全面解讀5G技術(shù)：演進型和革命型技術(shù)將共存

　　ICCSZ訊   5G將是一個全球的標準，這點與4G類似。世界上許多國家和地區(qū)都開始了對5G發(fā)展的詳細規(guī)劃與推進，例如歐盟的METIS項目、中國的IMT-2020、韓國的5G Forum、日本的ADWICS。這些項目和計劃由眾多的電信運營商、系統(tǒng)設(shè)備廠家、終端廠商、研究所和大學(xué)共同參與。

　　與前4代不同的是，5G的應(yīng)用十分多樣化。峰值速率和平均小區(qū)頻譜效率不再是唯一的要求。除此之外，體驗速率、連接數(shù)、低延時、高可靠、高能效都將成為系統(tǒng)設(shè)計的重要考量因素。應(yīng)用場景也不只是廣域覆蓋，還包括密集熱點、機器間通信、車聯(lián)網(wǎng)、大型露天集會、地鐵等。這也決定了5G中的技術(shù)是多元的，不會像前幾代的每一代都有唯一一個標志性的技術(shù)。

　　5G應(yīng)用和關(guān)鍵性能指標

　　面向移動互聯(lián)網(wǎng)用戶，未來5G的目標是達到類似光纖網(wǎng)速的用戶體驗。而對于物聯(lián)網(wǎng)，5G系統(tǒng)應(yīng)該支持多種應(yīng)用，如交通、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、金融、建筑、電網(wǎng)、環(huán)境保護等，特點都是海量接入。圖1是5G在移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一些主要應(yīng)用。

　　數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)的特點是高速率，延遲可以為50ms~100ms;交互業(yè)務(wù)的延時為5ms~10ms;現(xiàn)實增強和在線游戲需要高清視頻和幾十毫秒的延時。到2020年，云存儲將會匯集30%的數(shù)字信息量，意味著云與終端的無線互聯(lián)網(wǎng)速率達到光纖級別。

　　在物聯(lián)網(wǎng)中，有關(guān)數(shù)據(jù)采集的服務(wù)包括低速率業(yè)務(wù)，如讀表，還有高速率應(yīng)用，如視頻監(jiān)控。讀表業(yè)務(wù)的特點是海量連接、低成本終端、低功耗和小數(shù)據(jù)包;而視頻監(jiān)控不僅要求高速率，其部署密度也會很大。控制類的服務(wù)有時延敏感和不敏感的，前者如車聯(lián)網(wǎng)，后者包括家居生活中的各種應(yīng)用。

　　除了用戶體驗速率、流量密度、連接數(shù)密度、時延(端到端)和移動性等KPI定義，5G需求還包含了3種效率：小區(qū)平均頻譜效率，單位是比特/秒/赫茲/小區(qū)，或是比特/秒/赫茲/平方公里;能效，單位是比特/焦耳;成本效率，單位是貨幣單位/比特。

　　5G的需求列舉了如下幾大應(yīng)用場景：密集居住區(qū)、辦公室、商場、體育館、大型露天集會、地鐵系統(tǒng)、火車站、高速公路和高速鐵路。對于每一種應(yīng)用場景，又有不同的業(yè)務(wù)類型組合，例如圖1中的14種業(yè)務(wù)的其中一種或幾種，在各個應(yīng)用場景中的比例隨用戶比例而各異。經(jīng)過一系列的測算，可以得出一些典型場景的關(guān)鍵性能指標。

　　四大典型部署場景

　　5G中比較重要也更好量化的性能指標有三個：一是室外100Mbps和熱點地區(qū)1Gbps的用戶體驗速率;二是相比4G要有10~100倍的連接數(shù)和連接密度的提升;三是空口時延在1毫秒以內(nèi)，端到端時延在毫秒級。5G關(guān)鍵性能指標及潛在技術(shù)如圖2所示。

　　從部署角度看，5G可分出4大典型部署場景，能夠與技術(shù)更緊密地掛鉤。這四個場景分別是：宏覆蓋增強、超密集部署、物聯(lián)網(wǎng)和低時延/高可靠。

　　——宏覆蓋增強場景

　　在這個場景，所用的頻段多半是低頻的，宏小區(qū)的覆蓋半徑可達數(shù)公里。實現(xiàn)100Mbps的用戶體驗速率的性能指標較有挑戰(zhàn)性。在這個場景中，不同用戶到基站的路損差異很大，使得信噪比差別也很大。宏站上一般允許布置許多天線。連接數(shù)，即使是人與人之間的通信用戶數(shù)也十分大。因此比較適合的技術(shù)包括：大規(guī)模天線、非正交傳輸，以及新型調(diào)制編碼。這些技術(shù)一般情況下可以較好地共存，即復(fù)合使用，總的增益近似等于各個技術(shù)所帶來增益的疊加。

