王靖文, 張 晶,3,*, 梁楚龍

(1. 南京郵電大學通信與信息工程學院, 江蘇 南京 210003; 2. 南京郵電大學江蘇省無線通信重點實驗室, 江蘇 南京 210003; 3. 南京郵電大學物聯(lián)網(wǎng)研究院,江蘇 南京 210003; 4. 中興通訊股份有限公司, 廣東 深圳 518057)

0 引 言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展和其在智能家居、智能制造、智能交通等領(lǐng)域應用的快速演進,無線終端設備的數(shù)量和移動數(shù)據(jù)流量迅速增長,大規(guī)模機器類型通信(massive machine type communication,mMTC)[1-3]應運而生,成為5G的三大場景之一,亦是當前無線通信的研究熱點。與人-人(human-to-human,H2H)通信不同,mMTC呈現(xiàn)出全新的特點[4]:① 設備數(shù)量龐大且設備類型眾多;② 業(yè)務數(shù)據(jù)零星突發(fā);③ 上行數(shù)據(jù)包較短。mMTC的全新特征給無線接入技術(shù)帶來了全新挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的授權(quán)多址接入技術(shù)應用于mMTC將產(chǎn)生龐大的控制信令開銷,有限的導頻資源也決定了不可能將正交前導序列分配給每個設備。如何以高頻譜效率和低信令開銷應對大規(guī)模終端的隨機接入,成為當前無線通信亟待解決的重要問題。

針對mMTC終端隨機接入的研究工作已經(jīng)開展了很多[5-7]。根據(jù)終端接入過程是否需要基站授權(quán),現(xiàn)有隨機接入?yún)f(xié)議可分為授權(quán)隨機接入和免授權(quán)隨機接入兩類。長期演進(long term evolution, LTE)支持的4-Step授權(quán)隨機接入?yún)f(xié)議包含4個步驟[8-12]:① 前導發(fā)送(接入競爭);② 隨機接入響應;③ L2/L3控制信息的發(fā)送;④ 數(shù)據(jù)傳輸/接入沖突的解決。為了降低信令開銷,5G提出了2-Step免授權(quán)隨機接入?yún)f(xié)議[13-14],它包含兩個步驟:① 前導發(fā)送和數(shù)據(jù)傳輸;② 隨機接入響應。免授權(quán)隨機接入?yún)f(xié)議大大降低了終端功耗,更適合mMTC場景下的小包數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸。將免授權(quán)隨機接入與多輸入多輸出(multiple input multiple output, MIMO)技術(shù)相結(jié)合,基站利用多天線的空間分集效應,可以實現(xiàn)近乎完美的前導檢測,從而有效提升用戶的上行隨機接入性能,并提高無線頻譜利用率。因此,基于MIMO的免授權(quán)隨機接入成為當前mMTC 的一個研究熱點。

MIMO技術(shù)雖然從空域上擴展了隨機接入的前導集合空間,并提高了前導檢測性能,但其內(nèi)在的導頻污染和信道相關(guān)性亦帶來了嚴重的前導碰撞問題,如何降低大規(guī)模隨機接入的前導碰撞依然是一個難題。傳統(tǒng)的解決方案是采用單正交前導(single orthogonal preamble, SOP)序列輔助接入競爭[15]。由于正交前導數(shù)量有限,隨機接入沖突率依然較高。為了降低前導碰撞,文獻[16]提出了級聯(lián)正交前導(concatenated orthogonal preamble, COP)方案,其中多個正交子前導順序傳輸而形成級聯(lián)前導。該方案提升了用戶的接入概率,但如何設計正交的子前導是一個難題。與文獻[16]類似,文獻[17-18]均設計了基于多時隙傳輸多正交前導的免授權(quán)隨機接入方案;其中,文獻[17]利用大規(guī)模MIMO的準正交特性提出了一種可靠的前導檢測算法,來檢測組合前導,文獻[18]采用假設校驗來檢測未使用的組合前導。盡管組合前導有效提升了隨機接入概率,但其占用的多個競爭時隙導致了頻譜效率的下降。為此,文獻[19]提出了一種基于大規(guī)模MIMO的前導-數(shù)據(jù)疊加隨機接入(massive preamble-data superposition random access, mPDSRA)方案,它允許一個用戶的前導傳輸與另一個用戶的數(shù)據(jù)傳輸共享信道,以此提升頻譜效率,但該方案要求所有用戶具有相同的數(shù)據(jù)包長度。

