MUSA:面向5G IoT的免調度高過載接入方案

袁志鋒 中興通訊股份有限公司技術預研高級工程師

曹偉 中興通訊股份有限公司技術預研高級工程師

黃偉芳 中興通訊股份有限公司技術預研高級工程師

田力 中興通訊股份有限公司算法工程師

MUSA:面向5G IoT的免調度高過載接入方案

袁志鋒 中興通訊股份有限公司技術預研高級工程師

曹偉 中興通訊股份有限公司技術預研高級工程師

黃偉芳 中興通訊股份有限公司技術預研高級工程師

田力 中興通訊股份有限公司算法工程師

對面向5G物聯網的免調度高過載多址接入技術MUSA的原理和參加我國5G技術研發試驗第一階段測試情況進行了介紹，并分析了免調度高過載多址接入技術的一些熱點問題。

5G；IoT物聯網；MUSA（Multi-User Shared Access）；非正交接入；免調度接入；高過載；復數域多元碼

1 引言

未來5G豐富的應用場景經過抽象分為兩大類，一類是移動寬帶接入，還有一類是物與物連接進而發展的物聯網（IoT，InternetofThings），其中IoT又分為兩大類，一類是低數據速率，但具有海量節點的海量機器類通信（mMTC）；另一類是超高可靠低時延連接場景（uRLLC）。

其中，5GmMTC場景中，終端節點數量特別巨大：100萬Device/km2，勢必要求節點的成本很低，功耗很低。在海量節點、低速率、低成本、低功耗這些要求下，目前4G的系統是無法滿足這個要求的。主要體現為4G系統設計的時候主要針對的是高效的數據通信，是通過嚴格的接入流程和控制來達到這一目的的。如果非要在4G系統上承載上述場景，則勢必造成接入節點數遠遠不能滿足要求，信令開銷不能接受，節點成本居高不下，功耗，尤其是節點功耗不能數量級降低。因此有必要設計一種新的多址接入方式來滿足上述需求。

映射到技術層面上，非正交和免調度這兩項技術能很好地滿足上述需求。在低傳輸速率下非正交接入相對正交接入能有更高的節點“過載率”，相同頻譜下可以支持更多的接入；而免調度接入方式下，只有當用戶需要發送數據時才進入激活狀態并發送數據，不發送數據時即進入休眠狀態，這樣能簡化物理層設計和流程，節省信令開銷，降低節點功耗和成本。非正交和免調度結合在一起，可以很好的解決鏈接密度、信令開銷、終端復雜度以及功耗問題。最終低成本、低功耗、高譜效地實現5GmMTC。

另一方面，在5GuRLLC場景中，免調度接入能免去整個接入流程，是實現超低時延接入的一個重要方向。其中，對于周期的uRLLC業務，傳統的基于半靜態周期性資源預留的正交接入方式（SPS）可以視為是一種高效的免動態調度、低時延接入方式。與業務發生周期匹配的周期預留資源既可以保證高效的資源利用率；而各用戶獨占資源，沒有用戶間干擾，性能相對又有保證。當然，要達到uRLLC的超高可靠需求，還往往需要結合其他提高可靠性的技術。

而對于事件觸發的uRLLC業務，傳統周期性預留的正交資源往往得不到充分利用：預留正交資源的周期越長，預留資源利用率越高，但終端接入需要等待的平均時間越長，越難保證超低時延需求；相反，預留正交資源的周期越短，終端接入需要等待的平均時間越短，越容易保證超低時延需求，但預留資源的空置率就會越高，利用率越低。為了提高周期預留資源的利用率，一個自然的方法是讓一份資源預留給多個具有事件觸發業務的用戶共享使用，這樣資源的空置率大為減少，但會面臨多個用戶在這份資源上同時接入，也即多個用戶間碰撞在一起的情況，這對可靠性是一個嚴峻的挑戰。一種解決碰撞的辦法是：用戶數據是先通

