6G新型多址接入技术白皮书

6G新型多址接入技术白皮书 （2023年） 中国移动通信集团有限公司 编制单位：中移智库、中国移动通信研究院、中关村泛联移动通信技术创新应用研究院 前言 伴随着物联网技术的持续发展，物联网终端的种类、数量、性能要求也日趋丰富。未来6G海量连接、密集紧要连接、空天地一体以及大容量通信等场景，都对下一代移动通信网络中的多址接入技术提出了更高的挑战和要求。 本白皮书从6G多址接入新场景和需求出发，在分析总结该技术方向理论突破的基础上，列举了6G海量多址接入技术的潜在演进路线，并从性能、复杂度和可扩展性三个方面对不同技术路线的优劣势进行了分析，最后给出了未来6G多址接入技术优化的方向和需要考虑的工程实际问题。 本白皮书版权受法律保护，任何单位和个人转载、摘编、引用或其它方式使用本白皮书文字或者观点的，应注明来源。 目录 前言I 目录II 1.愿景需求和应用场景3 1.1.海量连接场景3 1.2.密集紧要连接场景5 1.3.空天地一体化场景6 1.4.大容量场景8 1.5.需求总结9 2.海量连接理论研究的近期突破12 2.1.海量高斯多址接入的理论性能13 2.2.海量瑞利多址接入的理论性能15 2.3.中断概率分析16 3.海量连接的多址接入技术18 3.1.稀疏IDMA+压缩感知18 3.2.BCH+FEC级联码22 3.3.压缩感知编码24 3.4.基于符号级的线性扩展和盲均衡25 4.技术路线筛选与实际设计考虑27 4.1.技术路线筛选27 4.2.优化方向28 4.3.实际设计考虑29 5.总结与展望31 参考文献32 缩略语列表35 1.愿景需求和应用场景 5G时代重点研究了三大场景，海量机器通信、超高可靠低时延通信和增强型移动宽带。海量机器通信需支持百万连接/平方公里，超高可靠低时延通信支持1ms的时延，可靠性达到99.999%。增强型移动宽带最大速率达到20Gbps(Gigabitspersecond，千兆比特每秒)。随着移动通信技术的发展，这些技术指标难以满足未来网络的需求，时代呼唤新的移动通信技术的出现。 随着移动通信系统的持续发展，6G（6thgeneration）将会支持新的场景和新需求，这也需要多址技术继续演进，以满足6G新场景的需求，例如进一步提升系统容量，提高连接密度，降低系统的功耗和成本，降低接入时延等[1][2]。本节将从以下4个场景初步分析新型多址接入技术的指标需求。 图1-1新型多址接入的四大应用场景 如图1-1所列，四大场景都对新型多址提出了不同的要求，需要解决的问题也不尽相同。其中的海量连接场景是未来物联网场景的延伸和扩展，随着物联网的极速发展，需要迫切解决一些技术难题，将是本白皮书最关注的场景。 1.1.海量连接场景 海量机器类通信（massiveMachineTypeCommunication,mMTC）是5G（5thgeneration）三大典型应用场景之一，面向2030年及未来，6G将在5G典型应用场景的基础上进行深化，进一步构建超大规模连接，扩展全新的应用领域和能力边界。 从终端数量来看，传统智能手机业务将保持稳定增长态势，同时随着物联网设备在个人消费、人工智能、智慧交通、智慧城市、智慧医疗、数字孪生等领域的应用，面向智能生活和面向工业生产的物联网终端设备有望呈现爆发式增长。根据IMT(InternationalMobileTelecommunications)-2030（6G）推进组预测，面向2030年商用的6G网络中将涌现出智能体交互、通信感知、普惠智能等新业务、新服务，预计连接密度将达到每平方公里一千万个连接或者更大的连接数[1]。 海量连接场景具有海量接入和零星活跃的特点，即潜在的接入终端数量巨大，但其中大部分终端仅产生零星的、突发的上报消息。