面向5G的MUSA多用户共享接入

袁志锋 中兴通讯股份有限公司无线预研高级工程师郁光辉 中兴通讯股份有限公司无线预研总工程师李卫敏 中兴通讯股份有限公司无线预研高级工程师

面向5G的MUSA多用户共享接入

袁志锋 中兴通讯股份有限公司无线预研高级工程师
郁光辉 中兴通讯股份有限公司无线预研总工程师
李卫敏 中兴通讯股份有限公司无线预研高级工程师

未来5G无线通信系统中，海量连接（MMC，Massive Machine Communication）将是其中一个非常重要的场景。而使用低成本、低功耗终端来实现海量连接是关键也是其面临的主要挑战。本文提出一种新的非正交接入方案：多用户共享接入（MUSA，Multi-User SharedAccess）。MUSA是一种基于相对很短的复数域多元码（序列）的非正交多址接入方案，可以高效地工作在“免调度”的上行接入模式中，并能进一步简化上行接入的其他流程，特别适合低成本、低功耗实现海量连接。

海量连接 非正交多址 多用户共享接入 免调度

1 引言

未来5G场景经过抽象分为两大类，一类是移动宽带接入（MBB，Mobile Broadband）高容量，还有一类是物物连接进而发展为物联网（IoT，Internet of Things）。其中物物连接又分为两大类，一类是低数据速率，但具有海量节点；另一类是低时延高可靠。在前一类物物连接类型中由于连接点数量的海量，势必要求节点的成本很低，功耗很低。因此，在海量节点/低速率、低成本、低功耗这些要求下，目前4G的系统是无法满足这个要求的。主要体现为4G系统设计的时候主要针对的是高效的数据通信，是基于正交多址接入的无线通信系统，需通过严格的接入流程和控制来达到这一目的。如果非要在4G系统上承载上述场景，则势必造成接入节点数远远不能满足要求，信令开销不能接受，节点成本居高不下，功耗尤其是节点功耗不能数量级降低。因此，有必要设计一种新的多址接入方式来满足上述需求。

上述5G需求映射到技术层面上，则非正交和免调度这两项技术能很好地满足上述需求。首先，非正交设计之初就是允许用户信息混叠在一起，能天然地和免调度结合在一起；而在低传输速率下非正交/免调度能有更大的节点过载率；非正交/免调度能大量节省信令开销；非正交/免调度还能使系统不需要或者减弱上行同步过程；非正交/免调度能使节点做到想发就发，不想发就深度休眠，从而大大节约节点的能耗；非正交/免调度还能简化节点物理层设计和流程，从而大大降低节点的成本。

MUSA（Multi-User SharedAccess）是一种基于复数域多元码序列的多用户共享接入技术，是结合了非正交多址接入和免调度接入设计理念的新的多用户接入技术。

2 MUSA(Multi-User Shared Access)

MUSA是一种基于复数域多元码的上行非正交多址接入技术，适合免调度的多用户共享接入方案，非常适合低成本、低功耗实现5G海量连接。

MUSA原理框图如图1所示。首先，各接入用户使用易于SIC接收机的、具有低互相关的复数域多元码序列将其调制符号进行扩展；然后，各用户扩展后的符号可以在相同的时频资源里发送。最后；接收侧使用线性处理加上码块级SIC来分离各用户的信息。

扩展序列会直接影响MUSA的性能和接收机复杂度，是MUSA的关键部分。如果像传统DS-CDMA（如IS-95标准）那样使用很长的PN（Pseudo-Noise）序列，那序列之间的低相关性是比较容易保证的，而且可以为系统提供一个软容量，即允许同时接入的用户数量（即序列数量）大于序列长度，这时系统相当于工作在过载的状态。下面把同时接入的用户数与序列长度的比值称为负载率，负载率大于1通常称为“过载”。

图1 MUSA上行接入方案

长PN序列虽然可以提供一定的软容量（即一定的过载率），但是在5G海量连接这样的系统需求下，系统过载率往往是比较大的，在大过载率的情况下，采用长PN序列所导致的SIC过程是非常复杂和低效的。

MUSA上行使用特别的复数域多元码（序列）来作为扩展序列，此类序列即使很短时（如长度为8，甚至4时），也能保持相对较低的互相关。例如，其中一类MUSA复数扩展序列，其序列中每一个复数的实部虚部取值于一个多元实数集合。甚至一种非常简单的MUSA扩展序列，其元素的实部虚部取值于一个简单三元集合{-1,0,1}，也能取得相当优秀的性能。该简单序列中元素相应的星座图如图2所示。

正因为MUSA复数域多元码的优异特性，再结合先进的SIC接收机，MUSA可以支持相当多的用户在相同的时频资源上共享接入。值得指出的是，这些大量共享接入的用户都可以通过随机选取扩展序列，然后将其调制符号扩展到相同时频资源的方式来实现。从而MUSA可以让大量共享接入的用户想发就发，不发就深度睡眠，而并不需要每个接入用户先通过资源申请、调度、确认等复杂的控制过程才能接入。这个免调度过程在海量连接场景尤为重要，能极大减轻系统的信令开销和实现难度。同时，MUSA可以放宽甚至免除严格的上行同步过程，只需要实施简单的下行同步。最后，存在远近效应时，MUSA还能利用不同用户到达SNR的差异来提高SIC分离用户数据的性能。即也能如传统功率域NOMA那样，将“远近问题”转化为“远近增益”。从另一角度看，这样可以减轻甚至免除严格的闭环功控过程。所有这些为低成本低功耗实现海量连接提供了坚实的基础。

