張鈺婕 康紹莉 白偉 彭瑩 索士強 孫韶輝
(1.中國信息通信科技集團有限公司無線移動通信全國重點實驗室,北京 100083;2.中信科移動通信技術股份有限公司,北京 100083)
0 引言
多址接入技術是歷代移動通信系統的基本技術,通過劃分共享的無線資源支持區分多用戶的傳輸,實現系統容量的提升,提高通信效率和資源利用率。多址接入技術從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,在可接受的系統實現復雜度前提下逐步提升系統容量。在進行5G 標準化時,業界從擴頻、加擾、交織、編碼和調制等方面進行了非正交多址接入技術的研究,探討了多種應用場景,也給出了鏈路級和系統級的初步性能評估[1]。業界對6G 的愿景、需求、技術趨勢進行了探討[2],在國際電信聯盟(International Telecommunication Union,ITU)針對6G 未來技術趨勢的研究報告[3]中,展望了大規模多進多出技術、非正交多址技術和不需要授權的接入協議等多址接入技術方向。2023 年6 月,ITU 完成《IMT 面向2030 及未來發展的框架和總體目標建議書》[4],提出了6G 的六大應用場景,一方面,對5G 場景進行增強,提出沉浸式通信、超大規模連接、極高可靠低時延通信場景;另一方面,在5G 場景的基礎上進行擴展,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 為了支持新增的應用場景,在5G 提出的需求指標基礎上,新增了覆蓋能力、感知相關能力、AI 相關能力、安全/隱私/彈性、可持續性、互操作性等需求指標;在演進的應用場景中,對連接密度、可靠性、時延、移動性都提出了更高的要求。其中,連接密度需要滿足106～108個/km2,與5G 相比最高提升100 倍;時延需要滿足0.1～1 ms,與5G 相比最高提升10 倍[4];連接密度的提高、時延的降低,對多址接入技術有著強烈的需求。
針對6G 的典型場景和關鍵技術指標需求,本文對新型多址接入技術進行研究,旨在提升可同時接入用戶數、降低接入時延等方面的性能。文中介紹了6G典型場景和關鍵技術指標需求、滿足6G 場景與需求的新型多址接入技術潛在解決方案,提出了非協調隨機接入和傳輸(Uncoordinated Random Access and Transmission,URAT)技術,并對其基本原理、通信流程、實現方案和性能評估進行介紹。
1 6G 典型場景和關鍵技術指標對新型多址接入的需求分析
ITU 在《IMT 面向2030 及未來發展的框架和總體目標建議書》[4]中,提出了沉浸式通信、極高可靠低時延通信、超大規模連接、泛在連接、人工智能與通信融合、感知與通信融合六大應用場景;在對5G 連接密度、移動性、可靠性、時延需求指標演進的同時,提出了一些新的技術指標。超大規模連接場景的典型用例包括環境物聯網、數字孿生、空天地一體化[5-6]、智慧城市等,對連接密度提出了更高的要求。現有的移動通信系統通常在終端接入成功后才開始數據傳輸,所能夠支持的終端數量受限于數據傳輸資源和網絡協調信令資源,難以滿足連接密度要求。因此,需要采用新型多址接入技術來支持更大終端連接數。
以環境物聯網為例,該用例具有低成本、小體積、易部署等特點,在自動化倉儲物流、智能家居、醫療護理等領域有著廣泛應用。在不同用例中,終端設備的連接密度和通信頻次有所差異,連接密度高達85～750 萬/km2,通信頻次從每秒發送一次消息到每小時發送一次不等[7]。環境物聯網設備不具備傳統電池,對功耗十分敏感,因此需要對接入過程進行簡化,采用極簡、極低功耗、極低復雜度的接入方式,降低信令開銷和功耗。
以數字孿生為例,該用例綜合運用感知、計算、建模、仿真、通信等技術,實現了物理世界和數字世界之間的無縫連接,理論上連接的終端數量是無限的,業界認為每平方公里終端連接數量可以達到千萬級[8-10]。對于如此大規模連接的場景,網絡的資源無法支持網絡與所有終端進行從初始接入到多址傳輸整個過程的交互,需要對信令交互過程進行簡化、優化、融合等。在時延方面,要求空口時延達到亞毫秒(ms)級,需要對接入和數據傳輸流程進行簡化,減少終端和網絡的交互次數,降低時延。
