類有線的無線接入

尹華銳+陳曉輝+衛國

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2017） 03-0002-004

摘要：提出了針對海量連接的、免調度和免資源分配的、類有線化的無線接入及資源共享方案。該方案為每一個參與傳輸的無線終端分配虛擬專用傳輸信道，終端按需在該虛擬傳輸信道進行數據傳輸。基于該方案的無線傳輸和有線傳輸僅僅在物理層使用不同介質進行，在此之上的各層可實現協議的統一化，有效降低無線傳輸的信令開銷和相應的時延，降低無線傳輸的協議復雜度。

關鍵詞：無線通信；海量連接；多址接入；虛擬專用信道

In the paper， a novel wired-like strategy for wireless massive connection without scheduling and resource allocation procedure is proposed. The methods allocates a virtual dedicated channel for each terminal， and the terminal can transmit the data packets via its dedicated channel when necessary. The only difference between wired network and wired-like wireless network is transmission media， the protocol of these two class of network can be unified for other layers. Such technique can help us to reduce the signaling cost， transmission latency and the complexity of protocol implementation.

wireless communications； massive connection； multiple access； virtual dedicated channel

1 有線網絡接入及資源

共享機制

介質訪問控制（MAC）機制要解決的基本問題是協調多個用戶爭用唯一的資源。在各類現場總線發展的歷程中，形成了一些有益的訪問控制思路，這些思路不僅可以解決總線中的訪問控制等相關的一系列問題，也極大地影響了現代網絡的MAC協議設計[1]。

基于現場總線發展而來的MAC的一些主要技術思想包括以下幾種：輪詢，主節點定期詢問各從節點并決定哪個從節點可以享有傳輸鏈路；仲裁，某個特殊節點決定其他節點的權限；時分復用；令牌；載波偵聽（CSMA）等。

有線網絡與總線中的訪問控制類似，所有的節點共享傳輸介質。如何保證傳輸介質有序、高效地為許多節點提供傳輸服務，就是有線網絡的MAC協議要解決的問題。無論在何種有線網絡中，MAC協議都規定了共用信道的使用產生競爭時，分配信道使用權的規則。這些MAC包括早期的ALOHA協議（包含純ALOHA和Slotted ALOHA）[2-4]，令牌環網以及CSMA協議族等。

近年來基于以太網的局域網交換技術發展迅猛，逐步形成了星型、即插即用的主流有線網絡標準架設方案，如圖1所示，即某臺計算機終端等有線終端獨占交換機某特定端口及其對應的傳輸介質，雖然協議上仍然兼容原有的基于CSMA基礎上的以太網資源共享機制，但是端口鏈路資源被某終端獨占的方式逐步成為主要的資源利用方式[5-6]。

有線網絡傳輸能力取決于中心節點的所能提供的通道數（即中心控制器端口數目和數據緩存器大小）。有線網絡支持終端數不受限于傳輸通道容量限制，主要取決于中心控制器的端口數目；傳輸能力取決于控制器數據緩存大小。主流的觀點認為：現有的基于交換機為中心的有線網絡無需復雜的資源調度即可正常使用（不排除通過流量控制等資源調度控制手段）。事實上，在圖1所示結構下，有線網絡的傳輸資源分配可視為對交換機端口的事前分配，按照某個規劃技術方案（資源調度為可修改）為某個（批）終端建立一個專有物理通道，該通道一旦建立即該網線對應的單個（若干）終端固定擁有。網線安裝是有線網絡的主要資源調度方式，輔助的資源管理調度也是管理員發起的對端口的流速（流量）等相關手段。

2 無線接入與資源共享方式

無線網絡的特殊性在于信息承載信號具有廣播和疊加特性，即任何終端輻射的無線信號總是以某種線性組合的方式出現在基站天線。如果我們將空間看成一個共享信道，則無線網絡相當于所有參與信息傳輸的終端以某種方式（競爭、分配等）共享該公共傳輸信道。這個特性為網絡的擴展帶來了顯而易見的好處：自由空間的廣播性和疊加性為終端接入帶來便利性，任何被基站（AP）信號覆蓋的終端（節點）均可得到網絡覆蓋，不再受物理媒質嚴格約束和交換機端口的限制。

