M—ICT時(shí)代下的5G技術(shù)及創(chuàng)新

朱龍明

摘要：提出5G面臨的3種技術(shù)發(fā)展挑戰(zhàn)：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、高可靠低時(shí)延通信（URLLC）、大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）。圍繞5G的發(fā)展，中興通訊創(chuàng)新性地提出統(tǒng)一空口（UAI）和云感知軟網(wǎng)絡(luò)（CAS）的技術(shù)理念，并圍繞該理念，研發(fā)出一系列創(chuàng)新技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)5G新型空中接口，例如濾波器組-正交頻分多址（OFDMA FB-OFDMA）、多用戶共享接入（MUSA）、大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）、統(tǒng)一幀結(jié)構(gòu)（UFS）、平滑的虛擬小區(qū)（SVC）等，并基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)構(gòu)建出新型5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這些技術(shù)和方案進(jìn)一步地促進(jìn)了5G的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： UAI；CAS；FB-OFDMA；MUSA；大規(guī)模MIMO

Abstract： In this paper， three technical development challenges faced by 5G are proposed， including enhanced mobile broadband （eMBB）， ultra reliable and low latency communication （URLLC）， massive MTC （mMTC）. ZTE Corporation proposes the technology concept： unified air interface （UAI） and cloud aware soft-network （CAS）， and it also develops a series of innovative technologies for the realization of new 5G air interface， such as filter bank-orthogonal frequency division multiple access （FB-OFDMA）， multi-user shared access （MUSA）， massive multi input multi output （MIMO）， unified frame structure （UFS）， smooth virtual cell （SVC）， and built a new 5G network architecture based on soft-defined network （SDN）/network function virtualization（NFV） technology. These technologies and schemes further promote the development of 5G.

UAI； CAS； FB-OFDMA； MUSA； massive MIMO

1 5G的概念

1.1 5G能做什么

2014年，中興通訊提出構(gòu)建一個(gè)以移動(dòng)為核心特征的面向人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的理念，5G正是實(shí)現(xiàn)中興通訊M-ICT理念的一個(gè)重要基石。5G將滲透到未來M-ICT社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，拉近人與人、人與物、物與物之間的距離，引發(fā)巨大的信息革命。

首先，5G將以公眾用戶為中心構(gòu)建全方位的信息處理系統(tǒng)，突破時(shí)空限制，為用戶帶來極速的上網(wǎng)體驗(yàn)和極佳的交互體驗(yàn)，使信息溝通徹底突破時(shí)空的羈絆。

其次，5G還將以行業(yè)用戶為中心構(gòu)建全方位的信息生態(tài)系統(tǒng)，通過互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)深度融合的方式，拉近萬物的距離，促進(jìn)萬物互聯(lián)，便捷地實(shí)現(xiàn)人與物、物與物之間智能互聯(lián)。

最后，5G還將推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生變革，通過支持多樣化的無線接入場景，驅(qū)動(dòng)終端、無線、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)深度融合，從而滿足端到端的業(yè)務(wù)體驗(yàn)需求，實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)部署和高效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營[1-3]。

1.2 5G帶來的挑戰(zhàn)

5G將圍繞人們居住、工作、休閑、交通以及垂直行業(yè)的需求，廣泛部署在密集住宅區(qū)、辦公室、體育場、地鐵、高速公路、高速鐵路以及環(huán)境監(jiān)測等場景，這些場景分別具有超高流量、超高密度、超高連接數(shù)、超高移動(dòng)性、超遠(yuǎn)覆蓋、超低功耗等不同特點(diǎn)，其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)可以歸納為以下幾種[2]：

（1）增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）場景。該場景指面向移動(dòng)通信的基本覆蓋環(huán)境，能夠在保證移動(dòng)性和業(yè)務(wù)連續(xù)性的前提下，無論靜止還是高速移動(dòng)，覆蓋中心還是覆蓋邊緣，都可以為用戶隨時(shí)隨地提供100 Mbit/s以上的體驗(yàn)速率，在室內(nèi)、外局部熱點(diǎn)區(qū)域的覆蓋環(huán)境，都可以為用戶提供1 Gbit/s的用戶體驗(yàn)速率和10 Gbit/s以上的峰值速率，滿足10 Tbps/km2以上的流量密度需求。