將非正交多址(non-orthogonal multiple access, NOMA)技術(shù)[20-23]應用于mMTC終端的隨機接入,可以進一步提高隨機接入效率和頻譜利用率。文獻[24]提出了一種基于功率域NOMA(power domain NOMA,PD-NOMA)的免授權(quán)多址接入框架,通過在一個資源塊上支持多個用戶通信,實現(xiàn)大規(guī)模終端的免授權(quán)接入傳輸。但是,由于用戶隨機選擇資源塊且不知道每個資源塊的爭用狀態(tài)[25],每個資源塊上的用戶接入沖突比較嚴重。考慮到mMTC終端的隨機分布特性和突發(fā)傳輸特性,文獻[26]提出了一種分布式NOMA傳輸方案,終端隨機選擇功率電平傳輸數(shù)據(jù),基站對接收到的多用戶信號采用順序干擾抵消(sequential interference cancellation,SIC)技術(shù)逐一進行恢復,但是該方案的碰撞概率依舊較高。為了進一步降低碰撞概率,文獻[27]在文獻[26]的基礎上,提出了一種低復雜度分層免授權(quán)NOMA框架,其中mMTC終端根據(jù)位置獨立選擇其傳輸功率電平。

綜上所述,現(xiàn)有的mMTC終端免授權(quán)隨機接入方案,或者受限于正交前導碼的數(shù)量約束,或者受限于NOMA技術(shù)的干擾約束,隨機接入效率均非常有限。為此,本文結(jié)合多前導方案和NOMA技術(shù),提出了一種高效的mMTC終端免授權(quán)隨機接入方案。該方案充分利用多前導組合擴展前導集合空間,同時利用NOMA-SIC技術(shù)[28-30]復用頻譜資源,實現(xiàn)了用戶終端在碼域和功率域二維空間上的隨機接入,有效提升了mMTC終端的免授權(quán)隨機接入效率。理論分析和仿真結(jié)果表明,本文提出的方案能夠有效降低大規(guī)模終端的隨機接入沖突,提高用戶的隨機接入成功概率。

本文其余內(nèi)容安排如下:第1節(jié)介紹系統(tǒng)模型并闡述了隨機接入?yún)f(xié)議;第2節(jié)設計多功率電平-多時隙聯(lián)合的接入競爭方案;第3節(jié)提出基于順序干擾抵消和前導檢測的信號接收檢測方案,并分析方案性能;第4節(jié)進行仿真研究;第5節(jié)總結(jié)全文工作。

1 系統(tǒng)模型與接入?yún)f(xié)議

1.1 系統(tǒng)模型

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

由此定義活躍用戶的發(fā)送功率電平選擇準則:活躍用戶根據(jù)自身到基站的距離確定所在區(qū)域Wi,通過查表獲得Wi匹配的功率電平qi,qi即為該活躍用戶執(zhí)行上行接入傳輸?shù)陌l(fā)送功率?；谠摐蕜t,距離基站近的用戶將選擇低功率電平發(fā)送信號,距離基站遠的用戶將選擇高功率電平發(fā)送信號,這意味著基站接收信號等效為多用戶的NOMA和信號?；静捎肧IC技術(shù)對接收信號進行功率電平檢測,然后對每個功率電平信號進行前導檢測,即可獲知不同用戶的接入競爭結(jié)果,并恢復成功接入用戶的上行傳輸數(shù)據(jù)。

1.2 隨機接入?yún)f(xié)議

如前所述,活躍用戶采用兩步免授權(quán)隨機接入?yún)f(xié)議進行競爭接入?；钴S用戶的隨機接入過程如圖2所示。

圖2 兩步隨機接入?yún)f(xié)議Fig.2 Two-step random access protocol

兩步隨機接入?yún)f(xié)議描述如下:

