面向mMIMO系統的模式分割隨機接入方案

戴曉明，龐立卓，常爭，張馨月，邢怡然，王曦元

專題：6G無線傳輸技術

面向mMIMO系統的模式分割隨機接入方案

戴曉明1，龐立卓1，常爭1，張馨月1，邢怡然1，王曦元2

（1. 北京科技大學計算機與通信工程學院，北京 100083；2. 北京信息科技大學信息與通信工程學院，北京 100083）

為提升海量機器類通信（massive machine-type communication，mMTC）設備的隨機接入（random access，RA）性能，提出一種面向大規模多輸入多輸出（massive multiple-input multiple-output，mMIMO）系統的模式分割隨機接入（pattern division random access，PDRA）方案。該方案將導頻競爭空間擴展到模式域，通過疊加同一ZC（Zadoff-Chu）根序列的個不同循環移位序列，設計基于“圖樣疊加”的模式域導頻，在不增加物理資源的前提下擴大導頻集合。仿真結果表明，在不影響信道估計和數據檢測性能的前提下，與傳統RA方案相比，PDRA方案能夠顯著降低導頻碰撞概率，提高接入成功率。

海量機器類通信；多輸入多輸出；隨機接入；模式分割隨機接入；模式域

0 引言

物聯網（Internet of things，IoT）技術可實現任意時間、任意地點、任意對象的“萬物互聯”，機器類通信（machine-type communication，MTC）作為IoT的關鍵技術之一，可實現設備間的自主通信[1-2]，受到學術界和工業界的廣泛關注。海量機器類通信（massive machine-type communication，mMTC）主要應用在智慧城市、智能家居、智慧工業、智慧農業、環境監測等連接需求大的IoT業務上。與連接用戶少、傳輸數據量大、傳輸速率要求高的人與人（human to human，H2H）通信不同，mMTC業務場景主要具有以下特點。

●高連接數密度。根據第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）標準，mMTC場景應支持的連接數密度為100萬設備/km2[3]，甚至1 000萬設備/km2。

●短數據包業務。國際電信聯盟（International Telecommunications Union，ITU）認為mMTC場景下的數據包通常比較短，一般不超過1 000 byte。

●零星式設備激活具有較強的偶發性和稀疏性[4]。

●終端設備低成本、低功耗。3GPP要求終端設備的電池壽命應達到10年以上[4]。

●多樣化、差異化的業務類型。mMTC應用的多樣性使其對底層通信要求更高。

目前，mMTC場景的各類新需求和新挑戰給現有網絡架構帶來諸多問題，特別地，對于mMTC場景高達千萬的空閑用戶、上萬的同時活躍用戶、短分組數據發送以及低能耗限制的業務特征，傳統隨機接入（random access，RA）面臨著巨大挑戰。RA是用戶設備與網絡建立連接的關鍵過程，長期演進（long term evolution，LTE）技術標準中，RA采用基于授權的隨機接入（grant-based random access，GBRA）方案，需要在基站（base station，BS）和用戶設備（user equipment，UE）間通過4次握手進行信令交互以完成接入，而復雜的交互過程會引入較大的時延。在mMTC場景中，RA資源有限，大量MTC設備同時向BS進行RA嘗試會造成物理隨機接入信道（physical random access channel，PRACH）擁塞[5]和嚴重的導頻碰撞問題，進而使各類接入指標嚴重退化，如設備接入時延增加、數據包丟失甚至網絡癱瘓。因此，有限的導頻資源嚴重制約了傳統LTE標準中GBRA方法的接入能力。

針對RA資源稀缺問題，業界提出了多種改善方案[6-9]。在過載控制方面，3GPP提出了接入等級限制（access class barring，ACB）方案[6]，該方案通過系統消息2（system information block 2，SIB2）向所有MTC設備廣播ACB參數，BS可以臨時限制優先級較低的設備接入或根據負載量動態調整限制因子降低設備接入PRACH的概率，以控制MTC設備數量，避免網絡過載[7]。在導頻資源擴展方面，文獻[8]提出基于碼擴展的RA方案，該方案中每個設備跨越多個連續隨機接入時隙并傳輸多個前導序列。文獻[9]進一步推導了基于碼擴展的RA方案的單次接入成功概率，分析得到在有效擴展前導序列資源池之后，制約基于碼擴展的RA機制的接入成功率的關鍵因素不再是前導序列資源池規模，而是BS可分配物理上行共享信道（physical uplink shared channel，PUSCH）個數。此外，在碰撞解決方面，文獻[10]將連接請求消息中包含的參考導頻信號正交化，采用多天線技術對多個請求消息進行解調，但正交參考導頻有限，不適用于碰撞數量過多的情況。文獻[11]提出了部署緩存器發生緩存碰撞的連接請求信息，采取子幀間串行干擾消除（successive interference cancellation，SIC）解調，但其也僅適用于導頻碰撞較少的情況。雖然傳統GBRA可采用過載控制、碰撞解決等新機制進行改良，但這些增強型GBRA方法往往引入了復雜的信令交互過程，不適用于mMTC RA場景。因此，亟須突破LTE框架下的GBRA模式，設計適用于mMTC場景下的新型大規模RA方案。

