6G霧無線接入網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及構(gòu)架探究

吳 剛

（中國電信股份有限公司 甘肅分公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

如今，車聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)實虛擬及全息影像等新技術(shù)應用的發(fā)展伴隨著移動終端及數(shù)據(jù)量的不斷增長，給未來的網(wǎng)絡設計和應用帶來前所未有的新挑戰(zhàn)。據(jù)悉，無線6G智能網(wǎng)絡的關(guān)鍵指標是5G的10倍，預計速率峰值可達到1 Tb/s，時延空口低于1 ms，連接的設備量在1×107/km2以上。要想實現(xiàn)無線6G網(wǎng)絡的低時延、大容量以及超連接應用，亟待發(fā)展通信移動新技術(shù)。而6G智慧霧無線接入網(wǎng)技術(shù)融合了霧無線網(wǎng)絡、非正交鏈路級多址技術(shù)及智能人工技術(shù)等多種優(yōu)勢，是實現(xiàn)智慧6G網(wǎng)絡應用指標的一項重要技術(shù)。

1 6G關(guān)鍵性技術(shù)

1.1 NOMA技術(shù)

該技術(shù)的核心是蜂窩式通信技術(shù)，可實現(xiàn)多用戶同時共享通信應用資源。原始網(wǎng)絡蜂窩技術(shù)使用的接入方式包括多址頻分、多址時分、多址碼分及多址空分等。這些多址接入通信技術(shù)為不同接收方用戶在頻/時/空域生成通信分配資源，形成潛在的資源浪費，無法滿足未來6G網(wǎng)低時延、大容量以及超連接的應用需要。NOMA通信技術(shù)將成為后5G與6G網(wǎng)的換代多址接入技術(shù)，可以同時在相同的頻/時/空域為多用戶提供服務，實現(xiàn)用戶間資源正交分配，有效防止用戶之間相互干擾。此外，NOMA技術(shù)主要分為碼域和功率域[1]。

1.1.1 NOMA功率域

NOMA功率域是利用客戶之間存在的信道強弱差異，通過功率分配進行頻譜資源的復用。NOMA功率域與OMA中關(guān)于功率及頻譜的分配比較如圖1所示。

在NOMA兩用戶應用場景中（見圖2），解碼差異最明顯，通過對NOMA通信用戶應用功率進行優(yōu)化，系統(tǒng)實際的吞吐量明顯得到提升。

圖2 NOMA原理圖

1.1.2 NOMA碼域

NOMA碼域充分應用了復雜度較低的多用戶分別檢測的方法，按照用戶序列進行無線網(wǎng)絡資源的全部共享。典型的NOMA碼域有多址稀疏碼SCMA、多址交織碼IDMA及擴頻碼LDS-CDMA等。圖3為SCMA模型。

圖3 SCMA模型

1.2 多維調(diào)配資源

多維調(diào)配資源指的是對計算、通信以及緩存等多項資源進行聯(lián)合協(xié)調(diào)和配置，是目前一種最有效的網(wǎng)絡性能提高方法。在5G不斷商用趨勢下，頻譜的有限資源限制網(wǎng)絡的容量增長。同時，網(wǎng)絡中存在的擁堵問題、密集型計算問題以及敏感延時問題都無法通過資源協(xié)調(diào)配置解決。故此，應將相關(guān)計算、通信以及緩存等資源進行綜合調(diào)配，打破如今網(wǎng)絡性能的瓶頸[2]。

多維調(diào)配資源應該根據(jù)不同資源的維度時間、資源差異、資源相互耦合的關(guān)系等方面去平衡效益、成本以及復雜度3者之間的關(guān)系。當前，不管是霧節(jié)點還是客戶終端，普遍具備計算和緩存的能力。同時，應用網(wǎng)絡信息技術(shù)（ICN）和邊緣移動計算（ICN）使網(wǎng)絡的各項性能有效增強[3]。

1.3 人工智能

從無線5G網(wǎng)絡將人與物相互連接不斷發(fā)展，到無線6G網(wǎng)絡實現(xiàn)智能體、人以及設備間的相互聯(lián)通。AI技術(shù)是達到這一目標的基礎。憑借此項技術(shù)，現(xiàn)代網(wǎng)絡的發(fā)展重心也將從用戶向服務轉(zhuǎn)變，不斷達成網(wǎng)絡自解析、自學習、自感知、自決策及各種網(wǎng)絡海量終端的相互聯(lián)通。

