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6G6G 新型多址接入技术新型多址接入技术白皮书白皮书（20232023 年）年）中国移动通信集团有限公司中国移动通信集团有限公司编制单位编制单位：中移智库中移智库、中国移动通信研究院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中关村泛联移动通信技术创新应用研究院中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）I前前言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。中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）II目目录录前言.I目录.II1.愿景需求和应用场景.31.1.海量连接场景.31.2.密集紧要连接场景.51.3.空天地一体化场景.61.4.大容量场景.81.5.需求总结.92.海量连接理论研究的近期突破.122.1.海量高斯多址接入的理论性能.132.2.海量瑞利多址接入的理论性能.152.3.中断概率分析.163.海量连接的多址接入技术.183.1.稀疏 IDMA+压缩感知.183.2.BCH+FEC 级联码.223.3.压缩感知编码.243.4.基于符号级的线性扩展和盲均衡.254.技术路线筛选与实际设计考虑.274.1.技术路线筛选.274.2.优化方向.284.3.实际设计考虑.295.总结与展望.31参考文献.32缩略语列表.35中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）31.愿景需求和应用场景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(Gigabits per second，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（6th generation）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12。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.海量连接场景海量连接场景海量机器类通信（massive Machine Type Communication,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。中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）4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(International Mobile Telecommunications)-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，5G mMTC业务模型3给出的终端数据发送频率为 1 message/2 hours/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/30 seconds/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 5G NR（New radio，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。中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）51.2.密集紧要连接场景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（Ultra Reliable Low LatencyCommunication,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(Vehicle to everything，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，5G NR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。中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）6另一方面，基于车辆间直连通信的V2V(Vehicle to vehicle，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(Radio resource control，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 20 Gbps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（Hybrid automatic repeat request，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。