张钰婕 康绍莉 白伟 彭莹 索士强 孙韶辉

(1.中国信息通信科技集团有限公司无线移动通信全国重点实验室,北京 100083;2.中信科移动通信技术股份有限公司,北京 100083)

0 引言

多址接入技术是历代移动通信系统的基本技术,通过划分共享的无线资源支持区分多用户的传输,实现系统容量的提升,提高通信效率和资源利用率。多址接入技术从1G-FDMA、2G-TDMA、3G-CDMA 到4G和5G 的正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA)技术,在可接受的系统实现复杂度前提下逐步提升系统容量。在进行5G 标准化时,业界从扩频、加扰、交织、编码和调制等方面进行了非正交多址接入技术的研究,探讨了多种应用场景,也给出了链路级和系统级的初步性能评估[1]。业界对6G 的愿景、需求、技术趋势进行了探讨[2],在国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)针对6G 未来技术趋势的研究报告[3]中,展望了大规模多进多出技术、非正交多址技术和不需要授权的接入协议等多址接入技术方向。2023 年6 月,ITU 完成《IMT 面向2030 及未来发展的框架和总体目标建议书》[4],提出了6G 的六大应用场景,一方面,对5G 场景进行增强,提出沉浸式通信、超大规模连接、极高可靠低时延通信场景;另一方面,在5G 场景的基础上进行扩展,提出泛在连接、人工智能(Artifical Intelligence,AI)与通信融合、感知与通信融合场景。ITU 为了支持新增的应用场景,在5G 提出的需求指标基础上,新增了覆盖能力、感知相关能力、AI 相关能力、安全/隐私/弹性、可持续性、互操作性等需求指标;在演进的应用场景中,对连接密度、可靠性、时延、移动性都提出了更高的要求。其中,连接密度需要满足106～108个/km2,与5G 相比最高提升100 倍;时延需要满足0.1～1 ms,与5G 相比最高提升10 倍[4];连接密度的提高、时延的降低,对多址接入技术有着强烈的需求。

针对6G 的典型场景和关键技术指标需求,本文对新型多址接入技术进行研究,旨在提升可同时接入用户数、降低接入时延等方面的性能。文中介绍了6G典型场景和关键技术指标需求、满足6G 场景与需求的新型多址接入技术潜在解决方案,提出了非协调随机接入和传输(Uncoordinated Random Access and Transmission,URAT)技术,并对其基本原理、通信流程、实现方案和性能评估进行介绍。

1 6G 典型场景和关键技术指标对新型多址接入的需求分析

ITU 在《IMT 面向2030 及未来发展的框架和总体目标建议书》[4]中,提出了沉浸式通信、极高可靠低时延通信、超大规模连接、泛在连接、人工智能与通信融合、感知与通信融合六大应用场景;在对5G 连接密度、移动性、可靠性、时延需求指标演进的同时,提出了一些新的技术指标。超大规模连接场景的典型用例包括环境物联网、数字孪生、空天地一体化[5-6]、智慧城市等,对连接密度提出了更高的要求。现有的移动通信系统通常在终端接入成功后才开始数据传输,所能够支持的终端数量受限于数据传输资源和网络协调信令资源,难以满足连接密度要求。因此,需要采用新型多址接入技术来支持更大终端连接数。

以环境物联网为例,该用例具有低成本、小体积、易部署等特点,在自动化仓储物流、智能家居、医疗护理等领域有着广泛应用。在不同用例中,终端设备的连接密度和通信频次有所差异,连接密度高达85～750 万/km2,通信频次从每秒发送一次消息到每小时发送一次不等[7]。环境物联网设备不具备传统电池,对功耗十分敏感,因此需要对接入过程进行简化,采用极简、极低功耗、极低复杂度的接入方式,降低信令开销和功耗。

以数字孪生为例,该用例综合运用感知、计算、建模、仿真、通信等技术,实现了物理世界和数字世界之间的无缝连接,理论上连接的终端数量是无限的,业界认为每平方公里终端连接数量可以达到千万级[8-10]。对于如此大规模连接的场景,网络的资源无法支持网络与所有终端进行从初始接入到多址传输整个过程的交互,需要对信令交互过程进行简化、优化、融合等。在时延方面,要求空口时延达到亚毫秒(ms)级,需要对接入和数据传输流程进行简化,减少终端和网络的交互次数,降低时延。

