面向5G的MUSA多用戶共享接入

袁志鋒 中興通訊股份有限公司無線預(yù)研高級工程師郁光輝 中興通訊股份有限公司無線預(yù)研總工程師李衛(wèi)敏 中興通訊股份有限公司無線預(yù)研高級工程師

面向5G的MUSA多用戶共享接入

袁志鋒 中興通訊股份有限公司無線預(yù)研高級工程師
郁光輝 中興通訊股份有限公司無線預(yù)研總工程師
李衛(wèi)敏 中興通訊股份有限公司無線預(yù)研高級工程師

未來5G無線通信系統(tǒng)中，海量連接（MMC，Massive Machine Communication）將是其中一個非常重要的場景。而使用低成本、低功耗終端來實現(xiàn)海量連接是關(guān)鍵也是其面臨的主要挑戰(zhàn)。本文提出一種新的非正交接入方案：多用戶共享接入（MUSA，Multi-User SharedAccess）。MUSA是一種基于相對很短的復(fù)數(shù)域多元碼（序列）的非正交多址接入方案，可以高效地工作在“免調(diào)度”的上行接入模式中，并能進一步簡化上行接入的其他流程，特別適合低成本、低功耗實現(xiàn)海量連接。

海量連接 非正交多址 多用戶共享接入 免調(diào)度

1 引言

未來5G場景經(jīng)過抽象分為兩大類，一類是移動寬帶接入（MBB，Mobile Broadband）高容量，還有一類是物物連接進而發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of Things）。其中物物連接又分為兩大類，一類是低數(shù)據(jù)速率，但具有海量節(jié)點；另一類是低時延高可靠。在前一類物物連接類型中由于連接點數(shù)量的海量，勢必要求節(jié)點的成本很低，功耗很低。因此，在海量節(jié)點/低速率、低成本、低功耗這些要求下，目前4G的系統(tǒng)是無法滿足這個要求的。主要體現(xiàn)為4G系統(tǒng)設(shè)計的時候主要針對的是高效的數(shù)據(jù)通信，是基于正交多址接入的無線通信系統(tǒng)，需通過嚴格的接入流程和控制來達到這一目的。如果非要在4G系統(tǒng)上承載上述場景，則勢必造成接入節(jié)點數(shù)遠遠不能滿足要求，信令開銷不能接受，節(jié)點成本居高不下，功耗尤其是節(jié)點功耗不能數(shù)量級降低。因此，有必要設(shè)計一種新的多址接入方式來滿足上述需求。

上述5G需求映射到技術(shù)層面上，則非正交和免調(diào)度這兩項技術(shù)能很好地滿足上述需求。首先，非正交設(shè)計之初就是允許用戶信息混疊在一起，能天然地和免調(diào)度結(jié)合在一起；而在低傳輸速率下非正交/免調(diào)度能有更大的節(jié)點過載率；非正交/免調(diào)度能大量節(jié)省信令開銷；非正交/免調(diào)度還能使系統(tǒng)不需要或者減弱上行同步過程；非正交/免調(diào)度能使節(jié)點做到想發(fā)就發(fā)，不想發(fā)就深度休眠，從而大大節(jié)約節(jié)點的能耗；非正交/免調(diào)度還能簡化節(jié)點物理層設(shè)計和流程，從而大大降低節(jié)點的成本。

MUSA（Multi-User SharedAccess）是一種基于復(fù)數(shù)域多元碼序列的多用戶共享接入技術(shù)，是結(jié)合了非正交多址接入和免調(diào)度接入設(shè)計理念的新的多用戶接入技術(shù)。

2 MUSA(Multi-User Shared Access)

MUSA是一種基于復(fù)數(shù)域多元碼的上行非正交多址接入技術(shù)，適合免調(diào)度的多用戶共享接入方案，非常適合低成本、低功耗實現(xiàn)5G海量連接。

MUSA原理框圖如圖1所示。首先，各接入用戶使用易于SIC接收機的、具有低互相關(guān)的復(fù)數(shù)域多元碼序列將其調(diào)制符號進行擴展；然后，各用戶擴展后的符號可以在相同的時頻資源里發(fā)送。最后；接收側(cè)使用線性處理加上碼塊級SIC來分離各用戶的信息。

