完整word版,5G八大關(guān)鍵技術(shù)走向

1、自2015年ITU發(fā)布白皮書IMT愿景一2020年及之后IMT未來發(fā)展的框架和總體目標(biāo)后,制定全球統(tǒng)一的5G標(biāo)準(zhǔn)已成為業(yè)界共同的呼聲，按照之前公布的路線圖，ITU在2016年重點(diǎn)開展5G技術(shù)性能需求和評(píng)估方法研究,2017年正式啟動(dòng)5G技術(shù)候選方案征集。在國內(nèi)，華為、中興、愛立信、諾基亞和上海貝爾、大唐、英特爾等公司均參與了2016年的5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第一階段測(cè)試。為盡早實(shí)現(xiàn)5G商用，在2017年，運(yùn)營商、設(shè)備商，及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)結(jié)合5G研發(fā)試驗(yàn)第一階段測(cè)試結(jié)果，對(duì)5G關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行突破。大規(guī)模天線：四點(diǎn)問題亟需突破大規(guī)模多天線技術(shù)（Massive MIMO）被認(rèn)為是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，是唯一可以

2、十倍、百倍提升系統(tǒng)容量的無線技術(shù)。相比于以前的單一天線及4G廣泛使用的4/8天線系統(tǒng)，大規(guī)模多天線技術(shù)能夠通過不同的維度（空域、時(shí)域、頻域、極化域等）提升頻譜利用效率和能量利用效率；多維天線陣列可以自適應(yīng)地調(diào)整各個(gè)天線陣子的相位和功率，顯著提高M(jìn)IMO系統(tǒng)的空間分辨率；多天線陣子的動(dòng)態(tài)組合，天然可以應(yīng)用波束賦形技術(shù)，從而讓能量較小的波束集中在一塊小型區(qū)域，將信號(hào)強(qiáng)度集中于特定方向和特定用戶群，因此可以顯著降低小區(qū)內(nèi)自干擾、鄰區(qū)干擾等，提高用戶信號(hào)載干比。結(jié)合5G技術(shù)試驗(yàn)的測(cè)試過程及結(jié)果，大規(guī)模多天線技術(shù)的以下關(guān)鍵問題仍需要進(jìn)一步地研究:1 ）信道估計(jì)及建模。天線陣子的動(dòng)態(tài)組合及分配和用戶終端的

3、移動(dòng)性，導(dǎo)致傳統(tǒng)的發(fā)射端位置固定的信道估計(jì)和建模方式不再適用。 多個(gè)用戶在地理位置的隨機(jī)分布將顯著影響天線陣子的分配,基站需要依賴信道的移動(dòng)性和能量在空間的連續(xù)性盡快做岀最優(yōu)或者較優(yōu)的信道估計(jì)。信道能量在空間的分布不均勻、不同的散射體和反射體的回波只對(duì)不同的天線陣子可見，意味著信道的相關(guān)性將難以預(yù)測(cè)，衰落將呈現(xiàn)非靜態(tài)特征。2 ）導(dǎo)頻污染，上行信道估計(jì)容易被相鄰小區(qū)的非正交序列干擾，基于受污染的信道估計(jì)的下行鏈路波束賦形將會(huì)對(duì)使用同一個(gè)導(dǎo)頻序列的終端造成持續(xù)的定向干擾,從而降低系統(tǒng)容量。3） FDD系統(tǒng)的部署。FDD系統(tǒng)發(fā)展Massive MIMO ，需要考慮信道估計(jì)的優(yōu)化算法、CSI反饋增強(qiáng)及

4、干擾控制、降低反饋占用的資源量的一系列尚未得到解決的問題。4）商業(yè)化的部署與成本控制。由于5G基站天線數(shù)目將極大增長，大規(guī)模天線系統(tǒng)會(huì)需要使用大量的天線陣子,工業(yè)生產(chǎn)時(shí)必然有嚴(yán)格的成本控制要求，反過來需要在理論上解決不同場(chǎng)景下最優(yōu)的天線數(shù)量這一課題。大規(guī)模多天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、工程、安裝、人力等成本均需有進(jìn)一步的減少，才能在商業(yè)化部署中不受制約。新型多址：競(jìng)爭(zhēng)激烈3GPP RAN1 在 2016年中的會(huì)議已決定：eMBB場(chǎng)景的多址接入方式應(yīng)基于正交的多址方式,非正交的多址技術(shù)只限于mMTC的上行場(chǎng)景。這就意味著，eMBB的多址技術(shù)將更可能采用DFT-S-FDMA 和R OFDMA.而華為SC