2 當前網(wǎng)絡研究的進展

如今，相關(guān)霧無線網(wǎng)絡接入技術(shù)仍處于起步研究階段。本文對霧無線技術(shù)、NOMA、NOMA與F-RAN從以下3方面進行詳細分析，闡述國內(nèi)外研究發(fā)展狀況。

2.1 霧無線通信網(wǎng)絡技術(shù)

F-RAN的主要研究對象是組網(wǎng)技術(shù)與結(jié)構(gòu)。在組網(wǎng)結(jié)構(gòu)方面，根據(jù)相關(guān)資料提出以網(wǎng)絡F-RAN結(jié)構(gòu)切片為基礎，通過統(tǒng)一安排管理，接入網(wǎng)絡以切片狀被分成多個獨立的邏輯網(wǎng)絡，令差異化通信需求可以同時得到滿足。同時有資料顯示，F(xiàn)-RAN構(gòu)架業(yè)務可以通過邊緣網(wǎng)絡節(jié)點所具有的運算性能，對多個不同的子任務進行同時計算，使AR低時延的業(yè)務性能需求得到滿足。該技術(shù)主要對模式的選用、資源的調(diào)度以及功率的匹配等方面進行研究。以最大化的處理能力為目標，對F-RAN接入用戶模式及功率進行優(yōu)化并設計，進而提出優(yōu)化集中算法[4]。F-RAN具體包括3種卸載計算模式。

（1）云計算層上卸載算法，將減少能耗作為設計目標，提出云計算調(diào)度卸載設計方案。

（2）霧計算層上卸載算法，是指設計提出低耗能及滿足延時需求的卸載計算策略。

（3）云/霧聯(lián)合卸載，是指以延時和能耗為出發(fā)點，提出在非受限情況下云霧聯(lián)合調(diào)度卸載方法。

2.2 NOMA相關(guān)技術(shù)與理論

設計提出5G多種不同的NOMA解決方案，具體如下。

以所用的碼域SCMA為基礎，有效結(jié)合QAM的傳輸與調(diào)制過程，提供的過載率最高可達到300%。

以接收端與發(fā)送端相互聯(lián)合設計圖樣多址分割技術(shù)為基礎，將多個不同客戶信號進行空域、功率域以及編碼域的聯(lián)合或者單獨傳輸，選取容易消減干擾接收設備算法的圖樣加以區(qū)分，PDMA能夠?qū)⑸闲械娜萘刻岣?～3倍，能夠?qū)⑾滦蓄l譜的應用效率提高1.5倍。

基于多元碼復數(shù)域的MUSA是一種多用戶免調(diào)度的接入共享方案，能夠有效達到低功耗和低成本的互聯(lián)互通。

如今，產(chǎn)業(yè)界為了達到5G的應用需求，設計多款NOMA解決方案，在學術(shù)界同時對NOMA基本理論及關(guān)鍵性技術(shù)展開了分析研究，為新NOMA通信網(wǎng)絡系統(tǒng)的理論研究和技術(shù)開發(fā)奠定基礎。要想達到后5G通信性能的各項要求，需要NOMA進一步的改進和完善，與系統(tǒng)組網(wǎng)相互協(xié)同配合是霧無線6G智慧網(wǎng)絡理論核心，同時也是需要解決的核心技術(shù)問題。

2.3 NOMA與F-RAN的相互融合

NOMA是一項鏈路級的通信技術(shù)，F(xiàn)-RAN是一項系統(tǒng)級的通信技術(shù)，兩項技術(shù)協(xié)調(diào)配合可有效提高連接數(shù)、頻譜以及延時等性能。有關(guān)資料提出一種以NOMA和F-RAN為基礎進行資源配置的技術(shù)方案，應用RRH同F(xiàn)-AP之間干擾控制和F-AP對客戶進行功率配置，達到系統(tǒng)總速率的最大化[5]。

資料顯示，國內(nèi)外對F-RAN與NOMA協(xié)調(diào)適配方法非常重視，卻沒能有針對性的開展新一代通信移動系統(tǒng)性能開發(fā)的相關(guān)工作，未能針對跨業(yè)務、跨頻譜以及跨場景等特征協(xié)調(diào)適配，未能將智能人工與F-RAN技術(shù)有效結(jié)合。要想實現(xiàn)F-RAN同NOMA的協(xié)調(diào)適配，應該從結(jié)構(gòu)體系、組網(wǎng)的基本原理以及核心技術(shù)3方面攻關(guān)。

