MUSA:面向5G IoT的免調(diào)度高過載接入方案

袁志鋒 中興通訊股份有限公司技術(shù)預(yù)研高級(jí)工程師

曹偉 中興通訊股份有限公司技術(shù)預(yù)研高級(jí)工程師

黃偉芳 中興通訊股份有限公司技術(shù)預(yù)研高級(jí)工程師

田力 中興通訊股份有限公司算法工程師

MUSA:面向5G IoT的免調(diào)度高過載接入方案

袁志鋒 中興通訊股份有限公司技術(shù)預(yù)研高級(jí)工程師

曹偉 中興通訊股份有限公司技術(shù)預(yù)研高級(jí)工程師

黃偉芳 中興通訊股份有限公司技術(shù)預(yù)研高級(jí)工程師

田力 中興通訊股份有限公司算法工程師

對(duì)面向5G物聯(lián)網(wǎng)的免調(diào)度高過載多址接入技術(shù)MUSA的原理和參加我國(guó)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第一階段測(cè)試情況進(jìn)行了介紹，并分析了免調(diào)度高過載多址接入技術(shù)的一些熱點(diǎn)問題。

5G；IoT物聯(lián)網(wǎng)；MUSA（Multi-User Shared Access）；非正交接入；免調(diào)度接入；高過載；復(fù)數(shù)域多元碼

1 引言

未來5G豐富的應(yīng)用場(chǎng)景經(jīng)過抽象分為兩大類，一類是移動(dòng)寬帶接入，還有一類是物與物連接進(jìn)而發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)（IoT，InternetofThings），其中IoT又分為兩大類，一類是低數(shù)據(jù)速率，但具有海量節(jié)點(diǎn)的海量機(jī)器類通信（mMTC）；另一類是超高可靠低時(shí)延連接場(chǎng)景（uRLLC）。

其中，5GmMTC場(chǎng)景中，終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量特別巨大：100萬Device/km2，勢(shì)必要求節(jié)點(diǎn)的成本很低，功耗很低。在海量節(jié)點(diǎn)、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(gè)要求的。主要體現(xiàn)為4G系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候主要針對(duì)的是高效的數(shù)據(jù)通信，是通過嚴(yán)格的接入流程和控制來達(dá)到這一目的的。如果非要在4G系統(tǒng)上承載上述場(chǎng)景，則勢(shì)必造成接入節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，信令開銷不能接受，節(jié)點(diǎn)成本居高不下，功耗，尤其是節(jié)點(diǎn)功耗不能數(shù)量級(jí)降低。因此有必要設(shè)計(jì)一種新的多址接入方式來滿足上述需求。

映射到技術(shù)層面上，非正交和免調(diào)度這兩項(xiàng)技術(shù)能很好地滿足上述需求。在低傳輸速率下非正交接入相對(duì)正交接入能有更高的節(jié)點(diǎn)“過載率”，相同頻譜下可以支持更多的接入；而免調(diào)度接入方式下，只有當(dāng)用戶需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才進(jìn)入激活狀態(tài)并發(fā)送數(shù)據(jù)，不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)即進(jìn)入休眠狀態(tài)，這樣能簡(jiǎn)化物理層設(shè)計(jì)和流程，節(jié)省信令開銷，降低節(jié)點(diǎn)功耗和成本。非正交和免調(diào)度結(jié)合在一起，可以很好的解決鏈接密度、信令開銷、終端復(fù)雜度以及功耗問題。最終低成本、低功耗、高譜效地實(shí)現(xiàn)5GmMTC。

另一方面，在5GuRLLC場(chǎng)景中，免調(diào)度接入能免去整個(gè)接入流程，是實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延接入的一個(gè)重要方向。其中，對(duì)于周期的uRLLC業(yè)務(wù)，傳統(tǒng)的基于半靜態(tài)周期性資源預(yù)留的正交接入方式（SPS）可以視為是一種高效的免動(dòng)態(tài)調(diào)度、低時(shí)延接入方式。與業(yè)務(wù)發(fā)生周期匹配的周期預(yù)留資源既可以保證高效的資源利用率；而各用戶獨(dú)占資源，沒有用戶間干擾，性能相對(duì)又有保證。當(dāng)然，要達(dá)到uRLLC的超高可靠需求，還往往需要結(jié)合其他提高可靠性的技術(shù)。