第1步:前導和數(shù)據(jù)發(fā)送?；钴S用戶采用多前導和多功率電平聯(lián)合的方案執(zhí)行接入競爭。每個活躍用戶隨機從前導序列集合中選擇T個前導序列,將其與數(shù)據(jù)信號組合成一幀信號;活躍用戶依據(jù)功率電平選擇準則,從可用功率電平集合Q中選擇一個功率電平作為其上行信號發(fā)送功率;以該功率電平通過上行信道發(fā)送用戶的隨機接入信號幀至基站,同時執(zhí)行接入競爭和數(shù)據(jù)傳輸。

第2步:隨機接入響應?；窘邮丈闲行盘柌⒁来螜z測活躍用戶的功率電平和前導信號,據(jù)此判斷活躍用戶競爭結(jié)果并恢復數(shù)據(jù)。選擇組合前導相同且使用相同功率電平的兩個或兩個以上用戶為接入失敗用戶,其他為接入成功用戶;基站通過廣播告知活躍用戶競爭接入結(jié)果(接入成功或接入失敗),接入成功的用戶選擇繼續(xù)傳輸或結(jié)束退出,接入失敗的用戶延遲一段時間后執(zhí)行再接入嘗試,直至其接入成功或者等待時延超出最大限值后退出接入。

2 前導競爭與數(shù)據(jù)傳輸方案

考慮活躍用戶依時隙執(zhí)行競爭接入與數(shù)據(jù)傳輸。每個傳輸時隙(傳輸幀)分為前導階段(即前導時隙)和數(shù)據(jù)階段(即數(shù)據(jù)時隙)兩部分,其中前導階段又劃分為T個子時隙,依次傳輸T個隨機選擇的前導序列?；钴S用戶的傳輸時隙(傳輸幀)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 用戶發(fā)送信號的幀結(jié)構(gòu)Fig.3 The frame structure of the signal sent by the user

在前導傳輸階段,每個活躍用戶從前導集合SC(包含K個前導序列)中隨機選擇T(T≥1)個前導序列,并采用選定的功率電平在上行信道中順序傳輸T個前導符號,T≤K,每個前導符號占用一個前導子時隙。

令用戶n在某傳輸幀使用的功率電平為ql,n,ql,n∈{q1,q2,…,qL};用戶n在該傳輸幀的前導子時隙t選擇的前導序號為cn,t,cn,t∈{1,2,…,K},n∈{1,2,…,N},t∈{1,2,…,T};則用戶n在前導子時隙t的前導選擇向量可以表示為an,t=[1[cn,t=1],1[cn,t=2],…,1[cn,t=K]]T,其中1[x]為指示函數(shù),條件x成立時1[x]=1,否則1[x]=0。所有N個用戶在前導子時隙t的前導選擇矩陣可以表示為At=[a1,t,a2,t,…,aN,t]T。相應地,用戶n在前導子時隙t發(fā)送的前導序列為pn,t=scn,t=STan,t;用戶n在前導階段(前導時隙)發(fā)送的組合前導序列pn可表示為

(1)

前導發(fā)送完后,用戶n進入數(shù)據(jù)傳輸階段,繼續(xù)以功率電平ql,n在數(shù)據(jù)時隙發(fā)送數(shù)據(jù)包。假設用戶數(shù)據(jù)包長度為D比特,用戶在數(shù)據(jù)時隙的發(fā)送信號xn可表示為

xn=[d1,d2,…,dD]

(2)

綜合式(1)和式(2),用戶n在一個傳輸時隙中發(fā)送的一幀信號Fn可表示為

(3)

考慮到多個用戶在同一時隙競爭接入,基站在上行信道接收到的一幀信號G應為N個用戶的和信號,可以表示為

(4)

式中:hn=[hn,1,hn,2,…,hn,M]T表示用戶n至基站(M根天線)的上行信道響應系數(shù)向量,hn∈CM×1,hn,m表示用戶n與基站天線m的信道響應系數(shù);H=[h1,h2,…,hN]表示N個用戶至基站的上行信道響應矩陣,H∈CM×N;F=[F1,F2,…,FN]表示用戶發(fā)送信號矩陣,F∈C(JT+D)×N,FT表示F的轉(zhuǎn)置矩陣;N表示信道復加性高斯白噪聲矩陣,N∈CM×(JT+D),它服從均值為0、方差為σ2IM的高斯分布,即N～CN(0,σ2IM),其中σ2為噪聲平均功率,IM表示M維單位陣。在天線數(shù)目M足夠大的條件下,假定信道響應系數(shù)hn在一幀中保持恒定且滿足準正交特性[16],即有

