海量接入技术白皮书

海量接入技术是可以解决海量接入问题的技术的统称。6G对连接密度提出了更高的需求，面向海量连接场景，6G连接密度的愿景是千万终端/km2。6G通过万物互联真正实现数字化社会，让人获得与环境之间自然的、启发式的、无处不在的交互，每个人将会触发数十到数百个终端连接到6G网络，预计机器型终端的交互周期从5G的1天或2小时降到秒级。6G对低时延也提出了更高的需求，特别是其中的机器型终端偶发小包传输，需要将启动接入到建立RRC（RadioResourceControl，无线资源控制）连接的时延进一步降低，实现至简接入。 6G对mMTC场景进一步演进，提出MassiveCommunication场景，潜在的接入终端数量巨大，可达到每平方公里千万终端以上。同时，6G中针对eMBB和URLLC场景演进形成的ImmersiveCommunication和HRLLC场景对连接密度和时延等指标提出了更高的需求。为了满足这些需求，需要研究海量接入技术。 本白皮书的目标是建立海量接入技术的框架，研究海量接入技术的应用场景和需求，识别论证需要解决的技术问题，提供解决问题的技术路线以及具体的技术方案。首先分析海量接入技术的使用场景，给出不同用例对“连接密度”、“时延”、“数据发送频率”、“数据包大小”等指标的需求。然后结合具体用例的需求，分析对海量接入技术的需求，包括简化通信流程，提升连接密度、降低通信时延等方面。进而研究海量接入关键技术，对业界提出的主流技术方向无源多址接入方案进行研究，提出非协调随机接入和传输技术、高效无连接传输技术、基于ODMA的多用户编译码方法、稀疏IDMA无源多址技术。在此基础上，研究优化的发射机设计方案和接收机设计方案，提出基于虚拟用户分割的多址方案、基于资源跳跃的多址方案、模式分割的随机接入方案、基于稀疏结构变换迭代接收机、容量最优且低复杂度的迭代接收机和多用户编码方案。最后，对提出的关键技术进行整合和分类，提炼形成实现海量接入的技术路线。 1.引言（中信科）3 2.海量接入技术的应用场景（中信科、中国联通）5 3.重要用例7 3.1ToC的数字孪生世界（中信科）7 3.2密集紧要连接的车联网（中兴、中信科）9 3.3极低功耗物联网（vivo）11 4.基本需求（中信科）13 5.海量连接的通信流程（中信科、vivo）14 6.海量接入关键技术18 6.1无源多址接入方案18 6.1.1非协调随机接入和传输技术（中信科）18 6.1.2高效无连接传输（中兴）20 6.1.3基于ODMA的多用户编译码方法（西电）32 6.1.4稀疏IDMA无源多址技术（中国移动）35 6.2发射机设计方案40 6.2.1基于虚拟用户分割的多址方案（DOCOMO）40 6.2.2基于资源跳跃的多址方案（北交）42 6.2.3模式分割的随机接入方案（北科）46 6.3接收机设计方案48 6.3.1基于稀疏结构变换迭代接收机（北科）48 6.3.2容量最优且低复杂度的迭代接收机和多用户编码方案（西电、浙大）51 7.技术路线（中信科）57 8.总结与展望（中信科）60 参考文献61 贡献单位64 缩写术语65 1.引言（中信科） 随着物联网、人工智能等新兴技术的快速发展，人们对于通信技术的需求也越来越高。5G技术的出现，为人们提供了更快、更稳定、更可靠的通信服务。然而，随着物联网设备数量的不断增加，海量设备接入已成为当今通信领域的关键挑战之一，传统的通信技术已经无法满足海量设备的接入需求。因此，研究和设计海量接入技术成为了6G时代的重要课题。 目前，多个标准化组织均开展了6G研究，在新型多址接入技术上取得了重大进展。其中，ITU考虑了一种面向应用的动态接入方案，在一个总体的框架下根据不同的应用场景使用不同类型的多址接入方案，为不同多址接入方案的融合提供了可能，有助于新型多址接入技术的标准化推动。IMT2030新型多址接入技术任务组在技术概念、研究进展、面临挑战、研究方向等方面达成了共识，研究范围涵盖了发射侧的基本传输方式，以及接收侧的信号处理过程，为后续进行新型多址接入技术的研究提供了可参考的方向，有助于聚焦待解决的问题，进行专项突破。