張朝陽

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2017） 03-0050-003

摘要：

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

關鍵詞： 5G；大規(guī)模接入；差異化接入服務

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，萬物觸手及”的宏偉發(fā)展目標，將為未來人、機、物三元互通、靈活交互乃至有機融合提供重要支撐。當5G應用場景由單純?nèi)伺c人的通信，以及人與機之間的通信和信息服務，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的突出需求[1]。

典型場景下，5G將面對每平方千米約100萬個連接的大接入規(guī)模，或者高達每平方米6個以上的用戶密度[2-3]。更重要的是，人、機、物具有高度復雜、相互關聯(lián)和顯著差異化的接入業(yè)務需求和流量特征，大量突發(fā)/偶發(fā)、具有準周期性或特定隨機性的實時/非實時業(yè)務必須實現(xiàn)同時混合接入，這無疑給5G接入系統(tǒng)的設計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

當前，5G在網(wǎng)絡架構(gòu)和無線傳輸?shù)牟煌瑢用娣謩e針對大規(guī)模接入的復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線傳輸層的重要手段[2]。然而，盡管當前5G大規(guī)模接入技術的研發(fā)和標準化如火如荼，但仍然存在規(guī)模化用戶支撐能力難以體現(xiàn)，業(yè)務特性挖掘不足，對不同場景的適應能力有待提升等問題。因此，有必要重新審視5G大規(guī)模接入的設計目標，重新定義其關鍵性能指標（KPI），并探討其必備技術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，但對5G大規(guī)模接入系統(tǒng)來說，僅談容量是不夠的。5G所針對的人、機、物應用對象的大規(guī)模特性，以及其應用場景和接入業(yè)務的多樣性和復雜性，使得5G接入系統(tǒng)關鍵性能指標有更為特殊的約束，這些約束在當前系統(tǒng)設計中考慮得還不夠充分，特別是：

（1）單點并發(fā)用戶規(guī)模。未來真正考驗接入系統(tǒng)的是對大規(guī)模并發(fā)用戶的支持能力，這不同于通常的單點覆蓋能力。在典型場景下，單接入點需要覆蓋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，這相對于現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)有不止一個數(shù)量級的提高。

（2）混合業(yè)務支撐能力。未來同一個5G接入點將可能面對來自同一區(qū)域不同人、機、物的不同業(yè)務請求，因此必須能夠保持對不同業(yè)務的兼容性、差異性和對同一業(yè)務的適度彈性。由于資源的有限性，僅僅通過在傳統(tǒng)資源分配方式下改變資源粒度來支撐混合業(yè)務，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。但在大規(guī)模接入條件下，由于場景和業(yè)務差異顯著，不同場景、業(yè)務有不同的接入性能，只有強調(diào)資源綜合利用效率，才有真正的意義。

（4）端到端接入時延。5G應用場景中大量實時業(yè)務對端對端接入時延提出了苛刻的要求，尤其是對一大類突發(fā)/偶發(fā)業(yè)務，在大規(guī)模接入條件下，基于資源預留（注冊）的接入機制既難以保證接入效率，又難以滿足超低時延約束。

上述4項關鍵性能指標對于5G大規(guī)模接入系統(tǒng)的設計十分重要，它們在一定程度上反映了5G接入系統(tǒng)面向人、機、物提供大規(guī)模差異化服務的能力。對正在進行的5G接入技術研發(fā)而言，必須通過新的技術途徑才能更好地滿足這些指標要求。

3 5G差異化接入服務的

重要途徑

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

3.1 正交與非正交混合接入

當前，第3代合作伙伴計劃（3GPP）針對5G典型場景初步提出了以非正交接入為基礎的新型接入技術和相關體制。非正交接入通過迭代干擾消減或干擾協(xié)調(diào)等輔助技術的支持，在有限資源下引入適當?shù)挠脩糸g干擾，保障接入可靠性的同時提高了用戶容量。同時，非正交接入技術的非正交特性可以根據(jù)環(huán)境、用戶和業(yè)務的變化而改變，從而實現(xiàn)多用戶資源共享和干擾競爭之間的平衡。非正交接入可應用于時間、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）。通過與新型多載波傳輸體制和大規(guī)模天線技術相結(jié)合，在未來自適應技術和智能化處理的支持下，非正交接入技術在實現(xiàn)大規(guī)模連接方面具有巨大潛能。

