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大连接需求的实现 | 带你读《5G 空口设计与实践进阶 》之六

简介: 作为物联网(IoT,Internet of Things)的主要存在形式,机器类通信(MTC)使得机器与机器之间能够在没有人为干预或极少干预的情况下进行自主的数据通信和信息交互。随着 MTC 规模的扩大,海量的机器类设备开始依赖蜂窝网络基础设施为其提供广域连接,这就是 mMTC 场景。而 mMTC 面临的最为迫切的问题是,如何接入并服务海量的 MTC 设备。简言之,如何实现大连接。

NR 演进之路

低时延需求的实现

1.2.5 大连接需求的实现

作为物联网(IoT,Internet of Things)的主要存在形式,机器类通信(MTC)使得机器与机器之间能够在没有人为干预或极少干预的情况下进行自主的数据通信和信息交互。随着 MTC 规模的扩大,海量的机器类设备开始依赖蜂窝网络基础设施为其提供广域连接,这就是 mMTC 场景。而 mMTC 面临的最为迫切的问题是,如何接入并服务海量的 MTC 设备。简言之,如何实现大连接。
1.大连接的基本约束
大连接场景,或者说 mMTC 场景,与传统的面向人与人通信的蜂窝网络设计需求有着极大的差异。在传统的通信网络模型中,数据分组通常较大,对下行数据传输也具有较高的需求。因此,为了在频谱资源受限的情况下提升数据传输速率,就极大地依赖于精细的物理层和 MAC 层设计。为了实现有效接入、可靠传输以及安全认证,通常需要大量的物理层开销以及 MAC 层控制信令负载。而在大连接场景下,大量机器设备只需发送低速率的数据分组,且这些数据分组极短,通常只有几个字节,如果沿用传统的底层设计,用于信道估计的导频信号以及链路自适应所需的反馈信息可能会远远超过发送信息的长度。这对于系统性能而言,显然效率是极低的。因此,对大连接场景解决方案的研究,应着眼于 mMTC 的特点。
对 mMTC 的特点和需求总结如下。

  • 连接数量。海量的机器类设备,单一小区内的接入设备数量可达 300000,远远大于 MBB 场景中的用户数。
  • 数据大小。短数据分组,通常只包含几个字节,甚至只需要一个比特来表示某个事件的发生与否。
  • 传输方向。以上行数据为主导,多为监测信息的上报。在某些应用中也可能需要对称的上下行容量以满足控制器与传感器之间的动态交互。
  • 传输速率。用户传输速率通常较低。
  • 传输周期。零星通信为主,但不同的 MTC 业务间可能存在较大差异。例如,某些应用的传输在时间上可能非常稀疏,而其他应用可能会按照预设周期进行传输。
  • 传输优先级。某些极端 MTC 业务传输的是非常重要的信息,因此,需要很高的优先级。
  • 设备能耗。设备复杂度通常较低,且多数对能耗都相对敏感,MTC 设备电池的使用寿命一般需要达到几年甚至几十年。

根据上述 mMTC 系统的特点,大连接的实现思路可以围绕以下几点来展开,即如何增加系统连接数、如何设计匹配零星通信需求的接入机制等。
2.大连接的实现思路
针对如何增加系统连接数的问题,为了增加无线通信系统所能容纳的用户数量,较为直观的做法是增加系统带宽,如向高频拓展,以及利用空间维度复用资源,如加密小区部署、使用大规模阵列天线等。但是,受制于有限的频谱资源、难以获取的小区站址,以及物理实现复杂的天线,上述增加用户数量的方法的可行性降低。更为有效的方法是从多址接入技术入手。多址接入技术是物理层的关键技术,其作用是让多个用户能够接入同一小区进行通信,并保证
不同用户之间的信号不相互干扰。第一代到第四代移动通信系统所采用的多址接入技术均为正交多址接入(OMA,Orthogonal Multiple Access)。从 FDMA、TDMA 到 CDMA,再到 OFDMA,正交多址接入技术不断改进,并获得了复用增益的较大增长。但正交多址接入技术仍存在以下限制。