5、MA、中興MUSA和大唐的PDMA 等將在2017年競(jìng)爭(zhēng)mMTC的上行多址方案。SCMA、MUSA、PDMA和NOMA等非正交多址方案均依賴于 SIC技術(shù)，該技術(shù)雖然有良好的信號(hào)檢測(cè)性能，但如果要應(yīng)用在 5G系統(tǒng)中，仍需要解決：1） 5G的大連接數(shù)需求迫使人們?cè)O(shè)計(jì)更復(fù)雜SIC接收機(jī)，這就要求系統(tǒng)在可接受的功耗水平內(nèi)裝配更強(qiáng)的信號(hào)處理能力的芯片;2）功率域、空域、編碼域單獨(dú)或聯(lián)合地編碼傳輸，要求SIC技術(shù)具有不斷地對(duì)用戶的特征進(jìn)行排序的強(qiáng)大能力;3）多級(jí)處理過程中，SIC技術(shù)有可能會(huì)帶來較大的處理時(shí)延，必須通過優(yōu)化算法來降低負(fù)面影響。此外，各個(gè)候選的多址接入技術(shù)也都具有一定的技術(shù)局限。以SCMA

6、為例，仍存在的問題主要有：1）代價(jià)合理的碼本設(shè)計(jì)；2）低復(fù)雜度的接收及SIC算法；3）系統(tǒng)處理速率和鏈路預(yù)算的優(yōu)化;4）大量用戶在短時(shí)間接入時(shí)，SCMA會(huì)帶來峰值平均功率比過高問題。目前，一共有15種非正交多址技術(shù)的候選方案在競(jìng)爭(zhēng)，如果中國的三種方案想獲得成功，仍需盡快解決各自候選方案中潛在的技術(shù)問題，才能增大中選的可能。高頻段通信：需統(tǒng)一劃定未來5G系統(tǒng)將面向6GHz以下和6GHz以上全頻段布局，以綜合滿足網(wǎng)絡(luò)對(duì)容量、覆蓋、性能 等方面的要求。目前，6GHz以下的低頻段擁擠不堪，6GHz以上的高頻段研發(fā)不足，這是對(duì)未來海 量的5G頻譜需求最大的挑戰(zhàn)：1）高頻段頻譜信道具有很多新的特征，比如高

7、路損、高散射和對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境敏感等，需要理論界進(jìn)一步的研究。2 ）元器件成本高昂，對(duì) RF功能組件的成本控制不利,也對(duì)移動(dòng)終端提岀了新的要求。3）最重要的是，需要全球統(tǒng)一劃定可以使用的高頻段， 識(shí)別岀6GHz100GHz當(dāng)中的最佳頻譜。所謂的“最佳”，就是不僅具備優(yōu)秀物理特性，還得適合國際間的協(xié)調(diào), 同時(shí)也要照顧到目前軍隊(duì)、衛(wèi)星通信及其他行業(yè)的實(shí)際使用情況?？梢灶A(yù)見到，全球統(tǒng)一的高頻段頻 譜的劃定也必然是一場(chǎng)不見硝煙的技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)。新型多載波：三種技術(shù)呼聲最高5G新空口多載波技術(shù)將全面滿足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求。選擇新的波形類型時(shí)有許多因素要考慮，包括頻譜效率、時(shí)延、計(jì)算復(fù)雜性、能量效率、相鄰信

8、道共存性能和實(shí)施成本。截至目 前，業(yè)內(nèi)呼聲最高的3個(gè)候選技術(shù)是：F-OFDM、FB-OFDM 和UF-OFDM.這三種多載波技術(shù)的共 同點(diǎn)是：均采用了濾波器機(jī)制，具有較低的帶外泄露，可以減少保護(hù)帶開銷。子帶間能量隔離，不再 需要嚴(yán)格的時(shí)間同步，有益于減少同步信令開銷。但良好的濾波器設(shè)計(jì)及濾波器輸入?yún)?shù)是三種技術(shù) 的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵。最優(yōu)的濾波器設(shè)計(jì)，要求是帶內(nèi)近似平坦并且?guī)舛附?，濾波器所帶來的信噪比和誤包 率損失可忽略，而陡降的帶外泄露也可以大幅降低保護(hù)帶的開銷。此外，還需要考慮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、算 法復(fù)雜度等約束條件。FB-OFDM原理方案中所使用的濾波器組是以每個(gè)子載波為粒度的。通過優(yōu)化的原型濾波器設(shè)

9、計(jì)，F(xiàn)B-OFDM可以極大地抑制信號(hào)的旁瓣，而且與 UF-OFDM 類似，F(xiàn)B-OFDM 也通過去掉CP的 方式來降低開銷。UF-OFDM和F-OFDM方案中的濾波器組都是以一個(gè)子帶為粒度的。兩者主要差別是：一方面，UF-OFDM 使用的濾波器階數(shù)較短，F(xiàn)-OFDM 需要使用較長的濾波器階數(shù)；另一方 面，UF-OFDM 不需要使用CP,而考慮到后向兼容的問題 F-OFDM仍然需要CP,其信號(hào)處理流程與傳統(tǒng)的OFDM基本相同。FB-OFDM旁瓣水平低，降低了對(duì)同步的嚴(yán)格要求，但是濾波器的沖激響應(yīng)長度很長，所以FB-OFDM 的幀較長，不適用于短包類通信業(yè)務(wù)。UF-OFDM是對(duì)一組連續(xù)的子載波進(jìn)行