中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）7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0为 600 km，有效覆盖的最小俯仰角为 10 9。根据地球半径 6378 km，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 1932 km，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 70100 ms。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 330360 ms。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(Orthogonal frequency division multiplexing，正 交 频 分 复 用)由 于PAPR(Peak to average power ratio，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中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）8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 24 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新型多址在空天地一体化场景需要解决和关注的问题包括低时延随机接入方案设计，存在多用户干扰时大多普勒频率偏移估计和补偿，存在用户接入时延不同时多址方案设计，如何设计功放效率高的波形以应对功率受限的卫星系统，如何支持大量用户随机接入等。1.4.大容量场景大容量场景大容量是 6G的一个重要应用场景，无论是以人为中心的通信还是以机器为中心的通信，随着社会智能化的发展，对峰值速率、用户体验速率、系统容量等提出了更高的要求。根据ITU-R(Radio Communication Division of the InternationalTelecommunication Union，国际电信联盟无线通信部门)的预测，在 2030 年之前，移动数据流量将会随时间呈现指数级的增长，达到现在的 25 倍左右，移动数据流量以XR(Extended reality，扩展现实)、全息通信等新业务所产生的流量为主，如图 1-4 所示10。图 1-4 大容量场景理想的XR、全息通信等新业务所产生的流量是非常大的。XR业务的用户体中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）9验要想达到完全沉浸的水平，例如进行如下估算，角分辨率需达 60 ppd(Pixels perdegree，角分辨率率)，帧率不能低于 120 Hz，视场角不能低于 130，每素按照12 比特，且能够在一定程度上消解调焦冲突引发的眩晕感，如果压缩比为 100，那么单个终端的吞吐量需求约为 3.8 Gbps。全息通信如果想达到足够快的全息图像传输能力和强大的空间三维显示能力，以传送原始像素尺寸为 1920108050的 3D目标数据为例，RGB（Red green blue，红绿蓝）数据为 24 比特，刷新频率60 FPS(Frame per second，每秒帧数)，峰值吞吐量约为 149.3 Gbps，按照压缩比100:1 计算，平均吞吐量需求约为 1.5 Gbps，由于用户在全方位、多角度的全息交互需要上千个并发数据流，由此推断用户吞吐量可以达到Tbps（兆兆比特每秒)量级。目前，各方纷纷提出 6G关键技术指标和若干关键使能技术。针对大容量场(景，6G谱效提升是非常有挑战性的目标，引入新型多址接入技术，在传统的谱效提升技术出现边际效应后，还能够获得 1.52 倍以上的谱效增益。新型多址在大容量场景需要解决的问题包括在可实现的信噪比下支持极高数据速率通信。实现Tbps速率需要使用大带宽和高阶调制，使用 6G新型多址可以在中等带宽接入二十个流，每个流仅需要 50Gbps即可实现Tbps速率的信号传输。传统方案实现Tbps需要对Tbps信号过采样，这对AD/DA(Analog to digital/Digital to Analog)提出了很大的挑战。实现Tbps的译码对译码器提出了很高的挑战。因此，使用 6G新型多址可大大降低Tbps的实现难度。新型多址应用到大容量场景需要解决非正交多址传输方案，多用户高速迭代检测，及高速信道编码译码器等难题。1.5.需求总结需求总结本节分析了 6G的四个主要应用场景，6G对新型多址接入技术的需求指标总结在表 1-1 中，随着 6G的发展，可能会出现更多的场景，对新型多址接入技术也会提出更多的新需求。