擴展序列會直接影響MUSA的性能和接收機復(fù)雜度，是MUSA的關(guān)鍵部分。如果像傳統(tǒng)DS-CDMA（如IS-95標準）那樣使用很長的PN（Pseudo-Noise）序列，那序列之間的低相關(guān)性是比較容易保證的，而且可以為系統(tǒng)提供一個軟容量，即允許同時接入的用戶數(shù)量（即序列數(shù)量）大于序列長度，這時系統(tǒng)相當于工作在過載的狀態(tài)。下面把同時接入的用戶數(shù)與序列長度的比值稱為負載率，負載率大于1通常稱為“過載”。

圖1 MUSA上行接入方案

長PN序列雖然可以提供一定的軟容量（即一定的過載率），但是在5G海量連接這樣的系統(tǒng)需求下，系統(tǒng)過載率往往是比較大的，在大過載率的情況下，采用長PN序列所導致的SIC過程是非常復(fù)雜和低效的。

MUSA上行使用特別的復(fù)數(shù)域多元碼（序列）來作為擴展序列，此類序列即使很短時（如長度為8，甚至4時），也能保持相對較低的互相關(guān)。例如，其中一類MUSA復(fù)數(shù)擴展序列，其序列中每一個復(fù)數(shù)的實部虛部取值于一個多元實數(shù)集合。甚至一種非常簡單的MUSA擴展序列，其元素的實部虛部取值于一個簡單三元集合{-1,0,1}，也能取得相當優(yōu)秀的性能。該簡單序列中元素相應(yīng)的星座圖如圖2所示。

正因為MUSA復(fù)數(shù)域多元碼的優(yōu)異特性，再結(jié)合先進的SIC接收機，MUSA可以支持相當多的用戶在相同的時頻資源上共享接入。值得指出的是，這些大量共享接入的用戶都可以通過隨機選取擴展序列，然后將其調(diào)制符號擴展到相同時頻資源的方式來實現(xiàn)。從而MUSA可以讓大量共享接入的用戶想發(fā)就發(fā)，不發(fā)就深度睡眠，而并不需要每個接入用戶先通過資源申請、調(diào)度、確認等復(fù)雜的控制過程才能接入。這個免調(diào)度過程在海量連接場景尤為重要，能極大減輕系統(tǒng)的信令開銷和實現(xiàn)難度。同時，MUSA可以放寬甚至免除嚴格的上行同步過程，只需要實施簡單的下行同步。最后，存在遠近效應(yīng)時，MUSA還能利用不同用戶到達SNR的差異來提高SIC分離用戶數(shù)據(jù)的性能。即也能如傳統(tǒng)功率域NOMA那樣，將“遠近問題”轉(zhuǎn)化為“遠近增益”。從另一角度看，這樣可以減輕甚至免除嚴格的閉環(huán)功控過程。所有這些為低成本低功耗實現(xiàn)海量連接提供了堅實的基礎(chǔ)。

圖2 三元復(fù)序列元素星座圖

上面從5G海量連接的角度對比了MUSA和傳統(tǒng)CDMA技術(shù)，下面同樣地從5G海量連接的角度看MUSA和傳統(tǒng)功率域非正交接入（NOMA）的一些比較：首先，NOMA不需要擴頻，而MUSA上行非正交擴頻即使實部和虛部都限制在最簡單的3值集合{-1,0, 1}，也可以有足夠多的低互相關(guān)碼，如果放寬條件，則更多。而兩者都使用干擾消除技術(shù)，但NOMA不適合免調(diào)度場景，MUSA適合免調(diào)度場景（利用隨機性和碼域維度）。最后，在免調(diào)度場景下，NOMA的分集增益不如MUSA。

3 MUSA蒙特卡羅仿真

本仿真通過對低成本、低功耗海量連接系統(tǒng)的一些主要特征如免調(diào)度、免功控、高過載率等進行抽象建模，來定量評估MUSA上行接入的性能。其中，MUSA采用的復(fù)數(shù)擴展序列的實部與虛部的取值均來自于三元集合{-1,0,1}。另外，關(guān)于過載率的定義，例如，對于L長的擴展序列，300%的過載率意味著有3L個用戶在相同的時頻資源上共享接入，如果L等于4，那么有12個用戶在相同的時頻資源上共享接入。

