面向5G物聯網的上行接入技術

佟 冬

物聯網覆蓋范圍的擴大和應用領域的延伸，使得接入物聯網的各類通信設備在數量和種類上得到了極大的增加。在物聯網運行中，這些設備相互之間會產生海量的通信數據。現有的移動蜂窩網絡無法滿足低功耗、低延時、高速率等通信要求，成為限制物聯網功能開發的重要阻礙。在5G時代，面向5G物聯網的上行接入技術，用MTC（人與物通信）技術代替H2H（人與人通信）技術，可以提高上行接入能力，支持多臺設備接入，以及具有低時延、高壽命等特點，應用前景良好。

1 物聯網上行接入面臨的主要問題

當前物聯網在上行通信中，呈現出海量連接、功耗較高等特點，進入5G時代后，物聯網上行接入將會面臨更大的負擔，表現出來的主要問題有：其一，設備接入量增多和通信容量有限之間的矛盾進一步激化。新接入的大量通信設備，會占用更多的上行通信資源，并且由于不同類型的通信設備，在數據類型、傳輸速度要求等方面存在較大差異，很容易出現無線接入網絡堵塞的情況。如果上行通信問題得不到很好的解決，除了會導致物聯網的運行速度變慢外，也有可能對通信設備造成損害。其二，目前主流的4G蜂窩網絡在上行接入上，還是沿用正交多址接入模式，其優點在于保證了上行數據的連續性。但是隨著物聯網業務發展逐漸呈現出海量化、多樣化的特點，蜂窩網絡現有的上行接入技術不能應對小包突發的mMTC業務，在遇到IoT高能效突發通信的業務需求時，也容易出現系統響應速度慢，甚至是無響應的情況，嚴重干擾正常通信。隨著5G時代的到來，基于5G技術的物聯網在運行過程中，將會面臨著更大的數據流傳輸需求，為了支持5G物聯網的正常運行，必須要著重解決上行接入問題。

2 面向5G物聯網上行接入技術的可行性分析

在5G技術即將實現全面商用的背景下，將5G技術與互聯網上行接入進行深度融合，有望解決4G和WiFi技術支持下上行通道阻塞，進而導致物聯網數據信息傳遞時效性差的問題。針對當前物聯網上行接入客觀存在的一些問題，面向5G的互聯網上行通信系統，應重點從構建新型非多址接入NOMA與免調度接入控制等方面開展相關的研究與試點，探索基于5G的上行接入新技術的應用新模式。近年來，一方面是5G技術從試點開始走向商用，關于5G上行接入的相關理論研究和技術開發逐漸趨于成熟；另一方面則是通信硬件設施的完善，也為支持5G物聯網上行接入奠定了扎實的基礎。目前來看，基于5G技術的物聯網上行接入的優勢主要體現在以下幾個方面：

首先，從蜂窩網絡的發展趨勢來看，無論是2G的時分多址、3G的碼分多址還是4G的正交多址，都是遵循了“接入用戶數與可用通信資源成正比”的設計原則。也就是說，蜂窩網絡的通信資源是有限的，隨著接入用戶數量的增加，通信資源被均分。可支持的用戶越多，每個用戶可用的資源越少，通信質量就會越差。因此，從第一代通信網絡（1G）到第四代通信網絡（4G）的發展，本質上是通過提升系統容量，增加可分配通信資源的方式，支持更多用戶接入網絡。基于這一思路，第五代通信網絡（5G）采用了新型非協作式的多址接入（NOMA）技術，既可以極大的擴充可用通信資源數，這樣一來就保證了在用戶所擁有的通信資源不受影響的前提下，可以為更多數量的用戶，提供通信服務。同時，又能夠實現通信資源的精細化分配和集約化利用，在一定程度上緩解了在3G、4G時代存在的通信資源分配不均和浪費的問題，因此在提升物聯網上行接入能力方面具有優勢。

其次，從上行接入方案的運行機理上來看，時下廣泛應用的4G蜂窩網絡，首先要掌握所有上行通信設備的基本參數，包括發包狀態、信道狀態等，然后以此作為依據，生成調度方案，分配通信資源，滿足上行接入需要。這種模式只能滿足常規的通信需求，然而在mMTC場景中，IoT終端上的設備數量多、種類雜，上行通信表現出海量接入、小包突發、零星通信的業務特征。除了會占用較多的通信資源，導致信道發生阻塞進而導致系統無法及時響應外，還會造成終端計算機無法及時獲取發包活躍度，也就不能準確調度和合理配置通信資源。而基于5G的免調度NOMA分布式上行接入方案，則能夠不受IoT接入的干擾影響，實現對通信資源的直接控制。另外，5G系統中也新增了一處狀態參數反饋渠道，并且利用5G網絡本身的高速傳輸特性，可以將狀態參數同步到控制終端，然后自動調節通信資源分配。從這一方面來看，基于5G的物聯網上行接入技術也有突出的應用優勢。