據筆者統計,6G 的超大規模連接場景需要支持每平方公里千萬級至億級的設備連接,與5G 支持每平方公里百萬級的設備連接相比,提升了10～100 倍。現有方案先完成接入再進行數據傳輸,容易造成接入網過載以及信令擁塞,帶來嚴重的時延和信令開銷,難以滿足6G 超大規模連接場景的需求,由此需要采用新型多址接入技術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
超大規模連接場景對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頻碰撞概率,提升接入的用戶數,如采用獨立多導頻、模式分割隨機接入等導頻優化設計方案;另一方面,可以通過多用戶編碼設計,提升用戶數據傳輸性能,支持更多的用戶數,如采用壓縮感知巨址接入、速率分拆多址接入等方案。
Yuan[11]等指出免調度場景下不同用戶可能選擇相同的參考信號,發生參考信號碰撞,基站很難通過參考信號分離用戶,為了減少參考信號碰撞,可采用獨立多導頻方案。用戶采用獨立多導頻的數據傳輸,一次傳輸中包含2 個或多個導頻,并且導頻之間相互獨立[11]。在相同的導頻開銷下,降低導頻碰撞的概率,緩解多接收天線情況下,空域合并比的搜索空間大、復雜度高的問題。基站基于迭代接收機,每輪通過不碰撞的導頻解出對應的用戶,然后將其數據和導頻重構出來并從接收信號中消除掉,如此迭代直到解出所有可解的用戶。
為了增強超大規模連接場景下的隨機接入性能,Dai[12]等提出了基于“疊加正交構建塊”的模式分割隨機接入設計。具體來說,模式域導頻是基于L循環移位的Zadoff-Chu(ZC)序列的疊加來構造的,該設計方案能夠有效增加可用的導頻數目,即從N個導頻增加為。其中表示N個導頻的L種組合。導頻數目的增加和導頻之間的低相關性可以降低導頻碰撞概率,同時也不會顯著影響信道估計性能。
基于壓縮感知的隨機接入是一種用于無授權或無源隨機接入的大規模連接的信號處理技術,典型的物聯網網絡涉及到零星的流量模式,在任何時間點只有小部分設備被激活,以節省能源消耗。Vem[13]等提出了一種基于壓縮感知的巨址接入技術,該方案中,碼本中有M個碼字,每個碼字長為n,共有Ktot個用戶,其中包括Ka個激活用戶。每個激活用戶將發送的信息分成前導碼和數據位兩部分。前導碼進行稀疏映射,從壓縮感知編碼矩陣A 中根據前導比特選出對應列。數據位進行SC-LDPC 編碼,同時將前導碼編碼得到的列作為交織序列,對數據位的編碼結果進行交織,目的是對來自其他用戶的干擾進行解相關,兩部分組合得到編碼結果。
Zhou[14]等提出了速率分拆多址接入技術,通過在發送端對用戶信息拆分和重構以及在接收端使用串行干擾消除技術,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將發送給用戶的信息分為公共部分和私有部分。對于下行傳輸,所有成對用戶的公共部分疊加編碼成一個通用信息,然后進一步編碼成通用數據流,而每個用戶的私有部分在基站中單獨編碼成私有數據流。在解碼信息時,用戶通過串行干擾消除進行解碼,每個用戶首先將所有私有數據流視為噪聲來解碼通用數據流,移除解碼的通用數據流之后,再解碼自己的私有數據流。
現有的通信方式先完成接入再進行數據傳輸,受限于數據傳輸資源和網絡協調信令資源,難以滿足超大規模連接場景對連接密度的要求。例如,Yuan[11]等提出的獨立多導頻設計方案和Dai[12]等提出的模式分割隨機接入方案,通過增加用戶傳輸時使用的導頻數目,降低用戶間的碰撞概率,隨著用戶發送導頻數目的提升,接收機檢測復雜度不斷增加,同時未結合多用戶編碼等其它優化方式進行方案設計。Vem[13]等和Zhou[14]等采用多用戶編碼設計,將用戶的信息分為兩部分傳輸:前者基于前導碼部分對數據部分進行交織和解交織;后者基于首先解碼得到的通用部分對私有部分數據解碼,在進行數據傳輸時僅發送一次數據,數據傳輸性能受限。為了提升終端連接數,緩解海量終端設備采用現有多址接入技術帶來的接入網過載、信令擁塞、嚴重的時延和信令開銷等問題,本文提出一種URAT 技術,基于多角度進行方案設計,一方面,通過增加候選前導碼數目,降低前導碼碰撞概率;另一方面,采用多用戶編碼的方式,基于前導碼對數據部分進行加擾、交織、重復傳輸等控制,同時進行前導碼和數據的發送。URAT 技術通過融合隨機接入和多址傳輸過程可以減小信令開銷和資源開銷,從而降低接入時延,支持更多的終端連接。