（2）高可靠低時(shí)延通信（URLLC）場景。該場景能夠面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等物聯(lián)網(wǎng)的特殊應(yīng)用需求，為用戶提供毫秒級(jí)的端到端時(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。

（3）大規(guī)模機(jī)器通信（mMTC）場景。該場景指面向環(huán)境監(jiān)測、智能農(nóng)業(yè)等以傳感器和數(shù)據(jù)采集為目標(biāo)的應(yīng)用場景，該應(yīng)用場景具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、低成本、海量連接等特點(diǎn)，要求支持106/km2以上的連接數(shù)密度。

以上3個(gè)場景是5G將面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，具體見圖1。這些挑戰(zhàn)反映到數(shù)字上就是：100 Mbit/s～1 Gbit/s的用戶體驗(yàn)速率和10 Gbit/s的峰值速率，10 Tbps/km2的流量密度，106/km2的連接數(shù)密度，以及毫秒級(jí)的端到端時(shí)延，這些關(guān)鍵性能指標(biāo)如圖2所示。

1.3 5G的演進(jìn)過程

5G空口技術(shù)演進(jìn)由4G演進(jìn)和5G新空口兩部分組成，基于統(tǒng)一空口設(shè)計(jì)下的5G新空口既適用于低頻也適用于5G高頻，4G演進(jìn)及5G空口在高低頻的應(yīng)用共同滿足eMBB、URLLC、mMTC 3種場景的用戶體驗(yàn)，如圖3所示。

長期演進(jìn)（LTE）是目前在全球得以大規(guī)模部署的4G標(biāo)準(zhǔn)。從持續(xù)提升4G用戶的體驗(yàn)及支持網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)的角度出發(fā)，5G標(biāo)準(zhǔn)化階段自然包括對(duì)4G技術(shù)的進(jìn)一步增強(qiáng)。在保證后向兼容的前提下，4G演進(jìn)將以LTE技術(shù)框架為基礎(chǔ)，在已有頻段（主要是6 GHz以下的低頻段）引入增強(qiáng)技術(shù)，包括部分與5G新空口共用技術(shù)如大規(guī)模天線技術(shù)的引入，可以使4G演進(jìn)系統(tǒng)達(dá)到5G的早期能力，也即Pre5G。Pre5G系統(tǒng)在速率、容量、連接數(shù)、時(shí)延等空口性能指標(biāo)能達(dá)到5G早期水平[4]。

5G新空口將是5G演進(jìn)的主要方向。新空口的設(shè)計(jì)將突破后向兼容的限制，被設(shè)計(jì)成一個(gè)全新的空口，通過挖掘各種先進(jìn)技術(shù)的潛力，全面滿足5G性能和效率指標(biāo)為目標(biāo)。5G新空口需要同時(shí)適用于6 GHz以下的低頻段和6 GHz以上的高頻段，低頻段主要滿足大覆蓋、高移動(dòng)性場景下的用戶體驗(yàn)和海量連接，高頻段則滿足熱點(diǎn)區(qū)域極高的用戶體驗(yàn)速率和系統(tǒng)容量[5-6]。

新空口將采用全新的空口設(shè)計(jì)，引入大規(guī)模天線、新波形、新多址等先進(jìn)技術(shù)，采用靈活的幀結(jié)構(gòu)，精簡的信令流程，靈活的雙工方式，有效滿足廣覆蓋、大連接、高速移動(dòng)等場景下的體驗(yàn)速率、時(shí)延、連接數(shù)。新空口設(shè)計(jì)追求技術(shù)方案的統(tǒng)一性和可配置性，通過靈活配置參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)不同場景下的技術(shù)需求，高低頻技術(shù)方案統(tǒng)一，通過參數(shù)的調(diào)整來適應(yīng)信道的變化和射頻器件的影響，在波形、調(diào)制編碼、天線技術(shù)上進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化。在覆蓋組網(wǎng)上，采用低頻與高頻聯(lián)合使用，低頻以構(gòu)建有效的網(wǎng)絡(luò)覆蓋為主，并承擔(dān)對(duì)用戶的管理和控制功能；高頻則在熱點(diǎn)區(qū)域用戶提供高數(shù)據(jù)傳輸。