  • 单用户容量受限。每个正交信道上的单用户容量已经逼近香农极限,其与香农极限的差值主要来源于信道编码的长度受限等因素,这些因素无法通过技术手段得到解决。
  • 同时进行传输的用户数受限。小区的连接数严格受限于相互正交的信道的数量,当系统过载时,系统的性能会出现明显下降。
  • 免授权上行传输时的可靠性无保证。正交多址接入不支持符号间冲突,因此,在免授权上行传输模式下,一旦用户数过多或者业务到达速率很高时,传输可靠性将失去保证。并且,为了解决竞争冲突,系统需要进行大量的重传和退避,这将导致传输时延的增大。

鉴于上述原因,虽然 OFDMA 可以利用重叠子载波的方法提高频谱效率,但在面对大连接的场景下,即使减小子载波间隔,也难以带来实质性的效果。因此,对于 mMTC,NR 计划至少在上行方向支持非正交多址接入(NOMA,Non-orthogonal Multiple Access),且不同的多址接入方式可以组合使用,以便充分利用各自的优势。
(1)非正交多址接入。
与正交多址接入的最大不同是,非正交多址接入允许多个用户共享相同的时频资源。假设某一块资源被平均分配给 N 个用户,则在正交多址接入方式下,每个用户只能分配到 1/N 的资源;而在非正交多址接入方式下,由于摆脱了正交性的约束,每个用户分配到的资源可以大于 1/N,极限情况下甚至每个用户都可以分配到全部的资源。
尽管通过非正交能够提升用户连接数并有效提高系统频谱效率,但是非正交同时也带来了多用户间干扰的负面影响。为了解决这一问题,需要在接收端通过串行干扰删除(SIC,Successive Interference Cancellation)技术来实现多用户检测。SIC 的基本思想是,逐级减去信号功率最大的用户造成的干扰,在接收信号中对多个用户逐个进行判决,进行幅度恢复后,将该用户信号产生的多址干扰从接收信号中减去,并对其余的用户再次进行判决,如此循环操作,直到消除所有的多址干扰为止,这样逐次把所有用户的信号解调出来。
在实际系统中,SIC 接收机并不能完全消除 NOMA 用户间干扰。因此,非正交多址接入的解调性能通常比正交多址接入差。在一些处于小区边缘或信号覆盖较差的区域,非正交多址接入可能无法满足某些业务的 QoS。因此,在保证 QoS 的情况下选择合适的随机接入方式,也是提高网络接入容量的关键。
由于 mMTC 的标准化主要在 R16 完成,因此,对于非正交多址接入的相关研究目前仍处于提案阶段。业界典型的非正交多址接入技术主要有日本DOCOMO 提出的非正交多址接入(NOMA)、中兴提出的多用户共享接入(MUSA)、华为提出的稀疏码多址接入(SCMA)以及大唐电信提出的图样分割多址接入(PDMA)等。其中,NOMA 在功率域对不同用户进行复用,MUSA和 SCMA 在码域对不同用户进行复用,PDMA 则更为复杂,同时结合了功率域、空域和码域的多用户复用。
NOMA 是通过复用同一时频资源的不同用户设定不同的发送功率来实现非正交传输的,如图 1-25 所示,因而其实现难度也相对最小。NOMA 可以简单地看作多个用户信号在功率域的简单线性叠加,能够与 OFDM 技术结合使用。但是,由于 NR 系统的最大功率域强度值非常有限,因而 NOMA 功率域能够划分用户的层数不可能太多。这就决定了 NOMA 对用户连接数的提升能力较为有限,难以匹配 mMTC 的实际需求。