而對(duì)于事件觸發(fā)的uRLLC業(yè)務(wù)，傳統(tǒng)周期性預(yù)留的正交資源往往得不到充分利用：預(yù)留正交資源的周期越長(zhǎng)，預(yù)留資源利用率越高，但終端接入需要等待的平均時(shí)間越長(zhǎng)，越難保證超低時(shí)延需求；相反，預(yù)留正交資源的周期越短，終端接入需要等待的平均時(shí)間越短，越容易保證超低時(shí)延需求，但預(yù)留資源的空置率就會(huì)越高，利用率越低。為了提高周期預(yù)留資源的利用率，一個(gè)自然的方法是讓一份資源預(yù)留給多個(gè)具有事件觸發(fā)業(yè)務(wù)的用戶共享使用，這樣資源的空置率大為減少，但會(huì)面臨多個(gè)用戶在這份資源上同時(shí)接入，也即多個(gè)用戶間碰撞在一起的情況，這對(duì)可靠性是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。一種解決碰撞的辦法是：用戶數(shù)據(jù)是先通

過低互相關(guān)的擴(kuò)展碼擴(kuò)展，然后再共享資源，那即使碰撞在一起，也可以通過擴(kuò)展碼的低互相關(guān)性來保證多用戶檢測(cè)性能。當(dāng)然，用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過序列擴(kuò)展后必然需要占用更多的資源，準(zhǔn)確地說，擴(kuò)展序列L長(zhǎng)，為了容納擴(kuò)展后的信息，則面向擴(kuò)展的預(yù)留資源池子就要變大L倍。如果通過優(yōu)化的低互相關(guān)序列，用相對(duì)于不擴(kuò)展預(yù)留方式L倍的資源，可以支持相對(duì)于不擴(kuò)展預(yù)留方式的K×L倍的用戶，則可以說取得K倍過載率。也就是說預(yù)留的非正交碼域擴(kuò)展，有潛力在保證低時(shí)延接入的同時(shí)，還能數(shù)倍提高系統(tǒng)譜效，這對(duì)事件觸發(fā)的uRLLC業(yè)務(wù)是非常值得關(guān)注的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，接收機(jī)的時(shí)延和復(fù)雜度是面向uRLLC的非正交碼域擴(kuò)展的主要問題，下面結(jié)合MUSA的設(shè)計(jì)，會(huì)進(jìn)一步討論。

2 5G新多址標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

目前，新多址技術(shù)在3GPP5GNR標(biāo)準(zhǔn)中討論較為激烈，共有15種非正交多址接入候選方案。雖然方案很多，但這些方案都具有一些共性，例如在發(fā)射端都采用MA簽名（如擴(kuò)頻碼/擴(kuò)頻序列、交織器、低速率編碼器、前導(dǎo)/導(dǎo)頻等）來區(qū)分用戶，而在接收端通常采用先進(jìn)的多用戶檢測(cè)對(duì)疊加在同一時(shí)頻資源上的多用戶數(shù)據(jù)解調(diào)和譯碼。

針對(duì)多址技術(shù)的討論主要是面向mMTC場(chǎng)景，并強(qiáng)調(diào)海量連接下新多址技術(shù)需要支持免調(diào)度接入，從而降低開銷和接入延遲。對(duì)于免調(diào)度，標(biāo)準(zhǔn)中達(dá)成共識(shí)的有兩種選擇：

（1）UE可以自發(fā)地從資源池里隨機(jī)挑選使用，這里所說的資源包括時(shí)頻資源和MA簽名。

（2）UE所用的資源可以通過預(yù)先分配的方式由eNB指定，如半靜態(tài)調(diào)度等。對(duì)于免調(diào)度接入來說，資源碰撞是比較關(guān)鍵的問題，目前大多數(shù)非正交多址方案都只能暫時(shí)解決擴(kuò)頻碼/擴(kuò)頻序列/交織器的碰撞問題，而對(duì)于前導(dǎo)或?qū)ьl的碰撞還沒有合適的解決方案。

目前為止，在NR第一階段的討論中，大多數(shù)方案都進(jìn)行了鏈路級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的仿真評(píng)估，基于目前的仿真假設(shè)、評(píng)估場(chǎng)景和仿真結(jié)果，初步結(jié)論如下：