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)上，5G將引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N基于通用硬件的基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，并且其中的網(wǎng)絡(luò)控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能徹底分離，通過網(wǎng)絡(luò)功能模塊化、組件化實(shí)現(xiàn)控制功能的可重構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者可以從全局的視角來調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，方便快捷地把網(wǎng)元功能部署在網(wǎng)絡(luò)中的任意位置，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的可編程。

5G的標(biāo)準(zhǔn)化工作將在第3代合作伙伴項(xiàng)目（3GPP）內(nèi)完成，如圖4所示。2016年開始的Rel-14版本周期將開啟5G第1階段工作的標(biāo)準(zhǔn)化，這一階段的工作包括也即5G新空口的研究以及信道建模等工作；2018年開始的Rel-16版本周期將是5G第2階段的標(biāo)準(zhǔn)化，包括5G新空口在高頻段的使用。隨后5G將正式進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。

2 中興通訊5G技術(shù)創(chuàng)新

2.1 技術(shù)理念

中興通訊圍繞5G的發(fā)展開展了一系列深入研究，針對(duì)2020年M-ICT社會(huì)的需求和未來無線技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的需求，在總體設(shè)計(jì)理念上提出構(gòu)建統(tǒng)一、靈活、可配置的5G統(tǒng)一空口（UAI）和基于云感知軟網(wǎng)絡(luò)（CAS）技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖5所示。

2.2 UAI技術(shù)創(chuàng)新

UAI是針對(duì)不同場景的技術(shù)需求，通過關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)的靈活配置形成相應(yīng)的優(yōu)化技術(shù)方案，UAI的目標(biāo)是追求統(tǒng)一的波形設(shè)計(jì)、統(tǒng)一的幀結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的控制。

UAI包含3層結(jié)構(gòu)（如圖6所示），底層引入抽象物理層，采用統(tǒng)一框架設(shè)計(jì)的波形和幀結(jié)構(gòu)，靈活適配多種業(yè)務(wù)和全頻段部署的要求，對(duì)不同的業(yè)務(wù)和頻段完全透明；中間層可按照業(yè)務(wù)類型實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)切片和彈性的資源分配；頂層則引入業(yè)務(wù)感知的功能，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、智能的業(yè)務(wù)聚合。

UAI基于統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和靈活的軟件設(shè)置滿足5G時(shí)代多樣化的行業(yè)應(yīng)用，并兼容從低頻段到高頻段的部署需求。為實(shí)現(xiàn)UAI的統(tǒng)一波形、統(tǒng)一幀結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一控制的目標(biāo)，中興通訊在其基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)如波形、幀結(jié)構(gòu)、多址、調(diào)制編碼、天線、小區(qū)虛擬化等領(lǐng)域提出了一系列創(chuàng)新方案。

（1）濾波器組OFDM（FB-OFDM）技術(shù)。中興通訊采用基于優(yōu)化濾波器設(shè)計(jì)的FB-OFDM技術(shù)用于5G的新波形設(shè)計(jì)，其機(jī)理就是在4G的發(fā)射和接收基礎(chǔ)上增加一組多相濾波器模塊。FB-OFDM具有極低的帶外泄露，有效利用零散頻段，并與其他波形技術(shù)進(jìn)行共存，同時(shí)支持eMBB、URLLC和mMTC3種場景的應(yīng)用，在提升頻譜使用率的基礎(chǔ)上，有效降低終端對(duì)時(shí)域和頻域同步要求。

（2）多用戶共享接入（MUSA）技術(shù)。面向5G“海量連接”和“移動(dòng)寬帶”兩個(gè)典型場景的新型多址技術(shù)，中興通訊提出MUSA技術(shù)作為未來5G多址接入技術(shù)。 MUSA上行接入通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)的復(fù)數(shù)域多元碼以及基于串行干擾消除（SIC）的先進(jìn)多用戶檢測，讓系統(tǒng)在相同時(shí)頻資源下支持?jǐn)?shù)倍用戶的接入，并且可以支持真正的免調(diào)度接入，免除資源調(diào)度過程，簡化同步、功控等過程，從極大簡化終端的實(shí)現(xiàn)、降低終端的能耗，因此MUSA特別適合作為未來5G海量接入的解決方案。MUSA下行則通過新型疊加編碼技術(shù)，可提供比4G正交多址及功率域非正交多址（NOMA）更高容量的下行傳輸，并且能簡化終端的實(shí)現(xiàn)，降低終端的能耗，可應(yīng)用于5G移動(dòng)寬帶高容量的場景。