另一方面，有線網絡地址區分是通過交換機（路由器）端口進行區分，網絡對傳輸資源的控制主要通過交換機或者路由器的緩存管理來實現。無線通信與此不同，核心因素在于空口資源受限，鏈路地址區分和資源調度必須在物理層實現。

與每個局域網交換機管理有限個（通常從幾個到幾十個）端口不同，一個無線網絡的中心控制器服務的終端數目變化巨大，既有服務數十個終端的WiFi，也有服務上萬個傳感器物聯網（IoT）。無線傳輸服務節點的大跨度業務需求廣泛存在；共享信道下大量數據傳輸鏈路的資源管理和協調問題一直都是無線網絡的核心問題。

無線網絡主要有兩大陣營：一類面向短距離覆蓋；一類面向廣域覆蓋。前者的典型代表是WiFi，后者的典型代表是2G/3G/4G移動通信網絡。前者以CSMA方式實現資源的競爭和調配；后者多采用終端（節點）通過競爭接入信道向基站申請傳輸資源的方式實現資源的使用權，技術上不同的AP的調度下使用包含但不限諸如時分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）、碼分多址（CDMA）、正交頻分多址（OFDMA）和空分復用（SDMA）等正交接入技術；另外，面向短距覆蓋的無線個人局域網（WPAN）等也有采用資源申請-分配方式。面向廣域覆蓋的移動網絡數據傳輸過程用圖2所示，其中粗虛線上方為終端接入網絡的過程。接入過程一般有以下幾個步驟：

（1）終端（節點）進入AP服務區，并且獲取AP有關本服務區的一些相關參數；

（2）終端提交接入申請，AP根據終端的相關資料統一接入。

粗虛線下方描述的是數據傳輸過程，一般有以下幾個步驟（終端進入等待狀態，當有數據需要傳輸時進入下一個狀態，否則停留在該狀態）：

（1）終端有數據需要傳送時，首先競爭隨機接入信道；

（2）隨機接入信道競爭成功則請求AP分配傳輸資源，否則繼續參與隨機接入信道競爭；

（3）基站根據當前可供調配的資源和資源請求情況，按照某種準則進行資源分配，在基于TDMA、FDMA、CDMA以及OFDMA等正交資源分配的系統中，AP通過本地維護互斥的資源調度策略保證不同鏈路之間至少在一個維度上保持正交；

（4）終端（節點）根據分配的資源進行數據傳輸；

（5）傳輸完畢釋放鏈路資源，AP收回傳輸資源。

從上述過程中，我們可以看出：1個消息的傳送需要經歷4次交互，對于現有的智能終端大量存在的即時通信業務以及未來5G面臨的IoT節點來說，小數據包業務雖然占據上行數據總流量比例不高，但是其高的系統開銷使得小報數據業務成為無線通信上行鏈路資源的重要占用者；對于低時延約束業務，多個超幀級別的信令時延交互成為傳輸時延的重要貢獻因素。當前在窄帶物聯網（NB-IoT）技術方案中有提出縮短超幀時間來減小數據傳輸時間；但是若干倍超幀時間長度的時延和數倍于傳輸數據的傳輸鏈路資源管理和調度開銷并沒有因此而減少。

從上述分析可以看出：基于競爭-分配-傳輸-釋放的方式不僅引入了大量的信令開銷，同時也引入了消息傳輸的時延。因而探尋合適的方法來改變這種現象顯得日益重要。借鑒有線網絡的發展，最初多個終端利用某種協議（競爭、分配）共享傳輸介質傳輸，后來逐步轉變到終端獨占交換機端口的方式，這種轉變簡化了網絡協議，提高了網絡傳輸效率。若在無線網絡中實施類似的設計則會帶來兩個問題：