（1）在特定評(píng)估場(chǎng)景中，基于理想和實(shí)際信道估計(jì)的非正交方案在總鏈路吞吐率和過載能力方面的較正交方案有明顯增益。

（2）通過窄帶或重復(fù)的方式，一些非正交方案可以滿足NR的覆蓋要求。

（3）與基準(zhǔn)的免調(diào)度正交多址接入相比，免調(diào)度非正交多址方案（部分基于理想信道估計(jì)）可以提供較為明顯的系統(tǒng)容量增益，例如給定丟包率的情況下可以支持更高的包到達(dá)率。

此外，標(biāo)準(zhǔn)中通過了兩種推薦的物理層抽象方法，分別適用于ML類接收機(jī)和MMSE-SIC/PIC類接收機(jī)。

3 MUSA方案及測(cè)試結(jié)果

3.1 MUSA方案

MUSA是面向5G物聯(lián)網(wǎng)的新型多址技術(shù)。MUSA本質(zhì)是基于非正交碼域擴(kuò)展的接入技術(shù)，通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)的復(fù)數(shù)域多元碼以及基于串行干擾消除（SIC）的先進(jìn)多用戶檢測(cè)，相較于4G接入技術(shù)，可以讓系統(tǒng)在相同時(shí)頻資源下支持?jǐn)?shù)倍用戶的接入，并且可以支持真正的免調(diào)度接入，免除資源調(diào)度過程，并簡(jiǎn)化同步、功控等過程，從而能極大節(jié)省系統(tǒng)信令開銷，減少接入時(shí)延，簡(jiǎn)化終端的實(shí)現(xiàn)、降低終端的能耗，特別適合作為未來5G物聯(lián)網(wǎng)的解決方案。

MUSA原理框圖如圖1所示。首先，有數(shù)據(jù)接入需求的終端會(huì)從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到激活狀態(tài)，并使用易于SIC接收機(jī)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(hào)進(jìn)行擴(kuò)展；然后，各用戶擴(kuò)展后的符號(hào)可以在相同的時(shí)頻資源里發(fā)送。最后，接收側(cè)使用線性處理加上碼塊級(jí)SIC來分離各用戶的信息。

擴(kuò)展序列會(huì)直接影響碼域擴(kuò)展方案的性能和接收機(jī)復(fù)雜度，是碼域擴(kuò)展方案的關(guān)鍵。如果像傳統(tǒng)DS-CDMA（如IS-95標(biāo)準(zhǔn)）那樣使用很長(zhǎng)的偽隨機(jī)序列（PN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(gè)軟容量，即允許同時(shí)接入的用戶數(shù)量（也即序列數(shù)量）大于序列長(zhǎng)度，這時(shí)系統(tǒng)相當(dāng)于工作在過載的狀態(tài)。本文把同時(shí)接入的用戶數(shù)與序列長(zhǎng)度的比值稱為負(fù)載率，當(dāng)負(fù)載率大于1時(shí)通常稱為“過載”。

長(zhǎng)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5GmMTC這樣的系統(tǒng)需求下，系統(tǒng)過載率往往是比較大的，而在大過載率的情況下，采用長(zhǎng)PN序列所導(dǎo)致的SIC過程是非常復(fù)雜和冗長(zhǎng)的。在uRLLC場(chǎng)景，雖然過載率暫時(shí)沒有明確要求，但即使低

負(fù)載下，長(zhǎng)PN序列擴(kuò)展導(dǎo)致的接收機(jī)的復(fù)雜度和時(shí)延，也是uRLLC場(chǎng)景的一個(gè)主要矛盾。進(jìn)一步，發(fā)射側(cè)信息時(shí)頻展開太多，也增加終端發(fā)射的復(fù)雜度。

圖1 MUSA原理框圖

而如果短的序列，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，也能達(dá)到接近長(zhǎng)序列的高過載率的話，那從收/發(fā)復(fù)雜度考量，使用這樣的短序列更合適。

經(jīng)過仔細(xì)評(píng)估，傳統(tǒng)PN序列縮短后用戶過載率下降還是比較快的，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)PN序列是二元實(shí)序列，序列縮短后，隨機(jī)產(chǎn)生的序列集合的低互相關(guān)性難以保證。