　　——超密集部署

　　5G的應(yīng)用場景許多是與密集部署相關(guān)的，如辦公室、密集城市公寓、商場、露天集會、體育場館。這種場景下的用戶體驗速率要求是1Gbps。很明顯，用戶的密度在典型面積下相當高，可以在室外或是室內(nèi)。小區(qū)的拓撲形狀呈現(xiàn)高度的異構(gòu)性和多樣性，有宏小區(qū)、微小區(qū)(Micro cell)、毫微小區(qū)(Pico cell)、微微小區(qū)(Femto cell)。它們的發(fā)射功率、天線增益、天線高度也大相徑庭。適合的潛在技術(shù)有高級的干擾協(xié)調(diào)管理、虛擬小區(qū)、無線回傳、新型調(diào)制編碼、增強的自組織網(wǎng)絡(luò)等。對于室內(nèi)部署，還可采用高頻通信來增強用戶體驗，降低小區(qū)間干擾。高頻的短波長性質(zhì)使得大規(guī)模天線陣列更容易部署。

　　——機器間通信場景

　　這個場景的最大挑戰(zhàn)是支持海量的終端。這也意味著每一個機器終端的成本要遠低于一般的手機終端。功耗方面也得足夠低，以保證電池幾年不耗盡。覆蓋還應(yīng)該十分魯棒，能夠到達地下室。潛在的技術(shù)包括窄帶傳輸、控制信令優(yōu)化、非正交傳輸。窄帶傳輸能有效降低設(shè)備費用并增強覆蓋。控制信令優(yōu)化可顯著降低控制信道的開銷。非正交傳輸支持多個終端同時同頻共享無線資源，其接入過程可以是競爭式的，從而有效降低控制信令開銷。

　　——低時延和高可靠場景

　　低時延和高可靠是幾種應(yīng)用共同的要求。例如在某些制造工業(yè)中的機器間通信，毫秒級的延時會嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量。在智能交通系統(tǒng)，毫秒級延時和近乎為0的檢測率是硬性要求，否則無法避免交通事故。此種場景的潛在技術(shù)有物理幀的新設(shè)計、高級的鏈路自適應(yīng)。終端直通技術(shù)也可降低端到端的時延。

　　四大重點潛在技術(shù)

　　中興通訊認為，5G的四大重點技術(shù)包括：大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)技術(shù)、非正交傳輸和高頻通信。

　　——大規(guī)模天線

　　多天線技術(shù)一直是標準化中十分重要而又經(jīng)典的議題。在4G時代，OFDM的采用大大促進了多天線的應(yīng)用，原因就是OFDM的MIMO接收器要比3G的CDMA的接收器要簡單魯棒得多。貝爾實驗室Marzetta博士的開創(chuàng)性論文給人們展現(xiàn)了多天線系統(tǒng)的真正潛能，其潛能來自于基站部署大量的天線，而無需終端側(cè)具有多個天線。理論上講，當基站天線增加至無窮，系統(tǒng)容量僅受限于參考信號的污染。

　　盡管大規(guī)模天線的初始概念并未明確指明天線形態(tài)是一維還是二維的，天線實現(xiàn)工藝的迅猛發(fā)展現(xiàn)在能夠支持有源天線單元。通過靈活的天線單元組合和預(yù)編碼，可以實現(xiàn)垂直方向上的動態(tài)波束賦形。這種賦形通常被稱為3D MIMO，能在用戶處于城市樓群的立體分布情形下有效地增強覆蓋和提高系統(tǒng)的吞吐。3D MIMO通常是由大規(guī)模天線來實現(xiàn)，兩者有很強的關(guān)聯(lián)度，都是在基站側(cè)部署大量的天線單元和天線端口。

　　大規(guī)模天線系統(tǒng)設(shè)計的挑戰(zhàn)性有以下幾點：

　　當天線數(shù)增多時，更多的資源需要用于參考信號，以便對每個單獨的信道進行估計。需要在參考信號開銷與系統(tǒng)性能之間做到良好的折中。

　　大規(guī)模天線意味著需要大量的比特數(shù)用于準確描述空間信道狀態(tài)信息(CSI)，從而有效地進行預(yù)編碼和資源調(diào)度。這對于無法利用信道互易性的FDD系統(tǒng)尤為重要。對于TDD系統(tǒng)，需要天線校準和上行參考信號的優(yōu)化。

　　除非是在高頻段，大量的天線數(shù)給實際部署帶來很大的限制，在不少地區(qū)和城市有嚴格的建筑管理法規(guī)，使部署多天線的難度增加。有些情況下因為建筑物外形還可能部署非規(guī)則形狀的天線陣列，這無論是從陰影衰落模型和工程實踐角度都存在許多新的問題要解決。

　　高頻可以減小天線尺寸，使得部署更為靈活。但是，高頻器件本身的制造成本較高，如何設(shè)計高集成度的高頻天線陣列是當今技術(shù)難點之一。

　　——超密集組網(wǎng)的潛在技術(shù)

