6G霧無線接入網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及構(gòu)架探究

吳 剛

（中國電信股份有限公司 甘肅分公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

如今，車聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)實(shí)虛擬及全息影像等新技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展伴隨著移動(dòng)終端及數(shù)據(jù)量的不斷增長，給未來的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和應(yīng)用帶來前所未有的新挑戰(zhàn)。據(jù)悉，無線6G智能網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵指標(biāo)是5G的10倍，預(yù)計(jì)速率峰值可達(dá)到1 Tb/s，時(shí)延空口低于1 ms，連接的設(shè)備量在1×107/km2以上。要想實(shí)現(xiàn)無線6G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、大容量以及超連接應(yīng)用，亟待發(fā)展通信移動(dòng)新技術(shù)。而6G智慧霧無線接入網(wǎng)技術(shù)融合了霧無線網(wǎng)絡(luò)、非正交鏈路級多址技術(shù)及智能人工技術(shù)等多種優(yōu)勢，是實(shí)現(xiàn)智慧6G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用指標(biāo)的一項(xiàng)重要技術(shù)。

1 6G關(guān)鍵性技術(shù)

1.1 NOMA技術(shù)

該技術(shù)的核心是蜂窩式通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)共享通信應(yīng)用資源。原始網(wǎng)絡(luò)蜂窩技術(shù)使用的接入方式包括多址頻分、多址時(shí)分、多址碼分及多址空分等。這些多址接入通信技術(shù)為不同接收方用戶在頻/時(shí)/空域生成通信分配資源，形成潛在的資源浪費(fèi)，無法滿足未來6G網(wǎng)低時(shí)延、大容量以及超連接的應(yīng)用需要。NOMA通信技術(shù)將成為后5G與6G網(wǎng)的換代多址接入技術(shù)，可以同時(shí)在相同的頻/時(shí)/空域?yàn)槎嘤脩籼峁┓?wù)，實(shí)現(xiàn)用戶間資源正交分配，有效防止用戶之間相互干擾。此外，NOMA技術(shù)主要分為碼域和功率域[1]。

1.1.1 NOMA功率域

NOMA功率域是利用客戶之間存在的信道強(qiáng)弱差異，通過功率分配進(jìn)行頻譜資源的復(fù)用。NOMA功率域與OMA中關(guān)于功率及頻譜的分配比較如圖1所示。

在NOMA兩用戶應(yīng)用場景中（見圖2），解碼差異最明顯，通過對NOMA通信用戶應(yīng)用功率進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)實(shí)際的吞吐量明顯得到提升。

圖2 NOMA原理圖

1.1.2 NOMA碼域

NOMA碼域充分應(yīng)用了復(fù)雜度較低的多用戶分別檢測的方法，按照用戶序列進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)資源的全部共享。典型的NOMA碼域有多址稀疏碼SCMA、多址交織碼IDMA及擴(kuò)頻碼LDS-CDMA等。圖3為SCMA模型。

圖3 SCMA模型

1.2 多維調(diào)配資源

多維調(diào)配資源指的是對計(jì)算、通信以及緩存等多項(xiàng)資源進(jìn)行聯(lián)合協(xié)調(diào)和配置，是目前一種最有效的網(wǎng)絡(luò)性能提高方法。在5G不斷商用趨勢下，頻譜的有限資源限制網(wǎng)絡(luò)的容量增長。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中存在的擁堵問題、密集型計(jì)算問題以及敏感延時(shí)問題都無法通過資源協(xié)調(diào)配置解決。故此，應(yīng)將相關(guān)計(jì)算、通信以及緩存等資源進(jìn)行綜合調(diào)配，打破如今網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸[2]。

多維調(diào)配資源應(yīng)該根據(jù)不同資源的維度時(shí)間、資源差異、資源相互耦合的關(guān)系等方面去平衡效益、成本以及復(fù)雜度3者之間的關(guān)系。當(dāng)前，不管是霧節(jié)點(diǎn)還是客戶終端，普遍具備計(jì)算和緩存的能力。同時(shí)，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)（ICN）和邊緣移動(dòng)計(jì)算（ICN）使網(wǎng)絡(luò)的各項(xiàng)性能有效增強(qiáng)[3]。

1.3 人工智能

從無線5G網(wǎng)絡(luò)將人與物相互連接不斷發(fā)展，到無線6G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)智能體、人以及設(shè)備間的相互聯(lián)通。AI技術(shù)是達(dá)到這一目標(biāo)的基礎(chǔ)。憑借此項(xiàng)技術(shù)，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展重心也將從用戶向服務(wù)轉(zhuǎn)變，不斷達(dá)成網(wǎng)絡(luò)自解析、自學(xué)習(xí)、自感知、自決策及各種網(wǎng)絡(luò)海量終端的相互聯(lián)通。