据笔者统计,6G 的超大规模连接场景需要支持每平方公里千万级至亿级的设备连接,与5G 支持每平方公里百万级的设备连接相比,提升了10～100 倍。现有方案先完成接入再进行数据传输,容易造成接入网过载以及信令拥塞,带来严重的时延和信令开销,难以满足6G 超大规模连接场景的需求,由此需要采用新型多址接入技术来支持海量终端的连接。

2 6G 新型多址接入的潜在解决方案

超大规模连接场景对连接密度提出了更高的要求。一方面,可以通过降低不同用户之间的导频碰撞概率,提升接入的用户数,如采用独立多导频、模式分割随机接入等导频优化设计方案;另一方面,可以通过多用户编码设计,提升用户数据传输性能,支持更多的用户数,如采用压缩感知巨址接入、速率分拆多址接入等方案。

Yuan[11]等指出免调度场景下不同用户可能选择相同的参考信号,发生参考信号碰撞,基站很难通过参考信号分离用户,为了减少参考信号碰撞,可采用独立多导频方案。用户采用独立多导频的数据传输,一次传输中包含2 个或多个导频,并且导频之间相互独立[11]。在相同的导频开销下,降低导频碰撞的概率,缓解多接收天线情况下,空域合并比的搜索空间大、复杂度高的问题。基站基于迭代接收机,每轮通过不碰撞的导频解出对应的用户,然后将其数据和导频重构出来并从接收信号中消除掉,如此迭代直到解出所有可解的用户。

为了增强超大规模连接场景下的随机接入性能,Dai[12]等提出了基于“叠加正交构建块”的模式分割随机接入设计。具体来说,模式域导频是基于L循环移位的Zadoff-Chu(ZC)序列的叠加来构造的,该设计方案能够有效增加可用的导频数目,即从N个导频增加为。其中表示N个导频的L种组合。导频数目的增加和导频之间的低相关性可以降低导频碰撞概率,同时也不会显著影响信道估计性能。

基于压缩感知的随机接入是一种用于无授权或无源随机接入的大规模连接的信号处理技术,典型的物联网网络涉及到零星的流量模式,在任何时间点只有小部分设备被激活,以节省能源消耗。Vem[13]等提出了一种基于压缩感知的巨址接入技术,该方案中,码本中有M个码字,每个码字长为n,共有Ktot个用户,其中包括Ka个激活用户。每个激活用户将发送的信息分成前导码和数据位两部分。前导码进行稀疏映射,从压缩感知编码矩阵A 中根据前导比特选出对应列。数据位进行SC-LDPC 编码,同时将前导码编码得到的列作为交织序列,对数据位的编码结果进行交织,目的是对来自其他用户的干扰进行解相关,两部分组合得到编码结果。

Zhou[14]等提出了速率分拆多址接入技术,通过在发送端对用户信息拆分和重构以及在接收端使用串行干扰消除技术,使得接收端能够部分解码干扰,能够显著改善频谱效率和能量效率。通过速率分拆多址接入技术将发送给用户的信息分为公共部分和私有部分。对于下行传输,所有成对用户的公共部分叠加编码成一个通用信息,然后进一步编码成通用数据流,而每个用户的私有部分在基站中单独编码成私有数据流。在解码信息时,用户通过串行干扰消除进行解码,每个用户首先将所有私有数据流视为噪声来解码通用数据流,移除解码的通用数据流之后,再解码自己的私有数据流。

现有的通信方式先完成接入再进行数据传输,受限于数据传输资源和网络协调信令资源,难以满足超大规模连接场景对连接密度的要求。例如,Yuan[11]等提出的独立多导频设计方案和Dai[12]等提出的模式分割随机接入方案,通过增加用户传输时使用的导频数目,降低用户间的碰撞概率,随着用户发送导频数目的提升,接收机检测复杂度不断增加,同时未结合多用户编码等其它优化方式进行方案设计。Vem[13]等和Zhou[14]等采用多用户编码设计,将用户的信息分为两部分传输:前者基于前导码部分对数据部分进行交织和解交织;后者基于首先解码得到的通用部分对私有部分数据解码,在进行数据传输时仅发送一次数据,数据传输性能受限。为了提升终端连接数,缓解海量终端设备采用现有多址接入技术带来的接入网过载、信令拥塞、严重的时延和信令开销等问题,本文提出一种URAT 技术,基于多角度进行方案设计,一方面,通过增加候选前导码数目,降低前导码碰撞概率;另一方面,采用多用户编码的方式,基于前导码对数据部分进行加扰、交织、重复传输等控制,同时进行前导码和数据的发送。URAT 技术通过融合随机接入和多址传输过程可以减小信令开销和资源开销,从而降低接入时延,支持更多的终端连接。

