面向mMIMO系统的模式分割随机接入方案

戴晓明，庞立卓，常争，张馨月，邢怡然，王曦元

专题：6G无线传输技术

面向mMIMO系统的模式分割随机接入方案

戴晓明1，庞立卓1，常争1，张馨月1，邢怡然1，王曦元2

（1. 北京科技大学计算机与通信工程学院，北京 100083；2. 北京信息科技大学信息与通信工程学院，北京 100083）

为提升海量机器类通信（massive machine-type communication，mMTC）设备的随机接入（random access，RA）性能，提出一种面向大规模多输入多输出（massive multiple-input multiple-output，mMIMO）系统的模式分割随机接入（pattern division random access，PDRA）方案。该方案将导频竞争空间扩展到模式域，通过叠加同一ZC（Zadoff-Chu）根序列的个不同循环移位序列，设计基于“图样叠加”的模式域导频，在不增加物理资源的前提下扩大导频集合。仿真结果表明，在不影响信道估计和数据检测性能的前提下，与传统RA方案相比，PDRA方案能够显著降低导频碰撞概率，提高接入成功率。

海量机器类通信；多输入多输出；随机接入；模式分割随机接入；模式域

0 引言

物联网（Internet of things，IoT）技术可实现任意时间、任意地点、任意对象的“万物互联”，机器类通信（machine-type communication，MTC）作为IoT的关键技术之一，可实现设备间的自主通信[1-2]，受到学术界和工业界的广泛关注。海量机器类通信（massive machine-type communication，mMTC）主要应用在智慧城市、智能家居、智慧工业、智慧农业、环境监测等连接需求大的IoT业务上。与连接用户少、传输数据量大、传输速率要求高的人与人（human to human，H2H）通信不同，mMTC业务场景主要具有以下特点。

●高连接数密度。根据第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）标准，mMTC场景应支持的连接数密度为100万设备/km2[3]，甚至1 000万设备/km2。

●短数据包业务。国际电信联盟（International Telecommunications Union，ITU）认为mMTC场景下的数据包通常比较短，一般不超过1 000 byte。

●零星式设备激活具有较强的偶发性和稀疏性[4]。

●终端设备低成本、低功耗。3GPP要求终端设备的电池寿命应达到10年以上[4]。

●多样化、差异化的业务类型。mMTC应用的多样性使其对底层通信要求更高。

目前，mMTC场景的各类新需求和新挑战给现有网络架构带来诸多问题，特别地，对于mMTC场景高达千万的空闲用户、上万的同时活跃用户、短分组数据发送以及低能耗限制的业务特征，传统随机接入（random access，RA）面临着巨大挑战。RA是用户设备与网络建立连接的关键过程，长期演进（long term evolution，LTE）技术标准中，RA采用基于授权的随机接入（grant-based random access，GBRA）方案，需要在基站（base station，BS）和用户设备（user equipment，UE）间通过4次握手进行信令交互以完成接入，而复杂的交互过程会引入较大的时延。在mMTC场景中，RA资源有限，大量MTC设备同时向BS进行RA尝试会造成物理随机接入信道（physical random access channel，PRACH）拥塞[5]和严重的导频碰撞问题，进而使各类接入指标严重退化，如设备接入时延增加、数据包丢失甚至网络瘫痪。因此，有限的导频资源严重制约了传统LTE标准中GBRA方法的接入能力。

针对RA资源稀缺问题，业界提出了多种改善方案[6-9]。在过载控制方面，3GPP提出了接入等级限制（access class barring，ACB）方案[6]，该方案通过系统消息2（system information block 2，SIB2）向所有MTC设备广播ACB参数，BS可以临时限制优先级较低的设备接入或根据负载量动态调整限制因子降低设备接入PRACH的概率，以控制MTC设备数量，避免网络过载[7]。在导频资源扩展方面，文献[8]提出基于码扩展的RA方案，该方案中每个设备跨越多个连续随机接入时隙并传输多个前导序列。文献[9]进一步推导了基于码扩展的RA方案的单次接入成功概率，分析得到在有效扩展前导序列资源池之后，制约基于码扩展的RA机制的接入成功率的关键因素不再是前导序列资源池规模，而是BS可分配物理上行共享信道（physical uplink shared channel，PUSCH）个数。此外，在碰撞解决方面，文献[10]将连接请求消息中包含的参考导频信号正交化，采用多天线技术对多个请求消息进行解调，但正交参考导频有限，不适用于碰撞数量过多的情况。文献[11]提出了部署缓存器发生缓存碰撞的连接请求信息，采取子帧间串行干扰消除（successive interference cancellation，SIC）解调，但其也仅适用于导频碰撞较少的情况。虽然传统GBRA可采用过载控制、碰撞解决等新机制进行改良，但这些增强型GBRA方法往往引入了复杂的信令交互过程，不适用于mMTC RA场景。因此，亟须突破LTE框架下的GBRA模式，设计适用于mMTC场景下的新型大规模RA方案。

