全面解讀5G技術(shù)：演進(jìn)型和革命型技術(shù)將共存

　　ICCSZ訊   5G將是一個(gè)全球的標(biāo)準(zhǔn)，這點(diǎn)與4G類似。世界上許多國(guó)家和地區(qū)都開(kāi)始了對(duì)5G發(fā)展的詳細(xì)規(guī)劃與推進(jìn)，例如歐盟的METIS項(xiàng)目、中國(guó)的IMT-2020、韓國(guó)的5G Forum、日本的ADWICS。這些項(xiàng)目和計(jì)劃由眾多的電信運(yùn)營(yíng)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(yàn)速率、連接數(shù)、低延時(shí)、高可靠、高能效都將成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要考量因素。應(yīng)用場(chǎng)景也不只是廣域覆蓋，還包括密集熱點(diǎn)、機(jī)器間通信、車聯(lián)網(wǎng)、大型露天集會(huì)、地鐵等。這也決定了5G中的技術(shù)是多元的，不會(huì)像前幾代的每一代都有唯一一個(gè)標(biāo)志性的技術(shù)。

　　5G應(yīng)用和關(guān)鍵性能指標(biāo)

　　面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶，未來(lái)5G的目標(biāo)是達(dá)到類似光纖網(wǎng)速的用戶體驗(yàn)。而對(duì)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(hù)等，特點(diǎn)都是海量接入。圖1是5G在移動(dòng)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(diǎn)是高速率，延遲可以為50ms~100ms;交互業(yè)務(wù)的延時(shí)為5ms~10ms;現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)和在線游戲需要高清視頻和幾十毫秒的延時(shí)。到2020年，云存儲(chǔ)將會(huì)匯集30%的數(shù)字信息量，意味著云與終端的無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)速率達(dá)到光纖級(jí)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(diǎn)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(huì)很大。控制類的服務(wù)有時(shí)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(yàn)速率、流量密度、連接數(shù)密度、時(shí)延(端到端)和移動(dòng)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(chǎng)景：密集居住區(qū)、辦公室、商場(chǎng)、體育館、大型露天集會(huì)、地鐵系統(tǒng)、火車站、高速公路和高速鐵路。對(duì)于每一種應(yīng)用場(chǎng)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(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中的比例隨用戶比例而各異。經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)算，可以得出一些典型場(chǎng)景的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

　　四大典型部署場(chǎng)景

　　5G中比較重要也更好量化的性能指標(biāo)有三個(gè)：一是室外100Mbps和熱點(diǎn)地區(qū)1Gbps的用戶體驗(yàn)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(shí)延在1毫秒以內(nèi)，端到端時(shí)延在毫秒級(jí)。5G關(guān)鍵性能指標(biāo)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(chǎng)景，能夠與技術(shù)更緊密地掛鉤。這四個(gè)場(chǎng)景分別是：宏覆蓋增強(qiáng)、超密集部署、物聯(lián)網(wǎng)和低時(shí)延/高可靠。

　　——宏覆蓋增強(qiáng)場(chǎng)景

　　在這個(gè)場(chǎng)景，所用的頻段多半是低頻的，宏小區(qū)的覆蓋半徑可達(dá)數(shù)公里。實(shí)現(xiàn)100Mbps的用戶體驗(yàn)速率的性能指標(biāo)較有挑戰(zhàn)性。在這個(gè)場(chǎng)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(gè)技術(shù)所帶來(lái)增益的疊加。

　　——超密集部署

　　5G的應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)、露天集會(huì)、體育場(chǎng)館。這種場(chǎng)景下的用戶體驗(yàn)速率要求是1Gbps。很明顯，用戶的密度在典型面積下相當(dāng)高，可以在室外或是室內(nèi)。小區(qū)的拓?fù)湫螤畛尸F(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(jí)的干擾協(xié)調(diào)管理、虛擬小區(qū)、無(wú)線回傳、新型調(diào)制編碼、增強(qiáng)的自組織網(wǎng)絡(luò)等。對(duì)于室內(nèi)部署，還可采用高頻通信來(lái)增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，降低小區(qū)間干擾。高頻的短波長(zhǎng)性質(zhì)使得大規(guī)模天線陣列更容易部署。

　　——機(jī)器間通信場(chǎng)景

　　這個(gè)場(chǎng)景的最大挑戰(zhàn)是支持海量的終端。這也意味著每一個(gè)機(jī)器終端的成本要遠(yuǎn)低于一般的手機(jī)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(dá)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(fèi)用并增強(qiáng)覆蓋?？刂菩帕顑?yōu)化可顯著降低控制信道的開(kāi)銷。非正交傳輸支持多個(gè)終端同時(shí)同頻共享無(wú)線資源，其接入過(guò)程可以是競(jìng)爭(zhēng)式的，從而有效降低控制信令開(kāi)銷。

　　——低時(shí)延和高可靠場(chǎng)景

　　低時(shí)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(jī)器間通信，毫秒級(jí)的延時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。在智能交通系統(tǒng)，毫秒級(jí)延時(shí)和近乎為0的檢測(cè)率是硬性要求，否則無(wú)法避免交通事故。此種場(chǎng)景的潛在技術(shù)有物理幀的新設(shè)計(jì)、高級(jí)的鏈路自適應(yīng)。終端直通技術(shù)也可降低端到端的時(shí)延。

