MUSA:面向5G IoT的免调度高过载接入方案

袁志锋 中兴通讯股份有限公司技术预研高级工程师

曹伟 中兴通讯股份有限公司技术预研高级工程师

黄伟芳 中兴通讯股份有限公司技术预研高级工程师

田力 中兴通讯股份有限公司算法工程师

MUSA:面向5G IoT的免调度高过载接入方案

袁志锋 中兴通讯股份有限公司技术预研高级工程师

曹伟 中兴通讯股份有限公司技术预研高级工程师

黄伟芳 中兴通讯股份有限公司技术预研高级工程师

田力 中兴通讯股份有限公司算法工程师

对面向5G物联网的免调度高过载多址接入技术MUSA的原理和参加我国5G技术研发试验第一阶段测试情况进行了介绍，并分析了免调度高过载多址接入技术的一些热点问题。

5G；IoT物联网；MUSA（Multi-User Shared Access）；非正交接入；免调度接入；高过载；复数域多元码

1 引言

未来5G丰富的应用场景经过抽象分为两大类，一类是移动宽带接入，还有一类是物与物连接进而发展的物联网（IoT，InternetofThings），其中IoT又分为两大类，一类是低数据速率，但具有海量节点的海量机器类通信（mMTC）；另一类是超高可靠低时延连接场景（uRLLC）。

其中，5GmMTC场景中，终端节点数量特别巨大：100万Device/km2，势必要求节点的成本很低，功耗很低。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，是通过严格的接入流程和控制来达到这一目的的。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。

映射到技术层面上，非正交和免调度这两项技术能很好地满足上述需求。在低传输速率下非正交接入相对正交接入能有更高的节点“过载率”，相同频谱下可以支持更多的接入；而免调度接入方式下，只有当用户需要发送数据时才进入激活状态并发送数据，不发送数据时即进入休眠状态，这样能简化物理层设计和流程，节省信令开销，降低节点功耗和成本。非正交和免调度结合在一起，可以很好的解决链接密度、信令开销、终端复杂度以及功耗问题。最终低成本、低功耗、高谱效地实现5GmMTC。

另一方面，在5GuRLLC场景中，免调度接入能免去整个接入流程，是实现超低时延接入的一个重要方向。其中，对于周期的uRLLC业务，传统的基于半静态周期性资源预留的正交接入方式（SPS）可以视为是一种高效的免动态调度、低时延接入方式。与业务发生周期匹配的周期预留资源既可以保证高效的资源利用率；而各用户独占资源，没有用户间干扰，性能相对又有保证。当然，要达到uRLLC的超高可靠需求，还往往需要结合其他提高可靠性的技术。

而对于事件触发的uRLLC业务，传统周期性预留的正交资源往往得不到充分利用：预留正交资源的周期越长，预留资源利用率越高，但终端接入需要等待的平均时间越长，越难保证超低时延需求；相反，预留正交资源的周期越短，终端接入需要等待的平均时间越短，越容易保证超低时延需求，但预留资源的空置率就会越高，利用率越低。为了提高周期预留资源的利用率，一个自然的方法是让一份资源预留给多个具有事件触发业务的用户共享使用，这样资源的空置率大为减少，但会面临多个用户在这份资源上同时接入，也即多个用户间碰撞在一起的情况，这对可靠性是一个严峻的挑战。一种解决碰撞的办法是：用户数据是先通

过低互相关的扩展码扩展，然后再共享资源，那即使碰撞在一起，也可以通过扩展码的低互相关性来保证多用户检测性能。当然，用户数据经过序列扩展后必然需要占用更多的资源，准确地说，扩展序列L长，为了容纳扩展后的信息，则面向扩展的预留资源池子就要变大L倍。如果通过优化的低互相关序列，用相对于不扩展预留方式L倍的资源，可以支持相对于不扩展预留方式的K×L倍的用户，则可以说取得K倍过载率。也就是说预留的非正交码域扩展，有潜力在保证低时延接入的同时，还能数倍提高系统谱效，这对事件触发的uRLLC业务是非常值得关注的优点。当然，接收机的时延和复杂度是面向uRLLC的非正交码域扩展的主要问题，下面结合MUSA的设计，会进一步讨论。

2 5G新多址标准化进展

目前，新多址技术在3GPP5GNR标准中讨论较为激烈，共有15种非正交多址接入候选方案。虽然方案很多，但这些方案都具有一些共性，例如在发射端都采用MA签名（如扩频码/扩频序列、交织器、低速率编码器、前导/导频等）来区分用户，而在接收端通常采用先进的多用户检测对叠加在同一时频资源上的多用户数据解调和译码。

针对多址技术的讨论主要是面向mMTC场景，并强调海量连接下新多址技术需要支持免调度接入，从而降低开销和接入延迟。对于免调度，标准中达成共识的有两种选择：

（1）UE可以自发地从资源池里随机挑选使用，这里所说的资源包括时频资源和MA签名。

（2）UE所用的资源可以通过预先分配的方式由eNB指定，如半静态调度等。对于免调度接入来说，资源碰撞是比较关键的问题，目前大多数非正交多址方案都只能暂时解决扩频码/扩频序列/交织器的碰撞问题，而对于前导或导频的碰撞还没有合适的解决方案。

