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摘要：本文简要介绍了超可靠低延迟传（URLLC）特点和应用领域。分析了URLLC的实际应用和实现URLLC关键信息的安全传输面临着关键技术难题，进一步结合非正交多址接入（NOMA）技术多入多出（MIMO）技术探讨如何实现：在频谱资源受限的情况下实现多用户的URLLC传输；在超低时延和高能效传输要求时，研究如何利用非相干通信方式实现用户信息的URLLC传输；在需要实现信息安全通信时，研究如何利用物理层传输技术实现URLLC的安全传输。

关键词：物理层安全，中断概率，超可靠低延迟，非正交多址接入，多入多出

1.引言：

预计到2030年，全球将拥有超过290亿的人工和机器控制型设备。同时随着移动数据业务的空前增长，将出现高数据速率、高可靠性和低延迟在内的一系列不同服务质量（Quality of Service：QoS）的传输需求，然而传统的第四代移动通信不能承载如此大量不同QoS需求的设备[1]。5G无线网络将从根本上区别于上一代无线技术，首次讨论和引入超可靠和低延迟传输并将其作为重要性能指标，即超可靠低延迟通信（Ultra-reliable and low-latency communication：URLLC）。如图1所示。

URLLC传输对于未来基于触感互联网的智能制造、远程医疗、以及频谱受限情况下的大规模机器通信等关键应用至关重要。在传统无线通信应用中，信道编码分组长度趋于无穷大，数据包多为长包（约1500字节），通常使用香农容量来刻画通信所能达到的最大速率。根据经典信息论可知：当分组长度足够大时，存在信道编码使得接收机端几乎可以完全准确地重构信息。然而在URLLC的应用中，如智能交通、智能电网、远程医疗等工业自动化场合，传输的多为机器类通信（Machine type communication：MTC）数据，且对数据传输的可靠性与端到端（End-to-End，E2E）传输延迟有非常严格的要求：端到端延迟约甚至更低，传输可靠性约为的错误概率。为了满足低延迟通信需求，需要的数据编码长度很短，如果此时仍在香农容量指导下进行传输，将无法满足传输的可靠性要求，即，在如此短的数据包传输过程中，接收机处总是存在不可忽略的解码错误概率，因此需要采用基于有限分组长度信道编码的可达速率来指导数据的传输过程，该速率也约束了短包传输过程的最大传输错误概率。同时，在短的数据包传输过程中，导频开销是传输时延的重要影响因素，采用基于导频的信息传输方式将会严重影响传输的效率。另外在突发性的机器通信场景中，基于导频的信息传输将会受到过时信道状态信息（Outdated Channel State Information：Outdated CSI）的影响从而大大降低信道估计的准确性。

另一方面，在多用户的传输系统中，传统的正交多址接入（Orthogonal Multiple Access：OMA）模式，使得系统可支持的并发用户数受限于系统可支配的正交资源块的数目，很难满足新一代移动通信系统中巨大连接数的需求[2]。近年来，非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access：NOMA）技术因其同时支持巨大的并发连接数和具有高频谱效率通信特点，受到学术界与工业界的广泛关注[3]。研究如何利用基于短数据包的NOMA和其相关技术实现多用户同时URLLC，以及根据URLLC传输数据特点和严格低时延要求，研究针对URLLC特性的数据传输方式（如非相干传输）具有非常重要的工程价值和理论研究意义。

进一步，在智能交通等URLLC传输场合中，如果发生信息的窃听和泄露，可能会被恐怖分子利用，将会造成灾难性的后果。如图2所示，窃听用户获得合法车辆的身份验证信息或者车辆关键控制信息后，窃听用户就有可能发送恶意的相反控制信息到车载网络，这将会高概率导致致命交通安全事故。因此，安全是无线通信以及智能交通等应用场景的关键问题，是无线通信网络得以广泛普及和应用的先决条件，正受到人们越来越多的关注和重视，在未来面向5G/6G的物联网时代，安全问题更为重要。