3 URAT 技术

与传统的先接入再传输的多址接入技术不同,本文提出的URAT 技术,将初始接入到多址传输整个过程的交互进行简化和融合,不需要网络协调,采用非正交的方式同时实现随机接入和多址传输两个过程。不需要网络协调是指不需要网络确认终端的接入身份,也不需要网络调度传输资源,所有终端使用相同的发送方式。非正交是指所有终端共享预配置的时间、频率、空间等资源,终端之间通过编码码字实现非正交传输。随机接入和多址传输的融合是指单次传输实现随机接入功能和多址传输功能,不需要传输专用配置信息,不需要对终端身份信息进行交互,仅需要网络对终端数据进行确认。

图1 为URAT 技术的原理框图。在生成多址传输的数据信号时,终端将待发送数据的信息比特进行极低码率编码和多用户编码;在生成用于随机接入的前导信号时,将前导信号与数据信号建立连接,根据待发送的信息比特得到用于生成前导信号的元数据比特,基于元数据比特和预设的规则,生成进行传输的前导信号,前导信号除了用于随机接入外,还可以携带元数据比特信息;在进行信号的发送时,将数据信号和前导信号相关联,使用生成前导信号的元数据比特对数据信号进行控制,如使用元数据比特用来控制多用户编码,包括加扰、交织、重复传输图样、资源映射等,以增加用户之间的区分度。终端可以采用周期性发送的方式进行前导信号和数据信号的发送,直到达到信号的最大发送次数,或者接收到网络反馈的确认信息,或者接收到网络发送的停止URAT 传输的控制命令。

图1 URAT 技术的原理框图

URAT 技术将随机接入和数据发送合并为一个进程,通信流程如图2 所示。终端从确定进行数据包发送,到网络接收到数据包为止,包括以下过程:

图2 URAT 通信流程

(1)t1:终端进行数据包的发送准备,包含前导码和数据的生成、编码处理、资源映射等;

(2)t2:终端进行时间同步、帧对齐等处理;

(3)t3:终端进行前导码和数据的信号发送;

(4)t4:网络进行前导码和数据的接收处理,包括前导码检测和数据译码;

(5)t5:网络进行信号发送准备,包含反馈信息的编码处理、资源映射等;

(6)t6:网络进行时间同步和帧对齐处理;

(7)t7:网络进行反馈消息发送;

(8)t8:终端进行反馈消息的接收处理,确定是否成功发送数据包;

其中,在第(4)步中,网络已经接收到终端发送的数据包,但实际上,由于终端将随机接入和数据传输合并为一个进程,且该数据传输过程为终端主动发起,因此终端需要接收网络对数据包的反馈;到第(8)步为止,完成了一次完整的数据包发送流程,终端可以根据反馈信息,确定数据包是否正确发送,从而选择停止数据包发送,或者进行数据包重传。

URAT 技术将用于随机接入的前导信号和多址传输的数据信号复用在一起进行传输,通过前导序列携带信息比特生成的元数据比特的方式,建立两个信号之间的连接。如果由前导序列本身来承载完整的元数据比特信息,建立前导序列与元数据比特的映射关系,可以基于元数据比特从候选的前导序列资源池中确定相关联的前导序列。但是随着元数据比特的增加,前导序列总数也呈指数递增,这会显著增加前导序列检测的复杂度。为了减少元数据比特对前导序列资源池大小的影响,可以借助前导序列的时频资源(时域资源和频域资源)位置来承载部分元数据比特,基于前导序列和传输前导序列的时频资源位置,共同承载元数据比特的传输。

如图3 所示,基于元数据比特生成前导序列并进行前导序列的发送时,首先将元数据比特进行分组,分为由前导序列承载的元数据比特子集A,和由发送前导序列的时频资源位置承载的元数据比特子集B。在进行前导序列的生成和发送时,基于元数据比特子集A 确定候选资源池中的前导序列;基于元数据比特子集B,从候选的时频资源位置中,确定实际进行前导序列发送的时频位置。利用前导序列时频资源位置来承载部分元数据比特,能够减少前导序列本身承载的信息,从而减小前导序列候选资源池中的序列个数,降低检测复杂度,更小的候选池也有助于提升前导序列的检测性能。

