5G大規(guī)模接入技術(shù)：如何應(yīng)對差異化服務(wù)的挑戰(zhàn)

張朝陽

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)、物提供大規(guī)模差異化接入服務(wù)的能力，因此5G大規(guī)模接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須綜合考慮單點(diǎn)并發(fā)用戶規(guī)模、混合業(yè)務(wù)支撐能力、接入資源利用效率、端到端接入時(shí)延等關(guān)鍵性能指標(biāo)，并支持正交與非正交混合接入、確定性與非確定性（隨機(jī)）混合接入、許可與免許可機(jī)會接入等重要技術(shù)特征。

關(guān)鍵詞： 5G；大規(guī)模接入；差異化接入服務(wù)

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(biāo)，將為未來人、機(jī)、物三元互通、靈活交互乃至有機(jī)融合提供重要支撐。當(dāng)5G應(yīng)用場景由單純?nèi)伺c人的通信，以及人與機(jī)之間的通信和信息服務(wù)，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(gè)連接的大接入規(guī)模，或者高達(dá)每平方米6個(gè)以上的用戶密度[2-3]。更重要的是，人、機(jī)、物具有高度復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)和顯著差異化的接入業(yè)務(wù)需求和流量特征，大量突發(fā)/偶發(fā)、具有準(zhǔn)周期性或特定隨機(jī)性的實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)必須實(shí)現(xiàn)同時(shí)混合接入，這無疑給5G接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，5G在網(wǎng)絡(luò)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(fù)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(luò)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(dāng)前5G大規(guī)模接入技術(shù)的研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)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(wù)特性挖掘不足，對不同場景的適應(yīng)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(shè)計(jì)目標(biāo)，重新定義其關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI），并探討其必備技術(shù)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(biāo)，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(jī)、物應(yīng)用對象的大規(guī)模特性，以及其應(yīng)用場景和接入業(yè)務(wù)的多樣性和復(fù)雜性，使得5G接入系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)有更為特殊的約束，這些約束在當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮得還不夠充分，特別是：

（1）單點(diǎn)并發(fā)用戶規(guī)模。未來真正考驗(yàn)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(diǎn)覆蓋能力。在典型場景下，單接入點(diǎn)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(gè)數(shù)量級的提高。

（2）混合業(yè)務(wù)支撐能力。未來同一個(gè)5G接入點(diǎn)將可能面對來自同一區(qū)域不同人、機(jī)、物的不同業(yè)務(wù)請求，因此必須能夠保持對不同業(yè)務(wù)的兼容性、差異性和對同一業(yè)務(wù)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(wù)，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(biāo)。但在大規(guī)模接入條件下，由于場景和業(yè)務(wù)差異顯著，不同場景、業(yè)務(wù)有不同的接入性能，只有強(qiáng)調(diào)資源綜合利用效率，才有真正的意義。

（4）端到端接入時(shí)延。5G應(yīng)用場景中大量實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對端對端接入時(shí)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(wù)，在大規(guī)模接入條件下，基于資源預(yù)留（注冊）的接入機(jī)制既難以保證接入效率，又難以滿足超低時(shí)延約束。

上述4項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)對于5G大規(guī)模接入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)、物提供大規(guī)模差異化服務(wù)的能力。對正在進(jìn)行的5G接入技術(shù)研發(fā)而言，必須通過新的技術(shù)途徑才能更好地滿足這些指標(biāo)要求。

