柏 亮，劉翔舸
（中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司電子科學(xué)研究院，北京 100041）
0 引 言
毫米波通信作為一種高頻率、大帶寬、小波長(zhǎng)的通信技術(shù)，可以利用空間維度，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的天線陣列和波束成形技術(shù)，提高頻譜效率和空間復(fù)用性[1-2]。然而，在6G 網(wǎng)絡(luò)中，多用戶接入的需求都將更加突出，同時(shí)資源的稀缺性和競(jìng)爭(zhēng)性也將更加嚴(yán)峻[3]。本文的目的是探索毫米波通信在6G 網(wǎng)絡(luò)中的多用戶共享接入（Multi-User Shared Access，MUSA）技術(shù)優(yōu)化問(wèn)題，提出一些有效的優(yōu)化策略，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
1 相關(guān)概述
1.1 毫米波通信介紹
毫米波通信是利用毫米波作為載波進(jìn)行無(wú)線通信的技術(shù)。毫米波是指波長(zhǎng)在1 ～10 mm 的電磁波，對(duì)應(yīng)的頻率范圍為30 ～300 GHz。毫米波通信的基本原理是在發(fā)送端使用毫米波天線將信息轉(zhuǎn)化為電磁波信號(hào)，通過(guò)毫米波頻段進(jìn)行傳輸，接收端采用毫米波天線接收信號(hào)并解碼恢復(fù)原始信息[4]。
1.2 6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與特點(diǎn)
6G 網(wǎng)絡(luò)是指第六代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，跨越人聯(lián)、物聯(lián)，邁向萬(wàn)物智聯(lián)的更先進(jìn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)。6G網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)設(shè)計(jì)需要面向“新網(wǎng)絡(luò)、新服務(wù)、新生態(tài)”，打破傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)邊界，實(shí)現(xiàn)空天地海一體化的全球覆蓋，集成通信、感知、計(jì)算、智能等多種能力，構(gòu)建數(shù)字孿生的網(wǎng)絡(luò)模型，支持泛在連接、泛在感知、泛在智能的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景[5]。6G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)需求包括新型空口技術(shù)、新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、新型網(wǎng)絡(luò)功能以及新型網(wǎng)絡(luò)安全等，架構(gòu)示意如圖1 所示。
圖1 6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
2 多用戶接入技術(shù)優(yōu)化的需求
2.1 6G 網(wǎng)絡(luò)中的多用戶接入挑戰(zhàn)
6G 網(wǎng)絡(luò)的愿景是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物智聯(lián)，打造一個(gè)分布式的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，集通信、感知、計(jì)算等能力于一身。要實(shí)現(xiàn)6G 網(wǎng)絡(luò)的愿景，多用戶接入技術(shù)面臨著兩方面的挑戰(zhàn)：一是用戶數(shù)量和多樣性的增加，要求多用戶接入技術(shù)能夠提供高效的資源分配、靈活的服務(wù)定制、智能的用戶管理等功能，滿足不同用戶的個(gè)性化需求和服務(wù)質(zhì)量保障；二是頻譜資源的緊張，高頻段的頻譜資源面臨著有限的可用性、高的傳播損耗、復(fù)雜的信道特性等問(wèn)題。
2.2 高密度用戶場(chǎng)景下的多用戶接入需求
高密度用戶場(chǎng)景是指在一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域內(nèi)，有大量的用戶同時(shí)接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。高密度用戶場(chǎng)景下的多用戶接入需求有高容量和高速率、高效率和公平性、高可靠性和低時(shí)延[6]。因此，多用戶接入技術(shù)需要提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延，保證數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸。