大规模多输入多输出（massive multiple-input multiple-output，mMIMO）技术作为支持下一代无线通信数据高吞吐量的关键技术之一，通过在BS处部署大量天线可以提供足够的空间自由度，以支持海量设备连接，同时提高空间分集增益，适用于mMTC场景。文献[12-14]利用mMIMO系统的空间自由度支持mMTC设备的接入，提出免授权随机接入（grant-free random access，GFRA）方案，与GBRA相比，GFRA免去了复杂的初始握手协议，无须经过BS授权，即可直接在相同的时频资源块上进行数据传输。文献[15-17]折中了GBRA和GFRA两种方案，提出半免授权随机接入（semi-grant-free random access，SGFRA）方案，利用非正交技术辅助大规模随机接入，如功率域非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）、稀疏码分多址接入（sparse code multiple access，SCMA）、图样分割多址接入（pattern division multiple access，PDMA）以及多用户共享接入（multi-user shared access，MUSA）等随机多址接入方法，使基于GBRA的用户保留的信道可以由基于GFRA的用户共享，同时提高连通性和频谱效率，但其相较于GFRA有额外的控制开销。文献[18]提出随机多址码的概念，即全网用户统一码本并不区分用户标识，分析大规模随机接入的系统性能上界，即Polyanskiy界。

1 系统模型

图1 GFRA两阶段传输结构

2 模式分割随机接入

2.1 ZC序列导频构造

ZC序列是一种恒包络零自相关（constant amplitude zero auto-correlation，CAZAC）序列，定义为：

2.2 模式域导频构造

2.3 PDRA成功概率分析

图2 导频集合图解

证毕。

其中，第二个等号右侧第二项对应选择了不同根序列的UE，第三项对应选择了相同根序列的UE，由于无碰撞情况下同一根序列的模式导频之间正交，式（16）可以进一步表示为：

基于MF接收机，结合式（2）可得到UE1的数据符号。

UE1的SINR表示为：

将式（17）代入式（19）得：

其中，推导过程中不包含的部分在趋于无穷时被忽略。

3 仿真结果

图3 蜂窝小区

表1 蜂窝小区内随机接入仿真参数

图4 PMF仿真值与理论值随根序列数变化曲线（NSS=32，=5 dB，PA=0.15%）

图5 空间不相关瑞利衰落信道下的PMF随根序列数变化曲线（M=256，=4 dB，PA=0.1%）

图6 空间不相关瑞利衰落信道下的PMF随根序列数变化曲线（M=256，=4 dB，PA=0.15%）

图7 PS随激活用户数变化曲线（NSS=32）

图8 空间相关瑞利衰落信道下的PMF曲线（=0.6，=4 dB，PA=0.15%）

图9 空间相关瑞利衰落信道下的PMF曲线（,, PA=0.15%）

4 结束语

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[2] HU R Q, QIAN Y, CHEN H H, et al. Recent progress in machine-to-machine communications[Guest editorial][J]. IEEE Communications Magazine, 2011, 49(4): 24-26.

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[4] 3GPP. IMT 2020 self evaluation: mMTC coverage, data rate, latency & battery life: R1-1905187[S]. 2019.

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Pattern division random access (PDRA) scheme for mMIMO systems

DAI Xiaoming1, PANG Lizhuo1, CHANG Zheng1, ZHANG Xinyue1, XING Yiran1, WANG Xiyuan2

1. School of Computer and Communication Engineering, University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China 2. School of Information and Communication Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100083, China

To enhance the massive machine-type communications (mMTC) random access (RA) performance, a pattern division random access (PDRA) scheme was proposed for massive multiple-input multiple-output (mMIMO) systems. In this scheme, the pilot contention space was expanded to the pattern-domain. To enlarge the size of contention space without resorting to increasing the physical resources, the pattern-domain pilot was constructed based on the superposition ofcyclically-shifted Zadoff-Chu (ZC) sequences. Simulation results illustrate that the PDRA scheme can reduce pilot collision probability significantly, and improve the access success probability compared with the conventional RA scheme, without compromising excessively on channel estimation and data detection performance.

mMTC, MIMO, random access, pattern division random access, pattern-domain

TN92

A

10.11959/j.issn.1000−0801.2022277

2022−08−22；

2022−10−14

国家自然科学基金资助项目（No.61871029）

The National Natural Science Foundation of China (No.61871029)

戴晓明（1973− ），男，博士，北京科技大学教授、博士生导师，主要研究方向为宽带无线通信、5G+/6G、人工智能、NOMA及大数据处理等。

庞立卓（2000− ），女，北京科技大学硕士生，主要研究方向为大规模多输入多输出系统、随机接入。

常争（2001− ），男，北京科技大学硕士生，主要研究方向为非正交多址接入。

张馨月（1999− ），女，北京科技大学硕士生，主要研究方向为随机接入、非正交多址接入。

邢怡然（1999− ），女，北京科技大学硕士生，主要研究方向为大规模多输入多输出系统、信号检测与估计。

王曦元（1981− ），男，博士，北京信息科技大学副教授，主要研究方向为无线通信、信息论和信号处理。