大規模多輸入多輸出（massive multiple-input multiple-output，mMIMO）技術作為支持下一代無線通信數據高吞吐量的關鍵技術之一，通過在BS處部署大量天線可以提供足夠的空間自由度，以支持海量設備連接，同時提高空間分集增益，適用于mMTC場景。文獻[12-14]利用mMIMO系統的空間自由度支持mMTC設備的接入，提出免授權隨機接入（grant-free random access，GFRA）方案，與GBRA相比，GFRA免去了復雜的初始握手協議，無須經過BS授權，即可直接在相同的時頻資源塊上進行數據傳輸。文獻[15-17]折中了GBRA和GFRA兩種方案，提出半免授權隨機接入（semi-grant-free random access，SGFRA）方案，利用非正交技術輔助大規模隨機接入，如功率域非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）、稀疏碼分多址接入（sparse code multiple access，SCMA）、圖樣分割多址接入（pattern division multiple access，PDMA）以及多用戶共享接入（multi-user shared access，MUSA）等隨機多址接入方法，使基于GBRA的用戶保留的信道可以由基于GFRA的用戶共享，同時提高連通性和頻譜效率，但其相較于GFRA有額外的控制開銷。文獻[18]提出隨機多址碼的概念，即全網用戶統一碼本并不區分用戶標識，分析大規模隨機接入的系統性能上界，即Polyanskiy界。

1 系統模型

圖1 GFRA兩階段傳輸結構

2 模式分割隨機接入

2.1 ZC序列導頻構造

ZC序列是一種恒包絡零自相關（constant amplitude zero auto-correlation，CAZAC）序列，定義為：

2.2 模式域導頻構造

2.3 PDRA成功概率分析

圖2 導頻集合圖解

證畢。

其中，第二個等號右側第二項對應選擇了不同根序列的UE，第三項對應選擇了相同根序列的UE，由于無碰撞情況下同一根序列的模式導頻之間正交，式（16）可以進一步表示為：

基于MF接收機，結合式（2）可得到UE1的數據符號。

UE1的SINR表示為：

將式（17）代入式（19）得：

其中，推導過程中不包含的部分在趨于無窮時被忽略。

3 仿真結果

圖3 蜂窩小區

表1 蜂窩小區內隨機接入仿真參數

圖4 PMF仿真值與理論值隨根序列數變化曲線（NSS=32，=5 dB，PA=0.15%）

圖5 空間不相關瑞利衰落信道下的PMF隨根序列數變化曲線（M=256，=4 dB，PA=0.1%）

圖6 空間不相關瑞利衰落信道下的PMF隨根序列數變化曲線（M=256，=4 dB，PA=0.15%）

圖7 PS隨激活用戶數變化曲線（NSS=32）

圖8 空間相關瑞利衰落信道下的PMF曲線（=0.6，=4 dB，PA=0.15%）

圖9 空間相關瑞利衰落信道下的PMF曲線（,, PA=0.15%）

4 結束語

[1] ERICSSON L. More than 50 billion connected devices[R]. 2011.

[2] HU R Q, QIAN Y, CHEN H H, et al. Recent progress in machine-to-machine communications[Guest editorial][J]. IEEE Communications Magazine, 2011, 49(4): 24-26.

[3] 3GPP. Considerations and evaluation results for IMT-2020 for mMTC connection density: R1-1903968[S]. 2019.

[4] 3GPP. IMT 2020 self evaluation: mMTC coverage, data rate, latency & battery life: R1-1905187[S]. 2019.

[5] WANG Z H, WONG V W S. Optimal access class barring for stationary machine type communication devices with timing advance information[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2015, 14(10): 5374-5387.

[6] 3GPP. Study on RAN improvements for machine-type communications: TR 37.868[S]. 2011.

[7] LIN T M, LEE C H, CHENG J P, et al. PRADA: prioritized random access with dynamic access barring for MTC in 3GPP LTE-A networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2014, 63(5): 2467-2472.