表 1-1 新型多址接入技术需求指标应 用 场景5G的能力设计目标示例需要解决的问题和挑战中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）10海 量 连接一个宏基站支持每十毫秒内完成 1.39 个终端的多址接入和小数据包传输。一个宏基站支持每十毫秒内完成 3000个终端的多址接入和小数据包传输。支持超多用户随机接入，支持低碰撞概率导频设计，用户激活检测和信道估计，海量用户数据传输和检测方法密 集 紧要连接目前商用 5G最大可支持 400 个左右的RRC连接；5G的通信时延能力是 1 ms；5G中三大场景仅能够分别满足，不能同时满足。在单个基站覆盖范围内，同时满足下述所有指标：同时服务2000 个以上的设备、平均数据流量达到20 Gbps以上、通信时延小于 0.1 ms、丢包率小于 10-5等。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。新的HARQ设计，信号功率激增设计。针对短包的极低误码率的信道编码设计。空 天 地一体化单载扇可以支持 400个左右的RRC连接；控制面时延可能将占到总时域资源的 20%以上，明显降低了系统的效率。每波束需要同时服务 5 万个窄带IoT设备，明显降低控制面的总时延，把控制面和数据面的空口交互次数降到最低 24次，把信令交互的资源开销降低60%80%。低时延随机接入方案设计，如何支持大量用户随机接入，存在多用户干扰时大多普勒频率偏移估计和补偿，存在用户接入时延不同时多址方案设计，如何设计功放效率高的波形，如何支持中、高速率的数据通信。大容量达到 1Tbps的峰值数据速率、5 Gbps的用户体验数据速率是非常困难的。达到1Tbps的峰值数据速率、5 Gbps的用户体验数据速率。新型多址应用到大容量场景需要解决非正交多址传输方案，多用户快速收敛中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）11不同的应用场景所采用的技术路线也不尽相同，因为篇幅所限，在接下来的章节中，将聚焦海量连接场景的相关技术。迭代检测，及高速率信道编码译码器等难题。中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）122.海量连接理论研究的近期突破海量连接理论研究的近期突破3GPP(3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划)Release 15 研究了 NOMA(Non-orthogonal multiple access，非正交多址)来满足海量用户接入，其连接密度是每公里百万终端连接11。中国公司和高校分别提出了SCMA(sparse code multiple access，稀疏码分多址)，MUSA(Multi-user sharedaccess，多用户共享接入)，PDMA(Pattern division multiple access，图样分割多址)和 IDMA(Interleaver division multiple access，交织多址)等 NOMA 传输方案12131415。通过在相同资源块复用多个用户数据，NOMA 取得了远大于OMA(Orthogonal multiple access，正交多址)的连接能力11。但是 5G 时的这些非正交多址方案多数还是非竞争式的，难以支持更加海量的用户。而 6G 连接密度达到每平方公里千万连接，比 5G 的连接数密度提高至少一个数量级，因此需要研究更大连接数的传输方案。另外，5G 并没有为海量物联网设计新的信道编码方式，而是沿用适合增强移动宽带（eMBB）长码块的 LDPC 码，对短包为主的海量物联网并不适合。经典的信息论针对单用户且码长n趋于无穷的场景给出了信道容量的表达式16，当码长 n 有限时，文献17推导了速率的高阶近似表达式。在传统的多用户接入模型中，一般假设码长较长，但系统中的用户数保持不变，基于联合误差概率准则，文献18和文献19分别建立了传统多用户接入的容量域以及速率高阶近似表达式。与传统多用户接入场景相比，超大规模连接场景中的通信方案设计主要受四个因素的影响20：1)海量用户通常以随机活跃的方式接入系统；2)每个用户传输的信息比特数量较少；3)每个用户的通信能效有严格要求；4)每个用户要尽量实现低时延传输。为应对这些挑战，需要采用大规模随机接入技术，因此需要建立与传统多用户信息理论不同的研究体系。未来 6G 系统将支持更加海量的用户数，属于偶发小包业务，在这种情况下，同时接入的用户数可能会很多，如果采用调度的方式，控制开销和调度时延将难以接受。Unsourced（无物理层标识）传输是一种有望解决海量用户小包场景的技术方向，无需终端与网络建立传统意义上的链路连接，省去大量的控制信令开销和多步随机接入的过程，在随机接入的同时，进行数据的传输。无物理层标识中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）13传输的容量界研究在最近几年有较大的突破2116。