(5)

考慮到每個用戶的發(fā)送信號包含前導和數(shù)據(jù)兩部分,基站接收的一幀信號可以分解為G=[Y,X],其中Y和X分別表示用戶的前導信號和數(shù)據(jù)信號,即

(6)

(7)

式中:Y∈CM×JT;X∈CM×D;pn∈C1×JT表示用戶n傳輸?shù)慕M合前導序列;xn∈C1×D表示用戶n的數(shù)據(jù)向量;N1和N2分別表示前導時隙和數(shù)據(jù)時隙的信道復加性高斯白噪聲矩陣,N=[N1,N2]。

基站首先采用SIC技術(shù)對接收到的每幀信號進行檢測,以解調(diào)出不同功率電平對應的和信號幀;隨后通過相關(guān)運算從每個功率電平對應的和信號幀中檢測不同用戶的組合前導,并據(jù)此判斷用戶競爭接入成功與否。下面詳細討論多用戶上行隨機接入信號的接收檢測方案。

3 基于沖突估計的上行信號接收檢測方案

3.1 功率電平檢測

由于多個用戶隨機接入傳輸,基站接收的上行信號為多個用戶的和信號。基站對接收到的多用戶多功率電平和信號幀,采用SIC技術(shù)順序檢測每個功率電平承載的用戶信號。下面詳細闡述上行信號的功率電平檢測方法。

根據(jù)第2節(jié)的分析,基站接收到的一幀信號G可以改寫為

(8)

(9)

(10)

基站通過SIC解調(diào)出的功率電平ql承載的一幀信號可以進一步表示為Gl=[Yl,Xl],其中Yl表示基站解調(diào)出的功率電平ql對應的幀信號中包含的前導信號,即選用功率電平ql的多個用戶的前導序列和信號;Xl表示解調(diào)出的功率電平ql對應的幀信號中包含的數(shù)據(jù)信號,即選用功率電平ql的多個用戶的數(shù)據(jù)和信號。Yl和Xl可分別表示為

(11)

(12)

本文假設系統(tǒng)具有良好的定時同步機制,基站通過信號截取可以很方便地從功率電平信號Gl中取出前導信號Yl與數(shù)據(jù)信號Xl,進而通過前導檢測從Yl和Xl中恢復單個用戶的Yl,n和Xl,n。下面進一步闡述組合前導檢測方案。

3.2 組合前導檢測

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

式中:t∈{1,2,…,T};l∈{1,2,…,L}。

(19)

3.3 用戶沖突檢測

根據(jù)系統(tǒng)模型,選用同一功率電平且組合前導相同的兩個或兩個以上用戶將發(fā)生接入沖突;發(fā)生接入沖突的用戶被基站判定為競爭失敗用戶,需要等待一定時間后重新嘗試隨機接入。因此,在獲得用戶的前導選擇方案估計值后,需要進一步確定用戶的接入沖突情況。

(20)

基于式(20),設計如下的用戶接入沖突判斷方法:

對于?n,n′∈Ia,l,n≠n′,有

對于接入成功的用戶,基站繼續(xù)解調(diào)其數(shù)據(jù)信號并反饋“接入成功確認”消息給用戶;對于接入失敗的用戶,基站反饋“接入失敗”消息給用戶,并通知其延時嘗試再接入。