图2 三元复序列元素星座图

上面从5G海量连接的角度对比了MUSA和传统CDMA技术，下面同样地从5G海量连接的角度看MUSA和传统功率域非正交接入（NOMA）的一些比较：首先，NOMA不需要扩频，而MUSA上行非正交扩频即使实部和虚部都限制在最简单的3值集合{-1,0, 1}，也可以有足够多的低互相关码，如果放宽条件，则更多。而两者都使用干扰消除技术，但NOMA不适合免调度场景，MUSA适合免调度场景（利用随机性和码域维度）。最后，在免调度场景下，NOMA的分集增益不如MUSA。

3 MUSA蒙特卡罗仿真

本仿真通过对低成本、低功耗海量连接系统的一些主要特征如免调度、免功控、高过载率等进行抽象建模，来定量评估MUSA上行接入的性能。其中，MUSA采用的复数扩展序列的实部与虚部的取值均来自于三元集合{-1,0,1}。另外，关于过载率的定义，例如，对于L长的扩展序列，300%的过载率意味着有3L个用户在相同的时频资源上共享接入，如果L等于4，那么有12个用户在相同的时频资源上共享接入。

图3给出了MUSA在AWGN信道、1Tx1Rx天线配置、不同序列长度时的用户过载性能。其中，每个用户采用1/2码率的LTETurbo编码和QPSK调制，每个用户随机选取复数扩展序列来模拟免调度接入，通过控制各个用户的SNR在4～20dB范围内均匀分布来模拟没有严格闭环功率控制时同时接入用户的信道差异，接收机按照MMSE-SIC算法进行接收检测。从图3的仿真结果可以看出，对于平均BLER不超过1%，MUSA采用长度为4、8、16的复数扩展序列分别可以实现225%、300%、350%的用户过载，这意味着MUSA相对于正交接入系统可以在BLER=1%的工作点上支持更多的用户在相同的时频资源上共享接入。

图3 MUSA在AWGN信道、1Tx1Rx、不同序列长度时的用户过载性能

MUSA还可以通过结合OFDMA来实现多个接入用户在相同的时频资源上共享接入。图4给出了MUSA在ITUUMa信道、1Tx2Rx天线配置、不同SNR分布时的用户过载性能。其中，各个用户使用相同的6 个PRB，复数扩展序列长度为4，通过在发射端控制每个用户的调制符号的SNR来验证MUSA在不同SNR分布时的用户过载性能（4种典型的SNR分布包括：各个用户的SNR均为10dB、各个用户的SNR均为20dB、各个用户的SNR最大差值为6dB、各个用户的SNR最大差值为12dB），接收机信道估计为基于LTE导频的理想信道估计，其他仿真假设与上述AWGN信道下的仿真假设相同。从图4的仿真结果可以看出，对于采用长度为4的复数扩展序列，接收机采用2个天线接收可以显著提升MUSA的用户过载性能，即使在各个用户的SNR相同的情况下，MUSA也可以在平均BLER= 1%的工作点上支持450%左右的用户过载，而当各个用户的SNR不同时，MUSA可以实现500%甚至600%的用户过载。

图4 MUSA在ITUUMa信道、1TxRx、不同SNR分布时的用户过载性能

4 结束语

本文首先分析了5G场景对多址接入技术的新需求，然后结合5G需求对比分析了正交与非正交多址接入方式，并从分析中启发出设计思路。经过前面的需求分析、理论启发，本文进一步详细介绍了面向5G IoT低成本海量连接的MUSA多用户共享接入技术。

从分析和仿真结果可以看出，MUSA通过创新设计的复数域多元码以及基于串行干扰消除（SIC）的先进多用户检测，相较于4G接入技术，可以让系统在相同时频资源下支持数倍用户的接入，并且可以免除资源调度过程，简化同步、功控等过程，从而能大大简化终端的实现，降低终端的能耗，特别适合作为未来5G海量接入的解决方案。

参考文献

1 3 GPP TS36.213.3rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved-UniversalTerrestrialRadio Access(E-UTRA);Physical Layer Procedures

2 David Tse and Pramod Viswanath.Fundamentals of Wireless Communication.Cambridge University Press.2005

Multi-User SharedAccess for 5G Wireless Networks

The future of the 5G wireless communication system,a huge number of connections(MMC,massive machine communication)is one of the most important scene.The use of low cost,low power consumption to achieve the terminal mass connection is a major challenge faced is the key.This paper presents a new non orthogonal access scheme:multi user shared access(MUSA,multi-user shared access).MUSA is a complex domain relatively short code(sequence)based on multiple non orthogonal multiple access scheme,can work efficiently in the"upstream access mode free scheduling", and other processes can further simplify the uplink access,especially suitable for low cost,low power consumption to achieve massive connection.

massive machine communication(MMC),non-orthogonal multiple access(NOMA),multi-user shared access (MUSA),grant-freeaccess

2015-05-06）