擼起袖子加油干：詳解5G八大關鍵技術2017走勢

自2015年ITU發(fā)布白皮書《IMT愿景—2020年及之后IMT未來發(fā)展的框架和總體目標》后，制定全球統(tǒng)一的5G標準已成為業(yè)界共同的呼聲，按照之前公布的路線圖，ITU在2016年重點開展5G技術性能需求和評估方法研究，2017年正式啟動5G技術候選方案征集。

在國內，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技術研發(fā)試驗第一階段測試。為盡早實現(xiàn)5G商用，在2017年，運營商、設備商，及相關產業(yè)鏈應結合5G研發(fā)試驗第一階段測試結果，對5G關鍵技術進行突破。

大規(guī)模天線：四點問題亟需突破

大規(guī)模多天線技術（Massive MIMO）被認為是5G的關鍵技術之一，是唯一可以十倍、百倍提升系統(tǒng)容量的無線技術。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)模多天線技術能夠通過不同的維度（空域、時域、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地調整各個天線陣子的相位和功率，顯著提高MIMO系統(tǒng)的空間分辨率；多天線陣子的動態(tài)組合，天然可以應用波束賦形技術，從而讓能量較小的波束集中在一塊小型區(qū)域，將信號強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)內自干擾、鄰區(qū)干擾等，提高用戶信號載干比。

結合5G技術試驗的測試過程及結果，大規(guī)模多天線技術的以下關鍵問題仍需要進一步地研究：1）信道估計及建模。天線陣子的動態(tài)組合及分配和用戶終端的移動性，導致傳統(tǒng)的發(fā)射端位置固定的信道估計和建模方式不再適用。多個用戶在地理位置的隨機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性和能量在空間的連續(xù)性盡快做出最優(yōu)或者較優(yōu)的信道估計。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不同的天線陣子可見，意味著信道的相關性將難以預測，衰落將呈現(xiàn)非靜態(tài)特征。2）導頻污染，上行信道估計容易被相鄰小區(qū)的非正交序列干擾，基于受污染的信道估計的下行鏈路波束賦形將會對使用同一個導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，需要考慮信道估計的優(yōu)化算法、CSI反饋增強及干擾控制、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)會需要使用大量的天線陣子，工業(yè)生產時必然有嚴格的成本控制要求，反過來需要在理論上解決不同場景下最優(yōu)的天線數(shù)量這一課題。大規(guī)模多天線系統(tǒng)的設計、制造、工程、安裝、人力等成本均需有進一步的減少，才能在商業(yè)化部署中不受制約。

新型多址：競爭激烈

3GPP RAN1在2016年中的會議已決定：eMBB場景的多址接入方式應基于正交的多址方式，非正交的多址技術只限于mMTC的上行場景。這就意味著，eMBB的多址技術將更可能采用DFT-S-FDMA和OFDMA。而華為SCMA、中興MUSA和大唐的PDMA等將在2017年競爭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，該技術雖然有良好的信號檢測性能，但如果要應用在5G系統(tǒng)中，仍需要解決：1）5G的大連接數(shù)需求迫使人們設計更復雜SIC接收機，這就要求系統(tǒng)在可接受的功耗水平內裝配更強的信號處理能力的芯片；2）功率域、空域、編碼域單獨或聯(lián)合地編碼傳輸，要求SIC技術具有不斷地對用戶的特征進行排序的強大能力；3）多級處理過程中，SIC技術有可能會帶來較大的處理時延，必須通過優(yōu)化算法來降低負面影響。

此外，各個候選的多址接入技術也都具有一定的技術局限。以SCMA為例，仍存在的問題主要有：1）代價合理的碼本設計；2）低復雜度的接收及SIC算法；3）系統(tǒng)處理速率和鏈路預算的優(yōu)化；4）大量用戶在短時間接入時，SCMA會帶來峰值平均功率比過高問題。

目前，一共有15種非正交多址技術的候選方案在競爭，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)絡對容量、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，比如高路損、高散射和對動態(tài)環(huán)境敏感等，需要理論界進一步的研究。2）元器件成本高昂，對RF功能組件的成本控制不利，也對移動終端提出了新的要求。3）最重要的是，需要全球統(tǒng)一劃定可以使用的高頻段，識別出6GHz—100GHz當中的最佳頻譜。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，同時也要照顧到目前軍隊、衛(wèi)星通信及其他行業(yè)的實際使用情況?？梢灶A見到，全球統(tǒng)一的高頻段頻譜的劃定也必然是一場不見硝煙的技術戰(zhàn)爭。

