面向5G物聯(lián)網(wǎng)的上行接入技術(shù)

佟 冬

物聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍的擴大和應(yīng)用領(lǐng)域的延伸，使得接入物聯(lián)網(wǎng)的各類通信設(shè)備在數(shù)量和種類上得到了極大的增加。在物聯(lián)網(wǎng)運行中，這些設(shè)備相互之間會產(chǎn)生海量的通信數(shù)據(jù)?，F(xiàn)有的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)無法滿足低功耗、低延時、高速率等通信要求，成為限制物聯(lián)網(wǎng)功能開發(fā)的重要阻礙。在5G時代，面向5G物聯(lián)網(wǎng)的上行接入技術(shù)，用MTC（人與物通信）技術(shù)代替H2H（人與人通信）技術(shù)，可以提高上行接入能力，支持多臺設(shè)備接入，以及具有低時延、高壽命等特點，應(yīng)用前景良好。

1 物聯(lián)網(wǎng)上行接入面臨的主要問題

當前物聯(lián)網(wǎng)在上行通信中，呈現(xiàn)出海量連接、功耗較高等特點，進入5G時代后，物聯(lián)網(wǎng)上行接入將會面臨更大的負擔，表現(xiàn)出來的主要問題有：其一，設(shè)備接入量增多和通信容量有限之間的矛盾進一步激化。新接入的大量通信設(shè)備，會占用更多的上行通信資源，并且由于不同類型的通信設(shè)備，在數(shù)據(jù)類型、傳輸速度要求等方面存在較大差異，很容易出現(xiàn)無線接入網(wǎng)絡(luò)堵塞的情況。如果上行通信問題得不到很好的解決，除了會導致物聯(lián)網(wǎng)的運行速度變慢外，也有可能對通信設(shè)備造成損害。其二，目前主流的4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)在上行接入上，還是沿用正交多址接入模式，其優(yōu)點在于保證了上行數(shù)據(jù)的連續(xù)性。但是隨著物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展逐漸呈現(xiàn)出海量化、多樣化的特點，蜂窩網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的上行接入技術(shù)不能應(yīng)對小包突發(fā)的mMTC業(yè)務(wù)，在遇到IoT高能效突發(fā)通信的業(yè)務(wù)需求時，也容易出現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，甚至是無響應(yīng)的情況，嚴重干擾正常通信。隨著5G時代的到來，基于5G技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)在運行過程中，將會面臨著更大的數(shù)據(jù)流傳輸需求，為了支持5G物聯(lián)網(wǎng)的正常運行，必須要著重解決上行接入問題。

2 面向5G物聯(lián)網(wǎng)上行接入技術(shù)的可行性分析

在5G技術(shù)即將實現(xiàn)全面商用的背景下，將5G技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)上行接入進行深度融合，有望解決4G和WiFi技術(shù)支持下上行通道阻塞，進而導致物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息傳遞時效性差的問題。針對當前物聯(lián)網(wǎng)上行接入客觀存在的一些問題，面向5G的互聯(lián)網(wǎng)上行通信系統(tǒng)，應(yīng)重點從構(gòu)建新型非多址接入NOMA與免調(diào)度接入控制等方面開展相關(guān)的研究與試點，探索基于5G的上行接入新技術(shù)的應(yīng)用新模式。近年來，一方面是5G技術(shù)從試點開始走向商用，關(guān)于5G上行接入的相關(guān)理論研究和技術(shù)開發(fā)逐漸趨于成熟；另一方面則是通信硬件設(shè)施的完善，也為支持5G物聯(lián)網(wǎng)上行接入奠定了扎實的基礎(chǔ)。目前來看，基于5G技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)上行接入的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