然而，現(xiàn)有非正交接入技術通常基于單個資源塊粒度的干擾處理，而單個資源塊往往只能支持少量用戶的并發(fā)接入；由于干擾處理的復雜性和可靠性問題，面向大規(guī)模用戶的非正交接入機制在現(xiàn)有接入技術中還很少見，即使存在也難以靈活支持差異化的服務。因此，通過引入適當?shù)挠脩艉蜆I(yè)務分簇機制，把密集網(wǎng)絡異構(gòu)覆蓋特性、多用戶接入技術與子帶濾波、波束成形等物理層機制有機結(jié)合，從而建立多維多層次跨層自適應優(yōu)化機制，利用不斷增強的計算存儲和數(shù)據(jù)融合技術實現(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）混合

接入

以基站為中心的確定性接入機制是長期以來蜂窩系統(tǒng)的主要接入方式，它通過確定性的用戶調(diào)度和資源指配來選擇接入的用戶。然而，在5G大規(guī)模接入場景下，一方面用戶規(guī)模越來越大，用戶的行為和需求差異越來越大，中心協(xié)調(diào)的開銷和時延將越來越難以承受，對相當一部分用戶和服務也沒有這個必要；另一方面，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的無定形化/去中心化，各種服務群體和行業(yè)的極大差異，客觀上也使得完全中心協(xié)調(diào)的方式難以適應未來網(wǎng)絡架構(gòu)的演變。因此，在計算機網(wǎng)絡中廣泛采用的非確定性（隨機）接入將為未來無線移動網(wǎng)絡所借鑒，成為其接入機制的有機組成部分。它不僅可應用于初始化（注冊）階段，還可直接應用于數(shù)據(jù)接入。

除人類活動的大量接入需求之外，未來極其大量的機、物的接入需求，都促使隨機接入成為實現(xiàn)大規(guī)模接入的重要途徑，既適用于低負荷實時業(yè)務或者非實時業(yè)務接入，也適合于非均勻，業(yè)務密度極高或者差異化極大的行業(yè)服務。隨機接入在無線資源有限，需要充分利用的情況下，會造成明顯的隨機干擾，可通過與上述非正交接入相結(jié)合形成非正交隨機接入，也可通過網(wǎng)絡密集化、異構(gòu)網(wǎng)絡融合、邊緣協(xié)同計算存儲，以及分布式流聚合等技術，實現(xiàn)有效的干擾管控，提升接入效率。

3.3 許可與免許可機會接入

現(xiàn)有中心和非中心協(xié)調(diào)的接入機制往往在接入之前需要有資源的協(xié)調(diào)和許可過程（通過基站中心協(xié)調(diào)或者通過分布式協(xié)調(diào)過程完成）。這一許可（或注冊）過程對于5G應用場景中的一些典型突發(fā)/偶發(fā)時延敏感業(yè)務是十分不利的，對于網(wǎng)絡開放和SDN開源服務也極為不利，因為現(xiàn)有的注冊過程會顯著地增加接入時延和信令開銷，降低接入效率。免許可接入不需要注冊，從而無需資源的協(xié)調(diào)和分配，可顯著提高接入效率，降低時延，滿足針對時延的差異化服務要求。因此免許可接入成為當前5G的又一個重要研發(fā)方向。

在5G大規(guī)模接入條件下，免許可接入的難點在于如何提高聯(lián)合用戶身份檢測、信道估計和信息檢測的復雜性和可靠性。其中，免許可接入基于預先注冊登記的長有效機制，對相當一批物聯(lián)網(wǎng)用戶接入是可行的方法之一。另外，對不同的用戶和業(yè)務類型，劃分不同層級，通過適當?shù)挠脩艚尤肽Ｊ阶R別和迭代檢測、分層分級，高效地完成上述的聯(lián)合過程，實現(xiàn)可靠的免許可接入。我們還應該看到，在未來無線移動網(wǎng)絡開放模式的演進過程中，許可與免許可的靈活接入與網(wǎng)絡安全與監(jiān)測的嚴格管理并不是完全一致的，會對造就新型網(wǎng)絡體系架構(gòu)帶來極大影響，很可能會推出與現(xiàn)階段極其不同的網(wǎng)絡體系和協(xié)議體系，值得拭目以待。

4 結(jié)束語

除上述技術思路和途徑之外，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。所有這些技術方向在提升5G接入系統(tǒng)關鍵性能指標方面均有較大的潛力，有望進一步為5G接入系統(tǒng)提供面向人、機、物的大規(guī)模差異化服務。

參考文獻

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

[2] IMT-2020（5G）推進組： 5G 無線技術架構(gòu)白皮書[R]. 北京： 中國信息通信研究院， 2015

[3] IMT-2020（5G）推進組： 5G 網(wǎng)絡技術架構(gòu)白皮書[R]. 北京： 中國信息通信研究院， 2015