圖3給出了MUSA在AWGN信道、1Tx1Rx天線配置、不同序列長度時的用戶過載性能。其中，每個用戶采用1/2碼率的LTETurbo編碼和QPSK調(diào)制，每個用戶隨機選取復(fù)數(shù)擴展序列來模擬免調(diào)度接入，通過控制各個用戶的SNR在4～20dB范圍內(nèi)均勻分布來模擬沒有嚴格閉環(huán)功率控制時同時接入用戶的信道差異，接收機按照MMSE-SIC算法進行接收檢測。從圖3的仿真結(jié)果可以看出，對于平均BLER不超過1%，MUSA采用長度為4、8、16的復(fù)數(shù)擴展序列分別可以實現(xiàn)225%、300%、350%的用戶過載，這意味著MUSA相對于正交接入系統(tǒng)可以在BLER=1%的工作點上支持更多的用戶在相同的時頻資源上共享接入。

圖3 MUSA在AWGN信道、1Tx1Rx、不同序列長度時的用戶過載性能

MUSA還可以通過結(jié)合OFDMA來實現(xiàn)多個接入用戶在相同的時頻資源上共享接入。圖4給出了MUSA在ITUUMa信道、1Tx2Rx天線配置、不同SNR分布時的用戶過載性能。其中，各個用戶使用相同的6 個PRB，復(fù)數(shù)擴展序列長度為4，通過在發(fā)射端控制每個用戶的調(diào)制符號的SNR來驗證MUSA在不同SNR分布時的用戶過載性能（4種典型的SNR分布包括：各個用戶的SNR均為10dB、各個用戶的SNR均為20dB、各個用戶的SNR最大差值為6dB、各個用戶的SNR最大差值為12dB），接收機信道估計為基于LTE導頻的理想信道估計，其他仿真假設(shè)與上述AWGN信道下的仿真假設(shè)相同。從圖4的仿真結(jié)果可以看出，對于采用長度為4的復(fù)數(shù)擴展序列，接收機采用2個天線接收可以顯著提升MUSA的用戶過載性能，即使在各個用戶的SNR相同的情況下，MUSA也可以在平均BLER= 1%的工作點上支持450%左右的用戶過載，而當各個用戶的SNR不同時，MUSA可以實現(xiàn)500%甚至600%的用戶過載。

圖4 MUSA在ITUUMa信道、1TxRx、不同SNR分布時的用戶過載性能

4 結(jié)束語

本文首先分析了5G場景對多址接入技術(shù)的新需求，然后結(jié)合5G需求對比分析了正交與非正交多址接入方式，并從分析中啟發(fā)出設(shè)計思路。經(jīng)過前面的需求分析、理論啟發(fā)，本文進一步詳細介紹了面向5G IoT低成本海量連接的MUSA多用戶共享接入技術(shù)。

從分析和仿真結(jié)果可以看出，MUSA通過創(chuàng)新設(shè)計的復(fù)數(shù)域多元碼以及基于串行干擾消除（SIC）的先進多用戶檢測，相較于4G接入技術(shù)，可以讓系統(tǒng)在相同時頻資源下支持數(shù)倍用戶的接入，并且可以免除資源調(diào)度過程，簡化同步、功控等過程，從而能大大簡化終端的實現(xiàn)，降低終端的能耗，特別適合作為未來5G海量接入的解決方案。

參考文獻

1 3 GPP TS36.213.3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved-UniversalTerrestrialRadio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedures

2 David Tse and Pramod Viswanath.Fundamentals of Wireless Communication.Cambridge University Press.2005

Multi-User SharedAccess for 5G Wireless Networks

The future of the 5G wireless communication system,a huge number of connections(MMC,massive machine communication)is one of the most important scene.The use of low cost,low power consumption to achieve the terminal mass connection is a major challenge faced is the key.This paper presents a new non orthogonal access scheme:multi user shared access(MUSA,multi-user shared access).MUSA is a complex domain relatively short code(sequence)based on multiple non orthogonal multiple access scheme,can work efficiently in the"upstream access mode free scheduling", and other processes can further simplify the uplink access,especially suitable for low cost,low power consumption to achieve massive connection.

massive machine communication(MMC),non-orthogonal multiple access(NOMA),multi-user shared access (MUSA),grant-freeaccess

2015-05-06）