近日，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電子工程系吳泳澎教授課題組在6G基礎(chǔ)研究領(lǐng)域取得重要進展，研究成果有限塊長MIMO準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落信道中大規(guī)模隨機接入的能量效率（Energy efficiency of massive random access in MIMO quasi-static Rayleigh fading channels with finite blocklength）已被IEEE Transaction on Information Theory正式接收發(fā)表。博士研究生高俊園為該論文的第一作者，吳泳澎教授為該論文的通訊作者。
IEEE Transactions on Information Theory是信息論領(lǐng)域國際頂級期刊，創(chuàng)刊于1953年，主要發(fā)表與信息傳輸、處理和利用相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究成果。
IMT-2030（6G）推進組在2022年7月發(fā)布的《6G典型場景和關(guān)鍵能力》白皮書中，明確將超大規(guī)模連接列為6G的五個典型場景之一。超大規(guī)模連接場景的兩個關(guān)鍵特點是小包傳輸和用戶隨機接入。因此，基于無限碼長和確定性用戶接入的經(jīng)典香農(nóng)多用戶信息理論已不再適用于超大規(guī)模連接場景。吳泳澎教授課題組的研究成果填補了超大規(guī)模連接場景背后的系統(tǒng)性信息理論框架空白。論文評審人評價該研究成果“對研究界具有顯著價值”（of significant value for research community）。
論文背景
超大規(guī)模連接場景中的通信方案設(shè)計主要受四個因素的影響：1）海量用戶通常以隨機活躍的方式接入系統(tǒng)；2）每個用戶傳輸?shù)男畔⒈忍財?shù)量較少；3）每個用戶的通信能效有嚴(yán)格要求；4）每個用戶要盡量實現(xiàn)低時延傳輸。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，需要采用大規(guī)模隨機接入技術(shù)。此前，關(guān)于大規(guī)模隨機接入技術(shù)的信息理論研究主要集中在漸近域分析，即需要假設(shè)碼長、傳輸比特和用戶數(shù)等趨于無窮。這些假設(shè)與超大規(guī)模連接場景的特點不一致，因此相關(guān)研究工作無法對實際超大規(guī)模連接系統(tǒng)的傳輸方案設(shè)計做出有效指導(dǎo)。
創(chuàng)新成果
與傳統(tǒng)多址接入相比，大維隨機接入的用戶數(shù)量大幅增加，導(dǎo)致錯誤事件的數(shù)量顯著增加。因此，如果采用簡單的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合界來分析用戶錯誤概率將會導(dǎo)致錯誤空間的大幅疊加，從而使得所推導(dǎo)的理論界極松。為解決這個問題，本研究采用Fano界來推導(dǎo)大規(guī)模隨機接入在非漸近場景下的理論界。它的性能依賴于對傳輸信號線性組合周圍區(qū)域的選擇，可以被定義為“好區(qū)域”。基于本研究所設(shè)計的“好區(qū)域”，可以推導(dǎo)出非漸近域下空時頻三維大規(guī)模隨機接入系統(tǒng)傳輸性能緊致的理論極限界。
錯誤空間及“好區(qū)域”
得到的理論界揭示一系列對實際超大規(guī)模連接系統(tǒng)通信方案設(shè)計具有重要指導(dǎo)意義的結(jié)論：1）當(dāng)用戶數(shù)低于某個門限時，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)性能所需要的每比特能量與單用戶通信場景相同，即采用傳統(tǒng)串行干擾抵消接收機架構(gòu)就能實現(xiàn)完美的多用戶干擾消除效果，每個用戶采用經(jīng)典單用戶編碼就能逼近最優(yōu)理論性能極限；2）當(dāng)用戶數(shù)高于某個門限時，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)性能所需要的每比特能量隨用戶數(shù)的增加緩慢增長。而傳統(tǒng)串行干擾抵消接收機在用戶數(shù)高于某個門限之后就無法正常工作。理論結(jié)果揭示用戶數(shù)高于某個門限時傳統(tǒng)串行干擾抵消接收機架構(gòu)已不再適用。逼近最優(yōu)理論性能極限需要設(shè)計全新的多用戶編碼以及接收機架構(gòu)；3）標(biāo)度律分析表明，對于給定碼長n，當(dāng)天線數(shù)增加log n維度，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)性能所需要的能耗能降低1/n維度，顯示采用多天線技術(shù)對于超大規(guī)模連接系統(tǒng)的低功耗傳輸具有顯著增益。
吳泳澎教授課題組所建立的信息理論框架是大規(guī)模隨機接入研究的重要成果。
活躍用戶數(shù)Ka 與每比特能量Eb
論文信息
上海交通大學(xué)電子工程系為論文第一完成單位，博士研究生高俊園為第一作者，吳泳澎教授為通訊作者，合作者包括上海交通大學(xué)邵碩副教授、高通公司楊煒博士和中科院外籍院士、美國科學(xué)院與工程院兩院院士、普林斯頓大學(xué)文森特·珀爾教授。
該研究工作受國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項目和國家重點研發(fā)計劃寬帶通信與信息網(wǎng)絡(luò)重點專項資助。
論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2210.11970
（來源：上海交通大學(xué)）