3 面向5G物聯網上行接入技術的應用

5G物聯網從試點應用到逐漸走向成熟，對于上行接入技術的需求也更為迫切。在近幾年的研究中，技術人員也相繼提出了多套方案，并且結合實踐應用效果來件，具有較強的實用性。總結來說，現階段已經被證明有較強實用性的技術方案主要有基于窄帶NOMA的上行協調接入、基于免調度NOMA的分布式上行接入和基于分布式免調度的NOMA穩定傳輸方案，現對各方案的原理和應用優勢進行分析。

3.1 基于窄帶NOMA的上行協調接入方案

窄帶物聯網（NB-IoT）技術因其高功率譜密度的本質優勢可以實現低速率的高能效連接和擴展覆蓋，實現5G物聯網中大量低成本MTCD M的性能要求。非正交多址（NOMA）技術允許多個用戶在相同頻譜帶上發送數據，并通過接收端的5G技術成功地分離重疊信號。為了滿足5G物聯網下海量MTCD同步連接的需要，可以基于資源共享理念，讓多個MTCD共用一個窄子載波。這樣就可以兼顧通信傳輸性能和上行鏈路運行成本，進一步提高了技術的實用性。雖然這一方案在理論上具有可行性，但是在實際應用中，也有可能出現窄帶資源不夠分配的情況，當窄帶物聯網中短時間內涌入瞬時大流量數據時，也有可能引發延遲、堵塞的問題，這也是今后窄帶NOMA上行協調接入方案需要進一步優化的內容。

3.2 基于免調度NOMA的分布式上行接入方案

在LTE/LTE-A系統中，為實現上行的有效接入和可靠傳輸，通常需要先進行隨機接入過程再進行數據傳輸，造成大量的物理層開銷和MAC層接入、調度開銷。近年來，NOMA己經被廣泛研究以提高未來5G的蜂窩系統的頻譜效率。基于5G的新技術gram-free和NOMA，設計了一種新型的基于分布式分層免調度NOMA的上行混合接入框架。免調度NOMA傳輸技術的應用優勢主要體現在兩個方面，其一是免調度可以解決通信傳輸和上行接入過程中出現沖突、堵塞的問題，保證了鏈路通信的高速率和信息傳輸的時效性；其二是可以顯著提高上行連接的成功率。有實驗數據表明，相比于傳統的基站協作OMA方案，使用免調度NOMA方案后，上行接入成功率能夠提升40%左右。

3.3 基于分布式免調度NOMA的穩定傳輸方案

上文介紹的免調度NOMA接入方案，在面對小包突發、零星通信時，還有可能出現系統負載不穩定的情況。正常情況下，由于采用了分布式上行接入的方式，這些小幅度的負載波動不會對通信運行產生明顯影響。但是在物聯網運行中，還必須考慮大流量傳輸可能產生的沖擊影響，因此為了安全起見，還是需要在現有的免調度NOMA上行接入方案上，增加穩定傳輸設計。特別是在大流量、遠距離傳輸的情況下，這一穩定傳輸方案應用后帶來的效果也是十分明顯的。在該系統中使用快速重傳的關鍵思想在于，隨機選擇信道之后產生沖突的數據包可以在下一個時隙再次隨機選擇多信道中的一個進行重傳，這樣可實現短接入時延的性能優勢。另外，對比來看，隨機多信道重傳也不會對上行接入通信質量產生明顯的影響，因此該方案在實際應用中有較強的可行性。

4 結語

進入5G時代，將會有更多的設備接入物聯網，如何保證設備之間信息傳遞的時效性，就成為物聯網功能實現與價值發揮的關鍵問題。基于5G的上行接入技術，除了可以支持海量用戶接入、保證通信傳輸速度外，還能夠通過聯合接入控制、分布式免調度等方式，滿足5G物聯網在不同場景、不同需求下的上行接入需要，這對于物聯網各類功能的實現和整體運行效率的提升都有極大的幫助。下一步還需要在NOMA分布式上行接入方案的基礎上，繼續探究上行接入數最大化的相關問題，支持物聯網的更好發展。