5G大規(guī)模接入技術(shù)：如何應(yīng)對(duì)差異化服務(wù)的挑戰(zhàn)

張朝陽(yáng)

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-6868 （2017） 03-0050-003

摘要：

提出5G必須具有面向人、機(jī)、物提供大規(guī)模差異化接入服務(wù)的能力，因此5G大規(guī)模接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須綜合考慮單點(diǎn)并發(fā)用戶規(guī)模、混合業(yè)務(wù)支撐能力、接入資源利用效率、端到端接入時(shí)延等關(guān)鍵性能指標(biāo)，并支持正交與非正交混合接入、確定性與非確定性（隨機(jī)）混合接入、許可與免許可機(jī)會(huì)接入等重要技術(shù)特征。

關(guān)鍵詞： 5G；大規(guī)模接入；差異化接入服務(wù)

Key words： 5G is aimed to provide massive and differentiated access services for human， machine and things. In 5G system design， key performance such as the number of users simultaneously served by a single access point， capability of supporting heterogeneous services， radio resource efficiency and end-to-end delay， should be comprehensively considered. In addition， the 5G system also needs to support hybrid orthogonal/non-orthogonal multiple access， hybrid deterministic/non-deterministic （random） access as well as grant-based/grant-free opportunistic access.

5G； massive access； differentiated access service

1 5G大規(guī)模接入的需求和

現(xiàn)狀

5G承載著“信息隨心至，萬(wàn)物觸手及”的宏偉發(fā)展目標(biāo)，將為未來(lái)人、機(jī)、物三元互通、靈活交互乃至有機(jī)融合提供重要支撐。當(dāng)5G應(yīng)用場(chǎng)景由單純?nèi)伺c人的通信，以及人與機(jī)之間的通信和信息服務(wù)，拓展至人與物、物與物之間的通信和控制，大規(guī)模接入成為隨之而來(lái)的突出需求[1]。

典型場(chǎng)景下，5G將面對(duì)每平方千米約100萬(wàn)個(gè)連接的大接入規(guī)模，或者高達(dá)每平方米6個(gè)以上的用戶密度[2-3]。更重要的是，人、機(jī)、物具有高度復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)和顯著差異化的接入業(yè)務(wù)需求和流量特征，大量突發(fā)/偶發(fā)、具有準(zhǔn)周期性或特定隨機(jī)性的實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)必須實(shí)現(xiàn)同時(shí)混合接入，這無(wú)疑給5G接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，5G在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和無(wú)線傳輸?shù)牟煌瑢用娣謩e針對(duì)大規(guī)模接入的復(fù)雜需求提出了一些基本的解決思路。超密集組網(wǎng)（UDN）是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面的重要途徑[3]，物理層切片包括子帶濾波和新型多址等是無(wú)線傳輸層的重要手段[2]。然而，盡管當(dāng)前5G大規(guī)模接入技術(shù)的研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化如火如荼，但仍然存在規(guī)?；脩糁文芰﹄y以體現(xiàn)，業(yè)務(wù)特性挖掘不足，對(duì)不同場(chǎng)景的適應(yīng)能力有待提升等問(wèn)題。因此，有必要重新審視5G大規(guī)模接入的設(shè)計(jì)目標(biāo)，重新定義其關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI），并探討其必備技術(shù)特征和新的可能解決方案。

2 5G大規(guī)模接入的KPI

容量是通信系統(tǒng)的核心指標(biāo)，但對(duì)5G大規(guī)模接入系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，僅談容量是不夠的。5G所針對(duì)的人、機(jī)、物應(yīng)用對(duì)象的大規(guī)模特性，以及其應(yīng)用場(chǎng)景和接入業(yè)務(wù)的多樣性和復(fù)雜性，使得5G接入系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)有更為特殊的約束，這些約束在當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮得還不夠充分，特別是：

（1）單點(diǎn)并發(fā)用戶規(guī)模。未來(lái)真正考驗(yàn)接入系統(tǒng)的是對(duì)大規(guī)模并發(fā)用戶的支持能力，這不同于通常的單點(diǎn)覆蓋能力。在典型場(chǎng)景下，單接入點(diǎn)需要覆蓋50 000以上的用戶規(guī)模，并且支持其中5 000以上的并發(fā)連接，這相對(duì)于現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)有不止一個(gè)數(shù)量級(jí)的提高。