（3）大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)。5G基站天線數(shù)及端口數(shù)將有大幅度增長，中興通訊采用可支持上百根天線和數(shù)十個(gè)天線端口的大規(guī)模天線方案，并通過大規(guī)模MIMO技術(shù)，來支持更多用戶的空間復(fù)用傳輸，達(dá)到數(shù)倍提升系統(tǒng)頻譜效率的目的。大規(guī)模MIMO適用于高低頻段以及集中和分布方式部署，在高頻段通過高增益自適應(yīng)波束賦形技術(shù)以補(bǔ)償高傳播損耗，在低頻段重點(diǎn)解決了頻分雙工（FDD）系統(tǒng)中的導(dǎo)頻開銷和反饋開銷問題，時(shí)分雙工（TDD）系統(tǒng)中的上行導(dǎo)頻污染問題以及信道狀態(tài)信息反饋增強(qiáng)的問題，并采用空口校準(zhǔn)加終端輔助校準(zhǔn)的方式解決分布式天線之間存在的校準(zhǔn)問題，大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用得到了拓展。

（4）統(tǒng)一幀結(jié)構(gòu)（UFS）方案。5G由于引入低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)，傳輸時(shí)間間隔（TTI）可以由4G的5 ms縮短到1 ms，循環(huán)前綴（CP）、參考信號(hào)、控制信令等幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常規(guī)參數(shù)面臨著開銷大幅壓縮的挑戰(zhàn)。中興通訊針對(duì)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，采用參數(shù)可靈活配置的統(tǒng)一幀結(jié)構(gòu)UFS，一方面通過減少TTI長度，降低CP長度，增加子載波間隔，改進(jìn)調(diào)度流程，降低調(diào)度時(shí)延應(yīng)對(duì)低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)；另一方面又可以針對(duì)不同頻段、場景和信道環(huán)境，選擇不同的參數(shù)進(jìn)行配置，如帶寬、子載波間隔、循環(huán)前綴、傳輸時(shí)間間隔和上下行配比。同時(shí)參考信號(hào)和控制信道也可以進(jìn)行靈活配置，以適應(yīng)大規(guī)模天線技術(shù)和MUSA多址技術(shù)的應(yīng)用。

（5）平滑的虛擬小區(qū)（SVC）方案。為了達(dá)到5G系統(tǒng)要求的熱點(diǎn)地區(qū)高流量，5G需要采用超密集組網(wǎng)方式，半規(guī)劃/無規(guī)劃部署的要求，無理想回程鏈路。為此，中興通訊開發(fā)出一種SVC方案來解決超密集組網(wǎng)帶來的5G移動(dòng)性、干擾、高頻鏈路的傳輸質(zhì)量問題。通過采用數(shù)據(jù)同步技術(shù)支撐虛擬小區(qū)內(nèi)傳輸節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)合信號(hào)處理和傳輸節(jié)點(diǎn)的快速轉(zhuǎn)換，通過接入鏈路與自回程鏈路進(jìn)行聯(lián)合資源分配等多種方式靈活動(dòng)態(tài)地組建回程鏈路，更好地支撐半規(guī)劃/無規(guī)劃部署和虛擬小區(qū)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的快速協(xié)作。

（6）多種編碼技術(shù)創(chuàng)新。中興通訊開發(fā)出包編碼、短循環(huán)冗余碼校驗(yàn)碼（CRC）和低密度奇偶校驗(yàn)碼（LDPC）3種調(diào)制編碼技術(shù)應(yīng)對(duì)5G多場景下的信道編碼。包編碼是在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)上添加一個(gè)包編碼，即在所有糾錯(cuò)編碼塊之間添加一個(gè)異或（奇偶校驗(yàn)）包，這樣操作的目的在于將所有的碼塊建立異或關(guān)系，有利于在接收端譯碼時(shí)提高整個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸可靠性；短CRC碼是通過減小CRC的長度并結(jié)合碼空間檢錯(cuò)的一種方案，該方案可以降低開銷并保持通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能，滿足短數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊和在線通訊；LDPC采用并行譯碼技術(shù)，譯碼速度高，特別適用于吞吐量高的系統(tǒng)，可以提升鏈路的頻譜效率以支持高速率業(yè)務(wù)，滿足低頻新空口和高頻新空口中的高速率業(yè)務(wù)。