3 6G網(wǎng)絡工作標準化

3.1 NOMA技術(shù)的標準化

近年來，業(yè)界設計提出NOMA技術(shù)的多種解決方案，具體包括華為設計的域碼復用的稀疏碼分多址技術(shù)（SCMA）、中興設計的多用戶接入共享技術(shù)（MUSA）、大唐電信設計的分割圖樣多址技術(shù)以及日本公司NTT DoCoMo設計的功率域非正交多址技術(shù)。對于標準化NOMA技術(shù)的研究工作，其標準化3GPP相關(guān)組織的研究和論證工作已經(jīng)展開，主要分為發(fā)射機端管理、NONA工作過程、接收機復雜程度以及NONA基本性能等多項評估內(nèi)容。其中，發(fā)射機端管理主要利用接入多址簽名碼對用戶加以區(qū)分，對兩種支持Rel-15的方案及其方案內(nèi)容進行研究[6]。在接收機方面，開展了NOMA多種設計，同時對其復雜程度進行了評估。對于同NOMA有關(guān)的過程，重點評估、研究了同步與異步網(wǎng)絡傳輸。對于性能方面的評估，主要通過系統(tǒng)級與鏈路級對其基本性能進行評估。目前，組網(wǎng)與NOMA技術(shù)缺乏有效結(jié)合。為了能夠?qū)崿F(xiàn)無線6G網(wǎng)絡的性能要求，應加強NOMA的發(fā)展演進，與系統(tǒng)級網(wǎng)絡技術(shù)和應用有效結(jié)合。

3.2 無線接入網(wǎng)絡AI技術(shù)應用標準化

在智能人工技術(shù)被廣泛應用于各行業(yè)，并取得較快發(fā)展的今天，該技術(shù)在無線接入網(wǎng)絡中的應用同樣受到關(guān)注。ITU、3GPP以及ETSI各組織都提出將AI和5G結(jié)合適配作為研究課題。在相關(guān)標準的研究方面，3GPP重點對網(wǎng)絡信息數(shù)據(jù)進行整理分析，相關(guān)工作組成立于標準化5G同步進程中，對網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)的應用和分析項目進行研究。具體表現(xiàn)在，3GPP RAN3專項組確定研究課題（RP-181456），研究的主要內(nèi)容是接入網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析與應用，3GPP SA2專業(yè)組確定研究項目（eNA），主要研究的內(nèi)容是進行信息數(shù)據(jù)的收集與分析，并應用其成本進行網(wǎng)絡優(yōu)化。近期，關(guān)于服務5G系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析功能，3GPP做出第三發(fā)展階段定義。2017年，歐洲的電信標準化協(xié)會成立了智能接入網(wǎng)絡標準化實驗小組，主要將AI引擎與網(wǎng)絡適配結(jié)合，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡智能管理。通過AI引擎的協(xié)助，智能網(wǎng)絡可以自主判斷，從而達到降低成本的目的，實現(xiàn)5G通信網(wǎng)絡自動化、智能化的運維化管理。尤其是該架構(gòu)應用了上下文感知、AI技術(shù)以及驅(qū)動元數(shù)據(jù)等方案，以“觀察—決定—行動”模式設計回路控制功能，通過客戶的需求及外部環(huán)境對網(wǎng)絡進行配置。2019年，電信國際陽聯(lián)盟（ITU）正式頒發(fā)5G+AI國際執(zhí)行標準，在5G無線網(wǎng)絡中，該標準以高效率、低成本的方式替代機器式學習辦法，充分滿足各通信運營商模塊框架的部置及實際應用[7]。

4 結(jié) 論

為了實現(xiàn)6G網(wǎng)絡低延時、大容量以及應用連接等各項功能的快速發(fā)展，無線接入網(wǎng)絡得到不斷的發(fā)展完善。本文以霧無線傳統(tǒng)接入網(wǎng)絡為基礎，設計出系統(tǒng)級智能人工融合技術(shù)與鏈路級非正交融合多址技術(shù)的霧無線網(wǎng)絡構(gòu)架。在此詳細闡述了其關(guān)鍵技術(shù)、標準化進程及國內(nèi)外相關(guān)研究成果，希望能夠有效促進智慧6G無線網(wǎng)絡未來的研究和發(fā)展。