設(shè)計(jì),提升用戶數(shù)據(jù)傳輸性能,支持更多的用戶數(shù),如采用壓縮感知巨址接入、速率分拆多址接入等方案。

Yuan[11]等指出免調(diào)度場景下不同用戶可能選擇相同的參考信號(hào),發(fā)生參考信號(hào)碰撞,基站很難通過參考信號(hào)分離用戶,為了減少參考信號(hào)碰撞,可采用獨(dú)立多導(dǎo)頻方案。用戶采用獨(dú)立多導(dǎo)頻的數(shù)據(jù)傳輸,一次傳輸中包含2 個(gè)或多個(gè)導(dǎo)頻,并且導(dǎo)頻之間相互獨(dú)立[11]。在相同的導(dǎo)頻開銷下,降低導(dǎo)頻碰撞的概率,緩解多接收天線情況下,空域合并比的搜索空間大、復(fù)雜度高的問題。基站基于迭代接收機(jī),每輪通過不碰撞的導(dǎo)頻解出對(duì)應(yīng)的用戶,然后將其數(shù)據(jù)和導(dǎo)頻重構(gòu)出來并從接收信號(hào)中消除掉,如此迭代直到解出所有可解的用戶。

為了增強(qiáng)超大規(guī)模連接場景下的隨機(jī)接入性能,Dai[12]等提出了基于“疊加正交構(gòu)建塊”的模式分割隨機(jī)接入設(shè)計(jì)。具體來說,模式域?qū)ьl是基于L循環(huán)移位的Zadoff-Chu(ZC)序列的疊加來構(gòu)造的,該設(shè)計(jì)方案能夠有效增加可用的導(dǎo)頻數(shù)目,即從N個(gè)導(dǎo)頻增加為。其中表示N個(gè)導(dǎo)頻的L種組合。導(dǎo)頻數(shù)目的增加和導(dǎo)頻之間的低相關(guān)性可以降低導(dǎo)頻碰撞概率,同時(shí)也不會(huì)顯著影響信道估計(jì)性能。

基于壓縮感知的隨機(jī)接入是一種用于無授權(quán)或無源隨機(jī)接入的大規(guī)模連接的信號(hào)處理技術(shù),典型的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)涉及到零星的流量模式,在任何時(shí)間點(diǎn)只有小部分設(shè)備被激活,以節(jié)省能源消耗。Vem[13]等提出了一種基于壓縮感知的巨址接入技術(shù),該方案中,碼本中有M個(gè)碼字,每個(gè)碼字長為n,共有Ktot個(gè)用戶,其中包括Ka個(gè)激活用戶。每個(gè)激活用戶將發(fā)送的信息分成前導(dǎo)碼和數(shù)據(jù)位兩部分。前導(dǎo)碼進(jìn)行稀疏映射,從壓縮感知編碼矩陣A 中根據(jù)前導(dǎo)比特選出對(duì)應(yīng)列。數(shù)據(jù)位進(jìn)行SC-LDPC 編碼,同時(shí)將前導(dǎo)碼編碼得到的列作為交織序列,對(duì)數(shù)據(jù)位的編碼結(jié)果進(jìn)行交織,目的是對(duì)來自其他用戶的干擾進(jìn)行解相關(guān),兩部分組合得到編碼結(jié)果。

Zhou[14]等提出了速率分拆多址接入技術(shù),通過在發(fā)送端對(duì)用戶信息拆分和重構(gòu)以及在接收端使用串行干擾消除技術(shù),使得接收端能夠部分解碼干擾,能夠顯著改善頻譜效率和能量效率。通過速率分拆多址接入技術(shù)將發(fā)送給用戶的信息分為公共部分和私有部分。對(duì)于下行傳輸,所有成對(duì)用戶的公共部分疊加編碼成一個(gè)通用信息,然后進(jìn)一步編碼成通用數(shù)據(jù)流,而每個(gè)用戶的私有部分在基站中單獨(dú)編碼成私有數(shù)據(jù)流。在解碼信息時(shí),用戶通過串行干擾消除進(jìn)行解碼,每個(gè)用戶首先將所有私有數(shù)據(jù)流視為噪聲來解碼通用數(shù)據(jù)流,移除解碼的通用數(shù)據(jù)流之后,再解碼自己的私有數(shù)據(jù)流。