2.3 CAS技術(shù)創(chuàng)新

未來5G網(wǎng)絡(luò)需要融合各種無線頻段和制式，滿足更多差異化的應(yīng)用場景需求，提供多樣化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，使得5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)更加靈活、可擴(kuò)展性更好。SDN/NFV作為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)創(chuàng)新的核心技術(shù)，將成為5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)技術(shù)；但僅有SDN/NFV技術(shù)仍然無法滿足5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需求，網(wǎng)絡(luò)還需要在架構(gòu)層面上進(jìn)行變革，提供功能組件化動(dòng)態(tài)編排、切片化管理以及按需云部署等關(guān)鍵能力。

中興通訊利用SDN/NFV技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于CAS的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖7所示。CAS將5G網(wǎng)絡(luò)各網(wǎng)元功能進(jìn)行了重構(gòu)，提供功能組件化動(dòng)態(tài)編排、切片化管理以及按需云部署等關(guān)鍵能力。

CAS具有3個(gè)主要特性：開放性（3層通用架構(gòu)）、靈活性（軟件定義組件和切片）和可擴(kuò)展性（以DC為中心的組網(wǎng)部署）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

CAS是一個(gè)開放的、有靈活性的和擴(kuò)展性的平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)，通過虛擬化實(shí)現(xiàn)軟硬件的分離，通過組件化實(shí)現(xiàn)功能的靈活編排，通過云管理實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一管理和部署。

（1）分層網(wǎng)絡(luò)。如圖8所示，CAS采用開放性的分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從底到上分別是：基礎(chǔ)設(shè)施層、業(yè)務(wù)使能層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層。分別提供基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）、網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)（NaaS）以及開放數(shù)據(jù)即服務(wù)（DaaS）。分層網(wǎng)絡(luò)提供的層間解耦合以及可替換性帶來了更加開放的可能。

（2）軟件定義的網(wǎng)絡(luò)。軟件定義的特征使得5G網(wǎng)絡(luò)具有靈活性：基礎(chǔ)設(shè)施層提供物理設(shè)備虛擬化（即圖8中的軟件定義基礎(chǔ)設(shè)施（SDI）），業(yè)務(wù)使能層提供各種虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）（即軟件定義網(wǎng)絡(luò)功能 （SDNF） ），業(yè)務(wù)應(yīng)用層編排各個(gè)VNF，并提供軟件定義的網(wǎng)絡(luò)切片（SDNS）。各層通過適配可提供開放式服務(wù)接口（即軟件定義的業(yè)務(wù)接口（SDSI）），使得各種軟件定義的組件和編排可全局調(diào)度資源，部署網(wǎng)絡(luò)功能，給網(wǎng)絡(luò)帶來了靈活性。

（3）硬件IT化。以數(shù)據(jù)中心為中心的組網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)具備可擴(kuò)展性。接入數(shù)據(jù)中心（DC）除基帶功能之外，Intel inside支持Open Stack，可部署新業(yè)務(wù)；邊緣數(shù)據(jù)中心是業(yè)界第一個(gè)采用Intel 機(jī)柜式架構(gòu)（RSA）的基帶池，可部署移動(dòng)寬帶（MBB）、移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）等網(wǎng)絡(luò)功能；核心網(wǎng)數(shù)據(jù)中心則是高集成度的Intel RSA的電信級(jí)優(yōu)化的數(shù)據(jù)中心。

目前為止，中興通訊已投入2億元用于5G領(lǐng)域的研究和開發(fā)，在未來3年當(dāng)中，還將陸續(xù)投入3億元用于5G研發(fā)。中興通訊分布在全球十幾個(gè)研究所超過2 000余位專家同步從事5G研發(fā)。

3 結(jié)束語

5G的發(fā)展過程也是一個(gè)技術(shù)創(chuàng)新的過程，中興通訊創(chuàng)新地提出的UAI+CAS的架構(gòu)理念，形成了以FB-OFDMA、MUSA、UFS等一批新技術(shù)并應(yīng)用在5G系統(tǒng)中，從而推動(dòng)5G的全面發(fā)展。

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