图3 前导码发送设计

URAT 通信中终端采用非协调的方式向网络发送数据包,没有和网络建立连接。终端进行数据包发送后,对网络发送的反馈信息进行监听,根据反馈信息确定数据包是否正确发送,从而选择停止数据包发送,或者进行数据包重传。5G 中终端先接入后进行数据传输,需要对网络发送的下行数据进行反馈,用于网络确定下行数据是否成功被终端接收[15],是一种点对点的通信,终端与网络建立了连接,由终端反馈数据是否成功接收。在URAT 通信过程中,终端与网络没有建立连接,不是点对点的通信,由网络通过广播、多播、组播的方式向终端发送反馈信息,反馈信息中需要包含能够区分终端身份的信息,使得多个终端在接收到网络发送的反馈信息时,可以确定自身数据包是否成功被网络接收。

如图4 所示,5G 中终端需要先和网络建立连接,然后对网络发送的数据进行反馈,而URAT 中不需要建立连接,是网络对终端发送的数据包进行反馈。在用URAT 技术进行数据传输时,如果网络成功接收了终端发送的URAT 数据,终端停止URAT;反之,如果网络没有成功接收终端发送的URAT 数据,终端需要对URAT 数据进行重传。网络向终端发送的反馈信息携带用于区分终端的信息,可以是终端特有的标识信息,或者与终端关联的其它信息。网络通过是否发送终端关联的反馈信息,表示是否成功接收到该终端发送的URAT 数据,当网络成功接收终端发送的URAT数据时,就会发送该终端关联的反馈信息;当网络没有成功接收终端发送的URAT 数据时,则不发送反馈信息。终端根据是否接收到网络发送的与自己相关联的反馈信息,确定URAT 数据的发送结果,进而确定是否进行URAT 数据的重传。

图4 URAT 与5G 中的反馈对比

4 性能分析与评估

为了评估URAT 技术的性能,本文选择了6G 的超大规模连接场景,主要考察连接密度和时延这两个关键指标。其中,连接密度与业务模型密切相关,主要受终端数据发送频率、数据包大小、带宽等因素的影响;时延与随机接入和数据传输的流程密切相关,会受到子载波间隔、资源映射类型、终端能力、时域资源分配等因素的影响。在评估时,涉及到的信道包括物理上行共享信道(Physical Uplink Shared Channel,PUSCH)和物理随机接入信道(Physical Random Access Channel,PRACH)。

在评估连接密度时,采用ITU 报告[16]中提出的系统仿真和链路仿真结合的方式进行评估。本文进行性能评估的主要仿真参数如表1 所示。

表1 主要仿真参数

图5 给出了连接密度的评估结果,从图5(a)可以看出,在固定数据包大小为64 bits 的情况下,连接密度随着终端数据发送频率的增加而增加,数据发送频率从数秒到数分钟,连接密度符合6G 提出的106～108个/km2的要求;从图5(b)可以看出,在固定终端数据发送频率为30 s 以及时频资源相同的情况下,随着数据包大小的增加,数据传输性能降低,导致连接密度降低,数据包大小从64 bits 到196 bits,连接密度大致为千万级。根据评估结果,URAT 技术可以满足超大规模连接场景对连接密度的要求。

图5 不同业务模型下连接密度的评估结果

在评估时延时,对上文提出的URAT 通信流程基于数值分析的方法进行评估。表2 给出了稀疏小包时延的评估结果。从表2 中可以看出,5G 稀疏小包时延区间为10.6～13.9 ms;URAT 稀疏小包时延区间为1.3～5.8 ms,相较于5G 能够降低时延约7.2～9.5 ms。5G 中需要先完成接入,后进行数据传输,需要完整的控制面流程,整体时延包括控制面时延和用户面时延;而URAT 技术采用融合随机接入和数据传输的方式,不需要建立或恢复无线资源控制(Radio Resource Control,RRC)连接,因此不需要完整的控制面流程,能够显著降低时延。

表2 稀疏小包时延评估结果(PRACH=2 OFDM)

5 结束语

本文基于6G 的典型场景,分析了对新型多址接入技术的需求,提出了URAT 技术,详细介绍了其技术原理和通信流程,并以连接密度和时延两个指标为例进行了性能分析和仿真评估。根据本文的连接密度评估结果,对于不同业务模型,URAT 方案的连接密度可以支持106～108个/km2,满足6G 超大规模连接场景提出的需求;根据本文的时延评估结果,对于稀疏小包数据传输,采用随机接入和数据传输融合的方式,降低了控制面带来的时延,可以支持不大于10 ms 的时延。

当前URAT 技术采用极低码率编码进行数据传输,对时频资源要求较高,后续可以进行时频资源的优化设计,在满足时延要求的基础上,减少使用的频域资源。此外,可以进一步在URAT 技术的前导序列设计、导频方案设计、多用户检测方案的设计等方面进行优化。