綜上,本文提出的免授權(quán)隨機接入信號檢測算法總結(jié)如算法2所示。

算法 2 免授權(quán)隨機接入信號檢測算法1. 輸入:接收信號Y,導頻序列S,用戶數(shù)量N,時隙數(shù)量T,功率電平數(shù)量L;2. 當用戶的SINR滿足式(10)時,利用SIC技術(shù)檢測功率電平信號;3. for l=1:L4. 根據(jù)算法1檢測選用功率電平ql的接收信號Gl,對其分解得到Y(jié)l和Xl;5. if只有單個用戶選用功率電平ql,該用戶競爭接入成功,Yl對應該用戶的前導;6. 根據(jù)式(14)～式(19)計算該用戶的組合前導序號向量估計值Cl*;7. else8. for t=1:T 9. 根據(jù)式(14)～式(16)計算Yl中Nl個用戶子時隙t的前導選擇矩陣估計值Al*t;10. 根據(jù)式(17)和式(18)計算Yl中Nl個用戶子時隙t的前導序號向量估計值cl*t;11. end12. 計算Yl中Nl個用戶的組合前導選擇矩陣估計值Al* =[Al*1,Al*2,…,Al*T];13. for n=1:(NL-1)14. for n'=(n+1):NL15. 根據(jù)式(20)計算Yl中用戶n和用戶n'的導頻沖突圖樣dln,n';16. if dln,n'=T17. 用戶n和用戶n'發(fā)生接入沖突;18. Break;19. else20. 用戶n和用戶n'競爭接入成功;21. end if22. end for23. end for24. end if25. end26. 算法結(jié)束。輸出用戶的競爭結(jié)果。

3.4 接入性能分析

定義用戶的隨機接入成功概率為用戶的上行接入信號在基站處被成功解碼的概率。有兩個因素影響接入成功概率:一是功率電平的檢測性能;二是組合前導的碰撞情況。當且僅當用戶的上行功率電平信號被成功檢測且組合前導無碰撞時,用戶的隨機接入才是成功的。下面從功率電平的檢測概率和組合前導無碰撞概率兩個層面展開分析。

基站按功率電平由高到低順序檢測各個功率電平信號。換言之,若第l個功率電平信號能夠被正常檢測,意味著第L個功率電平到第(l+1)個功率電平的SIC解調(diào)均成功。因此,第l個功率電平信號能夠被正確解調(diào)的概率為

(21)

進一步地,第l個功率電平包含的Nl個信號能夠被正確解碼的條件為所有用戶的組合前導均無碰撞。因此,功率電平ql承載的Nl個信號能夠正確解碼的條件概率可計算為

(22)

式中:NL表示選用功率電平qL的用戶數(shù)目;K表示正交前導序列的數(shù)目;T表示前導子時隙的數(shù)目。

于是,選擇功率電平ql的Nl個信號能夠被全部正確解碼的平均概率可以計算為

(23)

對所有L個電平求和,即可得到系統(tǒng)的接入成功概率

(24)

需要說明的是,多時隙隨機接入方案能夠有效提升隨機接入概率,但其占用多個競爭時隙,導致了頻譜效率的下降。而其與NOMA技術(shù)結(jié)合,能夠在不影響頻譜效率的情況下提升用戶的接入概率。盡管基站側(cè)對上行多電平信號的SIC解調(diào)需要一定的時間開銷,但在接收機計算能力足夠的情況下,該時間開銷幾乎可以忽略不計。

4 仿真分析

本節(jié)基于Matlab仿真軟件并采用蒙特卡羅方法對所提出的免授權(quán)隨機接入方案的性能展開仿真研究。仿真中,當存在不完全的SIC功率電平檢測(即部分功率電平信號不滿足式(10)條件)時,認為所有用戶的隨機接入失敗。除特殊說明,系統(tǒng)參數(shù)設置如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖4研究了用戶的接入概率與用戶數(shù)目和功率電平級數(shù)的關(guān)系,并與文獻[18]提出的分布式分層免授權(quán)NOMA方案的性能進行了比較。由圖4可以看出,隨著待接入活躍用戶數(shù)目的增加,用戶的隨機接入概率逐漸下降;而隨著發(fā)送功率電平級數(shù)增加,用戶的接入概率隨之上升。相比文獻[27]的方案,本文方案的用戶接入概率大大提高,且對大規(guī)模隨機接入場景更為適用。例如,當用戶數(shù)目N=30(即接入過載率N/K=3.75)時,用戶的接入概率依然達到0.5左右;而文獻[27]的方案在用戶數(shù)目N=10(即接入過載率N/K=1.25)時,用戶的接入概率已經(jīng)降為0。本文方案具有更好的接入性能,其原因在于本文利用多種功率電平在多個時隙傳輸多個前導形成組合前導,實現(xiàn)了前導空間在時域和功率域的二維擴展,大大降低了前導碰撞概率,因此用戶的接入概率大幅提升。