　　四大重點(diǎn)潛在技術(shù)

　　中興通訊認(rèn)為，5G的四大重點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)化中十分重要而又經(jīng)典的議題。在4G時(shí)代，OFDM的采用大大促進(jìn)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(jiǎn)單魯棒得多。貝爾實(shí)驗(yàn)室Marzetta博士的開(kāi)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(lái)自于基站部署大量的天線，而無(wú)需終端側(cè)具有多個(gè)天線。理論上講，當(dāng)基站天線增加至無(wú)窮，系統(tǒng)容量?jī)H受限于參考信號(hào)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(shí)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(guò)靈活的天線單元組合和預(yù)編碼，可以實(shí)現(xiàn)垂直方向上的動(dòng)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(qiáng)覆蓋和提高系統(tǒng)的吞吐。3D MIMO通常是由大規(guī)模天線來(lái)實(shí)現(xiàn)，兩者有很強(qiáng)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(jì)的挑戰(zhàn)性有以下幾點(diǎn)：

　　當(dāng)天線數(shù)增多時(shí)，更多的資源需要用于參考信號(hào)，以便對(duì)每個(gè)單獨(dú)的信道進(jìn)行估計(jì)。需要在參考信號(hào)開(kāi)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?cái)?shù)用于準(zhǔn)確描述空間信道狀態(tài)信息(CSI)，從而有效地進(jìn)行預(yù)編碼和資源調(diào)度。這對(duì)于無(wú)法利用信道互易性的FDD系統(tǒng)尤為重要。對(duì)于TDD系統(tǒng)，需要天線校準(zhǔn)和上行參考信號(hào)的優(yōu)化。

　　除非是在高頻段，大量的天線數(shù)給實(shí)際部署帶來(lái)很大的限制，在不少地區(qū)和城市有嚴(yán)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?yàn)榻ㄖ锿庑芜€可能部署非規(guī)則形狀的天線陣列，這無(wú)論是從陰影衰落模型和工程實(shí)踐角度都存在許多新的問(wèn)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(jì)高集成度的高頻天線陣列是當(dāng)今技術(shù)難點(diǎn)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?fù)湫螤罱M網(wǎng)是基本的方式。到了4G，尤其是LTE-Advanced，出現(xiàn)了異構(gòu)拓?fù)洌春暾九c低功率節(jié)點(diǎn)諸如pico、femto或者中繼站混合組網(wǎng)，來(lái)提高系統(tǒng)容量。容量的提升主要來(lái)自小區(qū)分裂，即低功率節(jié)點(diǎn)將宏站的業(yè)務(wù)進(jìn)行分流，可以同頻。當(dāng)?shù)凸β使?jié)點(diǎn)的密度不高時(shí)，節(jié)點(diǎn)間的干擾也不嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)化。

　　5G時(shí)代的密集部署不僅密度更高，而且更多樣化。除了4G時(shí)用的19個(gè)宏站配上若干個(gè)小站，場(chǎng)景具體化到了城市公寓、辦公室、商場(chǎng)等，更貼近實(shí)際部署。3D的信道和用戶部署將會(huì)更廣泛地采用。

　　隨著低功率節(jié)點(diǎn)密度的增高，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的覆蓋變得更小，相互間的干擾也愈加明顯。如下的幾個(gè)解決思路可供參考：增強(qiáng)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(qiáng)的干擾測(cè)量;增強(qiáng)的協(xié)作調(diào)度，時(shí)域、頻域、空域以及功率域的聯(lián)合協(xié)作;基于干擾對(duì)齊的干擾協(xié)調(diào);無(wú)線回傳。

　　——非正交傳輸

　　4G OFDM系統(tǒng)的一大優(yōu)勢(shì)是接收端的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，這都得歸功于正交的無(wú)線資源使用。但是從和速率的角度，正交系統(tǒng)通常是無(wú)法達(dá)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(shí)表現(xiàn)得尤為顯著。

　　最簡(jiǎn)單的非正交傳輸就是多個(gè)用戶調(diào)制符號(hào)的直接線性疊加。這種功率域的疊加對(duì)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的影響較小，而且許多方面屬于實(shí)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(jí)的干擾消除，接收器復(fù)雜度較高，對(duì)于終端的實(shí)現(xiàn)要求很高。

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

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

　　基于比特分割：碼的疊加在比特級(jí)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(duì)高頻是否支持廣域覆蓋還有不同看法。對(duì)于高頻，以下的兩點(diǎn)問(wèn)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(jī)制和散射體的電磁效應(yīng)可能有很大差別。盡管對(duì)于點(diǎn)到點(diǎn)的微波通信，已經(jīng)有不少測(cè)量和信道模型，但它們多是考慮視距場(chǎng)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(duì)于傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)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(duì)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(hào)失真嚴(yán)重、射頻噪聲顯著，有可能只用低階的調(diào)制方式，這對(duì)高頻系統(tǒng)性能會(huì)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(bǔ)高頻傳輸?shù)哪承┫忍觳蛔恪?/p>

　　新的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高頻信道與低頻信道的特性有很大差異，系統(tǒng)帶寬也會(huì)有數(shù)量級(jí)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(zhǎng)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?huì)占更高比例，基于多天線的波束跟蹤技術(shù)將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

　　新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。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?fù)涮峁┝丝赡苄?，尤其是在超密集部署?chǎng)景。