新型多載波：三種技術呼聲最高

5G新空口多載波技術將全面滿足移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務需求。選擇新的波形類型時有許多因素要考慮，包括頻譜效率、時延、計算復雜性、能量效率、相鄰信道共存性能和實施成本。截至目前，業(yè)內呼聲最高的3個候選技術是：F-OFDM、FB-OFDM和UF-OFDM。這三種多載波技術的共同點是：均采用了濾波器機制，具有較低的帶外泄露，可以減少保護帶開銷。子帶間能量隔離，不再需要嚴格的時間同步，有益于減少同步信令開銷。但良好的濾波器設計及濾波器輸入?yún)?shù)是三種技術的實現(xiàn)關鍵。最優(yōu)的濾波器設計，要求是帶內近似平坦并且?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帶的開銷。此外，還需要考慮實現(xiàn)復雜度、算法復雜度等約束條件。

FB-OFDM原理方案中所使用的濾波器組是以每個子載波為粒度的。通過優(yōu)化的原型濾波器設計，F(xiàn)B-OFDM可以極大地抑制信號的旁瓣，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，降低了對同步的嚴格要求，但是濾波器的沖激響應長度很長，所以FB-OFDM的幀較長，不適用于短包類通信業(yè)務。UF-OFDM是對一組連續(xù)的子載波進行濾波處理，可以使用較短濾波器長度，支持短包類業(yè)務，但UF-OFDM沒有CP，因此對需要松散時間同步以節(jié)約能源的應用場景不適合。

先進編碼調制：Polar碼還需錘煉

3GPP RAN1在2016年10月里斯本會議和11月里諾會議中已形成如下決議：1）eMBB場景的上行和下行數(shù)據(jù)信道均采用flexible LDPC編碼方案；2）eMBB場景的上行控制信道采用Polar編碼方案；3）eMBB場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，但仍需在以后會議中確認；4）uRLLC和mMTC場景的數(shù)據(jù)信道和控制信道的編碼方案需要進一步研究。

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“達到”香農容量，并且有著低的編碼和譯碼復雜度，對芯片的性能要求和功耗都不高。但由于LDPC和Polar編碼更適應5G的高速率，低時延、大容量數(shù)據(jù)傳輸及多種場景的要求，事實上Turbo編碼方案已經(jīng)退出了競爭。在2017年，uRLLC和mMTC場景的數(shù)據(jù)信道和控制信道的編碼方案將是LDPC和Polar編碼方案的雙雄競爭，從技術角度而言，LDPC和Polar編碼方案難分伯仲。究竟在哪種場景、哪種信道選擇哪種編碼方案，市場、專利、產業(yè)鏈成熟度等恐怕是更重要的砝碼。這里需要提到的是，LDPC碼由于提出時間最早，其相關的專利已紛紛到期或接近到期，而Polar碼最為年輕，專利年限相對較長。此外，LDPC已經(jīng)在眾多領域得到了廣泛應用，產業(yè)成熟度非常高，而Polar碼由于年限較短，暫時還沒有明確的技術標準，也談不上有多少應用。由此而看，Polar碼如果想應用在uRLLC和mMTC場景中，難度較大。

全雙工：模型深入分析驗證

全雙工技術可以使通信終端設備能夠在同一時間同一頻段發(fā)送和接收信號，理論上，比傳統(tǒng)的TDD或FDD模式能提高一倍的頻譜效率，同時還能有效降低端到端的傳輸時延和減小信令開銷。全雙工技術的核心問題是如何有效地抑制和消除強烈的自干擾。

5G第一階段測試實驗室測試系統(tǒng)是少天線和小帶寬，且實驗室無線環(huán)境較純凈，而未來商業(yè)部署后，必然面臨著多鄰居小區(qū)的同頻異頻干擾、異構異制式小區(qū)干擾、多種類型的天線、100MHz以上的帶寬和其它難以預料的復雜干擾，對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)學建模還缺乏深入的理論分析和系統(tǒng)的實驗驗證。

再看全雙工技術與基站系統(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構、數(shù)據(jù)編碼、調制、功率分配、波束賦形、信道估計、均衡等問題；2）MAC層的同步、檢測、偵聽、沖突避免、ACK/NACK等問題；3）調整或設計更高層的協(xié)議，確保全雙工系統(tǒng)中干擾協(xié)調策略、網(wǎng)絡資源管理等；4）與Massive MIMO技術的有效結合、接收、反饋等問題及如何在此條件下優(yōu)化MIMO算法；5）考慮到4G空口的演進，全雙工和半雙工之間動態(tài)切換的控制面優(yōu)化，以及對現(xiàn)有幀結構和控制信令的優(yōu)化問題也需要進一步研究。