圖4 不同功率電平下接入概率與用戶數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between access probability and the number of users with different power levels

圖5研究了用戶的接入概率與用戶數(shù)目和前導子時隙數(shù)目的關(guān)系,并與文獻[17]的多時隙隨機接入方案進行了比較?？梢钥闯?隨著前導子時隙數(shù)目的增加,本文方案和文獻[17]方案的用戶接入概率均逐漸上升。當前導子時隙數(shù)目T=1時,本文方案退化為單一NOMA方案,其接入概率略低于文獻[17]所提方案,這是因為單一NOMA方案的接入性能受到基站SIC檢測能力的制約。當T=2時,本文方案的接入概率在用戶數(shù)目較多(例如N>30)時優(yōu)于文獻[17]方案;當T≥3時,本文方案的接入概率明顯優(yōu)于文獻[17]的方案。這表明,功率域資源復用可以有效降低大規(guī)模接入沖突,提高用戶的隨機接入成功率。

圖5 不同前導子時隙下接入概率與用戶數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between access probability and the number of users with different preamble sub-slots

圖6進一步研究了用戶的接入概率與導頻數(shù)目的關(guān)系。

圖6 不同前導子時隙下接入概率與前導數(shù)量的關(guān)系Fig.6 Relationship between access probability and the number of preambles with different preamble sub-slots

從圖6中可以看出,隨著前導數(shù)量的增加,本文方案和文獻[17]方案的用戶接入概率均逐漸上升并趨于恒定。在相同導頻的條件下,本文方案的用戶接入概率明顯高于文獻[17]的多時隙隨機接入方案,但本文方案的性能優(yōu)勢受到前導子時隙數(shù)目的影響。當前導子時隙數(shù)T=3時,本文方案的接入概率在導頻數(shù)目較少(例如K<30)時優(yōu)勢更為明顯。隨著導頻數(shù)目的增加,本文方案相比文獻[17]方案的性能優(yōu)勢逐漸下降;當T=2時,本文方案的接入概率在導頻數(shù)目較多(例如K>30)時優(yōu)勢更為明顯,且隨著導頻數(shù)目的增加,本文方案的性能優(yōu)勢逐漸擴大。

圖6在給定功率電平級數(shù)條件下研究導頻數(shù)目對用戶接入概率的影響。圖7進一步研究給定前導子時隙數(shù)目條件下功率電平級數(shù)對用戶接入概率的影響。由圖7可以看出,當僅有一種功率電平(L=1)時,本文方案退化為文獻[17]所提出的多時隙隨機接入傳輸方案。隨著功率電平級數(shù)的增加,本文方案的用戶接入概率上升,而文獻[17]方案的接入概率不變,且在導頻數(shù)較少時本文方案的性能優(yōu)勢更為明顯。

圖7 不同功率電平下接入概率與前導數(shù)量的關(guān)系Fig.7 Relationship between access probability and the number of preambles with different power levels

5 結(jié) 論

本文針對大規(guī)模隨機接入前導沖突率高的問題,提出了一種多功率電平多前導聯(lián)合的免授權(quán)隨機接入方案。每個活躍用戶從可選功率電平集合中按擬定準則選擇一個功率電平,以此作為上行發(fā)送功率在一幀時隙中連續(xù)發(fā)送多個前導序列和數(shù)據(jù)信號。與接入傳輸方案相對應,本文提出了基于SIC的功率電平信號檢測算法和用戶前導檢測算法,并研究了基于前導選擇矩陣的用戶沖突識別方法。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的多時隙隨機接入方案和多電平分層NOMA方案相比,本文所提方案大大提高了免授權(quán)隨機接入概率,能夠解決有限前導資源下的多用戶過載接入問題,降低大規(guī)模終端隨機接入沖突,提升蜂窩網(wǎng)絡的多址接入能力。