現(xiàn)有的通信方式先完成接入再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,受限于數(shù)據(jù)傳輸資源和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)信令資源,難以滿足超大規(guī)模連接場景對(duì)連接密度的要求。例如,Yuan[11]等提出的獨(dú)立多導(dǎo)頻設(shè)計(jì)方案和Dai[12]等提出的模式分割隨機(jī)接入方案,通過增加用戶傳輸時(shí)使用的導(dǎo)頻數(shù)目,降低用戶間的碰撞概率,隨著用戶發(fā)送導(dǎo)頻數(shù)目的提升,接收機(jī)檢測復(fù)雜度不斷增加,同時(shí)未結(jié)合多用戶編碼等其它優(yōu)化方式進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。Vem[13]等和Zhou[14]等采用多用戶編碼設(shè)計(jì),將用戶的信息分為兩部分傳輸:前者基于前導(dǎo)碼部分對(duì)數(shù)據(jù)部分進(jìn)行交織和解交織;后者基于首先解碼得到的通用部分對(duì)私有部分?jǐn)?shù)據(jù)解碼,在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)僅發(fā)送一次數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)傳輸性能受限。為了提升終端連接數(shù),緩解海量終端設(shè)備采用現(xiàn)有多址接入技術(shù)帶來的接入網(wǎng)過載、信令擁塞、嚴(yán)重的時(shí)延和信令開銷等問題,本文提出一種URAT 技術(shù),基于多角度進(jìn)行方案設(shè)計(jì),一方面,通過增加候選前導(dǎo)碼數(shù)目,降低前導(dǎo)碼碰撞概率;另一方面,采用多用戶編碼的方式,基于前導(dǎo)碼對(duì)數(shù)據(jù)部分進(jìn)行加擾、交織、重復(fù)傳輸?shù)瓤刂?同時(shí)進(jìn)行前導(dǎo)碼和數(shù)據(jù)的發(fā)送。URAT 技術(shù)通過融合隨機(jī)接入和多址傳輸過程可以減小信令開銷和資源開銷,從而降低接入時(shí)延,支持更多的終端連接。

3 URAT 技術(shù)

與傳統(tǒng)的先接入再傳輸?shù)亩嘀方尤爰夹g(shù)不同,本文提出的URAT 技術(shù),將初始接入到多址傳輸整個(gè)過程的交互進(jìn)行簡化和融合,不需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào),采用非正交的方式同時(shí)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)接入和多址傳輸兩個(gè)過程。不需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)是指不需要網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)終端的接入身份,也不需要網(wǎng)絡(luò)調(diào)度傳輸資源,所有終端使用相同的發(fā)送方式。非正交是指所有終端共享預(yù)配置的時(shí)間、頻率、空間等資源,終端之間通過編碼碼字實(shí)現(xiàn)非正交傳輸。隨機(jī)接入和多址傳輸?shù)娜诤鲜侵竼未蝹鬏攲?shí)現(xiàn)隨機(jī)接入功能和多址傳輸功能,不需要傳輸專用配置信息,不需要對(duì)終端身份信息進(jìn)行交互,僅需要網(wǎng)絡(luò)對(duì)終端數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)。

圖1 為URAT 技術(shù)的原理框圖。在生成多址傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)時(shí),終端將待發(fā)送數(shù)據(jù)的信息比特進(jìn)行極低碼率編碼和多用戶編碼;在生成用于隨機(jī)接入的前導(dǎo)信號(hào)時(shí),將前導(dǎo)信號(hào)與數(shù)據(jù)信號(hào)建立連接,根據(jù)待發(fā)送的信息比特得到用于生成前導(dǎo)信號(hào)的元數(shù)據(jù)比特,基于元數(shù)據(jù)比特和預(yù)設(shè)的規(guī)則,生成進(jìn)行傳輸?shù)那皩?dǎo)信號(hào),前導(dǎo)信號(hào)除了用于隨機(jī)接入外,還可以攜帶元數(shù)據(jù)比特信息;在進(jìn)行信號(hào)的發(fā)送時(shí),將數(shù)據(jù)信號(hào)和前導(dǎo)信號(hào)相關(guān)聯(lián),使用生成前導(dǎo)信號(hào)的元數(shù)據(jù)比特對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行控制,如使用元數(shù)據(jù)比特用來控制多用戶編碼,包括加擾、交織、重復(fù)傳輸圖樣、資源映射等,以增加用戶之間的區(qū)分度。終端可以采用周期性發(fā)送的方式進(jìn)行前導(dǎo)信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)送,直到達(dá)到信號(hào)的最大發(fā)送次數(shù),或者接收到網(wǎng)絡(luò)反饋的確認(rèn)信息,或者接收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的停止URAT 傳輸?shù)目刂泼�令�?/FONT>