2 當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)研究的進(jìn)展

如今，相關(guān)霧無線網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)仍處于起步研究階段。本文對霧無線技術(shù)、NOMA、NOMA與F-RAN從以下3方面進(jìn)行詳細(xì)分析，闡述國內(nèi)外研究發(fā)展?fàn)顩r。

2.1 霧無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

F-RAN的主要研究對象是組網(wǎng)技術(shù)與結(jié)構(gòu)。在組網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面，根據(jù)相關(guān)資料提出以網(wǎng)絡(luò)F-RAN結(jié)構(gòu)切片為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)一安排管理，接入網(wǎng)絡(luò)以切片狀被分成多個(gè)獨(dú)立的邏輯網(wǎng)絡(luò)，令差異化通信需求可以同時(shí)得到滿足。同時(shí)有資料顯示，F(xiàn)-RAN構(gòu)架業(yè)務(wù)可以通過邊緣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所具有的運(yùn)算性能，對多個(gè)不同的子任務(wù)進(jìn)行同時(shí)計(jì)算，使AR低時(shí)延的業(yè)務(wù)性能需求得到滿足。該技術(shù)主要對模式的選用、資源的調(diào)度以及功率的匹配等方面進(jìn)行研究。以最大化的處理能力為目標(biāo)，對F-RAN接入用戶模式及功率進(jìn)行優(yōu)化并設(shè)計(jì)，進(jìn)而提出優(yōu)化集中算法[4]。F-RAN具體包括3種卸載計(jì)算模式。

（1）云計(jì)算層上卸載算法，將減少能耗作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出云計(jì)算調(diào)度卸載設(shè)計(jì)方案。

（2）霧計(jì)算層上卸載算法，是指設(shè)計(jì)提出低耗能及滿足延時(shí)需求的卸載計(jì)算策略。

（3）云/霧聯(lián)合卸載，是指以延時(shí)和能耗為出發(fā)點(diǎn)，提出在非受限情況下云霧聯(lián)合調(diào)度卸載方法。

2.2 NOMA相關(guān)技術(shù)與理論

設(shè)計(jì)提出5G多種不同的NOMA解決方案，具體如下。

以所用的碼域SCMA為基礎(chǔ)，有效結(jié)合QAM的傳輸與調(diào)制過程，提供的過載率最高可達(dá)到300%。

以接收端與發(fā)送端相互聯(lián)合設(shè)計(jì)圖樣多址分割技術(shù)為基礎(chǔ)，將多個(gè)不同客戶信號進(jìn)行空域、功率域以及編碼域的聯(lián)合或者單獨(dú)傳輸，選取容易消減干擾接收設(shè)備算法的圖樣加以區(qū)分，PDMA能夠?qū)⑸闲械娜萘刻岣?～3倍，能夠?qū)⑾滦蓄l譜的應(yīng)用效率提高1.5倍。

基于多元碼復(fù)數(shù)域的MUSA是一種多用戶免調(diào)度的接入共享方案，能夠有效達(dá)到低功耗和低成本的互聯(lián)互通。

如今，產(chǎn)業(yè)界為了達(dá)到5G的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)多款NOMA解決方案，在學(xué)術(shù)界同時(shí)對NOMA基本理論及關(guān)鍵性技術(shù)展開了分析研究，為新NOMA通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的理論研究和技術(shù)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。要想達(dá)到后5G通信性能的各項(xiàng)要求，需要NOMA進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，與系統(tǒng)組網(wǎng)相互協(xié)同配合是霧無線6G智慧網(wǎng)絡(luò)理論核心，同時(shí)也是需要解決的核心技術(shù)問題。

2.3 NOMA與F-RAN的相互融合

NOMA是一項(xiàng)鏈路級的通信技術(shù)，F(xiàn)-RAN是一項(xiàng)系統(tǒng)級的通信技術(shù)，兩項(xiàng)技術(shù)協(xié)調(diào)配合可有效提高連接數(shù)、頻譜以及延時(shí)等性能。有關(guān)資料提出一種以NOMA和F-RAN為基礎(chǔ)進(jìn)行資源配置的技術(shù)方案，應(yīng)用RRH同F(xiàn)-AP之間干擾控制和F-AP對客戶進(jìn)行功率配置，達(dá)到系統(tǒng)總速率的最大化[5]。

資料顯示，國內(nèi)外對F-RAN與NOMA協(xié)調(diào)適配方法非常重視，卻沒能有針對性的開展新一代通信移動(dòng)系統(tǒng)性能開發(fā)的相關(guān)工作，未能針對跨業(yè)務(wù)、跨頻譜以及跨場景等特征協(xié)調(diào)適配，未能將智能人工與F-RAN技術(shù)有效結(jié)合。要想實(shí)現(xiàn)F-RAN同NOMA的協(xié)調(diào)適配，應(yīng)該從結(jié)構(gòu)體系、組網(wǎng)的基本原理以及核心技術(shù)3方面攻關(guān)。

