上海交大吴泳澎教授课题组在6G基础研究领域取得重要进展

近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院电子工程系吴泳澎教授课题组在6G基础研究领域取得重要进展，研究成果有限块长MIMO准静态瑞利衰落信道中大规模随机接入的能量效率（Energy efficiency of massive random access in MIMO quasi-static Rayleigh fading channels with finite blocklength）已被IEEE Transaction on Information Theory正式接收发表。博士研究生高俊园为该论文的第一作者，吴泳澎教授为该论文的通讯作者。


IEEE Transactions on Information Theory是信息论领域国际顶级期刊，创刊于1953年，主要发表与信息传输、处理和利用相关的基础理论研究成果。

IMT-2030（6G）推进组在2022年7月发布的《6G典型场景和关键能力》白皮书中，明确将超大规模连接列为6G的五个典型场景之一。超大规模连接场景的两个关键特点是小包传输和用户随机接入。因此，基于无限码长和确定性用户接入的经典香农多用户信息理论已不再适用于超大规模连接场景。吴泳澎教授课题组的研究成果填补了超大规模连接场景背后的系统性信息理论框架空白。论文评审人评价该研究成果“对研究界具有显著价值”（of significant value for research community）。

论文背景

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：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。此前，关于大规模随机接入技术的信息理论研究主要集中在渐近域分析，即需要假设码长、传输比特和用户数等趋于无穷。这些假设与超大规模连接场景的特点不一致，因此相关研究工作无法对实际超大规模连接系统的传输方案设计做出有效指导。

创新成果

与传统多址接入相比，大维随机接入的用户数量大幅增加，导致错误事件的数量显著增加。因此，如果采用简单的标准联合界来分析用户错误概率将会导致错误空间的大幅叠加，从而使得所推导的理论界极松。为解决这个问题，本研究采用Fano界来推导大规模随机接入在非渐近场景下的理论界。它的性能依赖于对传输信号线性组合周围区域的选择，可以被定义为“好区域”。基于本研究所设计的“好区域”，可以推导出非渐近域下空时频三维大规模随机接入系统传输性能紧致的理论极限界。


错误空间及“好区域”

得到的理论界揭示一系列对实际超大规模连接系统通信方案设计具有重要指导意义的结论：1）当用户数低于某个门限时，达到系统最优性能所需要的每比特能量与单用户通信场景相同，即采用传统串行干扰抵消接收机架构就能实现完美的多用户干扰消除效果，每个用户采用经典单用户编码就能逼近最优理论性能极限；2）当用户数高于某个门限时，达到系统最优性能所需要的每比特能量随用户数的增加缓慢增长。而传统串行干扰抵消接收机在用户数高于某个门限之后就无法正常工作。理论结果揭示用户数高于某个门限时传统串行干扰抵消接收机架构已不再适用。逼近最优理论性能极限需要设计全新的多用户编码以及接收机架构；3）标度律分析表明，对于给定码长n，当天线数增加log n维度，达到系统最优性能所需要的能耗能降低1/n维度，显示采用多天线技术对于超大规模连接系统的低功耗传输具有显著增益。

吴泳澎教授课题组所建立的信息理论框架是大规模随机接入研究的重要成果。

活跃用户数Ka 与每比特能量Eb

论文信息

上海交通大学电子工程系为论文第一完成单位，博士研究生高俊园为第一作者，吴泳澎教授为通讯作者，合作者包括上海交通大学邵硕副教授、高通公司杨炜博士和中科院外籍院士、美国科学院与工程院两院院士、普林斯顿大学文森特·珀尔教授。

该研究工作受国家自然科学基金优秀青年基金项目和国家重点研发计划宽带通信与信息网络重点专项资助。

论文链接：https://arxiv.org/abs/2210.11970