6G超大规模连接设备的传输速率将从低到高不等，数据包的传递频次根据具体应用也存在较大差异，5GmMTC业务模型[3]给出的终端数据发送频率为1message/2hours/device，IMT-2030（6G）推进组提到了在超大规模连接场景中终端数据发送频率从一天一次到几毫秒一次不等[1]。 海量连接场景有着众多领域的应用，在不同的应用场景下，根据业务特征不同，终端设备进行数据发送的频率也会有所差异。这里以数据发送频率为1message/30seconds/device为例进行分析，结合每平方公里1千万的连接数，假设一个宏站可覆盖1平方公里的面积，那么可以估算出每个宏站需要在1毫秒的时 间内完成大约300个小数据包的接收。 如果采用5GNR（Newradio，新空口）中现有的4-step或2-step接入方式，等完成接入之后才进行数据传输，为每个突发、短暂的消息上报过程建立并维护通信链路，容易造成移动通信系统接入网的过载以及信令拥塞，从而导致终端接入时延增大，甚至服务中断，带来严重的时延和信令开销；另一方面，拥塞环境下终端可能需要尝试多次才能接入网络，也会显著增加消息上报的功耗，非常不利于低成本低功耗的物联网终端。因此，在设计6G中的接入技术时，为了能够支持海量连接场景，需要引入新型多址接入技术，简化接入过程，降低信令开销和终端功耗。 6G新型多址在海量连接场景需要解决和关注的问题，如何支持超多用户的随机接入(几十到几百)，低碰撞概率的导频设计，低复杂度且高性能的用户激活检测，高精度的多用户信道估计，能有效降低多用户干扰支持超多用户的数据传输方案。 1.2.密集紧要连接场景 密集紧要连接场景将在超高可靠低时延通信（UltraReliableLowLatencyCommunication,URLLC）的基础上进一步进行增强，实现更低时延、更高可靠性、更大连接数的目标。典型应用包括垂直行业的数字化（例如“智能工厂”应用场景）和自动驾驶的深度智能化（例如“V2X(Vehicletoeverything，车用无线通信技术)”应用场景），能够极大提高生产效率。 图1-2紧要连接场景：智能工厂（左图）、V2X（右图） 在面向工业4.0的智能工厂应用场景中[4]，10000m2厂房范围内的终端数量一般大于2000个，要求通信速率大于100kbps（视频监控除外），通信时延小于10ms，通信可靠性须满足工业报警信息的可靠传输，5GNR系统可以满足工业4.0的需求指标。不断发展的工业5.0对无线通信提出了更高的要求，相比工 业4.0预计有高达百倍的性能提升，需要系统能够提供安全可靠的通信服务，以 满足超低时延、超高可靠的控制需求[5]。工业5.0的性能要求初步按照如下假定进行估算，在10000m2的厂房范围内，部署10个以上的基站，总的终端数量大于20000个，通信速率大于10Mbps，通信时延小于0.1ms，通信可靠性为丢包率小于10-5。 V2X场景中，需要实时进行信息交互。例如，部署在车辆上的数据采集设备需要对车辆的实时位置、速度、目的地等信息进行上报，同时部署在道路上的数据采集设备需要实时上传道路的车量总数、路况、红绿灯等信息，用于控制中心对实时交通进行建模，预测未来的道路交通情况，给出最优的交通调度和指引信息。数据传输指标可以按照以下进行估算，进行数据上传的频率可能为毫秒级，需要上传的数据量预计在数十到数百字节，完成数据传输的时延可能在毫秒级。 另一方面，基于车辆间直连通信的V2V(Vehicletovehicle，车车通信技术)由于传输距离更短，可以让车辆之间实现更低时延（例如亚毫秒级）的高可靠信息交互。 紧要连接场景中，需要考虑极低时延。例如，一种可能的处理是要求每个终端都处于激活态，这样可以减少由于建立连接导致的时延。在这种假设下，每个基站预计需要同时维持2000个终端的RRC(Radioresourcecontrol，无线资源管理)连接，这已经超出目前商用5G最大可支持400个RRC连接的能力。