（2）混合業(yè)務(wù)支撐能力。未來(lái)同一個(gè)5G接入點(diǎn)將可能面對(duì)來(lái)自同一區(qū)域不同人、機(jī)、物的不同業(yè)務(wù)請(qǐng)求，因此必須能夠保持對(duì)不同業(yè)務(wù)的兼容性、差異性和對(duì)同一業(yè)務(wù)的適度彈性。由于資源的有限性，僅僅通過(guò)在傳統(tǒng)資源分配方式下改變資源粒度來(lái)支撐混合業(yè)務(wù)，將難以為繼。

（3）接入資源利用效率。頻譜和能量等資源的利用率是5G的基本性能指標(biāo)。但在大規(guī)模接入條件下，由于場(chǎng)景和業(yè)務(wù)差異顯著，不同場(chǎng)景、業(yè)務(wù)有不同的接入性能，只有強(qiáng)調(diào)資源綜合利用效率，才有真正的意義。

（4）端到端接入時(shí)延。5G應(yīng)用場(chǎng)景中大量實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)端對(duì)端接入時(shí)延提出了苛刻的要求，尤其是對(duì)一大類突發(fā)/偶發(fā)業(yè)務(wù)，在大規(guī)模接入條件下，基于資源預(yù)留（注冊(cè)）的接入機(jī)制既難以保證接入效率，又難以滿足超低時(shí)延約束。

上述4項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)對(duì)于5G大規(guī)模接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分重要，它們?cè)谝欢ǔ潭壬戏从沉?G接入系統(tǒng)面向人、機(jī)、物提供大規(guī)模差異化服務(wù)的能力。對(duì)正在進(jìn)行的5G接入技術(shù)研發(fā)而言，必須通過(guò)新的技術(shù)途徑才能更好地滿足這些指標(biāo)要求。

3 5G差異化接入服務(wù)的

重要途徑

5G要真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、差異化接入服務(wù)，必須支持如下新的技術(shù)特征。

3.1 正交與非正交混合接入

當(dāng)前，第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）針對(duì)5G典型場(chǎng)景初步提出了以非正交接入為基礎(chǔ)的新型接入技術(shù)和相關(guān)體制。非正交接入通過(guò)迭代干擾消減或干擾協(xié)調(diào)等輔助技術(shù)的支持，在有限資源下引入適當(dāng)?shù)挠脩糸g干擾，保障接入可靠性的同時(shí)提高了用戶容量。同時(shí)，非正交接入技術(shù)的非正交特性可以根據(jù)環(huán)境、用戶和業(yè)務(wù)的變化而改變，從而實(shí)現(xiàn)多用戶資源共享和干擾競(jìng)爭(zhēng)之間的平衡。非正交接入可應(yīng)用于時(shí)間、頻率和空間等任何物理維度或其組合衍生維度（包括多域編碼和多元功率控制）。通過(guò)與新型多載波傳輸體制和大規(guī)模天線技術(shù)相結(jié)合，在未來(lái)自適應(yīng)技術(shù)和智能化處理的支持下，非正交接入技術(shù)在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連接方面具有巨大潛能。

然而，現(xiàn)有非正交接入技術(shù)通?；趩蝹€(gè)資源塊粒度的干擾處理，而單個(gè)資源塊往往只能支持少量用戶的并發(fā)接入；由于干擾處理的復(fù)雜性和可靠性問(wèn)題，面向大規(guī)模用戶的非正交接入機(jī)制在現(xiàn)有接入技術(shù)中還很少見，即使存在也難以靈活支持差異化的服務(wù)。因此，通過(guò)引入適當(dāng)?shù)挠脩艉蜆I(yè)務(wù)分簇機(jī)制，把密集網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)覆蓋特性、多用戶接入技術(shù)與子帶濾波、波束成形等物理層機(jī)制有機(jī)結(jié)合，從而建立多維多層次跨層自適應(yīng)優(yōu)化機(jī)制，利用不斷增強(qiáng)的計(jì)算存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)正交/非正交混合接入，將是發(fā)揮非正交接入最大潛力的重要研究方向。

3.2 確定性與非確定性（隨機(jī)）混合

接入

以基站為中心的確定性接入機(jī)制是長(zhǎng)期以來(lái)蜂窩系統(tǒng)的主要接入方式，它通過(guò)確定性的用戶調(diào)度和資源指配來(lái)選擇接入的用戶。然而，在5G大規(guī)模接入場(chǎng)景下，一方面用戶規(guī)模越來(lái)越大，用戶的行為和需求差異越來(lái)越大，中心協(xié)調(diào)的開銷和時(shí)延將越來(lái)越難以承受，對(duì)相當(dāng)一部分用戶和服務(wù)也沒(méi)有這個(gè)必要；另一方面，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無(wú)定形化/去中心化，各種服務(wù)群體和行業(yè)的極大差異，客觀上也使得完全中心協(xié)調(diào)的方式難以適應(yīng)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演變。因此，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用的非確定性（隨機(jī)）接入將為未來(lái)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)所借鑒，成為其接入機(jī)制的有機(jī)組成部分。它不僅可應(yīng)用于初始化（注冊(cè)）階段，還可直接應(yīng)用于數(shù)據(jù)接入。