同时在2022年11月发布了关键技术研究报告，提出基于NOMA（Non-OrthogonalMultipleAccess，非正交多址接入）的无用户标识的海量接入技术有望大幅度提升终端的连接密度，有力支持6G低功耗、超大规模连接等场景，作为物理层空口技术的基础进行深入研究。FuTURE论坛在2020年和2022年分别发布了《6G愿景与技术趋势白皮书》[1]和《演进的多址接入技术白皮书》[2]，内容涵盖了不需要网络充分协调的Grant-free技术，同时提出将随机接入技术和多址传输技术进行融合的设计思路。6GFlagShip指出在大连接场景中，NOMA是关键技术，需要解决用户激活检测和数据译码的问题，提出研究不需要充分协调的NOMA技术。 与此同时，学术界在NOMA技术领域取得了重大突破，提出了巨址技术[3]。所有终端采用相同的码本对信息序列编码，编码比特经过调制后在共享资源上采用slot-ALOHA进行传输。其主要的特点是不需要为传输分配终端ID，被称为无源 （unsourced）或非协调（uncoordinated）多址接入，成为学术界的研究热点。近年来学术界在6G新型多址接入技术上做了许多方面的研究工作，普遍认为海量机器类终端通信是6G的一个重要场景，其性能指标需求较5G有进一步的提升，有必要引入新型多址接入技术来应对随之而来的各项挑战。针对前导/导频设计、信道估计、多用户激活检测等关键问题，现在已有许多研究结合压缩感知、多用户编码、深度学习等技术，提出了URA(UnsourcedRandomAccess,无源随机接入)/UMA(UnsourcedMultipleAccess,无源多址接入)方案，URA多址技术的核心思想是不需要协调调度，也不需要单独的接入过程，同时进行接入和数据传输，能够有效简化接入流程，降低信令开销，是学术界研究的6G新型多址接入主流方案，也是绝大部分多址研究工作的方案基础。目前学术界提出的URA方案主要分为两类，一类是利用内外级联码的设计，同时传输前导和数据，实现接入和数据传输过程的融合。另一类是着重于减轻内外码的耦合。由于内外码级联的方式，往往需要一些额外的冗余信息，导致频谱效率降低。因此，该类方案主要是利用一些特殊的相关信息，如空间相关性、信道相关性等，来消除连接编码。 本白皮书旨在探讨6G时代海量接入技术的研究与发展，建立海量接入技术的框架，包括应用场景、技术需求、待解决的主要问题、可行的技术路线、若干关键技术等方面，为6G技术的发展提供有力的支持。第2章根据业务特征和指标需求的不同，介绍了海量接入技术的两大应用场景。第3章详细介绍海量接入技术在6G中的重要用例，包括ToC的数字孪生世界、密集紧要连接的车联网、极低功耗物联网。第4章根据场景用例 对“连接密度”、“时延”、“终端数据发送频率”等指标的需求分析6G对海量接入技术的需求，通过简化通信流程来降低时延、优化技术方案来提升连接密度。第5章介绍海 量连接的通信流程，包括简化的安全机制和传输机制。第6章分析了待解决的主要问题，深入探讨了满足这些需求的具体关键技术，包括非协调随机接入和传输技术、高效无连接传输技术、基于ODMA的多用户编译码方法、稀疏IDMA无源多址技术、基于虚拟用户分割的多址方案、基于资源跳跃的多址方案、模式分割的随机接入方案、基于稀疏结构变换迭代接收机、容量最优且低复杂度的迭代接收机和多用户编码方案等。第7章以技术演进的视角，提炼形成未来海量接入技术的发展路线，包括非正交、非协调、随机接入和多址传输融合、接收机设计等方面。第8章进行总结和展望。 本白皮书对于推动6G时代海量接入技术的研究和发展具有重要意义。首先，本白皮书提出了海量接入技术的基本框架和通用需求，为后续研究提供了指导和参考。其次，本白皮书详细介绍了海量接入技术的关键技术方案，为相关领域的研究提供了思路和方向。