首先，從蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢來看，無論是2G的時分多址、3G的碼分多址還是4G的正交多址，都是遵循了“接入用戶數(shù)與可用通信資源成正比”的設(shè)計原則。也就是說，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通信資源是有限的，隨著接入用戶數(shù)量的增加，通信資源被均分。可支持的用戶越多，每個用戶可用的資源越少，通信質(zhì)量就會越差。因此，從第一代通信網(wǎng)絡(luò)（1G）到第四代通信網(wǎng)絡(luò)（4G）的發(fā)展，本質(zhì)上是通過提升系統(tǒng)容量，增加可分配通信資源的方式，支持更多用戶接入網(wǎng)絡(luò)?；谶@一思路，第五代通信網(wǎng)絡(luò)（5G）采用了新型非協(xié)作式的多址接入（NOMA）技術(shù)，既可以極大的擴充可用通信資源數(shù)，這樣一來就保證了在用戶所擁有的通信資源不受影響的前提下，可以為更多數(shù)量的用戶，提供通信服務(wù)。同時，又能夠?qū)崿F(xiàn)通信資源的精細化分配和集約化利用，在一定程度上緩解了在3G、4G時代存在的通信資源分配不均和浪費的問題，因此在提升物聯(lián)網(wǎng)上行接入能力方面具有優(yōu)勢。

其次，從上行接入方案的運行機理上來看，時下廣泛應(yīng)用的4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，首先要掌握所有上行通信設(shè)備的基本參數(shù)，包括發(fā)包狀態(tài)、信道狀態(tài)等，然后以此作為依據(jù)，生成調(diào)度方案，分配通信資源，滿足上行接入需要。這種模式只能滿足常規(guī)的通信需求，然而在mMTC場景中，IoT終端上的設(shè)備數(shù)量多、種類雜，上行通信表現(xiàn)出海量接入、小包突發(fā)、零星通信的業(yè)務(wù)特征。除了會占用較多的通信資源，導致信道發(fā)生阻塞進而導致系統(tǒng)無法及時響應(yīng)外，還會造成終端計算機無法及時獲取發(fā)包活躍度，也就不能準確調(diào)度和合理配置通信資源。而基于5G的免調(diào)度NOMA分布式上行接入方案，則能夠不受IoT接入的干擾影響，實現(xiàn)對通信資源的直接控制。另外，5G系統(tǒng)中也新增了一處狀態(tài)參數(shù)反饋渠道，并且利用5G網(wǎng)絡(luò)本身的高速傳輸特性，可以將狀態(tài)參數(shù)同步到控制終端，然后自動調(diào)節(jié)通信資源分配。從這一方面來看，基于5G的物聯(lián)網(wǎng)上行接入技術(shù)也有突出的應(yīng)用優(yōu)勢。

3 面向5G物聯(lián)網(wǎng)上行接入技術(shù)的應(yīng)用

5G物聯(lián)網(wǎng)從試點應(yīng)用到逐漸走向成熟，對于上行接入技術(shù)的需求也更為迫切。在近幾年的研究中，技術(shù)人員也相繼提出了多套方案，并且結(jié)合實踐應(yīng)用效果來件，具有較強的實用性。總結(jié)來說，現(xiàn)階段已經(jīng)被證明有較強實用性的技術(shù)方案主要有基于窄帶NOMA的上行協(xié)調(diào)接入、基于免調(diào)度NOMA的分布式上行接入和基于分布式免調(diào)度的NOMA穩(wěn)定傳輸方案，現(xiàn)對各方案的原理和應(yīng)用優(yōu)勢進行分析。