MUSA使用復(fù)數(shù)域多元碼（序列）來作為擴(kuò)展序列，此類序列即使很短時(shí)，如長(zhǎng)度為8，甚至4時(shí)，也能保持相對(duì)較低的互相關(guān)。例如，其中一類MUSA復(fù)數(shù)擴(kuò)展序列，其序列中每一個(gè)復(fù)數(shù)的實(shí)部/虛部取值于一個(gè)多元實(shí)數(shù)集合。甚至一種非常簡(jiǎn)單的MUSA擴(kuò)展序列，其元素的實(shí)部/虛部取值于一個(gè)簡(jiǎn)單三元集合{-1,0, 1}，也能取得相當(dāng)優(yōu)秀的性能，該簡(jiǎn)單序列中元素相應(yīng)的星座圖如圖2所示。

正因?yàn)镸USA復(fù)數(shù)域多元碼的優(yōu)異特性，再結(jié)合先進(jìn)的SIC接收機(jī)，MUSA可以支持相當(dāng)多的用戶在相同的時(shí)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(jī)選取擴(kuò)展序列，然后將其調(diào)制符號(hào)擴(kuò)展到相同時(shí)頻資源的方式來實(shí)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(gè)接入用戶先通過資源申請(qǐng)、調(diào)度、確認(rèn)等復(fù)雜的控制過程才能接入。這個(gè)免調(diào)度過程在mMTC和uRLLC兩個(gè)場(chǎng)景都很重要，能極大降低系統(tǒng)的信令開銷、接入時(shí)延和實(shí)現(xiàn)難度。同時(shí)，MUSA可以放寬甚至免除嚴(yán)格的上行同步過程，只需要實(shí)施簡(jiǎn)單的下行同步。最后，存在遠(yuǎn)近效應(yīng)時(shí)，MUSA還能利用不同用戶到達(dá)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(yuǎn)近問題”轉(zhuǎn)化為“遠(yuǎn)近增益”，從另一角度看，這樣可以減輕甚至免除嚴(yán)格的閉環(huán)功控過程。所有這些優(yōu)良特性，都為實(shí)現(xiàn)mMTC和uRLLC提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 測(cè)試介紹

基于MUSA的特性，設(shè)計(jì)了兩個(gè)測(cè)試用例，分別測(cè)試了大連接能力和免調(diào)度性能，具體說明如表1所示。

測(cè)試配置為1個(gè)基站，16個(gè)UE，測(cè)試環(huán)境及測(cè)試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

3.3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試?yán)?：大連接能力測(cè)試

上行使用MUSA技術(shù)，測(cè)試中最多12個(gè)UE占用頻域180KHz帶寬，時(shí)域4ms傳輸了12個(gè)UE的數(shù)據(jù)，每個(gè)UE傳輸1個(gè)TB。此時(shí)12個(gè)UE分成3組，分別模擬遠(yuǎn)中近用戶組，

達(dá)到300%過載時(shí)，BLER＜1%。具體結(jié)果如表2所示。

圖2 三元復(fù)序列元素星座圖

表1 大連接能力和免調(diào)度性能

測(cè)試?yán)?：上行免調(diào)度性能測(cè)試

12UE隨機(jī)選擇擴(kuò)展碼，無碰撞，即12個(gè)UE各自選擇到不同的擴(kuò)展碼。1min統(tǒng)計(jì)平均數(shù)據(jù)如表3所示。

12UE隨機(jī)選擇擴(kuò)展碼，組間碰撞，即12個(gè)UE分成3組（每組4個(gè)，模擬正常部署中遠(yuǎn)中近效應(yīng)），不同組的多個(gè)用戶選擇到了相同的擴(kuò)展碼（用戶4、9為碰撞用戶）。1min統(tǒng)計(jì)平均數(shù)據(jù)如表4所示。

12UE隨機(jī)選擇擴(kuò)展碼，組內(nèi)碰撞，即12個(gè)UE分成3組（每組4個(gè)，模擬正常部署中遠(yuǎn)中近效應(yīng)），同1組內(nèi)的多個(gè)用戶選擇到了相同的擴(kuò)展碼（用戶1、2、5、10為碰撞用戶）。1min統(tǒng)計(jì)平均數(shù)據(jù)如表5所示。

如上結(jié)果所示，MUSA可以支持12UE的隨機(jī)換碼，換碼時(shí)可能出現(xiàn)如下3種情形：

表2 大連接能力測(cè)試

（1）無碰撞，即12個(gè)UE各自選擇到不同的擴(kuò)展碼，此時(shí)12個(gè)UE各項(xiàng)性能穩(wěn)定優(yōu)良。

圖3 測(cè)試環(huán)境及測(cè)試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

表3 上行免調(diào)度性能測(cè)試（1)