目前为止，在NR第一阶段的讨论中，大多数方案都进行了链路级和系统级的仿真评估，基于目前的仿真假设、评估场景和仿真结果，初步结论如下：

（1）在特定评估场景中，基于理想和实际信道估计的非正交方案在总链路吞吐率和过载能力方面的较正交方案有明显增益。

（2）通过窄带或重复的方式，一些非正交方案可以满足NR的覆盖要求。

（3）与基准的免调度正交多址接入相比，免调度非正交多址方案（部分基于理想信道估计）可以提供较为明显的系统容量增益，例如给定丢包率的情况下可以支持更高的包到达率。

此外，标准中通过了两种推荐的物理层抽象方法，分别适用于ML类接收机和MMSE-SIC/PIC类接收机。

3 MUSA方案及测试结果

3.1 MUSA方案

MUSA是面向5G物联网的新型多址技术。MUSA本质是基于非正交码域扩展的接入技术，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，并且可以支持真正的免调度接入，免除资源调度过程，并简化同步、功控等过程，从而能极大节省系统信令开销，减少接入时延，简化终端的实现、降低终端的能耗，特别适合作为未来5G物联网的解决方案。

MUSA原理框图如图1所示。首先，有数据接入需求的终端会从睡眠状态转换到激活状态，并使用易于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码域扩展方案的性能和接收机复杂度，是码域扩展方案的关键。如果像传统DS-CDMA（如IS-95标准）那样使用很长的伪随机序列（PN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（也即序列数量）大于序列长度，这时系统相当于工作在过载的状态。本文把同时接入的用户数与序列长度的比值称为负载率，当负载率大于1时通常称为“过载”。

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5GmMTC这样的系统需求下，系统过载率往往是比较大的，而在大过载率的情况下，采用长PN序列所导致的SIC过程是非常复杂和冗长的。在uRLLC场景，虽然过载率暂时没有明确要求，但即使低

负载下，长PN序列扩展导致的接收机的复杂度和时延，也是uRLLC场景的一个主要矛盾。进一步，发射侧信息时频展开太多，也增加终端发射的复杂度。

图1 MUSA原理框图

而如果短的序列，通过优化设计，也能达到接近长序列的高过载率的话，那从收/发复杂度考量，使用这样的短序列更合适。

经过仔细评估，传统PN序列缩短后用户过载率下降还是比较快的，这是因为传统PN序列是二元实序列，序列缩短后，随机产生的序列集合的低互相关性难以保证。

MUSA使用复数域多元码（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mMTC和uRLLC两个场景都很重要，能极大降低系统的信令开销、接入时延和实现难度。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。所有这些优良特性，都为实现mMTC和uRLLC提供坚实的基础。

3.2 测试介绍

基于MUSA的特性，设计了两个测试用例，分别测试了大连接能力和免调度性能，具体说明如表1所示。

测试配置为1个基站，16个UE，测试环境及测试网络拓扑图如图3所示。

3.3 测试结果

测试例1：大连接能力测试

上行使用MUSA技术，测试中最多12个UE占用频域180KHz带宽，时域4ms传输了12个UE的数据，每个UE传输1个TB。此时12个UE分成3组，分别模拟远中近用户组，

达到300%过载时，BLER＜1%。具体结果如表2所示。

图2 三元复序列元素星座图

表1 大连接能力和免调度性能

测试例2：上行免调度性能测试

12UE随机选择扩展码，无碰撞，即12个UE各自选择到不同的扩展码。1min统计平均数据如表3所示。

12UE随机选择扩展码，组间碰撞，即12个UE分成3组（每组4个，模拟正常部署中远中近效应），不同组的多个用户选择到了相同的扩展码（用户4、9为碰撞用户）。1min统计平均数据如表4所示。

12UE随机选择扩展码，组内碰撞，即12个UE分成3组（每组4个，模拟正常部署中远中近效应），同1组内的多个用户选择到了相同的扩展码（用户1、2、5、10为碰撞用户）。1min统计平均数据如表5所示。

如上结果所示，MUSA可以支持12UE的随机换码，换码时可能出现如下3种情形：

表2 大连接能力测试

（1）无碰撞，即12个UE各自选择到不同的扩展码，此时12个UE各项性能稳定优良。

图3 测试环境及测试网络拓扑图

表3 上行免调度性能测试（1)

表4 上行免调度性能测试（2）

表5 上行免调度性能测试（3）

（2）组间碰撞，即12个UE分成3组（每组4个，模拟正常部署中远中近效应），不同组的多个用户选择到了相同的扩展码。此时，MUSA充分利用了功率域的分集增益，SIC接收机仍能保证较好的BLER性能。

（3）组内碰撞，即12个UE分成3组（每组4个，模拟正常部署中远中近效应），同1组内的多个用户选择到了相同的扩展码，此时碰撞用户的性能会有所下降。由于MUSA复值扩展码数量较多，本项测试中使用了156个码字资源池，发生组内碰撞的概率很小，本子项测试为应现场专家要求演示极端情况。实际部署中即使发生组内碰撞，通过重传时再次随机选码即可有效解决，因而对系统的整体性能影响很小。

综上所述，本测试项验证了MUSA的短复值扩展码能够很好地支持大连接+免调度应用场景。在随机选码发生组间碰撞时，利用功率域的分集增益仍能容忍此类碰撞，性能稳定良好。

4 结束语

传统正交多址对于5G物联网的支持捉襟见肘，因而面向5G物联网的新多址技术是目前5G标准化的热点之一。MUSA通过低互相关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，可以支持真正的免调度高过载接入，特别适合作为未来5G物联网的解决方案。

[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）