物理层安全主要使用物理层传输技术和无线信道的内在特点来实现信息传输安全，具有传统的计算安全没有的典型优势，如不需要密钥分发以及加密解密等过程。这就使得物理层安全技术具有较低的信号处理复杂度仅需要较小的通信延迟。因此物理层安全特别适合用于具有低延迟特性的传输中，进而能够为URLLC传输提供潜在的安全保证[6]。由于在URLLC中传输的是短包通信数据，传统的基于无限码长信息论的安全分析方法和研究结果不能直接应用到URLLC传输中，因此研究利用物理层传输技术来实现URLLC传输的安全问题具有很强的理论和现实意义。

URLLC的应用以及关键领域的URLLC安全传输体现了无线技术演进中新的要求，它将传统的“点击-等待”通信变为实时性和交互性更强的网络通信。其中超可靠性使得在恶劣的通信环境中也能够确保传输成功，低延迟对于确保交互通信中的实时性至关重要，而安全性需求是很多关键保密信息通信的前提条件。基于这些通信保障策略，URLLC为业界创造了新的工作机遇和机会，如：智能制造、智能交通、智能电网、远程手术、以及增强的虚拟现实等[4]。同时，利用URLLC网络平台可充分挖掘智能制造的潜力并能创造出巨大的经济效益，全球相关工业部门的年收入预计将实现4930亿美元的递增[5]。

总而言之，为了推动URLLC的实际应用和实现URLLC关键信息的安全传输，URLLC通信面临着三大技术难题有待解决：1）在频谱资源受限的情况下，研究如何利用NOMA及其相关技术来实现多用户的URLLC传输；2）在超低时延和高能效传输要求时，研究如何利用非相干通信方式实现用户信息的URLLC传输；3）在需要实现信息安全通信时，研究如何利用物理层传输技术实现URLLC的安全传输。

下面对URLLC传输以及URLLC的安全应用在当前国内外的研究现状进行分析。

2.国内外研究现状：

（1）基于NOMA多用户终端URLLC传输研究现状

现有移动通信系统多用户多址技术都是基于正交思想进行资源的分配，如：时分多址（Time Division Multiplexing Access：TDMA），频分多址（Frequency Division Multiplexing Access：FDMA），以及码分多址（Code Division Multiplexing Access：CDMA）等。不同用户分配完全正交的通信资源。另一方面，新兴无线应用如URLLC传输的不断涌现、移动设备的爆发式增长、用户对高数据率和对数据传输安全性的要求日益増长、无处不在的无线通信服务需求及目前固定的频谱分配方式导致频谱稀缺问题日益严重。

与传统的正交方式不同，NOMA方式可将同一时频资源分配给多个不同用户，被认为是5G及后5G时代的革新技术之一[6]。相对于正交多址接入如TDMA技术，非正交多址技术的接收机复杂度虽有所提升，但可以大大降低多用户传输时延和提高频谱利用率，利用基于短数据包传输的NOMA技术实现多用户URLLC传输具有天然的优势。NOMA的基本思想是利用复杂的接收机设计来换取更高的频谱效率，随着芯片处理能力的增强，使得非正交技术在实际系统中的应用成为可能。目前已经有研究验证了在城市地区采用NOMA的效果，并已证实，采用该方法可使无线接入宏蜂窝的总吞吐量提高50%[6]。

受NOMA具有高频谱利用效率的影响，NOMA在无线通信网络中的研究已经引起人们广泛的关注[7-15]。例如文献[7]研究了基于协作NOMA的最大比合并技术，并分析了系统的中断概率和分集增益，在该网络中，将具有较高链路质量的用户作为中继节点来提升弱用户的接收能力。文献[8]研究了不同的中继选择在协作NOMA传输系统中的性能，分析结果表明两阶段中继选择协议相对于传统的中继选择不仅能够取得更小的中断概率还可以实现最优的分集增益。文献[9]分析了含有直通链路的NOMA中继网络的中断概率和平均和速率性能。文献[10]分析了两用户对共享一个中继网络的场景，研究结果表明，采用基于NOMA的传输策略相对OMA传输能够实现系统容量的提高。在文献[13]中为了得到基于NOMA协作中继系统的满分集增益，作者提出了一种新的能量自适应网络编码策略。进一步，文献[27]提出了利用渐进分析思想评估NOMA在URLLC传输中的应用。