（1）能否為無線網絡的每個終端固定分配一根虛擬網線，其資源為該終端獨占，后續使用無需資源協調和調配？

（2）采用這樣的資源協調和管理方式會對無線網絡相應技術提出哪些要求，能否有解決的可能性？

近年來非正交的多址方法研究逐步進入學術圈和工業界的視野，其理論基礎在于C.E.Shannon的認識：在利用恰當的信道編碼的前提下，當鏈路的等效信號與干擾加噪聲比（SINR）大于某個門限時即可以接近1的概率實現正確數據傳送。這個結論告訴我們如果可以恰當控制各個鏈路之間的干擾水平，可實現若干鏈路的并發傳輸。基于該假設，相對于正交傳輸，非正交多址方式可同時容納的鏈路數目將遠遠多于正交多址方式所能支持的鏈路數目。

非正交多址接入（NOMA）的主要思想是不同終端（節點）之間發送信號不再要求正交，而是利用特定的策略保證不同鏈路間的干擾低于某個門限。接收端利用干擾消除的方式實現對不同鏈路的數據解調。當前學術界和產業界關注的幾個主要非正交多址方式有：基于功率域拓展的NOMA[7]技術、基于碼域的稀疏碼分多址（SCMA）技術，以及多用戶共享接入（MUSA）技術等。

NOMA技術的核心思想是控制不同數據鏈路的發送功率，不同鏈路的信號在接收端形成功率分層。接收端利用串行干擾消除（SIC）實現對不同分層的信號逐次解調和干擾消除。該方案主要應用在下行多址技術方案中。基于功率域的多址方式可以擴展較多的鏈路資源，但是基于功率分層的NOMA方案在無線傳輸上行鏈路應用面臨一定的技術困難，困難在于實現功率分層需要鏈路增益作為輸入參數，在此基礎上控制各終端（節點）的發送功率使得接收端形成功率梯度，這就意味著系統需要付出較多的信令開銷；另外，上行鏈路的用戶調度也需要大量的信令參與才可以完成，因此該技術方案是否能夠得到應用產業界和學術界尚處于討論和觀望之中。另一方面由于使用NOMA技術方案，利用不同鏈路的功率差別進行串行干擾消除，隨著期望并發鏈路數目的增加，功率效率將快速下降，這就意味著如果需要支持的獨占鏈路數目上升將會引起終端發送功率的急劇增加，最終可實現的虛擬獨占鏈路數目將會受到很大的限制。

SCMA[8]將同一個用戶的發送數據映射到多個子載波上，不同用戶在同一個子載波上的映射采用不同的星座圖旋轉的方式實現，接收端則利用了置信度傳播的方法。MUSA[9]的技術特點是充分利用了遠、近用戶的發射功率差異，在發射端使用非正交復數擴頻序列對數據進行調制，并在接收端使用連續干擾消除算法濾除干擾，恢復每個用戶的數據。SCMA允許多個用戶復用相同的空口自由度，可以顯著地提升系統的資源復用能力。

盡管上述兩類多址方式在一定程度上拓展了無線網絡中可同時傳輸的鏈路數目，但是考慮到實際情況，真正可支持的獨立鏈路數目并不多，無法解決無線傳輸中的資源使用協調問題。理論上，SCMA和MUSA可以利用競爭的方式實現無調度傳輸，但是由于可供選擇的碼本嚴重不足制約了上述擴展能力，隨著參與傳輸的用戶數目越來越多，競爭沖突會使性能急劇下滑。

3 類有線的無線傳輸方法

在5G標準化研究過程中，研究者們明確提出了未來5G網絡的特性，包括每平方公里106個活躍連接用戶，延遲不超過100 ms等。傳統的基于競爭或調度的資源使用方式無法滿足上述需求，因此我們提出一種類有線的資源共享方式基礎上的無線接入方式。相應的傳輸過程由圖3給出，具體的流程描述如下。

（1）終端（節點）進入AP服務區，獲取有關服務區的相關參數；

（2）終端提交接入申請，AP根據終端的相關資料統一接入并分配一條專屬于該終端（節點）；

（3）終端（節點）進行相關的數據傳輸。

上述無線接入和傳輸方法的核心思想在于：終端申請接入時，AP為該終端分配一條專屬于該終端的傳輸鏈路，該虛擬專用鏈路在終端停留在AP覆蓋范圍內保持不變。如圖3 所示，此時基站和終端之間的資源分配完成（橫向點劃分割線上方），從網絡接口看相當于基站為每個無線終端預留一個虛擬的專用無線信道，終端（節點）需要發送數據時，無需與AP進行有關資源分配的交互，直接利用虛擬獨占傳輸鏈路進行數據傳輸。圖4 給出類有線的無線網絡結構，注意每用戶對應的專用通道實際上是虛擬產生的，我們利用虛線表示該專有鏈路。所有終端獲得虛擬專有通道的類有線的無線傳輸對網絡傳輸性能有著重要的意義：