最后，本白皮书充分讨论了需要解决的需求问题及对应的技术路线，为未来工作提供了共识和基础。我们相信，在各方的共同努力下，海量接入技术将会得到更好的发展和应用，在物联网及诸多相关领域做出重要贡献，为构建更加美好的智能社会奠定基础，为人们的生活带来更多的便利和创新。 2.海量接入技术的应用场景（中信科、中国联通） 相比4G和5G，6G连接密度的提升将会是非常明显的。4G的连接密度是每平方公里2000个连接，5G的连接密度是每平方公里一百万个连接，当前，业界普遍认为6G的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。从终端类型来看，在海量连接场景中，会有多种终端设备类型，除了传统的IoT设备外，还会引入新型无源低功耗终端设备。 2023年6月，ITU完成了IMT面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书[4]，提出6G的六大使用场景。一方面，对5G中的eMBB（EnhancedMobileBroadband，增强移动带宽）、mMTC（MassiveMachineTypeCommunication，大规模机器类型通信）、URLLC（Ultra-ReliableLow-LatencyCommunications，超高可靠低时延通信）场景进行演进，提出了ImmersiveCommunication、MassiveCommunication、HyperReliableandLow-LatencyCommunication场景；另一方面，在5G场景的基础上进行扩展，提出了UbiquitousConnectivity、IntegratedArtificialIntelligenceandCommunication、IntegratedSensingandCommunication场景。 MassiveCommunication场景的典型用例包括智能城市、交通、物流、健康、能源、环境监测、农业以及许多其他领域，例如需要支持各种无电池或长寿命电池的物联网设备的应用。MassiveCommunication场景需要支持高连接密度，建议书中给出的连接密度需求是106–108devices/km2。并且根据具体的用例，需要支持不同的数据速率、功耗、移动性、覆盖范围以及安全性和可靠性等指标。 现有技术中，终端需要先接入网络，接入成功后再进行数据传输，能够支持的终端数量受限于数据传输资源和网络的协调信令资源。6G的MassiveCommunication场景对连接密度提出了更高的要求，相比于5G最大需要提升100倍。6G中的场景能够支持多种典型用例和终端设备类型，在业务模型上相较于5G也将提出新的要求，例如终端的数据发送频率有所提升。5GmMTC业务模型[5]给出的终端数据发送频率为1message/2hours/device，IMT-2030（6G）推进组提到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[6]。终端数量的增加和终端数据发送频率的提升，使单位时间内需要同时接入的用户数进一步提高，预计每毫秒需要支持数百个终端同时接入。在有限的数据传输资源和网络协调信令资源下，如何支持海量终端的通信，是需要解决的问题。因此，有必要研究海量接入技术来支持更大的终端连接数。 MassiveCommunication场景对连接密度提出了更高的要求，而对时延一般要求不高，往往可以容忍相对较大的时延，例如在数秒内完成端到端通信即可。在实际的应用场景中，有时候不仅需要考虑能够支持的终端数量，同时对传输的数据包大小、端到端通信时延、数据传输的可靠性等指标均会提出要求。例如，部分应用场景的连接密度不需要像MassiveCommunication场景一样达到108devices/km2，支持约106devices/km2即可，但对端到端通信时延提出了更高的要求，往往需要在毫秒级（比如车联网、智慧工厂等应用场景）。还有