2.1.海量高斯多址接入的理论性能海量高斯多址接入的理论性能2017 年，Polyanskiy 给出了 UMA(Unsourced multiple access，无源多址接入)传输方案，支持 300 个用户的随机接入，与 5G 时代的十几个用户相比，大大提高了接入用户数2223。同时，此方案包含了导频设计，用户激活检测，信道估计，以及多用户数据检测。业界最新的压缩感知技术在此方案用于用户激活检测和信道估计。通过使用正交矩阵设计，支持的码本可高达 215，因此大大降低了用户码字(用于导频)碰撞的概率。此方案一经提出，引发极大关注。假设一个高斯多址接入信道，有 Ka个用户处于激活状态，即正在上行传输。这些用户采用一个相同的随机码本，它们到基站的信道增益（路径损耗和小尺度信道衰落）均为 1，噪声为高斯白噪声。与传统的多用户信息论的不同，这里所有用户采用同一个编码码本；其次，差错事件是对每个用户定义的，而不是全体用户的联合差错事件。另外还需考虑有限码长的因素。这些定义比较适合没有调度情形下的海量小包业务传输。图 2-2 比较了不同传输方案的理论信噪比阈值，以及与激活用户数的关系。经典 ALOHA 类型方案由于存在碰撞，信噪比阈值随激活用户数急剧增加。非正交单用户方案接收机需事先知道激活用户使用的签名，不是严格意义上的无物理层标识的传输。将其它用户信号的干扰当作噪声（TIN，Treat interference as noise）的非正交单用户方案在用户数小于 120 时性能优于经典 ALOHA,匹配滤波之后再进行干扰消除（多用户检测）的非正交单用户方案在用户数较大时性能也优于经典 ALOHA 方案，但信噪比阈值较大。正交单用户传输性能虽然较好，但这需要事先划分好资源，不适合随机接入和数据传输的场景。非正交随机多用户编码是严格意义上的无物理层标识的传输。当激活用户数 Ka低于 100 时，非正交随机多用户编码稍微逊于正交单用户传输，但当用户数超过 100 之后，非正交随机多用户编码的性能优于正交单用户传输，这个差距随着用户数的增加进一步扩大。中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）14图 2-2 高斯多址接入信道不同传输方案的理论信噪比阈值与激活用户数的关系23海量用户场景的一个重要应用是广域覆盖下的小数据包业务，每个用户频谱效率很低。图 2-3 分析了此类场景下，高斯多址接入信道（GMAC，Gaussianmultiple access channel）的理论信噪比与系统频谱效率的关系，这里考虑平均误码率为eP=0.124。在系统总频谱效率较低时，例如低于 0.2 bps/Hz，基于调度的正交传输方式优于非正交随机多用户编码；但当系统总频谱效率高于 0.2bps/Hz 之后，非正交随机多用户编码的性能更优。而把其它用户信号的干扰当作噪声的方法（TIN）的性能最差。中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）15图 2-3 高斯多址接入信道理论信噪比阈值与系统频谱效率的关系，当 n ,Ka/n=10-3232.2.海量瑞利多址接入的理论性能海量瑞利多址接入的理论性能无线信道通常会经历各种衰落，尤其对于海量用户场景，由于控制信令的开销需要保持很低，很难进行闭环的功率控制，所以收到的各个用户发来的信号与高斯多址接入信道的情形有很大不同。Rayleigh 衰落信道下的多址接入信道模型能够更真实地反映实际系统中的信道情形。这里的噪声的分布符合 Zn CN(0,In)，衰落信道的分布符合 Hi CN(0,1)，不同用户信道衰落过程是彼此独立的。整个信道的自由度（编码码长）用 n 表示。图 2-4 是在衰落信道下的多址接入信道下的理论信噪比阈值与用户密度的关系24。这里考虑每个用户的信息位长 k=100，用户平均译码错误概率为=0.1。整个系统的频谱效率等于 k。可以发现，当用户密度低于 0.015，即系统总频谱效率低于1.5 bps/Hz时，基于调度的正交传输的性能优于多用户随机编码的方式。但当用户密度高于 0.015（系统频谱效率大于 1.5 bps/Hz）之后，多用户随机编码的性能随着用户密度的增高，相比正交传输的性能优势逐渐增大，到系统谱效率中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）166.5 bps/Hz 时，两者的差距将近 15 dB。图 2-4 衰落多址接入信道的理论信噪比阈值与用户密度的关系，当 k=100,=0.1，n 1725.2.3.中断概率分析中断概率分析衰落多址接入信道的性能还可以用中断概率的方法进行分析1828，虽然很难反映有限码长对性能的影响，但相比上面基于信息论的复杂推导和数值求解，中断概率的分析方法更为直接和简洁。用 P/N0表示每个用户的平均信噪比，第 k个用户的 Rayleigh 信道衰落系数为 hk，系统中一共有 K 个激活用户，|表示集合的大小。在经典多址接入信道(MAC，Multiple access channel)信道的中断分析中，比较常用的是联合中断事件的概率，表示的是用户子集中有任何一个用户发生中断的概率。