5G大規(guī)模機(jī)器類通信中的傳輸技術(shù)

5G大規(guī)模機(jī)器類通信中的傳輸技術(shù)信息社會(huì)的無線通信關(guān)鍵技術(shù)”（METIS）項(xiàng)目，之后又啟動(dòng)了5G-PPP項(xiàng)目，中國和韓國分別成立了IMT-2020推進(jìn)組和5G論壇［2-4］。目前5G的愿景與需求已經(jīng)完成,基本特征已經(jīng)明確，在不遠(yuǎn)的將來，物聯(lián)網(wǎng)（loT）、車聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、高清視頻等都將涵蓋大量不同類型的行業(yè)用戶，這將會(huì)是5G所必須要面對(duì)的挑戰(zhàn)［5-6］。由國際電信聯(lián)盟（ITU）定義的5G三大場景分別為增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC），以及低時(shí)延高可靠通信（URLLC）,其中的eMBB場景可以看作是4G移動(dòng)寬帶技術(shù)的演進(jìn)。機(jī)器類通信（MTC）一直是loT業(yè)務(wù)的潛在挑戰(zhàn)，為loT的場景之一，對(duì)帶寬和通信的實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高。在第3代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）對(duì)MTC的定義中，MTC是一種數(shù)據(jù)通信形式，它涉及到一個(gè)或多個(gè)不需要人機(jī)交互的實(shí)體，與傳統(tǒng)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信相比，MTC擁有更低的開銷，并且還能夠滿足海量鏈接。MTC涉及到了兩種主要通信場景：一種是MTC設(shè)備與一個(gè)或多個(gè)MTC服務(wù)器進(jìn)行通信；另一種是MTC設(shè)備與設(shè)備之間進(jìn)行通信。如圖1所示為3GPP所定義的MTC場景架構(gòu)，其中，網(wǎng)絡(luò)算子提供到MTC服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接，這適用于受網(wǎng)絡(luò)算子控制的MTC服務(wù)器，也適用于不受網(wǎng)絡(luò)算子控制的MTC服務(wù)器，這就是說，在MTC設(shè)備與服務(wù)器之間的通信分為服務(wù)器在算子空間內(nèi)與在算子空間外兩種。另外，愛立信將MTC按5G需求分為mMTC和關(guān)鍵MTC(cMTC),其中mMTC用于滿足海量數(shù)據(jù)連接，cMTC主要用于實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高可靠的MTC業(yè)務(wù)。mMTC作為5G三大場景之一，擁有可擴(kuò)展和靈活的帶寬，屬于低速率傳輸，主要面向以傳感器和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場景。表1所示為mMTC主要的應(yīng)用場景及特點(diǎn)。在mMTC場景中往往需要采集和處理海量數(shù)據(jù)，壓縮感知(CS)理論是一種能夠成功恢復(fù)稀疏信號(hào)的采樣方法，又因?yàn)閙MTC用戶具有稀疏特性，因此將CS應(yīng)用于mMTC場景中能夠有效地提升傳輸性能。同樣CS技術(shù)也應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)(V2V)的數(shù)據(jù)采集，而V2V即是5G中URLLC場景的典型應(yīng)用。1mMTC主要傳輸技術(shù)大規(guī)模部署的loT以少量數(shù)據(jù)和低速率為主，無線傳輸技術(shù)能夠?qū)⒈椴糽oT的傳感器全部連接起來，而loT對(duì)無線傳輸技術(shù)的需求主要體現(xiàn)在距離范圍、數(shù)據(jù)速率、帶寬、安全和成本等方面，其對(duì)能耗方面的要求也非常嚴(yán)格。目前l(fā)oT中的無線傳輸技術(shù)正在向低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)方向發(fā)展，而LPWAN在MTC通信中的發(fā)展十分迅速，其主要特征體現(xiàn)在了覆蓋范圍廣、低功耗和大容量等方面，這些特征也迎合了mMTC對(duì)無線傳輸?shù)男枨蟆?GmMTC場景為了滿足海量連接及數(shù)據(jù)采集的服務(wù)需求，誕生了許多種無線傳輸技術(shù)，如表2所示。在mMTC中的備選多址接入技術(shù)有15種之多，非正交多址接入技術(shù)（NOMA）和稀疏碼多址接入技術(shù)（SCMA）主要應(yīng)用在mMTC場景中的上行傳輸，由于mMTC用戶具有稀疏特性,所以SCMA主要應(yīng)用于mMTC場景。同時(shí)，基于蜂窩技術(shù)的MTC將成為5G的主流，基于蜂窩的典型loT技術(shù)為窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-loT），窄帶頻率僅為180kHz，北京星河亮點(diǎn)公司已經(jīng)研發(fā)出了NB-IoT專用測試儀器。LoRa是一種基于線性擴(kuò)頻（CSS）機(jī)制的專有擴(kuò)頻方法，適合遠(yuǎn)距離傳輸。NB-IoT和LoRa技術(shù)主要適用于智能電表、智能家居等場景，這兩種技術(shù)都屬于LPWAN。