3 6G網(wǎng)絡(luò)工作標(biāo)準(zhǔn)化

3.1 NOMA技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化

近年來，業(yè)界設(shè)計(jì)提出NOMA技術(shù)的多種解決方案，具體包括華為設(shè)計(jì)的域碼復(fù)用的稀疏碼分多址技術(shù)（SCMA）、中興設(shè)計(jì)的多用戶接入共享技術(shù)（MUSA）、大唐電信設(shè)計(jì)的分割圖樣多址技術(shù)以及日本公司NTT DoCoMo設(shè)計(jì)的功率域非正交多址技術(shù)。對于標(biāo)準(zhǔn)化NOMA技術(shù)的研究工作，其標(biāo)準(zhǔn)化3GPP相關(guān)組織的研究和論證工作已經(jīng)展開，主要分為發(fā)射機(jī)端管理、NONA工作過程、接收機(jī)復(fù)雜程度以及NONA基本性能等多項(xiàng)評估內(nèi)容。其中，發(fā)射機(jī)端管理主要利用接入多址簽名碼對用戶加以區(qū)分，對兩種支持Rel-15的方案及其方案內(nèi)容進(jìn)行研究[6]。在接收機(jī)方面，開展了NOMA多種設(shè)計(jì)，同時(shí)對其復(fù)雜程度進(jìn)行了評估。對于同NOMA有關(guān)的過程，重點(diǎn)評估、研究了同步與異步網(wǎng)絡(luò)傳輸。對于性能方面的評估，主要通過系統(tǒng)級與鏈路級對其基本性能進(jìn)行評估。目前，組網(wǎng)與NOMA技術(shù)缺乏有效結(jié)合。為了能夠?qū)崿F(xiàn)無線6G網(wǎng)絡(luò)的性能要求，應(yīng)加強(qiáng)NOMA的發(fā)展演進(jìn)，與系統(tǒng)級網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用有效結(jié)合。

3.2 無線接入網(wǎng)絡(luò)AI技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化

在智能人工技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，并取得較快發(fā)展的今天，該技術(shù)在無線接入網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用同樣受到關(guān)注。ITU、3GPP以及ETSI各組織都提出將AI和5G結(jié)合適配作為研究課題。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究方面，3GPP重點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，相關(guān)工作組成立于標(biāo)準(zhǔn)化5G同步進(jìn)程中，對網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)的應(yīng)用和分析項(xiàng)目進(jìn)行研究。具體表現(xiàn)在，3GPP RAN3專項(xiàng)組確定研究課題（RP-181456），研究的主要內(nèi)容是接入網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用，3GPP SA2專業(yè)組確定研究項(xiàng)目（eNA），主要研究的內(nèi)容是進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的收集與分析，并應(yīng)用其成本進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。近期，關(guān)于服務(wù)5G系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析功能，3GPP做出第三發(fā)展階段定義。2017年，歐洲的電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)成立了智能接入網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)小組，主要將AI引擎與網(wǎng)絡(luò)適配結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能管理。通過AI引擎的協(xié)助，智能網(wǎng)絡(luò)可以自主判斷，從而達(dá)到降低成本的目的，實(shí)現(xiàn)5G通信網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化、智能化的運(yùn)維化管理。尤其是該架構(gòu)應(yīng)用了上下文感知、AI技術(shù)以及驅(qū)動(dòng)元數(shù)據(jù)等方案，以“觀察—決定—行動(dòng)”模式設(shè)計(jì)回路控制功能，通過客戶的需求及外部環(huán)境對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。2019年，電信國際陽聯(lián)盟（ITU）正式頒發(fā)5G+AI國際執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，在5G無線網(wǎng)絡(luò)中，該標(biāo)準(zhǔn)以高效率、低成本的方式替代機(jī)器式學(xué)習(xí)辦法，充分滿足各通信運(yùn)營商模塊框架的部置及實(shí)際應(yīng)用[7]。

4 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)低延時(shí)、大容量以及應(yīng)用連接等各項(xiàng)功能的快速發(fā)展，無線接入網(wǎng)絡(luò)得到不斷的發(fā)展完善。本文以霧無線傳統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)級智能人工融合技術(shù)與鏈路級非正交融合多址技術(shù)的霧無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。在此詳細(xì)闡述了其關(guān)鍵技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程及國內(nèi)外相關(guān)研究成果，希望能夠有效促進(jìn)智慧6G無線網(wǎng)絡(luò)未來的研究和發(fā)展。