在平均数据流量上，紧要连接场景预计每个基站为20Gbps以上，目前的5G技术能够满足这一指标要求；通信时延方面，紧要连接场景预计比5G低一个数量级，例如小于0.1ms；紧要连接场景中的可靠性与5G的可靠性最高要求相同，例如丢包率小于10-5。实际上，紧要连接场景真正给5G带来挑战的，是上述通信指标需要同时被满足。特别地，对于V2X这种紧要连接场景，由于车辆节点的快速移动,导致车联网网络拓扑迅速变化，使得海量、突发、低时延、高可靠这些通信需求同时满足更为困难。因此需要引入一个具有极高传输效率的新型多址接入技术，以支持紧要连接场景。 6G新型多址在密集紧要连接场景需要解决和关注的问题包括数据包极高可靠，极低时延的信号传输。这可以通过在发射端对发射信号进行比特交织和比特重复，或扩频来提高抗突发干扰的能力，提高传输的可靠性。或者通过设计新的HARQ（Hybridautomaticrepeatrequest，混合自动重传请求）策略。或者信号功率激增等技术来实现高可靠传输。针对短包的极低误码率的信道编码设计也是提高传输可靠性的重要手段。 1.3.空天地一体化场景 以5G为代表的地面移动通信能够提供丰富的业务支撑能力和良好的用户体验，但地面移动通信整体上存在覆盖范围受限的问题。空天地一体化具有扩展覆盖、节省成本等多种优势，被业界视为6G的重要关键技术[6]。空天地一体化场景如图1-3所示。 图1-3空天地一体化场景[7] 低轨卫星通信[8]是实现空天地一体化的一个典型考虑。地面无线网络仅覆盖了地球表面积的6%，作为地面无线网络的补充，低轨卫星通信具有较低成本、较低时延、较低路损等优势，将成为6G的重要组成部分，实现全球立体覆盖。以低轨卫星为例进行分析，假设低轨卫星的高度ℎ0为600km，有效覆盖的最 小俯仰角�为10º[9]。根据地球半径6378km，可以计算出假设的低轨卫星到地面终端设备的最远距离�为1932km，如图1-3（右）所示。对于transparent类型的低轨卫星，根据上述假设进行计算，仅由距离引起的RTT时延将会达到25.77ms。对于5G地面无线网络中的控制面时延，从发出注册请求消息开始到发出注册完成消息为止，大约为70~100ms。对于假设的低轨卫星，如果按10次信令交互计算，地面无线网络的传播时延在10微秒级，相对卫星网络的传播时延可以忽略，低轨卫星的控制面时延大约为330~360ms。同时，由于低轨卫星移动速度快，典型的卫星波束服务时间为秒级，被波束边缘服务的终端设备，卫星波束服务时间更短。假设卫星波束1秒切换一次，那么控制面时延将占到卫星波束总时域资源的33%~36%。可见，控制面时延开销对低轨卫星来说占的比重较大，导致系统效率降低。因此，如果采用5G技术支持6G全球立体覆盖场景，会在时延、效率等方面存在缺陷。 低轨和中轨卫星相对地面做高速移动，卫星的载频高，因此接收信号存在很大的多普勒速度，这将带来很大的子载波间干扰，需要接收机进行频率偏移估计和补偿。另外，由于卫星用户分布在全球不同地理位置，其信号到达卫星或卫星到达用户时延存在较大不同，多址接入方案设计需要考虑到这种特点。其次，卫星通信是功率受限的系统，需要使用高功放效率的波形。传统的多载波波形如OFDM(Orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，正交频分复用)由于PAPR(Peaktoaveragepowerratio，峰均比)很大，为减小功放的非线性失真，需要做很大的功率回退，这大大降低了功放效率。此时，在卫星通信中使用低PAPR 的波形设计将变得很有必要。 在空天地一体化场景中，控制面时延可能将占到卫星波束总时域资源的33%~36%，这意味着，从发出第一条消息开始到完成数据传输，复杂的信令流程与卫星通信的大时延之间冲突严重。为了解决上述冲突，6G需要引入极简的新型多址接入技术，减少信令交互次数（例如把控制面和数据面的空口交互次数降到最低2~4次，把信令交互的资源开销降低60%~80%），以支持空天地一体化场景。 6G新型多址在空天地