過低互相關的擴展碼擴展，然后再共享資源，那即使碰撞在一起，也可以通過擴展碼的低互相關性來保證多用戶檢測性能。當然，用戶數據經過序列擴展后必然需要占用更多的資源，準確地說，擴展序列L長，為了容納擴展后的信息，則面向擴展的預留資源池子就要變大L倍。如果通過優化的低互相關序列，用相對于不擴展預留方式L倍的資源，可以支持相對于不擴展預留方式的K×L倍的用戶，則可以說取得K倍過載率。也就是說預留的非正交碼域擴展，有潛力在保證低時延接入的同時，還能數倍提高系統譜效，這對事件觸發的uRLLC業務是非常值得關注的優點。當然，接收機的時延和復雜度是面向uRLLC的非正交碼域擴展的主要問題，下面結合MUSA的設計，會進一步討論。

2 5G新多址標準化進展

目前，新多址技術在3GPP5GNR標準中討論較為激烈，共有15種非正交多址接入候選方案。雖然方案很多，但這些方案都具有一些共性，例如在發射端都采用MA簽名（如擴頻碼/擴頻序列、交織器、低速率編碼器、前導/導頻等）來區分用戶，而在接收端通常采用先進的多用戶檢測對疊加在同一時頻資源上的多用戶數據解調和譯碼。

針對多址技術的討論主要是面向mMTC場景，并強調海量連接下新多址技術需要支持免調度接入，從而降低開銷和接入延遲。對于免調度，標準中達成共識的有兩種選擇：

（1）UE可以自發地從資源池里隨機挑選使用，這里所說的資源包括時頻資源和MA簽名。

（2）UE所用的資源可以通過預先分配的方式由eNB指定，如半靜態調度等。對于免調度接入來說，資源碰撞是比較關鍵的問題，目前大多數非正交多址方案都只能暫時解決擴頻碼/擴頻序列/交織器的碰撞問題，而對于前導或導頻的碰撞還沒有合適的解決方案。

目前為止，在NR第一階段的討論中，大多數方案都進行了鏈路級和系統級的仿真評估，基于目前的仿真假設、評估場景和仿真結果，初步結論如下：

（1）在特定評估場景中，基于理想和實際信道估計的非正交方案在總鏈路吞吐率和過載能力方面的較正交方案有明顯增益。

（2）通過窄帶或重復的方式，一些非正交方案可以滿足NR的覆蓋要求。

（3）與基準的免調度正交多址接入相比，免調度非正交多址方案（部分基于理想信道估計）可以提供較為明顯的系統容量增益，例如給定丟包率的情況下可以支持更高的包到達率。

此外，標準中通過了兩種推薦的物理層抽象方法，分別適用于ML類接收機和MMSE-SIC/PIC類接收機。

3 MUSA方案及測試結果

3.1 MUSA方案

MUSA是面向5G物聯網的新型多址技術。MUSA本質是基于非正交碼域擴展的接入技術，通過創新設計的復數域多元碼以及基于串行干擾消除（SIC）的先進多用戶檢測，相較于4G接入技術，可以讓系統在相同時頻資源下支持數倍用戶的接入，并且可以支持真正的免調度接入，免除資源調度過程，并簡化同步、功控等過程，從而能極大節省系統信令開銷，減少接入時延，簡化終端的實現、降低終端的能耗，特別適合作為未來5G物聯網的解決方案。

MUSA原理框圖如圖1所示。首先，有數據接入需求的終端會從睡眠狀態轉換到激活狀態，并使用易于SIC接收機的、具有低互相關的復數域多元碼序列將其調制符號進行擴展；然后，各用戶擴展后的符號可以在相同的時頻資源里發送。最后，接收側使用線性處理加上碼塊級SIC來分離各用戶的信息。