3 URAT 技術
與傳統的先接入再傳輸的多址接入技術不同,本文提出的URAT 技術,將初始接入到多址傳輸整個過程的交互進行簡化和融合,不需要網絡協調,采用非正交的方式同時實現隨機接入和多址傳輸兩個過程。不需要網絡協調是指不需要網絡確認終端的接入身份,也不需要網絡調度傳輸資源,所有終端使用相同的發送方式。非正交是指所有終端共享預配置的時間、頻率、空間等資源,終端之間通過編碼碼字實現非正交傳輸。隨機接入和多址傳輸的融合是指單次傳輸實現隨機接入功能和多址傳輸功能,不需要傳輸專用配置信息,不需要對終端身份信息進行交互,僅需要網絡對終端數據進行確認。
圖1 為URAT 技術的原理框圖。在生成多址傳輸的數據信號時,終端將待發送數據的信息比特進行極低碼率編碼和多用戶編碼;在生成用于隨機接入的前導信號時,將前導信號與數據信號建立連接,根據待發送的信息比特得到用于生成前導信號的元數據比特,基于元數據比特和預設的規則,生成進行傳輸的前導信號,前導信號除了用于隨機接入外,還可以攜帶元數據比特信息;在進行信號的發送時,將數據信號和前導信號相關聯,使用生成前導信號的元數據比特對數據信號進行控制,如使用元數據比特用來控制多用戶編碼,包括加擾、交織、重復傳輸圖樣、資源映射等,以增加用戶之間的區分度。終端可以采用周期性發送的方式進行前導信號和數據信號的發送,直到達到信號的最大發送次數,或者接收到網絡反饋的確認信息,或者接收到網絡發送的停止URAT 傳輸的控制命令。
圖1 URAT 技術的原理框圖
URAT 技術將隨機接入和數據發送合并為一個進程,通信流程如圖2 所示。終端從確定進行數據包發送,到網絡接收到數據包為止,包括以下過程:
圖2 URAT 通信流程
(1)t1:終端進行數據包的發送準備,包含前導碼和數據的生成、編碼處理、資源映射等;
(2)t2:終端進行時間同步、幀對齊等處理;
(3)t3:終端進行前導碼和數據的信號發送;
(4)t4:網絡進行前導碼和數據的接收處理,包括前導碼檢測和數據譯碼;
(5)t5:網絡進行信號發送準備,包含反饋信息的編碼處理、資源映射等;
(6)t6:網絡進行時間同步和幀對齊處理;
(7)t7:網絡進行反饋消息發送;
(8)t8:終端進行反饋消息的接收處理,確定是否成功發送數據包;
其中,在第(4)步中,網絡已經接收到終端發送的數據包,但實際上,由于終端將隨機接入和數據傳輸合并為一個進程,且該數據傳輸過程為終端主動發起,因此終端需要接收網絡對數據包的反饋;到第(8)步為止,完成了一次完整的數據包發送流程,終端可以根據反饋信息,確定數據包是否正確發送,從而選擇停止數據包發送,或者進行數據包重傳。
URAT 技術將用于隨機接入的前導信號和多址傳輸的數據信號復用在一起進行傳輸,通過前導序列攜帶信息比特生成的元數據比特的方式,建立兩個信號之間的連接。如果由前導序列本身來承載完整的元數據比特信息,建立前導序列與元數據比特的映射關系,可以基于元數據比特從候選的前導序列資源池中確定相關聯的前導序列。但是隨著元數據比特的增加,前導序列總數也呈指數遞增,這會顯著增加前導序列檢測的復雜度。為了減少元數據比特對前導序列資源池大小的影響,可以借助前導序列的時頻資源(時域資源和頻域資源)位置來承載部分元數據比特,基于前導序列和傳輸前導序列的時頻資源位置,共同承載元數據比特的傳輸。
如圖3 所示,基于元數據比特生成前導序列并進行前導序列的發送時,首先將元數據比特進行分組,分為由前導序列承載的元數據比特子集A,和由發送前導序列的時頻資源位置承載的元數據比特子集B。在進行前導序列的生成和發送時,基于元數據比特子集A 確定候選資源池中的前導序列;基于元數據比特子集B,從候選的時頻資源位置中,確定實際進行前導序列發送的時頻位置。利用前導序列時頻資源位置來承載部分元數據比特,能夠減少前導序列本身承載的信息,從而減小前導序列候選資源池中的序列個數,降低檢測復雜度,更小的候選池也有助于提升前導序列的檢測性能。
圖3 前導碼發送設計