3 毫米波多用戶接入技術(shù)的優(yōu)化策略
3.1 MU-MIMO 技術(shù)
多用戶多入多出（Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，MU-MIMO）技術(shù)是指在無(wú)線通信系統(tǒng)中，一個(gè)基站（Base Station，BS）可以同時(shí)與多個(gè)移動(dòng)用戶終端（User Equipment，UE）進(jìn)行空間復(fù)用，提高系統(tǒng)的頻譜效率和用戶容量。MU-MIMO 技術(shù)可以分為下行MUMIMO 和上行MU-MIMO，分別對(duì)應(yīng)BS 向多個(gè)UE 發(fā)送數(shù)據(jù)和多個(gè)UE 向BS 發(fā)送數(shù)據(jù)的場(chǎng)景。MU-MIMO 技術(shù)的核心是在有限的時(shí)頻資源上，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶的空間復(fù)用。在BS和UE之間進(jìn)行空時(shí)信號(hào)處理，包括預(yù)編碼、信道估計(jì)、用戶調(diào)度、功率分配等環(huán)節(jié)。
3.2 非正交多址接入技術(shù)
非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技術(shù)是指在一個(gè)基本的通信資源塊上，允許多個(gè)用戶以非正交的方式共享資源，提高系統(tǒng)的頻譜效率和用戶公平性。資源分配與功率控制是NOMA 技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目標(biāo)是在滿足用戶服務(wù)質(zhì)量要求的前提下，最大化系統(tǒng)的性能指標(biāo)。
3.3 基于NOMA 的免調(diào)度多用戶共享接入技術(shù)
鑒于此，本文提出一種融合技術(shù)方案，即基于NOMA 的免調(diào)度MUSA 技術(shù)。該技術(shù)利用NOMA 的特點(diǎn)，在一個(gè)時(shí)間頻率資源塊上，采用非正交的方式將多個(gè)用戶的信號(hào)疊加在一起傳輸。與傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)相比，NOMA 可以提高系統(tǒng)的頻譜效率和用戶容量，同時(shí)滿足多種性能，即專(zhuān)業(yè)的資源分配。根據(jù)用戶的需求和網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況，動(dòng)態(tài)地分配時(shí)間、頻率以及碼率等通信資源；基于用戶優(yōu)先級(jí)的資源分配算法，將更多的資源分配給具有較高優(yōu)先級(jí)的用戶；利用多天線技術(shù)，如Massive MIMO，通過(guò)在基站端部署大量的天線，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)用戶進(jìn)行空間復(fù)用，在各個(gè)用戶之間進(jìn)行干擾管理和信道估計(jì)，提高系統(tǒng)的杰出性能。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析
4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置和仿真模型
采用一種基于NOMA 的免調(diào)度MUSA 技術(shù)，提高上行傳輸?shù)南到y(tǒng)容量和頻譜效率。該技術(shù)允許多個(gè)UE 在同一資源塊上同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，利用高級(jí)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)多用戶檢測(cè)和譯碼。為評(píng)估技術(shù)性能，建立了一個(gè)基于蒙特卡羅仿真的系統(tǒng)模型，如表1 所示。
表1 系統(tǒng)模型
