面向mMIMO系統(tǒng)的模式分割隨機(jī)接入方案

戴曉明，龐立卓，常爭(zhēng)，張馨月，邢怡然，王曦元

專題：6G無線傳輸技術(shù)

面向mMIMO系統(tǒng)的模式分割隨機(jī)接入方案

戴曉明1，龐立卓1，常爭(zhēng)1，張馨月1，邢怡然1，王曦元2

（1. 北京科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京 100083；2. 北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 100083）

為提升海量機(jī)器類通信（massive machine-type communication，mMTC）設(shè)備的隨機(jī)接入（random access，RA）性能，提出一種面向大規(guī)模多輸入多輸出（massive multiple-input multiple-output，mMIMO）系統(tǒng)的模式分割隨機(jī)接入（pattern division random access，PDRA）方案。該方案將導(dǎo)頻競(jìng)爭(zhēng)空間擴(kuò)展到模式域，通過疊加同一ZC（Zadoff-Chu）根序列的個(gè)不同循環(huán)移位序列，設(shè)計(jì)基于“圖樣疊加”的模式域?qū)ьl，在不增加物理資源的前提下擴(kuò)大導(dǎo)頻集合。仿真結(jié)果表明，在不影響信道估計(jì)和數(shù)據(jù)檢測(cè)性能的前提下，與傳統(tǒng)RA方案相比，PDRA方案能夠顯著降低導(dǎo)頻碰撞概率，提高接入成功率。

海量機(jī)器類通信；多輸入多輸出；隨機(jī)接入；模式分割隨機(jī)接入；模式域

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，IoT）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間、任意地點(diǎn)、任意對(duì)象的“萬物互聯(lián)”，機(jī)器類通信（machine-type communication，MTC）作為IoT的關(guān)鍵技術(shù)之一，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的自主通信[1-2]，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。海量機(jī)器類通信（massive machine-type communication，mMTC）主要應(yīng)用在智慧城市、智能家居、智慧工業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等連接需求大的IoT業(yè)務(wù)上。與連接用戶少、傳輸數(shù)據(jù)量大、傳輸速率要求高的人與人（human to human，H2H）通信不同，mMTC業(yè)務(wù)場(chǎng)景主要具有以下特點(diǎn)。

●高連接數(shù)密度。根據(jù)第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）標(biāo)準(zhǔn)，mMTC場(chǎng)景應(yīng)支持的連接數(shù)密度為100萬設(shè)備/km2[3]，甚至1 000萬設(shè)備/km2。

●短數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)。國際電信聯(lián)盟（International Telecommunications Union，ITU）認(rèn)為mMTC場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)包通常比較短，一般不超過1 000 byte。

●零星式設(shè)備激活具有較強(qiáng)的偶發(fā)性和稀疏性[4]。

●終端設(shè)備低成本、低功耗。3GPP要求終端設(shè)備的電池壽命應(yīng)達(dá)到10年以上[4]。

●多樣化、差異化的業(yè)務(wù)類型。mMTC應(yīng)用的多樣性使其對(duì)底層通信要求更高。

目前，mMTC場(chǎng)景的各類新需求和新挑戰(zhàn)給現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)帶來諸多問題，特別地，對(duì)于mMTC場(chǎng)景高達(dá)千萬的空閑用戶、上萬的同時(shí)活躍用戶、短分組數(shù)據(jù)發(fā)送以及低能耗限制的業(yè)務(wù)特征，傳統(tǒng)隨機(jī)接入（random access，RA）面臨著巨大挑戰(zhàn)。RA是用戶設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)建立連接的關(guān)鍵過程，長期演進(jìn)（long term evolution，LTE）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，RA采用基于授權(quán)的隨機(jī)接入（grant-based random access，GBRA）方案，需要在基站（base station，BS）和用戶設(shè)備（user equipment，UE）間通過4次握手進(jìn)行信令交互以完成接入，而復(fù)雜的交互過程會(huì)引入較大的時(shí)延。在mMTC場(chǎng)景中，RA資源有限，大量MTC設(shè)備同時(shí)向BS進(jìn)行RA嘗試會(huì)造成物理隨機(jī)接入信道（physical random access channel，PRACH）擁塞[5]和嚴(yán)重的導(dǎo)頻碰撞問題，進(jìn)而使各類接入指標(biāo)嚴(yán)重退化，如設(shè)備接入時(shí)延增加、數(shù)據(jù)包丟失甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓。因此，有限的導(dǎo)頻資源嚴(yán)重制約了傳統(tǒng)LTE標(biāo)準(zhǔn)中GBRA方法的接入能力。