10、濾波處理，可以使用較短濾波器長度，支持短包類業(yè)務(wù)，但UF-OFDM沒有CP,因此對(duì)需要松散時(shí)間同步以節(jié)約能源的應(yīng)用場(chǎng)景不適合。先進(jìn)編碼調(diào)制：Polar碼還需錘煉1)eMBB場(chǎng)景3GPP RAN1在2016年10月里斯本會(huì)議和11月里諾會(huì)議中已形成如下決議:的上行和下行數(shù)據(jù)信道均采用 flexible LDPC編碼方案；2) eMBB場(chǎng)景的上行控制信道采用 Polar編碼方案；3)eMBB場(chǎng)景的下行控制信道傾向于采用 Polar編碼方案而不是TBCC (咬尾卷積碼) 方案，但仍需在以后會(huì)議中確認(rèn)；4)uRLLC和mMTC場(chǎng)景的數(shù)據(jù)信道和控制信道的編碼方案需要 進(jìn)一步研究。LDPC 和 Polar

11、 編Turbo Code 2.0、LDPC、Polar編碼方案各有千秋，在編碼效率上均可以接近或“達(dá)到”香農(nóng) 容量，并且有著低的編碼和譯碼復(fù)雜度，對(duì)芯片的性能要求和功耗都不高。但由于碼更適應(yīng)5G的高速率，低時(shí)延、大容量數(shù)據(jù)傳輸及多種場(chǎng)景的要求，事實(shí)上Turbo編碼方案已經(jīng)退岀了競(jìng)爭(zhēng)。在2017年，uRLLC和mMTC場(chǎng)景的數(shù)據(jù)信道和控制信道的編碼方案將是LDPC和Polar編碼方案的雙雄競(jìng)爭(zhēng)，從技術(shù)角度而言，LDPC和Polar編碼方案難分伯仲。究竟在哪種場(chǎng)景、哪種信道選擇哪種編碼方案，市場(chǎng)、專利、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度等恐怕是更重要的砝碼。這里需要提到的是，LDPC碼由于提岀時(shí)間最早，其相關(guān)的專利已紛

12、紛到期或接近到期，而Polar碼最為年輕，專利年限相對(duì)較長。此外，LDPC已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)成熟度非常高，而Polar碼由于年限較短,暫時(shí)還沒有明確的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也談不上有多少應(yīng)用。由此而看，Polar碼如果想應(yīng)用在uRLLC和mMTC場(chǎng)景中，難度較大。全雙工：模型深入分析驗(yàn)證全雙工技術(shù)可以使通信終端設(shè)備能夠在同一時(shí)間同一頻段發(fā)送和接收信號(hào)，理論上，比傳統(tǒng)的TDD或FDD模式能提高一倍的頻譜效率，同時(shí)還能有效降低端到端的傳輸時(shí)延和減小信令開銷。全雙工技術(shù)的核心問題是如何有效地抑制和消除強(qiáng)烈的自干擾。5G第一階段測(cè)試實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)是少天線和小帶寬，且實(shí)驗(yàn)室無線環(huán)境較純凈，而未來商業(yè)

13、部署后，必然面臨著多鄰居小區(qū)的同頻異頻干擾、異構(gòu)異制式小區(qū)干擾、多種類型的天線、100MHz以上的帶寬和其它難以預(yù)料的復(fù)雜干擾，對(duì)于這樣情況下的全雙工系統(tǒng)的工作原理、自干擾的消除算法、信道及干擾的數(shù)學(xué)建模還缺乏深入的理論分析和系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。再看全雙工技術(shù)與基站系統(tǒng)的融合方面，引入全雙工系統(tǒng)后，需要解決:1）物理層的全雙工幀結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制、功率分配、波束賦形、信道估計(jì)、均衡等問題;2）MAC層的同步、檢測(cè)、偵聽、沖突避免、ACK/NACK等問題；3）調(diào)整或設(shè)計(jì)更高層的協(xié)議，確保全雙工系統(tǒng)中干擾協(xié)調(diào)策略、網(wǎng)絡(luò)資源管理等；4）與Massive MIMO 技術(shù)的有效結(jié)合、接收、反饋等問題及如何