系統(tǒng)模型包括以下幾個(gè)部分。一是發(fā)射端，假設(shè)有K個(gè)UE 同時(shí)在同一資源塊上進(jìn)行上行傳輸，每個(gè)UE 的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼、調(diào)制、符號(hào)級(jí)擴(kuò)展以及資源映射等處理后，形成一個(gè)長(zhǎng)度為N的復(fù)數(shù)序列xk，其中k=1,2,…,K。每個(gè)UE 的擴(kuò)展序列由一個(gè)短復(fù)數(shù)序列ck和一個(gè)擴(kuò)展因子ek組成，即xk=ck⊗ek，其中⊗表示循環(huán)卷積。每個(gè)UE 的擴(kuò)展因子不同，以便在接收端進(jìn)行用戶識(shí)別和檢測(cè)。二是信道，假設(shè)信道為加性高斯白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN）信道，即y=hkxk+n，其中y是接收信號(hào)，hk是第k個(gè)UE 的信道系數(shù)，為復(fù)數(shù)常數(shù)，n是均值為零、方差為σ2的復(fù)高斯噪聲。三是接收端，接收端采用基于干擾消除（Interference Cancelation，IC）和最小均方誤差（Minimum Mean Square Error，MMSE）的聯(lián)合檢測(cè)算法，按照信干比（Signal to Interference Ratio，SIR）從高到低的順序依次檢測(cè)和消除各個(gè)UE的信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)所有UE 的成功譯碼。
4.2 多用戶接入性能指標(biāo)評(píng)估結(jié)果
為了評(píng)估所提出的免調(diào)度MUSA 技術(shù)的性能，本文選取了幾個(gè)性能指標(biāo)，即系統(tǒng)誤比特率、系統(tǒng)吞吐量以及系統(tǒng)接入概率進(jìn)行仿真分析。同時(shí)，分別考慮了不同的系統(tǒng)參數(shù)對(duì)上述性能指標(biāo)的影響，仿真結(jié)果如表2 ～4 所示。
表2 不同UE 數(shù)量下的系統(tǒng)性能
表2 顯示，當(dāng)UE 數(shù)量增加時(shí)，系統(tǒng)的誤比特率和吞吐量都隨之增加，而接入概率則隨之降低。由于UE 數(shù)量的增加導(dǎo)致了信道的復(fù)用度提高，不僅提高了系統(tǒng)的頻譜效率，也增加了信道的干擾，降低了系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量和接入能力。不同擴(kuò)展因子下的系統(tǒng)性能如表3 所示。
表3 不同擴(kuò)展因子下的系統(tǒng)性能
表3 顯示，當(dāng)擴(kuò)展因子增加時(shí)，系統(tǒng)的誤比特率和吞吐量都隨之降低，而接入概率則隨之增加。擴(kuò)展因子的增加會(huì)迫使每個(gè)UE 的擴(kuò)展序列長(zhǎng)度增加，降低了每個(gè)UE 的擴(kuò)展序列的正交性，有效增加了系統(tǒng)的檢測(cè)誤差和接入失敗的概率。不同信噪比（Signal-Noise Radio，SNR）下的系統(tǒng)性能如表4 所示。
表4 不同SNR 下的系統(tǒng)性能
表4顯示，當(dāng)SNR增加時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量隨之增加，而接入概率也隨之增加。這是因?yàn)镾NR 的增加導(dǎo)致信道的噪聲水平降低，不僅提高了系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量和接入能力，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的傳輸效率。
4.3 不同優(yōu)化策略的性能對(duì)比與分析
為了進(jìn)一步提高所提出的免調(diào)度MUSA 技術(shù)的性能，本文考慮了動(dòng)態(tài)擴(kuò)展因子分配、動(dòng)態(tài)檢測(cè)順序調(diào)整、動(dòng)態(tài)功率控制3 種優(yōu)化策略，并與原始方案進(jìn)行了性能對(duì)比和分析，具體如表5 所示。
表5 不同優(yōu)化策略下的系統(tǒng)性能
從表5 看出，相比于原始方案，3 種優(yōu)化策略都可以有效增加系統(tǒng)的吞吐量和接入概率，其中動(dòng)態(tài)功率控制的效果最好，動(dòng)態(tài)擴(kuò)展因子分配次之，動(dòng)態(tài)檢測(cè)順序調(diào)整最差。進(jìn)一步表明動(dòng)態(tài)功率控制可以直接改善信道的條件，而動(dòng)態(tài)擴(kuò)展因子分配和動(dòng)態(tài)檢測(cè)順序調(diào)整只是在給定的信道條件下進(jìn)行優(yōu)化，因此效果有限。
5 結(jié) 論
本文分析了基站間協(xié)作的多小區(qū)毫米波NOMA網(wǎng)絡(luò)的性能，考慮了用戶的信道狀態(tài)信息反饋誤差、用戶的譯碼次序錯(cuò)誤和基站間的信道不完美等因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響。仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性，證實(shí)了協(xié)作多點(diǎn)傳輸技術(shù)的應(yīng)用對(duì)邊緣用戶性能的提升，驗(yàn)證了在基站間協(xié)作的多小區(qū)毫米波通信網(wǎng)絡(luò)中NOMA 機(jī)制的優(yōu)越性。
