- 5G低时延通信中的非正交多址接入关键技术
- 曾捷 肖驰洋
- 1543字
- 2025-01-16 18:36:13
1.4 NOMA技术在5G低时延通信中的应用
URLLC作为5G低时延通信典型场景之一,对系统吞吐量、时延和可靠性等有较高的要求[2]。ITU、3GPP推进组等国内外5G研究组织机构均提出了毫秒级的端到端时延要求,理想情况下端到端时延为1 ms,典型端到端时延为5~10 ms。其中,端到端时延包括空口时延、核心网时延以及公用数据网时延。同时,一些关系人类生命和重大财产安全的业务,要求端到端的可靠性提升到99.999%以上。在URLLC场景中,不同的应用案例有不同的需求,文献[23]列举了几项URLLC场景中的典型使用案例,具体见表1-1。
表1-1 URLLC场景中的典型使用案例
由于端到端时延由多段路径上的时延加和而成,仅单独优化某一部分的时延难以满足1 ms的极致时延要求,因此需要综合考虑多项因素,结合多种技术。根据文献[24]可知,5G NR系统支持URLLC场景,该场景需考虑帧结构、混合自动重传请求、上行链路接入、信道编码和分集度。文献[25]介绍了URLLC场景主要通过缩短传输时间间隔(Transmission Time Interval,TTI)减少时延,通过减弱用户间的干扰来实现高可靠性,其中短 TTI 帧结构的设计在3GPP RAN1 #86会议中有所介绍[26]。同时,通过引入NOMA技术的免调度传输方案,能够有效简化信令流程,降低空口传输时延,提高系统在用户接入发生碰撞时的鲁棒性。
比如当用户发送紧急数据包时,URLLC启动上行传输方案,URLLC场景中的上行免调度传输如图1-6所示[27]。与mMTC场景不同,URLLC不能预设流量,且预留的上行资源效率不高。当随机接入信道(Random Access CHannel, RACH)没有预留上行免调度传输资源时,上行链路的用户会与其他用户发生碰撞,此时需要NOMA技术处理上行资源冲突。
图1-6 URLLC场景中的上行免调度传输
为了支持此类传输,NOMA 技术需要静态保存 RACH 的上行资源,并半静态保存上行免调度传输资源,在保存的资源范围内执行上行免调度异步传输。文献[28]详细描述了这种传输方式下的数据包碰撞过程。使用NOMA技术处理这样的碰撞并不容易,可以采用的办法是定义相同时间和频率的资源组,其中每个资源组将与覆盖水平相关联。然后每个用户根据自己的度量结果选择上行资源,比如参考信号接收功率、路损大小等[29]。
当存在紧急上行数据时,用户能够立即启动上行传输,而不需要调度请求。对于免调度的 OMA,当用户选择相同的时频资源时,可能会发生碰撞。碰撞造成的重传使得时延更长,且严重时会导致传输失败,所以碰撞与 URLLC 场景中的需求相违背。对于基于免调度的NOMA传输,当用户选择相同的时/频域资源或编码、序列、交织器时,虽然也有可能发生碰撞,但借助先进的接收机可以保证系统的鲁棒性[30]。
由于5G同时要求低时延与高可靠性,在引入支持免调度的NOMA等技术的同时,还需要引入更先进的调制编码和MIMO技术,借助技术间的有机结合有望进一步提高传输的可靠性。例如,将NOMA技术与多用户多输入多输出(Multi-User-Multiple-Input Multiple-Output,MU-MIMO)技术相结合,能够可靠地提高无线信道较差用户的吞吐量,同时保证其他用户的性能不受严重影响[31],并且按照文献[32]提出的传输方案,能够在保证时延的条件下逼近对称容量。NOMA 技术与大规模 MIMO 技术的结合能够进一步提高通信系统的可靠性,同时扩大系统覆盖范围,增加系统接入用户数,降低时延以及减少能耗[33-34]。
在编码技术与 NOMA 系统结合的研究中,文献[35-36]指出通过与编码技术结合,NOMA系统能够在保证可靠性的基础上,降低检测器的复杂度,并进一步提高系统的负载能力。文献[37]提出的穿孔网格编码调制方案可以获得动态的编码率和低复杂度的解码,能够使 NOMA 系统在低时延应用中取得较高的频谱效率。不仅如此,文献[38]提出的预编码和检测方案能够使NOMA系统的可靠性显著提高。
所以,当NOMA技术与其他先进技术结合应用于时延敏感的应用场景时,能够在保证低时延的同时,对可靠性、能量效率等性能指标做进一步优化。比如在车联网场景中,基于 NOMA 的车联网资源优化方案能够使链路平均能量消耗最小化[37,39];在物联网场景中,系统可使用基于NOMA的接入算法,即便是在时延受限的场景中,依然能够保证高可靠通信[38,40]。