擴展序列會直接影響碼域擴展方案的性能和接收機復雜度，是碼域擴展方案的關鍵。如果像傳統DS-CDMA（如IS-95標準）那樣使用很長的偽隨機序列（PN序列），那序列之間的低相關性是比較容易保證的，而且可以為系統提供一個軟容量，即允許同時接入的用戶數量（也即序列數量）大于序列長度，這時系統相當于工作在過載的狀態。本文把同時接入的用戶數與序列長度的比值稱為負載率，當負載率大于1時通常稱為“過載”。

長PN序列雖然可以提供一定的軟容量，即一定的過載率，但是在5GmMTC這樣的系統需求下，系統過載率往往是比較大的，而在大過載率的情況下，采用長PN序列所導致的SIC過程是非常復雜和冗長的。在uRLLC場景，雖然過載率暫時沒有明確要求，但即使低

負載下，長PN序列擴展導致的接收機的復雜度和時延，也是uRLLC場景的一個主要矛盾。進一步，發射側信息時頻展開太多，也增加終端發射的復雜度。

圖1 MUSA原理框圖

而如果短的序列，通過優化設計，也能達到接近長序列的高過載率的話，那從收/發復雜度考量，使用這樣的短序列更合適。

經過仔細評估，傳統PN序列縮短后用戶過載率下降還是比較快的，這是因為傳統PN序列是二元實序列，序列縮短后，隨機產生的序列集合的低互相關性難以保證。

MUSA使用復數域多元碼（序列）來作為擴展序列，此類序列即使很短時，如長度為8，甚至4時，也能保持相對較低的互相關。例如，其中一類MUSA復數擴展序列，其序列中每一個復數的實部/虛部取值于一個多元實數集合。甚至一種非常簡單的MUSA擴展序列，其元素的實部/虛部取值于一個簡單三元集合{-1,0, 1}，也能取得相當優秀的性能，該簡單序列中元素相應的星座圖如圖2所示。

正因為MUSA復數域多元碼的優異特性，再結合先進的SIC接收機，MUSA可以支持相當多的用戶在相同的時頻資源上共享接入。值得指出的是，這些大量共享接入的用戶都可以通過隨機選取擴展序列，然后將其調制符號擴展到相同時頻資源的方式來實現。從而MUSA可以讓大量共享接入的用戶想發就發，不發就深度睡眠，而并不需要每個接入用戶先通過資源申請、調度、確認等復雜的控制過程才能接入。這個免調度過程在mMTC和uRLLC兩個場景都很重要，能極大降低系統的信令開銷、接入時延和實現難度。同時，MUSA可以放寬甚至免除嚴格的上行同步過程，只需要實施簡單的下行同步。最后，存在遠近效應時，MUSA還能利用不同用戶到達SNR的差異來提高SIC分離用戶數據的性能。即也能如傳統功率域NOMA那樣，將“遠近問題”轉化為“遠近增益”，從另一角度看，這樣可以減輕甚至免除嚴格的閉環功控過程。所有這些優良特性，都為實現mMTC和uRLLC提供堅實的基礎。

3.2 測試介紹

基于MUSA的特性，設計了兩個測試用例，分別測試了大連接能力和免調度性能，具體說明如表1所示。

測試配置為1個基站，16個UE，測試環境及測試網絡拓撲圖如圖3所示。

3.3 測試結果

測試例1：大連接能力測試

上行使用MUSA技術，測試中最多12個UE占用頻域180KHz帶寬，時域4ms傳輸了12個UE的數據，每個UE傳輸1個TB。此時12個UE分成3組，分別模擬遠中近用戶組，

達到300%過載時，BLER＜1%。具體結果如表2所示。

圖2 三元復序列元素星座圖

表1 大連接能力和免調度性能

測試例2：上行免調度性能測試

12UE隨機選擇擴展碼，無碰撞，即12個UE各自選擇到不同的擴展碼。1min統計平均數據如表3所示。

12UE隨機選擇擴展碼，組間碰撞，即12個UE分成3組（每組4個，模擬正常部署中遠中近效應），不同組的多個用戶選擇到了相同的擴展碼（用戶4、9為碰撞用戶）。1min統計平均數據如表4所示。

