NR 演進之路
低延遲時間需求的實作
1.2.5 大連接配接需求的實作
作為物聯網（IoT，Internet of Things）的主要存在形式，機器類通信（MTC）使得機器與機器之間能夠在沒有人為幹預或極少幹預的情況下進行自主的資料通信和資訊互動。随着 MTC 規模的擴大，海量的機器類裝置開始依賴蜂窩網絡基礎設施為其提供廣域連接配接，這就是 mMTC 場景。而 mMTC 面臨的最為迫切的問題是，如何接入并服務海量的 MTC 裝置。簡言之，如何實作大連接配接。
1．大連接配接的基本限制
大連接配接場景，或者說 mMTC 場景，與傳統的面向人與人通信的蜂窩網絡設計需求有着極大的差異。在傳統的通信網絡模型中，資料分組通常較大，對下行資料傳輸也具有較高的需求。是以，為了在頻譜資源受限的情況下提升資料傳輸速率，就極大地依賴于精細的實體層和 MAC 層設計。為了實作有效接入、可靠傳輸以及安全認證，通常需要大量的實體層開銷以及 MAC 層控制信令負載。而在大連接配接場景下，大量機器裝置隻需發送低速率的資料分組，且這些資料分組極短，通常隻有幾個位元組，如果沿用傳統的底層設計，用于信道估計的導頻信号以及鍊路自适應所需的回報資訊可能會遠遠超過發送資訊的長度。這對于系統性能而言，顯然效率是極低的。是以，對大連接配接場景解決方案的研究，應着眼于 mMTC 的特點。
對 mMTC 的特點和需求總結如下。
- 連接配接數量。海量的機器類裝置，單一小區内的接入裝置數量可達 300000，遠遠大于 MBB 場景中的使用者數。
- 資料大小。短資料分組，通常隻包含幾個位元組，甚至隻需要一個比特來表示某個事件的發生與否。
- 傳輸方向。以上行資料為主導，多為監測資訊的上報。在某些應用中也可能需要對稱的上下行容量以滿足控制器與傳感器之間的動态互動。
- 傳輸速率。使用者傳輸速率通常較低。
- 傳輸周期。零星通信為主，但不同的 MTC 業務間可能存在較大差異。例如，某些應用的傳輸在時間上可能非常稀疏，而其他應用可能會按照預設周期進行傳輸。
- 傳輸優先級。某些極端 MTC 業務傳輸的是非常重要的資訊，是以，需要很高的優先級。
- 裝置能耗。裝置複雜度通常較低，且多數對能耗都相對敏感，MTC 裝置電池的使用壽命一般需要達到幾年甚至幾十年。
根據上述 mMTC 系統的特點，大連接配接的實作思路可以圍繞以下幾點來展開，即如何增加系統連接配接數、如何設計比對零星通信需求的接入機制等。
2．大連接配接的實作思路
針對如何增加系統連接配接數的問題，為了增加無線通信系統所能容納的使用者數量，較為直覺的做法是增加系統帶寬，如向高頻拓展，以及利用空間次元複用資源，如加密小區部署、使用大規模陣列天線等。但是，受制于有限的頻譜資源、難以擷取的小區站址，以及實體實作複雜的天線，上述增加使用者數量的方法的可行性降低。更為有效的方法是從多址接入技術入手。多址接入技術是實體層的關鍵技術，其作用是讓多個使用者能夠接入同一小區進行通信，并保證
不同使用者之間的信号不互相幹擾。第一代到第四代移動通信系統所采用的多址接入技術均為正交多址接入（OMA，Orthogonal Multiple Access）。從 FDMA、TDMA 到 CDMA，再到 OFDMA，正交多址接入技術不斷改進，并獲得了複用增益的較大增長。但正交多址接入技術仍存在以下限制。
- 單使用者容量受限。每個正交信道上的單使用者容量已經逼近香農極限，其與香農極限的內插補點主要來源于信道編碼的長度受限等因素，這些因素無法通過技術手段得到解決。
