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5G 若干关键技术评述

论文信息：
张平, 陶运铮, 张治. 5G 若干关键技术评述[J]. 通信学报, 2016, 37(7): 15-29.

  本论文详细介绍和总结了5G的发展历程和国内外研究进展，分析了基于虚拟化的5G网络架构。从无线传输、无线接入、网络这 3 个角度，深入全面地介绍了5G潜在的关键技术及最新进展，包括大规模多天线、全双工、信道建模与信道编码等，分析了其中一些关键技术的优缺点及未来可研究方向。最后，展望了 5G 未来发展的重点任务及主要方向。

5G简介

• 5G 主要应用场景
  移动宽带、大规模机器通信和高可靠低时延通信
  

• 5G的8个技术指标
  峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接数密度、网络能量效率和流量密度。

• 5G标准发展历程
  ITU 在 2016 年开展5G技术性能 需求和评估方法研究，2017年底启动5G候选方案征集，2020年底完成标准制定。
  3GPP 将承担 5G 国际标准技术内容 的制定工作。
  3GPP Rel-14 阶段被认为是启动 5G标准研究
  3GPP Rel-15 阶段可启动 5G 标准工作项目
  3GPP Rel-16 及以后将对 5G 标准进行完善增强
  3GPP Rel-17 5G的增强标准，宣告5G演进第一阶段的完成

• 5G的挑战与解决方案
  

5G网络框架

5G网络架构可大致分为控制、接入和转发平面

• 控制平面通过网络功能重构，实现集中控制功能和无线资源的全局调度。
• 接入平面包含多类基站和无线接入设备，用于实现快速灵活的无线接入协同控制和提高资源利用率。
• 转发平面包含分布式网关并集成内容缓存和业务流加速等功能，在控制平面的统一管控下实现数据转发效率和路由灵活性的提升。

5G网络将融合多类现有或未来的无线接入传输技术和功能网络包括：

• 传统蜂窝网络
• 大规模多天线 网络
• 认知无线网络（CR）
• 无线局域网（Wi-Fi）
• 无线传感器网络（WSN）
• 小型基站
• 可见光通信 （VLC）
• 设备直连通信（D2D）等等

将各种传输技术和功能网络通过统一的核心网络进行管控，以提供超高速率和超低时延的用 户体验和多场景的一致无缝服务。

5G关键技术

1.无线传输技术

1.1 大规模多天线

  大规模多天线（又叫大范围多入多出技术和大范围天线系统）是一种多入多出（MIMO）的通信系统。在系统中基站的天线数远高于终端的天线数目，通过建立极大数目达到终端的信道实现信号的顽健高速传输，并通过大规模天线简化 MAC 层设计来最终实现信号的低时延传输。另一方面，在基站侧部署大规模多天线技术会带来大量的成本问题，例如大幅度增加的硬件和信号处理开销。在实际场景中， 由于设计和完成大规模多天线需要灵活地适应复杂的无线电环境，因此完成大规模多天线系统的搭建是很困难。

参考资料：5G无线知识，从“大规模MIMO”开始

1.2 信道模型

  信道建模通过对无线环境的抽象描述，以一系列的参数来表征无线环境的物理特征。MIMO技术的应用，信道模型由时—频2个维度扩展成空-时-频这 3个维度。

5G 技术的发展使信道建模具有了新特性：

• 空间连续性与移动性：信道的双移动性和空间连续性
• 大规模多天线阵列的信道特性：比如要考虑用球面波取代平面波 进行建模；信道能量往往集中在有限的空间方向上，不满足信道是独立同分布（IID）条件；随着天线阵列的增大，不同的散射体只对不同的天线单元可见，衰落表现出非静态特性。
• 高频段通信的信道特性：未来的短距离无线通信系统需要支持吉比特甚至数十吉比特的数据率。毫米波信道建模具有很多新的特征，比如高路损、高散射和对动态环境敏感等。

1.3 信道编码

  低密度奇偶校验（LDPC, low density parity check）码和极化（polar）码是 5G 信道编码的关键候选码，4G 中广泛应用的 Turbo 码。LDPC 码和 Polar 码作为5G网络信道编码的候选码各有优缺点：

1. 在编译码复杂度上，与 LDPC 码相比，Polar 码逐渐能达到任意二元对称离散无记忆信道的信道容量，具有较低的编译码复杂度，译码算法无需复杂的迭代计算并且能很好地应用于多终端系统中。
2. 在频带利用率方面，Polar码远不如多元 LDPC码，此外，Polar码在中短码长下的性能也不及多元 LDPC码。

LDPC 码和 Polar 码各有优缺点，有学者提出了 LDPC 码和 Polar 码的级联方案，方案将LDPC码作为外码，将Polar码作为内码， 实验证明LDPC-Polar级联方案能很好地综合这 2 种编码方案在不同码长时的各自优势。