14、在此條件下優(yōu)化MIMO算法；5）考慮到4G空口的演進(jìn)，全雙工和半雙工之間動(dòng)態(tài)切換的控制面優(yōu)化，以及對(duì)現(xiàn)有幀結(jié)構(gòu)和控制信令的優(yōu)化問題也需要進(jìn)一步研究。未來大規(guī)模商業(yè)部署時(shí)，需要考慮制造成本，那么在RF及電路元器件設(shè)計(jì)及制造時(shí)，自干擾消除電路需滿足寬頻（大于100MHz ）、功耗低、尺寸利于安裝、且可支持Massive MIMO 所需的多天線（多于64根）。超密集組網(wǎng)：現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景效果待驗(yàn)超密集異構(gòu)組網(wǎng)技術(shù)可以促使終端在部分區(qū)域內(nèi)捕獲更多的頻譜，距離各個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)距離也更 近，提升了業(yè)務(wù)的功率效率、頻譜效率，大幅度提高了系統(tǒng)容量，并天然地保證了業(yè)務(wù)在各種接入技 術(shù)和各覆蓋層次間負(fù)荷分擔(dān)。但超密集部署場(chǎng)景

15、下，由于各個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)間距離較小，網(wǎng)絡(luò)間的干擾將 不可避免，主要類型有：同頻干擾，共享頻譜資源干擾，不同覆蓋層次間的干擾，鄰區(qū)終端干擾等。在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下，如何有效進(jìn)行節(jié)點(diǎn)協(xié)作、干擾消除、干擾協(xié)調(diào)成為重點(diǎn)解決的問題，現(xiàn)在業(yè)內(nèi)已經(jīng)提 岀了一系列的方案，如虛擬層技術(shù)、小區(qū)動(dòng)態(tài)分簇等，但均沒有經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，效果有待檢驗(yàn)。超密集地部署網(wǎng)絡(luò)發(fā)射節(jié)點(diǎn)，使得小區(qū)邊界數(shù)量劇增，加之小區(qū)邊界更不規(guī)則，導(dǎo)致更頻繁、更 為多樣的切換，原有的4G分布式切換算法會(huì)使得其小區(qū)間交互控制信令負(fù)荷會(huì)隨著小區(qū)密度的增加 以二次方趨勢(shì)增長，極大地增加了網(wǎng)絡(luò)控制信令負(fù)荷。 超密集部署場(chǎng)景下的切換算法是必須解決的問 題。超密集部署的發(fā)射節(jié)

16、點(diǎn)狀態(tài)的隨機(jī)變化，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜透蓴_類型也隨機(jī)動(dòng)態(tài)變化，加上多樣化 的用戶業(yè)務(wù)需求保障，同時(shí)為了降低網(wǎng)絡(luò)部署、運(yùn)營維護(hù)復(fù)雜度和成本，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，超密集組網(wǎng) 技術(shù)必須配合更智能的、能統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)多種無線接入制式、覆蓋層次的自配置、自優(yōu)化、自愈合的網(wǎng)絡(luò)自組織技術(shù)。就當(dāng)前的研究成果來看，超密集部署場(chǎng)景下的SON技術(shù)（自配置、自優(yōu)化、自愈功能）是業(yè)內(nèi)缺乏共識(shí)，也是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)切片已獲驗(yàn)隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN ）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）等技術(shù)的逐步成熟，5G組網(wǎng)技術(shù)已能實(shí) 現(xiàn)控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能的分離，以及網(wǎng)元功能和物理實(shí)體的解耦，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的智慧感知和實(shí) 時(shí)調(diào)配，以及

17、網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)功能的按需提供和適配。原本業(yè)界普遍擔(dān)心的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，也由其發(fā)起者愛立信在第一階段測(cè)試中通過原型機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，測(cè)試中實(shí)現(xiàn)了基于愛立信提岀的切片管理三層架構(gòu)（業(yè)務(wù)管理層，切片管理層，共享基礎(chǔ)設(shè)施/資源層）下，完整的網(wǎng)絡(luò)切片生命周期管理 全過程，其中包含基于切片 Blue print的切片構(gòu)建和激活，運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、更新、遷移、共享、擴(kuò)容、縮容，以及刪除切片等。此外，還驗(yàn)證了目前3GPP標(biāo)準(zhǔn)中主流的切片選擇方案；以及根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，切片在多 數(shù)據(jù)中心的靈活部署等場(chǎng)景。SDN和NFV的組合雖然功能強(qiáng)大，但仍然不能解決所有的問題，由于現(xiàn)實(shí)中存在多種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò), 5G的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將不得不考慮如何解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問題、如何規(guī)范編程接口、如何發(fā)現(xiàn)靈活有效的控制策略、如何進(jìn)行不同架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議適配、南北向接口的數(shù)據(jù)規(guī)范、數(shù)據(jù)采集處理等 一系列問題。C-RAN5G是移動(dòng)寬帶網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)組合，因此機(jī)