URAT 通信中終端采用非協調的方式向網絡發送數據包,沒有和網絡建立連接。終端進行數據包發送后,對網絡發送的反饋信息進行監聽,根據反饋信息確定數據包是否正確發送,從而選擇停止數據包發送,或者進行數據包重傳。5G 中終端先接入后進行數據傳輸,需要對網絡發送的下行數據進行反饋,用于網絡確定下行數據是否成功被終端接收[15],是一種點對點的通信,終端與網絡建立了連接,由終端反饋數據是否成功接收。在URAT 通信過程中,終端與網絡沒有建立連接,不是點對點的通信,由網絡通過廣播、多播、組播的方式向終端發送反饋信息,反饋信息中需要包含能夠區分終端身份的信息,使得多個終端在接收到網絡發送的反饋信息時,可以確定自身數據包是否成功被網絡接收。
如圖4 所示,5G 中終端需要先和網絡建立連接,然后對網絡發送的數據進行反饋,而URAT 中不需要建立連接,是網絡對終端發送的數據包進行反饋。在用URAT 技術進行數據傳輸時,如果網絡成功接收了終端發送的URAT 數據,終端停止URAT;反之,如果網絡沒有成功接收終端發送的URAT 數據,終端需要對URAT 數據進行重傳。網絡向終端發送的反饋信息攜帶用于區分終端的信息,可以是終端特有的標識信息,或者與終端關聯的其它信息。網絡通過是否發送終端關聯的反饋信息,表示是否成功接收到該終端發送的URAT 數據,當網絡成功接收終端發送的URAT數據時,就會發送該終端關聯的反饋信息;當網絡沒有成功接收終端發送的URAT 數據時,則不發送反饋信息。終端根據是否接收到網絡發送的與自己相關聯的反饋信息,確定URAT 數據的發送結果,進而確定是否進行URAT 數據的重傳。
圖4 URAT 與5G 中的反饋對比
4 性能分析與評估
為了評估URAT 技術的性能,本文選擇了6G 的超大規模連接場景,主要考察連接密度和時延這兩個關鍵指標。其中,連接密度與業務模型密切相關,主要受終端數據發送頻率、數據包大小、帶寬等因素的影響;時延與隨機接入和數據傳輸的流程密切相關,會受到子載波間隔、資源映射類型、終端能力、時域資源分配等因素的影響。在評估時,涉及到的信道包括物理上行共享信道(Physical Uplink Shared Channel,PUSCH)和物理隨機接入信道(Physical Random Access Channel,PRACH)。
在評估連接密度時,采用ITU 報告[16]中提出的系統仿真和鏈路仿真結合的方式進行評估。本文進行性能評估的主要仿真參數如表1 所示。
表1 主要仿真參數
圖5 給出了連接密度的評估結果,從圖5(a)可以看出,在固定數據包大小為64 bits 的情況下,連接密度隨著終端數據發送頻率的增加而增加,數據發送頻率從數秒到數分鐘,連接密度符合6G 提出的106～108個/km2的要求;從圖5(b)可以看出,在固定終端數據發送頻率為30 s 以及時頻資源相同的情況下,隨著數據包大小的增加,數據傳輸性能降低,導致連接密度降低,數據包大小從64 bits 到196 bits,連接密度大致為千萬級。根據評估結果,URAT 技術可以滿足超大規模連接場景對連接密度的要求。
圖5 不同業務模型下連接密度的評估結果
在評估時延時,對上文提出的URAT 通信流程基于數值分析的方法進行評估。表2 給出了稀疏小包時延的評估結果。從表2 中可以看出,5G 稀疏小包時延區間為10.6～13.9 ms;URAT 稀疏小包時延區間為1.3～5.8 ms,相較于5G 能夠降低時延約7.2～9.5 ms。5G 中需要先完成接入,后進行數據傳輸,需要完整的控制面流程,整體時延包括控制面時延和用戶面時延;而URAT 技術采用融合隨機接入和數據傳輸的方式,不需要建立或恢復無線資源控制(Radio Resource Control,RRC)連接,因此不需要完整的控制面流程,能夠顯著降低時延。
表2 稀疏小包時延評估結果(PRACH=2 OFDM)
5 結束語
本文基于6G 的典型場景,分析了對新型多址接入技術的需求,提出了URAT 技術,詳細介紹了其技術原理和通信流程,并以連接密度和時延兩個指標為例進行了性能分析和仿真評估。根據本文的連接密度評估結果,對于不同業務模型,URAT 方案的連接密度可以支持106～108個/km2,滿足6G 超大規模連接場景提出的需求;根據本文的時延評估結果,對于稀疏小包數據傳輸,采用隨機接入和數據傳輸融合的方式,降低了控制面帶來的時延,可以支持不大于10 ms 的時延。
當前URAT 技術采用極低碼率編碼進行數據傳輸,對時頻資源要求較高,后續可以進行時頻資源的優化設計,在滿足時延要求的基礎上,減少使用的頻域資源。此外,可以進一步在URAT 技術的前導序列設計、導頻方案設計、多用戶檢測方案的設計等方面進行優化。