（2）基于URLLC的非相干传输及空时编码研究现状

经典信息论的结果告诉我们，当分组长度足够大时，存在信道编码，使得在接收机上几乎可以完全重构信息。然而，当分组长度较小时，在接收机处总是存在不可忽略的解码错误概率[13，15]。如图3（a）中的较长分组比图3（b）中的较短分组具有更好的可靠性性能。但另一方面，给定其它所有系统参数不变，较短的分组虽然导致较高的错误概率，但能实现较低的通信延迟。一般数据传输过程中除了要传输的实际数据之外，还存在不可忽略的通信开销。对于基于短分组的URLLC传输，导频开销甚至可能成为影响通信延迟和传输能量效率的主要因素。因此考虑进一步降低通信延迟开销并实现有效的传输设计是基于短分组URLLC传输的巨大挑战。

同时，相对于传统的相干传输，非相干无线通信系统因其在接收端进行检测和解调时不需要系统的实时信道状态信息，能够应对信道快速变化时的信道估计问题，因此通信过程中无需发送导频信息因而能够有效降低通信时延。基于这些优点，非相干通信特别适合低延迟严格要求的通信场合并开始受到研究者的关注[20]。同时多天线系统由于在收发端部署多根天线引入了空间维度资源，可以在不增加带宽和总发射功率条件下，利用空间复用技术，实现同一频带内同时传输多个数据流，进而极大地提高通信系统容量和频谱利用率。另外，结合空时编码方案，能够灵活地实现多天线技术的空间分集和时间分集，可进一步提高系统传输的可靠性。

文献[14]分析了基于非相干无线通信系统容量，研究表明在发送和接收端都未知信道状态信息情况下，所提出的酉空时编码可以获得与相干空时编码一样的分集增益。文献[16]分析了基于非相干传输的SIMO传输系统，提出了一种唯一可分解六边形星座的设计方案，相对于传统的QAM和PSK星座，文献[16]提出的方案能够取得更好的传输性能。文献[17，18]分析研究了多用户大规模MIMO系统的非协作非相干空时编码方案。利用大规模MIMO系统信道的渐进正交特性，确保上行发射符号和信道状态信息的唯一识别并提出该系统唯一可分解条件和系统信号设计准则。

以上的非相干通信研究都是基于无限码长理论进行系统的研究和分析，但都没有很好的结合URLLC传输的数据特点和性能要求进行分析，也不能直接利用其来分析基于短包传输的非相干通信场景。

文献[20]研究了基于SISO通信场景下的短数据包非相干通信URLLC链路，分析了在未知信道状态情况下的系统可达最大速率上下界。为了进一步分析基于非相干传输在URLLC通信中的作用，文献[20]也对比了传统的基于导频传输和基于非相干传输的性能，通过分析发现所提出的基于非相干短数据包传输相对基于导频的短数据包传输可以取得更高的能量效率，即使对于采用最优导频设计的相干传输，非相干传输依然表现更好。

根据以上分析可知，采用基于导频的数据通信实现URLLC传输势必会造成传输效率降低和一定的传输延迟。另一方面，对于工业控制中的突发性和间断性的短数据包传输，采用基于导频的数据发送会造成信道估计不准确而导致系统的可靠性降低。虽然目前国外出现少量如[35]的关于单用户单天线场景下URLLC的非相干通信的分析和研究，但对于实际中为了提高URLLC传输系统的可靠性而采用的多天线甚至大规模天线以及结合空时编码策略的传输研究还未出现。

（3）基于物理层传输技术实现安全URLLC的研究现状

为了实现5G中信息的可靠传输，无线通信系统的物理层传输技术正在经历快速且持续的发展。多天线以及大规模天线技术，非正交多址技术，波束成形技术的出现都在不同时间段引领了无线通信技术的研究热潮，并极大地丰富了无线通信的物理层资源。