而对于无物理层标识传输，每个用户平均中断概率更有意义，其计算方法是从总共 2(K-1)的用户子集当中，挑出那些包含这个用户的子集，然后把那些子集的联合中断概率进行平均。图 2-5 是 Rayleigh 衰落多址信道在总的频谱效率一定的情形下，不同复用用户数下的平均中断概率。其中 K=1 的情况相当于正交传输，只不过把所有的资源都分给了一个用户。随着用户数的增多，每个用户的频谱效率下降，用户间的干扰也愈明显，但是总的信噪比要求在逐步降低，渐渐收敛。从平均中断概率的分析结果可以看出，相比 K=1 的单用户情形，无物理层标识的非正交传输在衰落信道中能够带来“用户分集”增益，从而提高多用户系统的频谱效率。而且用户分集的增益随着系统负载（即用户数或者总频谱效率）的增大而变得更加显著。中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）17图 2-5 Rayleigh 衰落多址信道的用户平均中断概率中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）183.海量连接的多址接入技术海量连接的多址接入技术目前，支持海量连接的多址接入技术主要有如下几大技术路线，包括：稀疏IDMA 和压缩感知的结合、级联码方案、编码压缩感知以及基于线性扩展和盲均衡的方案2627。3.1.稀疏稀疏 IDMA+压缩感知压缩感知稀 疏 IDMA+压 缩 感 知 是 海 量 用 户 无 源 随 机 接 入 的 重 要 技 术 方 案263839。稀疏 IDMA 方案的核心设计思想是结合两项技术，第一项技术是基于压缩感知的导频编码，为了支持无物理层标识传输，需要指示用户独特信息，可以将交织图样、比特重复次数、填零数目等信息组成一个很大的码本。通过码本中码字序号区分不同用户的独特信息。码本序号经过压缩感知映射成为较短的导频，附加在数据部分之前，组成复合包进行传输。第二项技术是稀疏 IDMA叠加编码，采用重复填零交织叠加。通过比特重复来提高抗多用户干扰的能力，通过加入大量零元素来有效降低多用户干扰，通过使用不同交织器来区分用户并随机化多用户干扰。这里假设交织图样区分用户，且接收端已知（这本身并不符合无物理层标识的特性）。因此，稀疏 IDMA 是以 IDMA 作为基本的编码范式，对各个用户进行重复、填零、交织，形成多用户信号稀疏叠加，减小多用户间的干扰。图 3-1 稀疏 IDMA 的系统架构26图 3-1 是稀疏 IDMA 的系统架构，第一部分进行导频编码。导频编码的一种中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）19方式是采用 FFT 矩阵，将正交矩阵(FFT(Fast Fourier transform)或 Hadamard 矩阵)的行随机交织后打孔，得到一个长度较小的序列作为导频编码。第二部分进行稀疏 IDMA 编码。在接收端，导频与 IDMA 码字分开译码，先通过导频恢复交织图样、比特重复次数、填零数目，在已知的叠加因子图结构上进行 BP(Beliefpropagation，置信传播)译码，最终将对应的两部分信息译码结果拼合得到用户的完整发送信息。以两个用户 MAC 系统为例，稀疏 IDMA 的编译码原理如图 3-2所示。用户 1 和用户 2 都是采用同样的 LDPC（Low density parity check code，低密度校验码）码进行编码，它们各自的校验节点到变量节点的因子图是相同的。用户 1 经过 LDPC 编码之后没有重复，只是补 0，所以因子图中相应部分的边数没有增加。用户 2 经过 LDPC 编码之后重复 2 次，因子图相应部分的边数加倍。比特交织之后，因子图的边的分布进一步随机化。两个用户分别的因子图通过MAC 叠加节点联系起来，构成一个三层的整体因子图。整个因子图的配置信息，包括重复次数和交织图样都是通过导频的压缩感知恢复算法解出，以辅助 IDMA的 BP 译码。稀疏 IDMA 信道编码也可以采用其它编码，如卷积码，NBLDPC（Non-binarylow density parity check，多元低密度校验码）编码。由于这里使用迭代检测，需要信道编码的译码器能提供软入软出的译码信息。极化码难以提供软入软出的译码信息，或提供的软入软出译码信息有较大的性能损失，一般在稀疏 IDMA 里不使用40。通过使用密度演进可以计算出用户使用不同重复次数的性能(度分布优化)，并找出最优的重复次数26。中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）20图 3-2 稀疏 IDMA 的编译码原理图 3-2 中可加入填零数目恢复，三层因子图中的上半部代表了 LDPC 码的编码结构，相应的 BP 译码器的转移函数可以表示成=，其输入为对数似然比（Log-Likelihood Ratio，LLR），输出为信息比特的软信息。三层因子图的下半部代表了 MAC 叠加的关系，相应的 BP 检测器的转移函数可以写成=，可以通过 和 之间的 EXIT（Extrinsic Information Transfer，外信息传递图）图来分析稀疏 IDMA 的收敛性。