除人類活動(dòng)的大量接入需求之外，未來(lái)極其大量的機(jī)、物的接入需求，都促使隨機(jī)接入成為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模接入的重要途徑，既適用于低負(fù)荷實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)或者非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)接入，也適合于非均勻，業(yè)務(wù)密度極高或者差異化極大的行業(yè)服務(wù)。隨機(jī)接入在無(wú)線資源有限，需要充分利用的情況下，會(huì)造成明顯的隨機(jī)干擾，可通過(guò)與上述非正交接入相結(jié)合形成非正交隨機(jī)接入，也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)密集化、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、邊緣協(xié)同計(jì)算存儲(chǔ)，以及分布式流聚合等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有效的干擾管控，提升接入效率。

3.3 許可與免許可機(jī)會(huì)接入

現(xiàn)有中心和非中心協(xié)調(diào)的接入機(jī)制往往在接入之前需要有資源的協(xié)調(diào)和許可過(guò)程（通過(guò)基站中心協(xié)調(diào)或者通過(guò)分布式協(xié)調(diào)過(guò)程完成）。這一許可（或注冊(cè)）過(guò)程對(duì)于5G應(yīng)用場(chǎng)景中的一些典型突發(fā)/偶發(fā)時(shí)延敏感業(yè)務(wù)是十分不利的，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)開放和SDN開源服務(wù)也極為不利，因?yàn)楝F(xiàn)有的注冊(cè)過(guò)程會(huì)顯著地增加接入時(shí)延和信令開銷，降低接入效率。免許可接入不需要注冊(cè)，從而無(wú)需資源的協(xié)調(diào)和分配，可顯著提高接入效率，降低時(shí)延，滿足針對(duì)時(shí)延的差異化服務(wù)要求。因此免許可接入成為當(dāng)前5G的又一個(gè)重要研發(fā)方向。

在5G大規(guī)模接入條件下，免許可接入的難點(diǎn)在于如何提高聯(lián)合用戶身份檢測(cè)、信道估計(jì)和信息檢測(cè)的復(fù)雜性和可靠性。其中，免許可接入基于預(yù)先注冊(cè)登記的長(zhǎng)有效機(jī)制，對(duì)相當(dāng)一批物聯(lián)網(wǎng)用戶接入是可行的方法之一。另外，對(duì)不同的用戶和業(yè)務(wù)類型，劃分不同層級(jí)，通過(guò)適當(dāng)?shù)挠脩艚尤肽Ｊ阶R(shí)別和迭代檢測(cè)、分層分級(jí)，高效地完成上述的聯(lián)合過(guò)程，實(shí)現(xiàn)可靠的免許可接入。我們還應(yīng)該看到，在未來(lái)無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)開放模式的演進(jìn)過(guò)程中，許可與免許可的靈活接入與網(wǎng)絡(luò)安全與監(jiān)測(cè)的嚴(yán)格管理并不是完全一致的，會(huì)對(duì)造就新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)帶來(lái)極大影響，很可能會(huì)推出與現(xiàn)階段極其不同的網(wǎng)絡(luò)體系和協(xié)議體系，值得拭目以待。

4 結(jié)束語(yǔ)

除上述技術(shù)思路和途徑之外，5G大規(guī)模接入還有許多值得探索的新方向，例如非正交協(xié)作多接入、多輸入多輸出（MIMO）非正交接入等。所有這些技術(shù)方向在提升5G接入系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)方面均有較大的潛力，有望進(jìn)一步為5G接入系統(tǒng)提供面向人、機(jī)、物的大規(guī)模差異化服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] IMT-2020（5G）推進(jìn)組： 5G 愿景與需求白皮書[R]. 北京： 中國(guó)信息通信研究院， 2014

[2] IMT-2020（5G）推進(jìn)組： 5G 無(wú)線技術(shù)架構(gòu)白皮書[R]. 北京： 中國(guó)信息通信研究院， 2015

[3] IMT-2020（5G）推進(jìn)組： 5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)白皮書[R]. 北京： 中國(guó)信息通信研究院， 2015