（1）一旦接入，連接永遠保持；

（2）無需調度即時傳輸，只要在不超過總吞吐量的前提下，任意用戶的組合均可采用類似于有線網絡的資源使用方式實現數據傳輸；

（3）上層協議實現無線傳輸和有線傳輸的統一，降低了協議維護和開發復雜度。

4 類有線的無線接入和

資源共享方式存在的

技術問題和進展

類有線的無線接入和資源使用方式有著誘人的前景，但是也將面對諸多挑戰。

（1）支持海量連接的虛擬專有鏈路設計。

如何為覆蓋范圍內的海量終端提供足夠多的虛擬專有鏈路是類有線接入方法面臨的首要問題。基于功率域NOMA和基于碼域的MUSA、SCMA等非正交多址方式一定程度上拓展了無線網絡可同時支持的虛擬專有鏈路數目；但可供選擇的碼本嚴重不足，尚不足以支撐為每個終端（節點）建立一個虛擬專用鏈路。

我們針對支撐海量終端虛擬專用鏈路的可能性開展研究，提出了一種利用預編碼實現的上行小數據包免調度傳輸方法——SpMA[10]。該傳輸方案和現有的基于符號級的預編碼方式不同：包括CDMA、SCMA、MUSA在內的碼域多址傳輸方案中，同一用戶的不同符號會以較快的重復周期重復使用一個碼本以對不同符號進行調制，SpMA方案中每個發送符號使用不同的預編碼碼本以將每個傳輸符號均隨機擴展到整個時頻資源空間，進一步利用AP域終端（節點）之間的信道響應實現對空域資源的利用。該方案優勢在于：預編碼碼本可將任意的隨機序列作為預編碼碼本，每個終端（節點）注冊網絡后即得到與預編碼碼本相對應的虛擬專有鏈路。我們在理論上已經證明只要同時參與傳輸的用戶量不超過一個門限，所有參與傳輸的鏈路接收性能和單用戶傳輸性能相比損失可小于1 dB。特別地，我們進一步聯合功率域、碼域，人為控制和利用遠近效應引起的功率分層，實現了對海量用戶的虛擬專用鏈路的支持。數值仿真和理論分析都顯示：該方案在基站天線數M=8，時頻符號數T的前提下，可以為超過上萬個終端（節點）提供專屬于每個終端的虛擬鏈路；傳輸能力上，在數據符號數d滿足T=8d，相對于正交傳輸存在2 dB信噪比損失的前提下，可支持的并發連接數可超過80。

（2）信道估計。

無線網絡和有線網絡的區別還體現在信道響應隨時間和空間的變化特性。有線網絡電磁波傳輸信道響應相對固定，隨時間、空間發生改變極小，不同鏈路之間的信道差異通過鏈路速度自適應技術和信道均衡技術可獲得近乎完美的解決；無線網絡中接收信號不僅僅取決于發送信號，還取決于隨時間和空間變化的信道響應。在類有線方式的無線傳輸中，作為發送方的終端和接收方的基站對各虛擬專有鏈路信道響應處于未知狀態，信道估計需要面臨的問題一是如何在沒有先驗知識的前提下快速尋找出發送數據用戶的集合；二是在可能參與傳輸的終端（節點）為小區內全部注冊用戶的情況下，需要進行信道估計的用戶集合龐大，數目上遠遠超過天線數目。這也是類有線的無線接入和資源使用方式中必須要解決的一個問題。我們的初步研究表明：通過選擇恰當的幀結構和參數，信道估計問題可以在一定程度上得到解決。仿真結果顯示：使用了信道估計進行接收和準確知道信道狀態信息進行接收，其性能差別不到1 dB。我們認為這個結果工程實踐上可以接受的。