- 同時進行傳輸的使用者數受限。小區的連接配接數嚴格受限于互相正交的信道的數量，當系統過載時，系統的性能會出現明顯下降。
- 免授權上行傳輸時的可靠性無保證。正交多址接入不支援符号間沖突，是以，在免授權上行傳輸模式下，一旦使用者數過多或者業務到達速率很高時，傳輸可靠性将失去保證。并且，為了解決競争沖突，系統需要進行大量的重傳和退避，這将導緻傳輸時延的增大。
鑒于上述原因，雖然 OFDMA 可以利用重疊子載波的方法提高頻譜效率，但在面對大連接配接的場景下，即使減小子載波間隔，也難以帶來實質性的效果。是以，對于 mMTC，NR 計劃至少在上行方向支援非正交多址接入（NOMA，Non-orthogonal Multiple Access），且不同的多址接入方式可以組合使用，以便充分利用各自的優勢。
（1）非正交多址接入。
與正交多址接入的最大不同是，非正交多址接入允許多個使用者共享相同的時頻資源。假設某一塊資源被平均配置設定給 N 個使用者，則在正交多址接入方式下，每個使用者隻能配置設定到 1/N 的資源；而在非正交多址接入方式下，由于擺脫了正交性的限制，每個使用者配置設定到的資源可以大于 1/N，極限情況下甚至每個使用者都可以配置設定到全部的資源。
盡管通過非正交能夠提升使用者連接配接數并有效提高系統頻譜效率，但是非正交同時也帶來了多使用者間幹擾的負面影響。為了解決這一問題，需要在接收端通過串行幹擾删除（SIC，Successive Interference Cancellation）技術來實作多使用者檢測。SIC 的基本思想是，逐級減去信号功率最大的使用者造成的幹擾，在接收信号中對多個使用者逐個進行判決，進行幅度恢複後，将該使用者信号産生的多址幹擾從接收信号中減去，并對其餘的使用者再次進行判決，如此循環操作，直到消除所有的多址幹擾為止，這樣逐次把所有使用者的信号解調出來。
在實際系統中，SIC 接收機并不能完全消除 NOMA 使用者間幹擾。是以，非正交多址接入的解調性能通常比正交多址接入差。在一些處于小區邊緣或信号覆寫較差的區域，非正交多址接入可能無法滿足某些業務的 QoS。是以，在保證 QoS 的情況下選擇合适的随機接入方式，也是提高網絡接入容量的關鍵。
由于 mMTC 的标準化主要在 R16 完成，是以，對于非正交多址接入的相關研究目前仍處于提案階段。業界典型的非正交多址接入技術主要有日本DOCOMO 提出的非正交多址接入（NOMA）、中興提出的多使用者共享接入（MUSA）、華為提出的稀疏碼多址接入（SCMA）以及大唐電信提出的圖樣分割多址接入（PDMA）等。其中，NOMA 在功率域對不同使用者進行複用，MUSA和 SCMA 在碼域對不同使用者進行複用，PDMA 則更為複雜，同時結合了功率域、空域和碼域的多使用者複用。
NOMA 是通過複用同一時頻資源的不同使用者設定不同的發送功率來實作非正交傳輸的，如圖 1-25 所示，因而其實作難度也相對最小。NOMA 可以簡單地看作多個使用者信号在功率域的簡單線性疊加，能夠與 OFDM 技術結合使用。但是，由于 NR 系統的最大功率域強度值非常有限，因而 NOMA 功率域能夠劃分使用者的層數不可能太多。這就決定了 NOMA 對使用者連接配接數的提升能力較為有限，難以比對 mMTC 的實際需求。
MUSA 是典型的碼域非正交多址接入技術，且多适應于通信系統的上行鍊路，如圖 1-26 所示。在上行鍊路中，由于不同使用者與基站之間的距離不同，會存在發射功率上的差異。MUSA 充分利用這種差異，在發送端使用非正交複數擴頻序列編碼對使用者資訊進行調制，在接收端使用 SIC 技術消除幹擾，恢複每個使用者的資訊。通過這種在同一時頻資源上的使用者資訊擴頻編碼，MUSA 可以顯著地提升系統的資源複用能力。