表4 上行免調(diào)度性能測(cè)試（2）

表5 上行免調(diào)度性能測(cè)試（3）

（2）組間碰撞，即12個(gè)UE分成3組（每組4個(gè)，模擬正常部署中遠(yuǎn)中近效應(yīng)），不同組的多個(gè)用戶選擇到了相同的擴(kuò)展碼。此時(shí)，MUSA充分利用了功率域的分集增益，SIC接收機(jī)仍能保證較好的BLER性能。

（3）組內(nèi)碰撞，即12個(gè)UE分成3組（每組4個(gè)，模擬正常部署中遠(yuǎn)中近效應(yīng)），同1組內(nèi)的多個(gè)用戶選擇到了相同的擴(kuò)展碼，此時(shí)碰撞用戶的性能會(huì)有所下降。由于MUSA復(fù)值擴(kuò)展碼數(shù)量較多，本項(xiàng)測(cè)試中使用了156個(gè)碼字資源池，發(fā)生組內(nèi)碰撞的概率很小，本子項(xiàng)測(cè)試為應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)專家要求演示極端情況。實(shí)際部署中即使發(fā)生組內(nèi)碰撞，通過重傳時(shí)再次隨機(jī)選碼即可有效解決，因而對(duì)系統(tǒng)的整體性能影響很小。

綜上所述，本測(cè)試項(xiàng)驗(yàn)證了MUSA的短復(fù)值擴(kuò)展碼能夠很好地支持大連接+免調(diào)度應(yīng)用場(chǎng)景。在隨機(jī)選碼發(fā)生組間碰撞時(shí)，利用功率域的分集增益仍能容忍此類碰撞，性能穩(wěn)定良好。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)正交多址對(duì)于5G物聯(lián)網(wǎng)的支持捉襟見肘，因而面向5G物聯(lián)網(wǎng)的新多址技術(shù)是目前5G標(biāo)準(zhǔn)化的熱點(diǎn)之一。MUSA通過低互相關(guān)的復(fù)數(shù)域多元碼以及基于串行干擾消除（SIC）的先進(jìn)多用戶檢測(cè)，可以支持真正的免調(diào)度高過載接入，特別適合作為未來5G物聯(lián)網(wǎng)的解決方案。

[1]3GPP TR 38.913 V0.3.0.Study on Scenarios and Requirements for Next GenerationAccess Technologies.R14.

[2]3GPP TS36.213.3rd Generation PartnershipProject;TechnicalSpecification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedures.Standardization Progress and Application Issues

for Transport SDN Networks.

[3]3GPP R1-164268.Grant-based and Grant-free Multiple Access for mMTC,ZTE,RAN1#85.

[4]3GPP Chairman Notes.RAN1#85,Nanjing,China,5,2016.

[5]3GPP Chairman Notes.RAN1#86,Gothenburg,Sweden,8, 2016.

[6]3GPP Chairman Notes.RAN1#86bis,Portugal,Lisbon,10, 2016.

[7]Z.Yuan,G.Yu,and W.Li.Multi-user Shared Access for 5G.Telecommunications Network Technology,vol.5,no.5,5, 2015,pp.28-30.

[8]L.Dai,B.Wang,Y.Yuan,S.Han,C-L.I,and Z.Wang. Non-orthogonal Multiple Access for 5G:S0olutions,Challenges,Opportunities,and Future Research Trends.IEEE Comm. Mag.,9,2015,pp.74-81.

[9]David Tse and Pramod Viswanath.Fundamentals of Wireless Communication.Cambridge University Press,2005.

MUSA:a grant-free high overloading multiple access scheme for 5G IoT

YUAN Zhifeng,CAO Wei,HUANG Weifang,TIAN LI

In this paper,we introduce the theoretical design of MUSA which is a grant-free non-orthogonal multiple access scheme targeting for 5G mMTC scenario.The phase I national field test and the correpsonding results are also presented.Moreover,some hot issues on the multiple access technology of grant-free and high overloading are analyzed.

5G;Internet of Things;Multi-User Shared Access；non-orthogonal multiple access;grant-free access;high overloading;complex-valued spreading sequence

2016-10-24）