（3）載波同步和時鐘恢復。

有線網絡主要采用光纖和雙絞線作為信號傳輸媒質，數據承載波形多采用數字基帶波形。無線網絡因為天線輻射效率的原因，多利用載波信號傳遞數據。為了保證信號的有效接收，必須進行載波同步。理論上終端（節點）可以利用AP的Pilot信號與AP的載波同步，進而使所有參與傳輸的終端（節點）保持載波同步，但是任何載波恢復算法或者載波跟蹤同步環路都不能保證終端（節點）和AP之間保持載波的完全同步，這導致多個發送終端（節點）上行數據傳輸的載波產生偏差，系統留給終端（節點）和AP導頻進行同步的資源受限。需要注意的是：終端（節點）之間的本振獨立，載波偏差彼此不同，載波偏差會使得干擾消除，這使得傳統的載波跟蹤和同步算法都不再適用，如何解決本問題是實現無線傳輸有線化的關鍵；另一方面，由于各終端（節點）距離AP距離各不相同，因此無線信號到達接收端的時延差各不相同。如何設計恰當的信號格式或找到合適的解調算法以適應不同到達時延差的信號疊加后的解調接收，目前尚沒有針對性的研究工作公開，這將是未來該領域研究的重要問題之一。

應當指出：上述方法僅僅是基于簡單建模下的初步理論分析。模型中并未考慮臨近小區的干擾問題以及網絡同步問題，從實現上也沒有考慮到算法復雜度的問題。距離真正使用還需要做更深入的分析和優化。我們相信通過進一步的深入工作，類有線的無線接入和資源使用方式可以走向實用。

5 結束語

隨著非正交多址相關研究的逐步深入，特別是支撐海量連接的虛擬化專有鏈路的技術的出現，使用類有線的無線接入和資源利用方式成為可能。我們相信這種嘗試必然將簡化無線接入和資源使用協議上的改變，極大地提高資源使用效率，降低傳輸時延。這將是未來值得關注的一個研究方向。

參考文獻

[1] 徐應躍， 吳愛國. 現場總線MAC層分析[J]. 化工自動化及儀表， 2001， 28 （2）：4-7

[2] ABRAMSON N. THE ALOHA SYSTEM： Another Alternative for Computer Communications[C]// AFIPS '70 （Fall） Proceedings of the November 17-19， 1970， fall joint computer conference. USA： ACM， 1970： 281-285. DOI： 10.1145/1478462.1478502

[3] KLEINROCK L， TOBAGI F. Packet Switching in Radio Channels： Part I - Carrier Sense Multiple-Access Modes and Their Throughput-Delay Characteristics[J]. IEEE Transactions on Communications， 1975， 23（12）：1400-1416.DOI： 10.1109/TCOM.1975.1092768

[4] TOBAGI F， KLEINROCK L. Packet Switching in Radio Channels： Part III - Polling and （Dynamic） Split-Channel Reservation Multiple Access[J]. IEEE Transactions on Communications， 1976， 24（8）：832-84. DOI： 10.1109/TCOM.1976.1093393

[5] 王達. 深入理解計算機網絡[M]. 北京： 機械工業出版社， 2013

[6] TANENBAUM A S， WETHERALL D J. Computer Networks[M]： 5th Edition. USA： Prentice Hall， 2011

[7] SAITO Y ，KISHIYAMA Y ， BENJEBBOUR A ， et al. Non-Orthogonal Multiple Access （NOMA） for Cellular Future Radio Access[C]//Vehicular Technology Conference （VTC Spring）， 2013 IEEE 77th. USA ： IEEE， 2013：2-5

[8] NIKOPOUR H， BALIG H. Sparse Code Multiple Access[C]//Personal Indoor and Mobile Radio Conference 2013.USA： IEEE， 2013： 332-336

[9] 袁志鋒，郁光輝，李衛敏. 面向5G的MUSA多用戶共享接入[J].電信網技術，2015， （5）： 28-30

[10] XIE R， YIN H ， CHEN X H， et al. Many Access for Small Packets Based on Precoding and Sparsity-Aware Recovery[J]. IEEE Transactions on Communications， 2016， 64（11）：4680-4694. DOI： 10.1109/TCOMM.2016.2605094