未來大規(guī)模商業(yè)部署時，需要考慮制造成本，那么在RF及電路元器件設計及制造時，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)實場景效果待驗

超密集異構組網(wǎng)技術可以促使終端在部分區(qū)域內捕獲更多的頻譜，距離各個發(fā)射節(jié)點距離也更近，提升了業(yè)務的功率效率、頻譜效率，大幅度提高了系統(tǒng)容量，并天然地保證了業(yè)務在各種接入技術和各覆蓋層次間負荷分擔。但超密集部署場景下，由于各個發(fā)射節(jié)點間距離較小，網(wǎng)絡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)實場景下，如何有效進行節(jié)點協(xié)作、干擾消除、干擾協(xié)調成為重點解決的問題，現(xiàn)在業(yè)內已經(jīng)提出了一系列的方案，如虛擬層技術、小區(qū)動態(tài)分簇等，但均沒有經(jīng)過實際驗證，效果有待檢驗。

超密集地部署網(wǎng)絡發(fā)射節(jié)點，使得小區(qū)邊界數(shù)量劇增，加之小區(qū)邊界更不規(guī)則，導致更頻繁、更為多樣的切換，原有的4G分布式切換算法會使得其小區(qū)間交互控制信令負荷會隨著小區(qū)密度的增加以二次方趨勢增長，極大地增加了網(wǎng)絡控制信令負荷。超密集部署場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)點狀態(tài)的隨機變化，使得網(wǎng)絡拓撲和干擾類型也隨機動態(tài)變化，加上多樣化的用戶業(yè)務需求保障，同時為了降低網(wǎng)絡部署、運營維護復雜度和成本，提高網(wǎng)絡質量，超密集組網(wǎng)技術必須配合更智能的、能統(tǒng)一實現(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)絡自組織技術。就當前的研究成果來看，超密集部署場景下的SON技術（自配置、自優(yōu)化、自愈功能）是業(yè)內缺乏共識，也是亟待解決的關鍵技術點。

組網(wǎng)關鍵技術：網(wǎng)絡切片已獲驗

隨著軟件定義網(wǎng)絡（SDN）和網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）等技術的逐步成熟，5G組網(wǎng)技術已能實現(xiàn)控制功能和轉發(fā)功能的分離，以及網(wǎng)元功能和物理實體的解耦，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的智慧感知和實時調配，以及網(wǎng)絡連接和網(wǎng)絡功能的按需提供和適配。原本業(yè)界普遍擔心的網(wǎng)絡切片技術，也由其發(fā)起者愛立信在第一階段測試中通過原型機進行了實驗室驗證，測試中實現(xiàn)了基于愛立信提出的切片管理三層架構（業(yè)務管理層，切片管理層，共享基礎設施/資源層）下，完整的網(wǎng)絡切片生命周期管理全過程，其中包含基于切片Blueprint的切片構建和激活，運行狀態(tài)監(jiān)控、更新、遷移、共享、擴容、縮容，以及刪除切片等。此外，還驗證了目前3GPP標準中主流的切片選擇方案；以及根據(jù)不同的業(yè)務需求，切片在多數(shù)據(jù)中心的靈活部署等場景。

SDN和NFV的組合雖然功能強大，但仍然不能解決所有的問題，由于現(xiàn)實中存在多種傳統(tǒng)網(wǎng)絡，5G的新型網(wǎng)絡架構將不得不考慮如何解決異構網(wǎng)絡之間的兼容性問題、如何規(guī)范編程接口、如何發(fā)現(xiàn)靈活有效的控制策略、如何進行不同架構網(wǎng)絡協(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。

5G是移動寬帶網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的有機組合，因此機器間通信技術、車聯(lián)網(wǎng)、情景感知技術、C-RAN和D-RAN組網(wǎng)技術等領域也是其組成部分。就已知的研究成果來看，這些領域中仍然存在著大量的問題需要進一步的研究，并最終拿出可以在實際場景部署的商用解決方案。

5G會和4G一樣，是一個長期演進的多種技術的組合，現(xiàn)有的研究成果已經(jīng)讓人們體驗到超高速率、零時延、超大連接、信息融合等等部分5G的特性，但這并不是5G的全部，隨著各種研究的不斷深入，5G關鍵支撐技術將從2017年開始逐步得以明確，并進入實質性的標準化研究與制定階段，最終在2020年前后實際商用部署，5G將為人們的日常生產生活提供更加便利的通信條件。（本文作者王毅為諾基亞和上海貝爾移動網(wǎng)絡產品客戶支持部產品驗證北京部經(jīng)理，本文為《通信產業(yè)報》 （網(wǎng)）專稿。）