另外，mMTC對(duì)于海量數(shù)據(jù)采集和處理的需求是很大的，CS技術(shù)是一種能夠成功恢復(fù)稀疏信號(hào)的采樣方法，將CS應(yīng)用于mMTC場景中能夠有效提升傳輸性能。2mMTC中的傳感數(shù)據(jù)采集及處理IoT中的mMTC場景需要對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，而用戶信號(hào)的稀疏特性，使得CS成為了一種有效的數(shù)據(jù)采集方案。表3為目前業(yè)界主要研究的傳感數(shù)據(jù)采集以及處理方案。2.1基于CS的數(shù)據(jù)采集表4為筆者團(tuán)隊(duì)提出的基于CS的數(shù)據(jù)采集方法。正規(guī)子空間追蹤(RSP)。去噪恢復(fù)算法是CS理論及其應(yīng)用中的重要技術(shù)，考慮到存在于原始稀疏信號(hào)和壓縮測量值中的噪聲，筆者團(tuán)隊(duì)提出了RSP去噪恢復(fù)算法。RSP算法首先通過數(shù)據(jù)預(yù)處理操作減輕由加性噪聲引起的噪聲折疊，然后，中的非零指數(shù)部分由正規(guī)測量矩陣選擇的列確定，最后，這些指數(shù)通過保留最小均方誤差(MMSE)估計(jì)信號(hào)中的最大值進(jìn)行更新。研究結(jié)果表明，與正交匹配追蹤(OMP)算法相比，RSP算法提高了恢復(fù)成功率，同時(shí)也有效地減少了重構(gòu)誤差。基于模擬CS的采樣循環(huán)矩陣(SCM-ACS)和隨機(jī)循環(huán)正交矩陣(RCOM-ACS)。為了降低MWC的硬件復(fù)雜度，筆者團(tuán)隊(duì)提出了一種基于模擬CS的SCM-ACS機(jī)制。利用Zadoff-Chu序列的循環(huán)移位，SCM-ACS機(jī)制能夠?qū)⑽锢聿⑿行诺赖臄?shù)量從減少至1，并且需要更長的處理時(shí)間，這里的范圍從幾十到幾百。研究結(jié)果表明SCM-ACS機(jī)制恢復(fù)性能優(yōu)于MWC。另外，基于模擬CS的RCOM-ACS也可以用來降低MWC的硬件復(fù)雜度，不過與SCM-ACS不同的是該機(jī)制是利用周期混合函數(shù)的循環(huán)移位來減少物理并行信道的數(shù)量。2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集表5為筆者團(tuán)隊(duì)針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）提出的數(shù)據(jù)采集及處理方案。（1）基于數(shù)據(jù)采集算法的自回歸模型（ARDG）。目前，在mMTC場景中，CS理論已廣泛應(yīng)用于WSNs的研究中，CS理論提供了一種比較有競爭力的新型數(shù)據(jù)采集（DG）算法用于能效優(yōu)化。傳感器節(jié)點(diǎn)具有能量約束，且記憶和處理能力有限，同時(shí)CS機(jī)制有利于WSNs減少傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信?；谝陨檄h(huán)境，筆者團(tuán)隊(duì)提出一種適用于WSNs的CS機(jī)制，即ARDG，ARDG能夠有效重構(gòu)信號(hào)及減少數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。在以往的研究中，這種基于優(yōu)化問題的自回歸（AR）模型主要被用作連續(xù)重構(gòu)和減少數(shù)據(jù)通信，而在ARDG機(jī)制中，AR參數(shù)在重構(gòu)前利用歷史傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，同時(shí)也利用到了空間相關(guān)性，且沒有受到傳感領(lǐng)域的限制。當(dāng)AR參數(shù)確定后,將基追蹤去噪（BPDN）算法拓展到AR模型能夠重構(gòu)傳感數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明，在重構(gòu)質(zhì)量和能效等方面，ARDG的性能要明顯地優(yōu)于隨機(jī)游動(dòng)機(jī)制[29-30]。（2）基于分布式存儲(chǔ)的壓縮網(wǎng)絡(luò)編碼（CNCDS）。分布式存儲(chǔ)是WSNs的重要技術(shù)，尤其是在災(zāi)難場景中。為了提高分布式存儲(chǔ)的能量效率，筆者團(tuán)隊(duì)提出了一種CNCDS機(jī)制。該機(jī)制利用了傳感數(shù)據(jù)的相關(guān)性和CS理論以及網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)，同時(shí)CNCDS機(jī)制能夠通過減少收發(fā)數(shù)量獲得更優(yōu)的能效。理論分析表明，利用CNCDS機(jī)制的測量矩陣能夠保證優(yōu)異的CS覆蓋性能［31-32］。3結(jié)束語未來在人們的生活中，5G將無處不在，在ITU提出的5G三大場景中，除現(xiàn)有的3G、4G的移動(dòng)寬帶場景進(jìn)行增強(qiáng)外，mMTC和低時(shí)延高可靠（URLLC）場景等將逐步推進(jìn)5G實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的目標(biāo)。然而，由于mMTC技術(shù)本身就十分復(fù)雜，有些技術(shù)還不夠成熟，因此仍然面臨著一些重大的挑戰(zhàn)：（1）C