　　從第一代到第三代蜂窩通信，同構(gòu)拓撲形狀組網(wǎng)是基本的方式。到了4G，尤其是LTE-Advanced，出現(xiàn)了異構(gòu)拓撲，即宏站與低功率節(jié)點諸如pico、femto或者中繼站混合組網(wǎng)，來提高系統(tǒng)容量。容量的提升主要來自小區(qū)分裂，即低功率節(jié)點將宏站的業(yè)務(wù)進行分流，可以同頻。當?shù)凸β使?jié)點的密度不高時，節(jié)點間的干擾也不嚴重。一些干擾抑制的方法已在LTE的版本10和版本11中得到了標準化。

　　5G時代的密集部署不僅密度更高，而且更多樣化。除了4G時用的19個宏站配上若干個小站，場景具體化到了城市公寓、辦公室、商場等，更貼近實際部署。3D的信道和用戶部署將會更廣泛地采用。

　　隨著低功率節(jié)點密度的增高，每個節(jié)點的覆蓋變得更小，相互間的干擾也愈加明顯。如下的幾個解決思路可供參考：增強的功率控制和自適應(yīng)，多小區(qū)的幾乎空白子幀不僅用于數(shù)據(jù)，還用于控制信道;增強的干擾測量;增強的協(xié)作調(diào)度，時域、頻域、空域以及功率域的聯(lián)合協(xié)作;基于干擾對齊的干擾協(xié)調(diào);無線回傳。

　　——非正交傳輸

　　4G OFDM系統(tǒng)的一大優(yōu)勢是接收端的簡單實現(xiàn)，這都得歸功于正交的無線資源使用。但是從和速率的角度，正交系統(tǒng)通常是無法達到和容量上界的。正交系統(tǒng)的非最優(yōu)特性在用戶的信噪比存在巨大差異時表現(xiàn)得尤為顯著。

　　最簡單的非正交傳輸就是多個用戶調(diào)制符號的直接線性疊加。這種功率域的疊加對當前標準的影響較小，而且許多方面屬于實現(xiàn)類技術(shù)，尤其是上行。功率域疊加的傳輸需要有比特級的干擾消除，接收器復(fù)雜度較高，對于終端的實現(xiàn)要求很高。

　　更先進的非正交傳輸還可以利用碼本的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來降低對接收器復(fù)雜度的要求，使得系統(tǒng)更魯棒，例如：

　　基于擴頻碼：序列具有較低的相關(guān)性，提高接收端的遞進干擾消除(SIC)的魯棒性，適用于上行免調(diào)度場景;

　　基于稀疏碼：碼本矩陣具有稀疏性，可以降低接收算法的復(fù)雜度，適用于上行免調(diào)度場景;

　　基于比特分割：碼的疊加在比特級別，可以降低下行接收算法的復(fù)雜度。

　　——高頻通信

　　傳統(tǒng)蜂窩通信的頻段在400MHz至3GHz。考慮到這些頻段的使用已經(jīng)飽和，而且5G的容量和用戶速率要求如此之高，6GHz以上的頻段很有可能廣泛用于蜂窩通信，盡管目前大家對高頻是否支持廣域覆蓋還有不同看法。對于高頻，以下的兩點問題需要首先研究：

　　高頻信道的傳播模型。與低頻相比，高頻傳播的機制和散射體的電磁效應(yīng)可能有很大差別。盡管對于點到點的微波通信，已經(jīng)有不少測量和信道模型，但它們多是考慮視距場景，這與蜂窩通信的一般狀況有較大的不同。信道建模的難度不僅體現(xiàn)在需要橫跨6GHz一直到100GHz，而且大尺度和小尺度衰落都需精確，并且還得包括空間信道建模。

　　器件成本和功放效率。對于傳統(tǒng)的點到點通信，例如宏站之間的微波回傳，器件成本和功耗一般不是制約因素。但對于電池供電的手持終端，器件成本和功耗直接影響高頻的商用可能性。由于信號失真嚴重、射頻噪聲顯著，有可能只用低階的調(diào)制方式，這對高頻系統(tǒng)性能會有很大影響。

　　高頻方面，一些技術(shù)方向有望提高系統(tǒng)性能，彌補高頻傳輸?shù)哪承┫忍觳蛔恪?/p>

　　新的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計。高頻信道與低頻信道的特性有很大差異，系統(tǒng)帶寬也會有數(shù)量級的增高，載波方式也可能不只是多載波，單載波等技術(shù)也有其用武之地。

　　高頻的短波長可以大大縮小天線陣列的尺寸，使大規(guī)模天線部署更有可能。高頻傳輸?shù)囊暰喾至繒几弑壤?，基于多天線的波束跟蹤技術(shù)將會有廣闊的應(yīng)用前景。

　　新的網(wǎng)絡(luò)拓撲。高頻通信一般適于近距離傳輸，而且很容易被物體阻擋。這種“隔離”的特性為新的網(wǎng)絡(luò)拓撲提供了可能性，尤其是在超密集部署場景。