3.1 基于窄帶NOMA的上行協(xié)調(diào)接入方案

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)因其高功率譜密度的本質(zhì)優(yōu)勢可以實現(xiàn)低速率的高能效連接和擴展覆蓋，實現(xiàn)5G物聯(lián)網(wǎng)中大量低成本MTCD M的性能要求。非正交多址（NOMA）技術(shù)允許多個用戶在相同頻譜帶上發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過接收端的5G技術(shù)成功地分離重疊信號。為了滿足5G物聯(lián)網(wǎng)下海量MTCD同步連接的需要，可以基于資源共享理念，讓多個MTCD共用一個窄子載波。這樣就可以兼顧通信傳輸性能和上行鏈路運行成本，進一步提高了技術(shù)的實用性。雖然這一方案在理論上具有可行性，但是在實際應(yīng)用中，也有可能出現(xiàn)窄帶資源不夠分配的情況，當窄帶物聯(lián)網(wǎng)中短時間內(nèi)涌入瞬時大流量數(shù)據(jù)時，也有可能引發(fā)延遲、堵塞的問題，這也是今后窄帶NOMA上行協(xié)調(diào)接入方案需要進一步優(yōu)化的內(nèi)容。

3.2 基于免調(diào)度NOMA的分布式上行接入方案

在LTE/LTE-A系統(tǒng)中，為實現(xiàn)上行的有效接入和可靠傳輸，通常需要先進行隨機接入過程再進行數(shù)據(jù)傳輸，造成大量的物理層開銷和MAC層接入、調(diào)度開銷。近年來，NOMA己經(jīng)被廣泛研究以提高未來5G的蜂窩系統(tǒng)的頻譜效率?；?G的新技術(shù)gram-free和NOMA，設(shè)計了一種新型的基于分布式分層免調(diào)度NOMA的上行混合接入框架。免調(diào)度NOMA傳輸技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個方面，其一是免調(diào)度可以解決通信傳輸和上行接入過程中出現(xiàn)沖突、堵塞的問題，保證了鏈路通信的高速率和信息傳輸?shù)臅r效性；其二是可以顯著提高上行連接的成功率。有實驗數(shù)據(jù)表明，相比于傳統(tǒng)的基站協(xié)作OMA方案，使用免調(diào)度NOMA方案后，上行接入成功率能夠提升40%左右。

3.3 基于分布式免調(diào)度NOMA的穩(wěn)定傳輸方案

上文介紹的免調(diào)度NOMA接入方案，在面對小包突發(fā)、零星通信時，還有可能出現(xiàn)系統(tǒng)負載不穩(wěn)定的情況。正常情況下，由于采用了分布式上行接入的方式，這些小幅度的負載波動不會對通信運行產(chǎn)生明顯影響。但是在物聯(lián)網(wǎng)運行中，還必須考慮大流量傳輸可能產(chǎn)生的沖擊影響，因此為了安全起見，還是需要在現(xiàn)有的免調(diào)度NOMA上行接入方案上，增加穩(wěn)定傳輸設(shè)計。特別是在大流量、遠距離傳輸?shù)那闆r下，這一穩(wěn)定傳輸方案應(yīng)用后帶來的效果也是十分明顯的。在該系統(tǒng)中使用快速重傳的關(guān)鍵思想在于，隨機選擇信道之后產(chǎn)生沖突的數(shù)據(jù)包可以在下一個時隙再次隨機選擇多信道中的一個進行重傳，這樣可實現(xiàn)短接入時延的性能優(yōu)勢。另外，對比來看，隨機多信道重傳也不會對上行接入通信質(zhì)量產(chǎn)生明顯的影響，因此該方案在實際應(yīng)用中有較強的可行性。

4 結(jié)語

進入5G時代，將會有更多的設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)，如何保證設(shè)備之間信息傳遞的時效性，就成為物聯(lián)網(wǎng)功能實現(xiàn)與價值發(fā)揮的關(guān)鍵問題?；?G的上行接入技術(shù)，除了可以支持海量用戶接入、保證通信傳輸速度外，還能夠通過聯(lián)合接入控制、分布式免調(diào)度等方式，滿足5G物聯(lián)網(wǎng)在不同場景、不同需求下的上行接入需要，這對于物聯(lián)網(wǎng)各類功能的實現(xiàn)和整體運行效率的提升都有極大的幫助。下一步還需要在NOMA分布式上行接入方案的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探究上行接入數(shù)最大化的相關(guān)問題，支持物聯(lián)網(wǎng)的更好發(fā)展。