1.4 同时同频全双工

  同时同频全双工技术（CCFD, co-frequency co-time full duplex），被认为是下一代移动通信（5G）关键空中接口技术之一。全双工技术可以使通信终端设备能够在同一时间同一频段发送和接收信号，理论上，比传统的 TDD 或 FDD 模式能提高一倍的频谱效率，同时还能有效降低端到端的传输时延和减小信令开销。

  当全双工技术采用收发独立的天线时，由于收发天线距离较近且收发信号功率差异巨大，在接收天线处，同时同频信号（自干扰）会对同频的接收信号产生强烈干扰。因此，全双工技术的核心问题是如何有效地抑制和消除强烈的自干扰。全双工系统的 自干扰消除技术主要包括天线自干扰消除、模拟电 路域自干扰消除以及数字域自干扰消除方法。

2.无线接入技术

2.1 多址接入

  多址接入技术将信号维划分为不同的信道后分配给用户，一般是按照时间轴、频率轴或码字轴将信号空间的维分割为正交或者非正交的用户信道。一个信道只容纳一个用户进行通信，许多同时进行通信的用户，互相以信道来区分，这就是多址。

1G：主要采用频分多址接入方式（FDMA）
2G：主要采用时分多址接入方式（TDMA）
3G：主要采用码分多址接入方式（CDMA）
4G：主要采用正交频分复用多址接入方式（OFDMA）
5G：除了支持传统的OFDMA技术外，还将支持NOMA、SCMA、PDMA、MUSA等多种新型多址技术。

• OFDMA：实现频域空间的多路并发，通过将子载波分配给不同用户并在OFDM系统中添加多址的方法来实现多用户复用信道资源。
  
• 非正交多址接入–NOMA：基于功率域复用的新型多址方案，以增加接收端的复杂度为代价换取更高的频谱效率。NOMA允许多个终端同时共享同一资源单元，多个信号在发射端进行功率域的多路复用，形成多用户叠加传输信号。
  
  NOMA采用非正交的功率域来区分用户。所谓非正交就是说用户之间的数据可以在同一个时隙，同一个频点上传输，而仅仅依靠功率的不同来区分用户。对信噪比高的信道分配较小的功率，对信噪比低的信道分配较大的功率。在接收端通过SIC（串行干扰删除）接收机消除干扰，实现正确解调。
  
• 稀疏编码多址接入–SCMA：基于码域复用的多址方案，该方案将QAM调制和签名传输过程融合，输入的比特流直接映射成一个从特定码本里选出的多维SCMA 码字，然后再以稀疏的方式传播到物理资源元素上。
• 图样分割多址接入技术–PDMA：基于发送端和接收端联合设计的新型非正交多址接入技术。发送端，在相同的时频域资源内，将多个用户信号进行功率域、空域、编码 域单独或联合地编码传输，采用易于干扰抵消接收机算法的特征图样进行区分；接收端，对多用户采用低复杂度、高性能的串行干扰抵消接收机算法进行检测。
• 多用户共享接入–MUSA：基于复数域多元码的上行非正交多址接入技术，适合免调度的多用户共享接入方案，有利于实现低成本、低功耗5G海量连接。

参考资料：
无线通信：多址接入技术
Wi-Fi 6(802.11ax)解析2：OFDMA资源块 - RU
5G无线传输的稀疏码多址(SCMA)介绍
5G中非正交多址接入技术（NOMA）是什么？

2.2 动态TDD

  基于 TDD 的空口被提议应用于针对小小区信号小延迟传播经验的部署，灵活分配每个子帧上下行传输资源。
  5G 动态 TDD 的主要挑战包括更短的TTI、更快的UL/DL切换和 MIMO 的结合等。为了应对这些挑 战，目前被考虑的解决方案有如下 4 种：小区分簇 干扰缓解（CCIM）、eICIC/FeICIC、功率控制、利用MIMO技术。

3.网络技术

3.1 C-RAN

  C-RAN是一种集中化和云计算，新型的基于云的无线接入网架构。C-RAN 架构主要包括3个组成部分：

• 远端无线射频单元(RRH)和天线组成的分布式无线网络；
• 高带宽低延迟的光传输网络连接远端无线射频单元；
• 高性能处理器和实时虚拟技术 组成的集中式基带处理池（BBU pool）。
  

3.2 D2D

  D2D 通信，顾名思义是 2 个终端设备不借助于 其他设备直接进行通信的新型技术。目前面临终端间具有双移动性可能导致通信模式切换失败、资源分配出现问题或干扰过多等问题。

未来展望

  5G在提高大带宽、解决万物互连、实现更可靠和更低时延通信方面具有重要影响。5G通信系统中，大规模多天线和信道建模等的不断研究和创新，不仅能够有效改善无线频谱的利用效率，而且加快了无线数据传输速率并支持更多终端的接入。为了应对未来信息社会高速发展的趋势，网络应具备智能 化的自感知和自调整能力。
  5G 是一个融合的网络，也是一个更加复杂和密集的网络。场景、数据量及设备接入量，实现这一网络需要技 术的不断发展和创新。