支持海量终端接入的大规模多天线随机接入理论和方法

With limited wireless time-spectrum resources, conventional random access (RA) mechanism is unable to support massive access and capacity for future wireless applications. With a large number of antennas configured at the base station, massive MIMO technique can overcome current wireless resource scarcity issues and improve the RA performance by offering abundant wireless spatial resources. In this project, we focus on the theory and methods in the massive MIMO based RA to fulfill the demand of massive access from three aspects: 1) User capacity in massive MIMO based RA; 2) Preamble design and collision resolution in massive MIMO based RA; 3) Exploitation and utilization of wireless spatial resources in massive MIMO based RA. By utilizing the excess spatial degrees of freedom in massive MIMO and exploiting wireless spatial resources adequately for RA users, several novel RA schemes are developed in the project, e.g., collision-resolvable multiple-preamble scheme and virtual carrier sensing based scheme. The outcomes of the project will provide innovative insights, theory and methods in the development of RA techniques for future wireless communication systems. Besides, our previous research studies related to this project will lay a solid foundation for successful project completion.

传统的随机接入机制仅利用有限的时频资源,无法满足未来无线通信的海量终端接入需求。大规模多天线技术（MIMO）通过显著增加基站侧配置天线的个数使系统能够突破时频资源的局限，利用空间维度资源来改善随机接入性能。本项目以解决有限时频资源与海量终端接入需求相矛盾的关键科学问题为目标，主要研究基于大规模MIMO的随机接入理论和方法，具体包含三方面的研究内容：1）基于大规模MIMO的随机接入网络用户容量研究；2）基于大规模MIMO的随机接入导频设计和冲突解决；3）随机接入中大规模MIMO空间维度资源的充分利用。本项目利用大规模MIMO中的空间冗余自由度，深度挖掘可为随机接入终端所利用的空间维度资源，拟提出多段式导频设计和冲突解决、虚拟载波监听等创新性随机接入方案，为未来无线通信海量终端接入的实现提供有力的理论、方法和技术。此外，项目组在大规模MIMO方面的前期研究也将为项目的顺利完成奠定良好的基础。

万物互联是未来的发展趋势。据Cisco预测，2023年全球的物联网连接数量将达到500亿。传统的随机接入机制仅利用有限的时频资源,无法满足未来无线通信中海量物联网终端接入的新需求。大规模多天线阵列（MIMO）技术通过显著增加基站侧配置天线的个数使系统能够突破时频资源的局限，利用空间维度资源来改善随机接入性能。本项目以解决有限时频资源与海量物联网终端接入需求相矛盾的关键科学问题为目标，主要研究了基于大规模MIMO的随机接入理论和方法。具体地，本项目首次提出了基于大规模MIMO的免授权随机接入机制，在接入成功率和用户容量分析、导频设计和空间资源开发等方面取得了一系列研究成果，主要包括：1）大规模MIMO免授权随机接入机制的设计；2）面向海量物联网终端接入的接入成功率和网络用户容量分析；3）基于非正交导频大规模MIMO免授权随机接入的研究；4）面向接入冲突解决的超导频设计；5）基于虚拟载波侦听的随机接入设计；6）基于导频数据并发的随机接入设计。理论分析和仿真实验都表明本项目提出的基于大规模MIMO免授权随机接入机制能实现低协议开销、高接入成功率和高接入容量。原型样机测试结果也表明，相比LoRa在单信道上只能支持1个终端发送，装备8根天线的测试平台可支持32个终端并发。因此，项目所提出的大规模MIMO免授权随机接入是一种极具应用前景的物联网通信技术。在大规模MIMO免授权随机接入的基础上，本项目进一步提出的导频设计和空间资源开发方案充分利用了大规模MIMO系统中基站巨量天线所带来的空间自由度，能够有效地解决或降低接入冲突，进一步提升接入容量，满足未来海量物联网终端接入的新需求。本项目的研究理论和成果可以作为技术基础服务于未来车联网、智能家居、智能农业、智能城市等多样化的低功耗广域网应用场景。