面向5G物联网的上行接入技术

佟 冬

物联网覆盖范围的扩大和应用领域的延伸，使得接入物联网的各类通信设备在数量和种类上得到了极大的增加。在物联网运行中，这些设备相互之间会产生海量的通信数据。现有的移动蜂窝网络无法满足低功耗、低延时、高速率等通信要求，成为限制物联网功能开发的重要阻碍。在5G时代，面向5G物联网的上行接入技术，用MTC（人与物通信）技术代替H2H（人与人通信）技术，可以提高上行接入能力，支持多台设备接入，以及具有低时延、高寿命等特点，应用前景良好。

1 物联网上行接入面临的主要问题

当前物联网在上行通信中，呈现出海量连接、功耗较高等特点，进入5G时代后，物联网上行接入将会面临更大的负担，表现出来的主要问题有：其一，设备接入量增多和通信容量有限之间的矛盾进一步激化。新接入的大量通信设备，会占用更多的上行通信资源，并且由于不同类型的通信设备，在数据类型、传输速度要求等方面存在较大差异，很容易出现无线接入网络堵塞的情况。如果上行通信问题得不到很好的解决，除了会导致物联网的运行速度变慢外，也有可能对通信设备造成损害。其二，目前主流的4G蜂窝网络在上行接入上，还是沿用正交多址接入模式，其优点在于保证了上行数据的连续性。但是随着物联网业务发展逐渐呈现出海量化、多样化的特点，蜂窝网络现有的上行接入技术不能应对小包突发的mMTC业务，在遇到IoT高能效突发通信的业务需求时，也容易出现系统响应速度慢，甚至是无响应的情况，严重干扰正常通信。随着5G时代的到来，基于5G技术的物联网在运行过程中，将会面临着更大的数据流传输需求，为了支持5G物联网的正常运行，必须要着重解决上行接入问题。

2 面向5G物联网上行接入技术的可行性分析

在5G技术即将实现全面商用的背景下，将5G技术与互联网上行接入进行深度融合，有望解决4G和WiFi技术支持下上行通道阻塞，进而导致物联网数据信息传递时效性差的问题。针对当前物联网上行接入客观存在的一些问题，面向5G的互联网上行通信系统，应重点从构建新型非多址接入NOMA与免调度接入控制等方面开展相关的研究与试点，探索基于5G的上行接入新技术的应用新模式。近年来，一方面是5G技术从试点开始走向商用，关于5G上行接入的相关理论研究和技术开发逐渐趋于成熟；另一方面则是通信硬件设施的完善，也为支持5G物联网上行接入奠定了扎实的基础。目前来看，基于5G技术的物联网上行接入的优势主要体现在以下几个方面：

首先，从蜂窝网络的发展趋势来看，无论是2G的时分多址、3G的码分多址还是4G的正交多址，都是遵循了“接入用户数与可用通信资源成正比”的设计原则。也就是说，蜂窝网络的通信资源是有限的，随着接入用户数量的增加，通信资源被均分。可支持的用户越多，每个用户可用的资源越少，通信质量就会越差。因此，从第一代通信网络（1G）到第四代通信网络（4G）的发展，本质上是通过提升系统容量，增加可分配通信资源的方式，支持更多用户接入网络。基于这一思路，第五代通信网络（5G）采用了新型非协作式的多址接入（NOMA）技术，既可以极大的扩充可用通信资源数，这样一来就保证了在用户所拥有的通信资源不受影响的前提下，可以为更多数量的用户，提供通信服务。同时，又能够实现通信资源的精细化分配和集约化利用，在一定程度上缓解了在3G、4G时代存在的通信资源分配不均和浪费的问题，因此在提升物联网上行接入能力方面具有优势。

其次，从上行接入方案的运行机理上来看，时下广泛应用的4G蜂窝网络，首先要掌握所有上行通信设备的基本参数，包括发包状态、信道状态等，然后以此作为依据，生成调度方案，分配通信资源，满足上行接入需要。这种模式只能满足常规的通信需求，然而在mMTC场景中，IoT终端上的设备数量多、种类杂，上行通信表现出海量接入、小包突发、零星通信的业务特征。除了会占用较多的通信资源，导致信道发生阻塞进而导致系统无法及时响应外，还会造成终端计算机无法及时获取发包活跃度，也就不能准确调度和合理配置通信资源。而基于5G的免调度NOMA分布式上行接入方案，则能够不受IoT接入的干扰影响，实现对通信资源的直接控制。另外，5G系统中也新增了一处状态参数反馈渠道，并且利用5G网络本身的高速传输特性，可以将状态参数同步到控制终端，然后自动调节通信资源分配。从这一方面来看，基于5G的物联网上行接入技术也有突出的应用优势。