[8] PRATAS N K, THOMSEN H, STEFANOVI? ?, et al. Code-expanded random access for machine-type communications[C]//Proceedings of 2012 IEEE Globecom Workshops. Piscataway: IEEE Press, 2012: 1681-1686.

[9] VURAL S, WANG N, FOSTER G, et al. Success probability of multiple-preamble-based single-attempt random access to mobile networks[J]. IEEE Communications Letters, 2017, 21(8): 1755-1758.

[10] KIM T, JUNG B C, SUNG D K. An enhanced random access with distributed pilot orthogonalization for cellular IoT networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2020, 69(1): 1152-1156.

[11] KIM T, JUNG B C. An enhanced random access with inter-frame successive interference cancellation for stationary cellular IoT networks[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2020, 9(5): 606-610.

[12] DING J, QU D M, JIANG H, et al. Success probability of grant-free random access with massive MIMO[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2019, 6(1): 506-516.

[13] LIU L, YU W. Massive connectivity with massive MIMO—part I: device activity detection and channel estimation[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2018, 66(11): 2933-2946.

[14] SENEL K, LARSSON E G. Grant-free massive MTC-enabled massive MIMO: a compressive sensing approach[J]. IEEE Transactions on Communications, 2018, 66(12): 6164-6175.

[15] DING Z G, SCHOBER R, FAN P Z, et al. Simple semi-grant-free transmission strategies assisted by non-orthogonal multiple access[J]. IEEE Transactions on Communications, 2019, 67(6): 4464-4478.

[16] TANG W W, KANG S L, REN B, et al. Uplink grant-free pattern division multiple access (GF-PDMA) for 5G radio access[J]. China Communications, 2018, 15(4): 153-163.

[17] YUAN Z F, YAN C L, YUAN Y F, et al. Blind multiple user detection for grant-free MUSA without reference signal[C]//Proceedings of 2017 IEEE 86th Vehicular Technology Conference. Piscataway: IEEE Press, 2017: 1-5.

[18] POLYANSKIY Y. A perspective on massive random-access[C]// Proceedings of 2017 IEEE International Symposium on Information Theory. Piscataway: IEEE Press, 2017: 2523-2527.

[19] 3GPP. Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); medium access control (MAC) protocol specification: TS 36.321[S]. 2009.

[20] 3GPP. Technical specification group radio access network, NR, physical layer procedures: TS 36.213[S]. 2017.

[21] SESIA S, TOUFIK I, BAKER M. LTE – the UMTS long term evolution[M]. Hoboken: Wiley, 2011.

[22] 3GPP. Spatial channel model for multiple input multiple output (MIMO) simulations (release 13): TR 25.996[S]. 2019.

Pattern division random access (PDRA) scheme for mMIMO systems

DAI Xiaoming1, PANG Lizhuo1, CHANG Zheng1, ZHANG Xinyue1, XING Yiran1, WANG Xiyuan2

1. School of Computer and Communication Engineering, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China 2. School of Information and Communication Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100083, China

To enhance the massive machine-type communications (mMTC) random access (RA) performance, a pattern division random access (PDRA) scheme was proposed for massive multiple-input multiple-output (mMIMO) systems. In this scheme, the pilot contention space was expanded to the pattern-domain. To enlarge the size of contention space without resorting to increasing the physical resources, the pattern-domain pilot was constructed based on the superposition ofcyclically-shifted Zadoff-Chu (ZC) sequences. Simulation results illustrate that the PDRA scheme can reduce pilot collision probability significantly, and improve the access success probability compared with the conventional RA scheme, without compromising excessively on channel estimation and data detection performance.

mMTC, MIMO, random access, pattern division random access, pattern-domain

TN92

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022277

2022?08?22；

2022?10?14

國家自然科學基金資助項目（No.61871029）

The National Natural Science Foundation of China (No.61871029)

戴曉明（1973? ），男，博士，北京科技大學教授、博士生導師，主要研究方向為寬帶無線通信、5G+/6G、人工智能、NOMA及大數據處理等。

龐立卓（2000? ），女，北京科技大學碩士生，主要研究方向為大規模多輸入多輸出系統、隨機接入。

常爭（2001? ），男，北京科技大學碩士生，主要研究方向為非正交多址接入。

張馨月（1999? ），女，北京科技大學碩士生，主要研究方向為隨機接入、非正交多址接入。

邢怡然（1999? ），女，北京科技大學碩士生，主要研究方向為大規模多輸入多輸出系統、信號檢測與估計。

王曦元（1981? ），男，博士，北京信息科技大學副教授，主要研究方向為無線通信、信息論和信號處理。