12UE隨機選擇擴展碼，組內碰撞，即12個UE分成3組（每組4個，模擬正常部署中遠中近效應），同1組內的多個用戶選擇到了相同的擴展碼（用戶1、2、5、10為碰撞用戶）。1min統計平均數據如表5所示。

如上結果所示，MUSA可以支持12UE的隨機換碼，換碼時可能出現如下3種情形：

表2 大連接能力測試

（1）無碰撞，即12個UE各自選擇到不同的擴展碼，此時12個UE各項性能穩定優良。

圖3 測試環境及測試網絡拓撲圖

表3 上行免調度性能測試（1)

表4 上行免調度性能測試（2）

表5 上行免調度性能測試（3）

（2）組間碰撞，即12個UE分成3組（每組4個，模擬正常部署中遠中近效應），不同組的多個用戶選擇到了相同的擴展碼。此時，MUSA充分利用了功率域的分集增益，SIC接收機仍能保證較好的BLER性能。

（3）組內碰撞，即12個UE分成3組（每組4個，模擬正常部署中遠中近效應），同1組內的多個用戶選擇到了相同的擴展碼，此時碰撞用戶的性能會有所下降。由于MUSA復值擴展碼數量較多，本項測試中使用了156個碼字資源池，發生組內碰撞的概率很小，本子項測試為應現場專家要求演示極端情況。實際部署中即使發生組內碰撞，通過重傳時再次隨機選碼即可有效解決，因而對系統的整體性能影響很小。

綜上所述，本測試項驗證了MUSA的短復值擴展碼能夠很好地支持大連接+免調度應用場景。在隨機選碼發生組間碰撞時，利用功率域的分集增益仍能容忍此類碰撞，性能穩定良好。

4 結束語

傳統正交多址對于5G物聯網的支持捉襟見肘，因而面向5G物聯網的新多址技術是目前5G標準化的熱點之一。MUSA通過低互相關的復數域多元碼以及基于串行干擾消除（SIC）的先進多用戶檢測，可以支持真正的免調度高過載接入，特別適合作為未來5G物聯網的解決方案。

[1]3GPP TR 38.913 V0.3.0.Study on Scenarios and Requirements for Next GenerationAccess Technologies.R14.

[2]3GPP TS36.213.3rd Generation PartnershipProject;TechnicalSpecification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedures.Standardization Progress and Application Issues

for Transport SDN Networks.

[3]3GPP R1-164268.Grant-based and Grant-free Multiple Access for mMTC,ZTE,RAN1#85.

[4]3GPP Chairman Notes.RAN1#85,Nanjing,China,5,2016.

[5]3GPP Chairman Notes.RAN1#86,Gothenburg,Sweden,8, 2016.

[6]3GPP Chairman Notes.RAN1#86bis,Portugal,Lisbon,10, 2016.

[7]Z.Yuan,G.Yu,and W.Li.Multi-user Shared Access for 5G.Telecommunications Network Technology,vol.5,no.5,5, 2015,pp.28-30.

[8]L.Dai,B.Wang,Y.Yuan,S.Han,C-L.I,and Z.Wang. Non-orthogonal Multiple Access for 5G:S0olutions,Challenges,Opportunities,and Future Research Trends.IEEE Comm. Mag.,9,2015,pp.74-81.

[9]David Tse and Pramod Viswanath.Fundamentals of Wireless Communication.Cambridge University Press,2005.

MUSA:a grant-free high overloading multiple access scheme for 5G IoT

YUAN Zhifeng,CAO Wei,HUANG Weifang,TIAN LI

In this paper,we introduce the theoretical design of MUSA which is a grant-free non-orthogonal multiple access scheme targeting for 5G mMTC scenario.The phase I national field test and the correpsonding results are also presented.Moreover,some hot issues on the multiple access technology of grant-free and high overloading are analyzed.

5G;Internet of Things;Multi-User Shared Access；non-orthogonal multiple access;grant-free access;high overloading;complex-valued spreading sequence

2016-10-24）