图 3-3 左边的曲线 位于 左边，两条曲线不交叉，可以形成演进通道，成功完成迭代检测；而图 3-3 右边的曲线 与 有交叉，演进通道被堵死，不能成功完成迭代检测。从图3-3 的分析可以看出，稀疏 IDMA 的译码器特性需要与多用户检测器的特性相匹配，才能完成 3 层 BP 因子图的迭代收敛。传统的信道编码通常是针对单用户信道进行优化的，虽然在单用户（正交多址）下性能优异，但其迭代译码特性不一定能与多用户检测器匹配，需要采用新的方法进行设计。中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）21图 3-3 稀疏 IDMA 的 和 EXIT 分析压缩感知(CS，Compressed sensing)是学术界最近提出的信号处理方法，可有效检测稀疏信号的数值。在无源随机多址中用于多用户激活检测及信道估计。2004 年，几位学者证明，如果信号是稀疏的，可由远低于采样定理要求的采样点重建恢复。2007 年压缩感知这个概念被正式提出。压缩感知的核心是信号在某个变换域是稀疏的，可以用一个与变换基不相关的观测矩阵将变换所得信号投影到另外一个信号空间上，通过不断的迭代检测来完成对原始信号的精确估计。为简化计算复杂度，在 AMP(Approximate message passing，近似消息传递)算法中有两个假设，一是消息从因子节点到变量节点是近似高斯，二是消息从变量节点到因子节点可以用 Taylor 展开来近似。对压缩感知系统而言，发射信号是感知矩阵和稀疏矢量的乘积。AMP 算法收敛需要假设感知矩阵足够的随机化。感知矩阵除了是 i.i.d(Independent identical distribution，独立同分布)Gaussian 的矩阵是很多正交的矩阵，比如 partial random DFT(Discrete Fourier transform，离散傅立叶变换)/DCT(Discrete cosine transform，离散余弦变换)矩阵。中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）22图 3-4 基于压缩感知的迭代检测图3-4是一个用Turbo压缩感知检测的例子29。Turbo压缩感知包含两部分。模块 A 是一个线性 MMSE(minimum mean square error，最小均方误差)估计器，输入是接收信号y和模块 B 的输入。模块 B 通过合并x的先验信息和模块 A 的输入进行 MMSE 去噪。信息在两个模块间不断迭代以得到更精确的x值。迭代次数与用户数，导频长度和感知矩阵维度的大小有关。迭代检测一般需要迭代 5次收敛。通过控制迭代次数，可以控制计算的复杂度。降低感知矩阵的维度也可以有效降低计算复杂度。AMP 算法存在某些条件下不收敛的缺点，基于此OAMP(Orthogonal approximate message passing，正交近似消息传递)被提出3233。通过正交化输入估计误差和输出估计误差，OAMP 在奇异信道(如相关信道，低秩信道)取得比 AMP 更优的性能。但 OAMP 里有 MMSE 矩阵求逆操作，复杂度较大。通过在 MAMP(Memory approximate message passing，记忆近似消息传递)中引入记忆，严格的正交性使得估计器错误是渐进独立同分布的高斯信号31。在 MAMP 中当前输出估计错误与所有输入估计错误正交。MAMP 不需要矩阵求逆也可以取得和 OAMP 一样的性能，因此，具有较好的应用前景。其缺陷是要求感知矩阵维度较大(行是 4096,列是 8192)，对于维度较小的 MIMO 系统(列是 16 到 128)难以应用此方法。如何将 MAMP 扩展到较小维度的 MIMO 系统是未来值得研究的课题。表 3-1 多种压缩感知检测方法的性能比较34方案/算法多址接入 MIMO容量类型最优性计算复杂度信号信道矩阵AMP30任意独立同分布约束容量容量最优低复杂度MAMP31右酉不变(相关/病态)OAMP3233高复杂度T-LMMSE24高斯高斯容量3.2.BCH+FEC 级联码级联码在这类方案中，各用户采用相同码本，将码字随机均匀映射到某一个时隙上。中国移动6G 新型多址接入技术白皮书（2023）23收发端只进行单时隙的编译码，只考虑一个时隙上最多允许叠加 T 个用户的情况。其设计思路是将 GMAC 信道中的碰撞和噪声问题分开处理，其中一个代表是 BCH 码与前向纠错码（FEC，Forward error correction）的级联，BCH 多址编码用于解决多个用户碰撞问题（容限为 T）。BCH 码有强大的纠错能力，即使有多个错误，BCH 码也可以回复发射的信号。发生碰撞可以认为碰撞的地方出错。当用户数是 T，而 BCH 可以纠错 T 个错误，则可以认为 T 个用户碰撞，BCH也能恢复出发射信号。FEC 信道编码用于对抗噪声，BCH+FEC 级联码的系统框图如图 3-5 所示。BCH 校验矩阵的性质是 T 列线性叠加