进一步结合短包传输存在窃听用户通信场景，文献[21]分析了高斯wiretap信道，在给定的数据块错误概率受限条件下，基于有限码长的渐进安全速率。文献[22]提出误码率（Bit Error Rate：BER）作为有限码长的传输系统的安全性能指标，分别利用合法用户和窃听用户的BER详细分析系统的安全性能。分析结果表明增加码长能够有效提高安全性。文献[23]利用基于有限码长的原理得到的合法用户和窃听用户可达速率来分析系统的安全性能，并建立了系统的安全性和可靠性之间的关系，研究如何取得基于有限码长的系统最大可达的安全速率。文献[24]分析了基于半确定通信系统（主信道的CSI可以利用，但是窃听信道的CSI未知）的有限码长的最大安全速率，对于给定的错误概率和信息泄露概率条件，得到一个最优的二阶安全速率。不同于安全容量分析，文献[24]中二阶的安全速率可以描述有限码长系统中的可靠性和安全性之间的关系。

3.基于NOMA和MIMO的URLLC未来研究方向：

综上所述，URLLC传输对于未来基于触感互联网的智能制造、远程医疗、以及频谱受限情况下的大规模机器通信等关键应用至关重要。基于低时延特性的短包URLLC传输将导致接收端解码产生一定错误而降低接收可靠性，也即会造成可靠性和延迟性之间的冲突。MIMO是提高接收可靠性的常用方法，NOMA是提高系统频谱效率、解决多用户接入的关键技术。利用NOMA和MIMO等关键技术为实现URLLC传输较好的提供了解决其面临关键问题的思路，但目前其中的一些深层次的关键技术问题没有得到很好的或彻底的解决。主要有以下几点：

（1）.在确保低时延传输情况下，利用基于短数据包的MIMO-NOMA、全双工协作技术实现多用户URLLC的超可靠传输。

根据NOMA的传输特点可知，NOMA可以在同一时刻服务多个用户，为此相对于传统的TDMA传输，NOMA技术可以为多用户同时提供基于短包传输的低延迟服务，进一步结合NOMA解码特点即弱用户解码具有干扰受限的特点，为此提出利用NOMA技术为强用户提供URLLC传输，弱用户提供普通的传输服务。另外，为了提高接收信号的可靠性，尤其是弱用户接收信号的质量，本项目计划采用终端用户合作、MIMO等技术来改善和提高接收信号的可靠性。随着芯片处理能力的增强，利用NOMA为多用户的URLLC传输提供服务成为可能。

（2）.为提高传输能量效率进一步降低传输延迟，研究基于短数据包的非相干通信，进一步结合MIMO以及空时编码策略实现URLLC的超可靠传输。

进一步研究采用无需信道估计的非相干通信来实现NOMA系统URLLC传输所要求的更加严格的低延迟和高能效传输特性，对于基于短数据包的URLLC传输，导频开销对于传输时延有重要的影响。又因为非相干传输不需要传输用于信道估计的导频信息，因此本项目从影响传输时延的信息结构出发，利用非相干通信减小传输开销来实现严格低时延传输和提高传输能量效率显得非常实际。

（3）.结合低延迟需求下的不同信道状态信息，提出利用非相干传输、基于信道互易特性的信道逆功率控制、以及基于不同反馈容量的波束成形等技术实现安全的URLLC。

基于反馈链路容量有限的通信场景，通过少量的反馈信息来实现安全的URLLC传输，具体为根据不同反馈容量和相对应的码书选择基于码书的波束成形来实现安全的URLLC传输；或者利用少量反馈来确定用户位置信息以及主信道链路的视距分量，利用基于位置的波束成形来实现安全的URLLC传输；进一步可以采用简单的基于传输天线选择的方式实现安全的URLLC传输。基于此，可根据不同的受限条件，比较分析这三种安全策略（基于码书的波束成形、基于地理位置的波束成形、以及基于传输天线选择的方式）并作出最佳判断。

总之，利用基于NOMA与MIMO技术可为实现工业物联网（IIOT）的URLLC传输提供理论支撑和技术保障，有望推动URLLC的安全传输在下一代移动通信中的广泛应用。

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基金：安徽省自然科学研究重点项目（KJ2021A1220，KJ2019A0936。）

作者简介：曹喜珠（1980-），女，硕士，陕西渭南人，安徽师范大学皖江学院，讲师。