SCMA 也屬于碼域非正交多址接入技術。SCMA 與 OFDMA 的差別在于，OFDMA 每個使用者占用一個不同的子載波，解調時用不同的子載波來區分不同的使用者，而在 SCMA 中，每個子載波上可以疊加兩個使用者的資料，但同時每個使用者又不止占用一個子載波。實際上 SCMA 是通過碼本區分使用者，每個使用者配置設定一個碼本，該碼本上包含使用者占用哪些子載波以及在每個子載波上的調制方式。是以，SCMA 的性能實際取決于每個使用者碼本的高維調制星座圖的設計。
SCMA 在多址接入方面主要有低密度子載波擴頻、子載波和符号自适應兩項重要技術，如圖 1-27 所示。低密度子載波擴頻是指頻域各子載波通過碼域的稀疏編碼方式擴頻，使其能同頻承載多個使用者信号。由于各子載波間滿足正交條件，因而不會産生子載波間幹擾。同時又由于每個子載波擴頻用的稀疏碼本的碼字稀疏，同頻資源上的使用者信号不易産生互相幹擾。子載波和符号自适應是指承載使用者信号的子載波帶寬和 OFDM 符号時長，可以根據業務和系統的要求自适應，進而滿足業務多樣性以及空口靈活性的要求。
PDMA 是一種可以在功率域、碼域、空域聯合或單獨應用的非正交多址接入技術，如圖 1-28 所示。PDMA 在發射端通過特征圖樣疊加的方式将多個使用者信号疊加在一起進行編碼傳輸，在接收端通過 SIC 進行圖樣檢測以區分出多使用者。特征圖樣是功率域、碼域和空域的基本參量，由于包含了 3 個實體量，是以 PDMA 在理論上的多址容量可以達到 NOMA 的 3 倍以上。但同時 PDMA 圖樣的設計複雜度也相對最高。
表 1-5 總結了 NOMA、MUSA、SCMA 和 PDMA 的特點。
（2）免排程接入。
在面向大連接配接的場景中，主要的問題還有信令擁塞，且以上行傳輸居多。以基于競争的随機接入控制信令為例，UE 從空閑态到連接配接完成的過程如圖 1-29 所示。首先，UE 随機選取一個可用的前導序列，在 PRACH 上進行發送。基站檢測到 PRACH 中的前導序列後，在 PDSCH 上回報随機接入響應（RAR，RandomAccess Response），其中包含随機接入前導标示、定時調整資訊、上行鍊路授權、無線網絡臨時辨別以及退避辨別等資訊。UE 成功接收到與發送的前導序列相比對的 RAR 後，在 PUSCH 上發送排程資訊。排程資訊可能包括連接配接請求資訊、終端的無線網絡臨時辨別、無線資源控制重建立立連接配接請求等資訊。随後，基站檢測 UE 是否發生碰撞。如成功解析 UE 在上一步發送的排程資訊，則認為未發生碰撞，并在 PDSCH 上下發競争解決消息；否則不發送消息。如果 UE 未收到競争解決消息，且 UE 會認為發生了碰撞，将在靜默一段時間後重新發起随機接入。
可見，在大連接配接場景下，采用基于競争的随機接入機制，将産生海量的信令負載，甚至導緻信令擁塞。同時，由于大部分 MTC 傳輸是事件觸發的，大量裝置同時發起接入的可能性非常大，這種情況下所發生的大量退避等待也導緻了嚴重的時延。此外，從裝置能耗的角度看，頻繁發送接入請求會快速損耗裝置電池的壽命。
而通過免排程接入機制的設計，所有使用者均為虛拟接入，不發送資料的使用者處于休眠狀态，而有資料需要發送時則進入激活狀态。這樣的排程政策可以顯著降低傳輸時延和信令負載，簡化實體層設計，降低節點能耗和裝置成本。免排程接入機制的具體實作，目前還處于 FFS（未來繼續研究）狀态。
| 1.3 NR 标準化程序 |