3 5G差異化接入服務(wù)的

重要途徑

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

3.1 正交與非正交混合接入

當(dāng)前，第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）針對5G典型場景初步提出了以非正交接入為基礎(chǔ)的新型接入技術(shù)和相關(guān)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(shù)的支持，在有限資源下引入適當(dāng)?shù)挠脩糸g干擾，保障接入可靠性的同時(shí)提高了用戶容量。同時(shí)，非正交接入技術(shù)的非正交特性可以根據(jù)環(huán)境、用戶和業(yè)務(wù)的變化而改變，從而實(shí)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(yīng)用于時(shí)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(shù)相結(jié)合，在未來自適應(yīng)技術(shù)和智能化處理的支持下，非正交接入技術(shù)在實(shí)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(shù)通常基于單個(gè)資源塊粒度的干擾處理，而單個(gè)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(fù)雜性和可靠性問題，面向大規(guī)模用戶的非正交接入機(jī)制在現(xiàn)有接入技術(shù)中還很少見，即使存在也難以靈活支持差異化的服務(wù)。因此，通過引入適當(dāng)?shù)挠脩艉蜆I(yè)務(wù)分簇機(jī)制，把密集網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)覆蓋特性、多用戶接入技術(shù)與子帶濾波、波束成形等物理層機(jī)制有機(jī)結(jié)合，從而建立多維多層次跨層自適應(yīng)優(yōu)化機(jī)制，利用不斷增強(qiáng)的計(jì)算存儲和數(shù)據(jù)融合技術(shù)實(shí)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(jī)）混合

接入

以基站為中心的確定性接入機(jī)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(shí)延將越來越難以承受，對相當(dāng)一部分用戶和服務(wù)也沒有這個(gè)必要；另一方面，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無定形化/去中心化，各種服務(wù)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(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演變。因此，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用的非確定性（隨機(jī)）接入將為未來無線移動網(wǎng)絡(luò)所借鑒，成為其接入機(jī)制的有機(jī)組成部分。它不僅可應(yīng)用于初始化（注冊）階段，還可直接應(yīng)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(jī)、物的接入需求，都促使隨機(jī)接入成為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模接入的重要途徑，既適用于低負(fù)荷實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)或者非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)接入，也適合于非均勻，業(yè)務(wù)密度極高或者差異化極大的行業(yè)服務(wù)。隨機(jī)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(jī)干擾，可通過與上述非正交接入相結(jié)合形成非正交隨機(jī)接入，也可通過網(wǎng)絡(luò)密集化、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、邊緣協(xié)同計(jì)算存儲，以及分布式流聚合等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)有效的干擾管控，提升接入效率。

3.3 許可與免許可機(jī)會接入

現(xiàn)有中心和非中心協(xié)調(diào)的接入機(jī)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(yīng)用場景中的一些典型突發(fā)/偶發(fā)時(shí)延敏感業(yè)務(wù)是十分不利的，對于網(wǎng)絡(luò)開放和SDN開源服務(wù)也極為不利，因?yàn)楝F(xiàn)有的注冊過程會顯著地增加接入時(shí)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(shí)延，滿足針對時(shí)延的差異化服務(wù)要求。因此免許可接入成為當(dāng)前5G的又一個(gè)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(diǎn)在于如何提高聯(lián)合用戶身份檢測、信道估計(jì)和信息檢測的復(fù)雜性和可靠性。其中，免許可接入基于預(yù)先注冊登記的長有效機(jī)制，對相當(dāng)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(wù)類型，劃分不同層級，通過適當(dāng)?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(shí)現(xiàn)可靠的免許可接入。我們還應(yīng)該看到，在未來無線移動網(wǎng)絡(luò)開放模式的演進(jìn)過程中，許可與免許可的靈活接入與網(wǎng)絡(luò)安全與監(jiān)測的嚴(yán)格管理并不是完全一致的，會對造就新型網(wǎng)絡(luò)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(luò)體系和協(xié)議體系，值得拭目以待。

4 結(jié)束語

除上述技術(shù)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(shù)方向在提升5G接入系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)方面均有較大的潛力，有望進(jìn)一步為5G接入系統(tǒng)提供面向人、機(jī)、物的大規(guī)模差異化服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] IMT-2020（5G）推進(jìn)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(jìn)組： 5G 無線技術(shù)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(jìn)組： 5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)白皮書[R]. 北京： 中國信息通信研究院， 2015