針對(duì)RA資源稀缺問題，業(yè)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(jí)限制（access class barring，ACB）方案[6]，該方案通過系統(tǒng)消息2（system information block 2，SIB2）向所有MTC設(shè)備廣播ACB參數(shù)，BS可以臨時(shí)限制優(yōu)先級(jí)較低的設(shè)備接入或根據(jù)負(fù)載量動(dòng)態(tài)調(diào)整限制因子降低設(shè)備接入PRACH的概率，以控制MTC設(shè)備數(shù)量，避免網(wǎng)絡(luò)過載[7]。在導(dǎo)頻資源擴(kuò)展方面，文獻(xiàn)[8]提出基于碼擴(kuò)展的RA方案，該方案中每個(gè)設(shè)備跨越多個(gè)連續(xù)隨機(jī)接入時(shí)隙并傳輸多個(gè)前導(dǎo)序列。文獻(xiàn)[9]進(jìn)一步推導(dǎo)了基于碼擴(kuò)展的RA方案的單次接入成功概率，分析得到在有效擴(kuò)展前導(dǎo)序列資源池之后，制約基于碼擴(kuò)展的RA機(jī)制的接入成功率的關(guān)鍵因素不再是前導(dǎo)序列資源池規(guī)模，而是BS可分配物理上行共享信道（physical uplink shared channel，PUSCH）個(gè)數(shù)。此外，在碰撞解決方面，文獻(xiàn)[10]將連接請(qǐng)求消息中包含的參考導(dǎo)頻信號(hào)正交化，采用多天線技術(shù)對(duì)多個(gè)請(qǐng)求消息進(jìn)行解調(diào)，但正交參考導(dǎo)頻有限，不適用于碰撞數(shù)量過多的情況。文獻(xiàn)[11]提出了部署緩存器發(fā)生緩存碰撞的連接請(qǐng)求信息，采取子幀間串行干擾消除（successive interference cancellation，SIC）解調(diào)，但其也僅適用于導(dǎo)頻碰撞較少的情況。雖然傳統(tǒng)GBRA可采用過載控制、碰撞解決等新機(jī)制進(jìn)行改良，但這些增強(qiáng)型GBRA方法往往引入了復(fù)雜的信令交互過程，不適用于mMTC RA場(chǎng)景。因此，亟須突破LTE框架下的GBRA模式，設(shè)計(jì)適用于mMTC場(chǎng)景下的新型大規(guī)模RA方案。

大規(guī)模多輸入多輸出（massive multiple-input multiple-output，mMIMO）技術(shù)作為支持下一代無線通信數(shù)據(jù)高吞吐量的關(guān)鍵技術(shù)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(shè)備連接，同時(shí)提高空間分集增益，適用于mMTC場(chǎng)景。文獻(xiàn)[12-14]利用mMIMO系統(tǒng)的空間自由度支持mMTC設(shè)備的接入，提出免授權(quán)隨機(jī)接入（grant-free random access，GFRA）方案，與GBRA相比，GFRA免去了復(fù)雜的初始握手協(xié)議，無須經(jīng)過BS授權(quán)，即可直接在相同的時(shí)頻資源塊上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)[15-17]折中了GBRA和GFRA兩種方案，提出半免授權(quán)隨機(jī)接入（semi-grant-free random access，SGFRA）方案，利用非正交技術(shù)輔助大規(guī)模隨機(jī)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(jī)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(shí)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(xiàn)[18]提出隨機(jī)多址碼的概念，即全網(wǎng)用戶統(tǒng)一碼本并不區(qū)分用戶標(biāo)識(shí)，分析大規(guī)模隨機(jī)接入的系統(tǒng)性能上界，即Polyanskiy界。

1 系統(tǒng)模型

圖1 GFRA兩階段傳輸結(jié)構(gòu)

2 模式分割隨機(jī)接入

2.1 ZC序列導(dǎo)頻構(gòu)造

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

2.2 模式域?qū)ьl構(gòu)造

2.3 PDRA成功概率分析

圖2 導(dǎo)頻集合圖解

證畢。

其中，第二個(gè)等號(hào)右側(cè)第二項(xiàng)對(duì)應(yīng)選擇了不同根序列的UE，第三項(xiàng)對(duì)應(yīng)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(dǎo)頻之間正交，式（16）可以進(jìn)一步表示為：

基于MF接收機(jī)，結(jié)合式（2）可得到UE1的數(shù)據(jù)符號(hào)。

UE1的SINR表示為：

將式（17）代入式（19）得：

其中，推導(dǎo)過程中不包含的部分在趨于無窮時(shí)被忽略。

3 仿真結(jié)果

圖3 蜂窩小區(qū)

表1 蜂窩小區(qū)內(nèi)隨機(jī)接入仿真參數(shù)

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

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

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

圖7 PS隨激活用戶數(shù)變化曲線（NSS=32）

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

圖9 空間相關(guān)瑞利衰落信道下的PMF曲線（,, PA=0.15%）

4 結(jié)束語

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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(xué)基金資助項(xiàng)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(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閷拵o線通信、5G+/6G、人工智能、NOMA及大數(shù)據(jù)處理等。

龐立卓（2000? ），女，北京科技大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)、隨機(jī)接入。

常爭(zhēng)（2001? ），男，北京科技大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)榉钦欢嘀方尤搿?/p>

張馨月（1999? ），女，北京科技大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)殡S機(jī)接入、非正交多址接入。

邢怡然（1999? ），女，北京科技大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)與估計(jì)。

王曦元（1981? ），男，博士，北京信息科技大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)闊o線通信、信息論和信號(hào)處理。