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MUSA 是典型的码域非正交多址接入技术,且多适应于通信系统的上行链路,如图 1-26 所示。在上行链路中,由于不同用户与基站之间的距离不同,会存在发射功率上的差异。MUSA 充分利用这种差异,在发送端使用非正交复数扩频序列编码对用户信息进行调制,在接收端使用 SIC 技术消除干扰,恢复每个用户的信息。通过这种在同一时频资源上的用户信息扩频编码,MUSA 可以显著地提升系统的资源复用能力。

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SCMA 也属于码域非正交多址接入技术。SCMA 与 OFDMA 的区别在于,OFDMA 每个用户占用一个不同的子载波,解调时用不同的子载波来区分不同的用户,而在 SCMA 中,每个子载波上可以叠加两个用户的数据,但同时每个用户又不止占用一个子载波。实际上 SCMA 是通过码本区分用户,每个用户分配一个码本,该码本上包含用户占用哪些子载波以及在每个子载波上的调制方式。因此,SCMA 的性能实际取决于每个用户码本的高维调制星座图的设计。
SCMA 在多址接入方面主要有低密度子载波扩频、子载波和符号自适应两项重要技术,如图 1-27 所示。低密度子载波扩频是指频域各子载波通过码域的稀疏编码方式扩频,使其能同频承载多个用户信号。由于各子载波间满足正交条件,因而不会产生子载波间干扰。同时又由于每个子载波扩频用的稀疏码本的码字稀疏,同频资源上的用户信号不易产生相互干扰。子载波和符号自适应是指承载用户信号的子载波带宽和 OFDM 符号时长,可以根据业务和系统的要求自适应,从而满足业务多样性以及空口灵活性的要求。
PDMA 是一种可以在功率域、码域、空域联合或单独应用的非正交多址接入技术,如图 1-28 所示。PDMA 在发射端通过特征图样叠加的方式将多个用户信号叠加在一起进行编码传输,在接收端通过 SIC 进行图样检测以区分出多用户。特征图样是功率域、码域和空域的基本参量,由于包含了 3 个物理量,所以 PDMA 在理论上的多址容量可以达到 NOMA 的 3 倍以上。但同时 PDMA 图样的设计复杂度也相对最高。

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表 1-5 总结了 NOMA、MUSA、SCMA 和 PDMA 的特点。

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(2)免调度接入。
在面向大连接的场景中,主要的问题还有信令拥塞,且以上行传输居多。以基于竞争的随机接入控制信令为例,UE 从空闲态到连接完成的过程如图 1-29 所示。首先,UE 随机选取一个可用的前导序列,在 PRACH 上进行发送。基站检测到 PRACH 中的前导序列后,在 PDSCH 上反馈随机接入响应(RAR,RandomAccess Response),其中包含随机接入前导标示、定时调整信息、上行链路授权、无线网络临时标识以及退避标识等信息。UE 成功接收到与发送的前导序列相匹配的 RAR 后,在 PUSCH 上发送调度信息。调度信息可能包括连接请求信息、终端的无线网络临时标识、无线资源控制重新建立连接请求等信息。随后,基站检测 UE 是否发生碰撞。如成功解析 UE 在上一步发送的调度信息,则认为未发生碰撞,并在 PDSCH 上下发竞争解决消息;否则不发送消息。如果 UE 未收到竞争解决消息,且 UE 会认为发生了碰撞,将在静默一段时间后重新发起随机接入。
可见,在大连接场景下,采用基于竞争的随机接入机制,将产生海量的信令负载,甚至导致信令拥塞。同时,由于大部分 MTC 传输是事件触发的,大量设备同时发起接入的可能性非常大,这种情况下所发生的大量退避等待也导致了严重的时延。此外,从设备能耗的角度看,频繁发送接入请求会快速损耗设备电池的寿命。

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而通过免调度接入机制的设计,所有用户均为虚拟接入,不发送数据的用户处于休眠状态,而有数据需要发送时则进入激活状态。这样的调度策略可以显著降低传输时延和信令负载,简化物理层设计,降低节点能耗和设备成本。免调度接入机制的具体实现,目前还处于 FFS(未来继续研究)状态。

| 1.3 NR 标准化进程 |

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