3 面向5G物联网上行接入技术的应用

5G物联网从试点应用到逐渐走向成熟，对于上行接入技术的需求也更为迫切。在近几年的研究中，技术人员也相继提出了多套方案，并且结合实践应用效果来件，具有较强的实用性。总结来说，现阶段已经被证明有较强实用性的技术方案主要有基于窄带NOMA的上行协调接入、基于免调度NOMA的分布式上行接入和基于分布式免调度的NOMA稳定传输方案，现对各方案的原理和应用优势进行分析。

3.1 基于窄带NOMA的上行协调接入方案

窄带物联网（NB-IoT）技术因其高功率谱密度的本质优势可以实现低速率的高能效连接和扩展覆盖，实现5G物联网中大量低成本MTCD M的性能要求。非正交多址（NOMA）技术允许多个用户在相同频谱带上发送数据，并通过接收端的5G技术成功地分离重叠信号。为了满足5G物联网下海量MTCD同步连接的需要，可以基于资源共享理念，让多个MTCD共用一个窄子载波。这样就可以兼顾通信传输性能和上行链路运行成本，进一步提高了技术的实用性。虽然这一方案在理论上具有可行性，但是在实际应用中，也有可能出现窄带资源不够分配的情况，当窄带物联网中短时间内涌入瞬时大流量数据时，也有可能引发延迟、堵塞的问题，这也是今后窄带NOMA上行协调接入方案需要进一步优化的内容。

3.2 基于免调度NOMA的分布式上行接入方案

在LTE/LTE-A系统中，为实现上行的有效接入和可靠传输，通常需要先进行随机接入过程再进行数据传输，造成大量的物理层开销和MAC层接入、调度开销。近年来，NOMA己经被广泛研究以提高未来5G的蜂窝系统的频谱效率。基于5G的新技术gram-free和NOMA，设计了一种新型的基于分布式分层免调度NOMA的上行混合接入框架。免调度NOMA传输技术的应用优势主要体现在两个方面，其一是免调度可以解决通信传输和上行接入过程中出现冲突、堵塞的问题，保证了链路通信的高速率和信息传输的时效性；其二是可以显著提高上行连接的成功率。有实验数据表明，相比于传统的基站协作OMA方案，使用免调度NOMA方案后，上行接入成功率能够提升40%左右。

3.3 基于分布式免调度NOMA的稳定传输方案

上文介绍的免调度NOMA接入方案，在面对小包突发、零星通信时，还有可能出现系统负载不稳定的情况。正常情况下，由于采用了分布式上行接入的方式，这些小幅度的负载波动不会对通信运行产生明显影响。但是在物联网运行中，还必须考虑大流量传输可能产生的冲击影响，因此为了安全起见，还是需要在现有的免调度NOMA上行接入方案上，增加稳定传输设计。特别是在大流量、远距离传输的情况下，这一稳定传输方案应用后带来的效果也是十分明显的。在该系统中使用快速重传的关键思想在于，随机选择信道之后产生冲突的数据包可以在下一个时隙再次随机选择多信道中的一个进行重传，这样可实现短接入时延的性能优势。另外，对比来看，随机多信道重传也不会对上行接入通信质量产生明显的影响，因此该方案在实际应用中有较强的可行性。

4 结语

进入5G时代，将会有更多的设备接入物联网，如何保证设备之间信息传递的时效性，就成为物联网功能实现与价值发挥的关键问题。基于5G的上行接入技术，除了可以支持海量用户接入、保证通信传输速度外，还能够通过联合接入控制、分布式免调度等方式，满足5G物联网在不同场景、不同需求下的上行接入需要，这对于物联网各类功能的实现和整体运行效率的提升都有极大的帮助。下一步还需要在NOMA分布式上行接入方案的基础上，继续探究上行接入数最大化的相关问题，支持物联网的更好发展。