第五代無線通信系統(tǒng)新接入技術(shù)的研究

楊樂

摘要：為了研究第五代無線通信系統(tǒng)新接入技術(shù)，從3GPP提出的第五代無線通信系統(tǒng)新無線項目研究目標(biāo)和主要應(yīng)用場景入手，詳細(xì)探討了NR項目研究階段中的關(guān)鍵技術(shù)，并分析了3GPP NR標(biāo)準(zhǔn)化的路線圖。相關(guān)的研究人員可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)度的要求，參考相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)點開展進(jìn)一步研究，提出更有競爭力的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：無線接入 波形設(shè)計 多址接入

1 引言

隨著4G的成功商用以及移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)井噴式的發(fā)展，尤其是視頻業(yè)務(wù)的拓展，對更高速率、更低時延，更大系統(tǒng)容量的無線通信技術(shù)的需求與日俱增。另外一個方面，以IoT為代表的“萬物互聯(lián)”對無線通信系統(tǒng)提出了海量的接入用戶數(shù)以及低功耗的特征。國際通信標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP已經(jīng)明確，下一代無線通信系統(tǒng)將支持這些典型應(yīng)用場景。在接入技術(shù)的選擇方面，3GPP采取原有4G技術(shù)持續(xù)演進(jìn)和引入新的無線接入技術(shù)相結(jié)合的策略，以實現(xiàn)既可以兼容現(xiàn)有系統(tǒng)并使之平滑過渡，又可以以全新技術(shù)滿足新應(yīng)用需求的目標(biāo)。在這種背景下，3GPP決定開展新的無線接入技術(shù)的研究工作，包括NR研究項目的目標(biāo)及其應(yīng)用場景以及NR SI（New Radio Access Technology Study Item，新無線接入技術(shù)研究課題）當(dāng)前討論的關(guān)鍵技術(shù)。本文將詳細(xì)介紹NR（New Radio，新無線）項目的目標(biāo)與應(yīng)用場景及現(xiàn)階段研究的關(guān)鍵技術(shù)，并對3GPP標(biāo)準(zhǔn)中5G發(fā)展的路線圖進(jìn)行解析。

2 新無線接入技術(shù)及其關(guān)鍵技術(shù)

在2016年3月的3GPP第71次RAN全會上，會議通過了RP-160671“Study on New Radio Access Technology”的研究課題立項，以研究面向5G的新無線系統(tǒng)頻段、物理層核心技術(shù)、協(xié)議體系架構(gòu)等最關(guān)鍵的問題。在3GPP中將該研究課題縮寫為NR SI。

2.1 NR研究項目的目標(biāo)及其應(yīng)用場景

NR SI設(shè)定的主要的研究目標(biāo)如下：

（1）新的RAT（Radio Access Technology，無線接入技術(shù)）將考慮100 GHz以下的全部頻段范圍。

（2）設(shè)法實現(xiàn)如下的具體目標(biāo)：以單一的技術(shù)架構(gòu)框架，滿足TR38.913設(shè)定的全部應(yīng)用場景，包括：

1）增強(qiáng)的移動寬帶；

2）大規(guī)模機(jī)器類型通信（Machine-type-commu-nication）；

3）超可靠性和超低時延通信。

（3）該課題初期的高優(yōu)先級研究內(nèi)容包括：

1）新RAT技術(shù)的基礎(chǔ)物理層信號結(jié)構(gòu)：

◆基于OFDM的、具備潛在支持非正交、多址接入的波形技術(shù)；

◆基本的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計；

◆信道編碼方案。

2）無線空口協(xié)議架構(gòu)及處理過程。

3）無線接入網(wǎng)架構(gòu)、接口協(xié)議及處理過程。

NR將考慮將頻率范圍擴(kuò)展至100 GHz以下全部可用的頻段，同時以統(tǒng)一的新空口技術(shù)架構(gòu)框架支持5G的三大應(yīng)用場景和需求。

2.2 NR SI當(dāng)前討論的關(guān)鍵技術(shù)

（1）波形設(shè)計

基于參與3GPP標(biāo)準(zhǔn)制定的各公司的討論，目前波形設(shè)計主要方案應(yīng)基于OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù)），候選技術(shù)包括以下幾種：

1）OFDM with CP：該方案是目前多載波寬寬無線系統(tǒng)中使用最廣泛的多載波waveform（如LTE和802.11），可以通過FFT/IFFT高效實現(xiàn)。

2）DFT-s-OFDM with CP：這個與LTE UL上行的SC-FDMA是相同的處理方法。

3）Filtering and/or windowing on OFDM/DFT-s-OFDM with guard interval：該方案包括了針對每個子載波的濾波方案（如OFDM-OQAM、GFDM），以及針對子載波組的濾波方案（UFMC），相較于傳統(tǒng)的多載波方案，該方案在有用信號的帶外泄漏以及頻譜的同步靈敏度等方面具有更好的性能。

未來NR waveform的評估將以O(shè)FDM with CP和DFT-s-OFDM with CP兩方案作為性能參考，以選擇出滿足5G不用應(yīng)用場景的波形方案。表1是R1-165666中對目前RAN1提出的所有波形技術(shù)的分類。

（2）多址方案

LTE的上行和下行均采用了正交多址接入技術(shù)，可以確保在相同小區(qū)內(nèi)接收機(jī)不會受到干擾。然而在理論上，通過部分/全部交疊的時/頻資源為不同的鏈路提供傳輸?shù)姆钦坏慕尤?，可以獲得更好的系統(tǒng)容量。因此NR的多址接入將不僅包含傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)，還包括非正交多址接入技術(shù)。但考慮到非正交多址接入技術(shù)的增益通常需要復(fù)雜的接收機(jī)算法才能獲得，因此目前的NR中明確了上行可以使用如MUSA（R1-162226），SCMA（R1-162153），PDMA（R1-163383）等非正交多址接入技術(shù)，而下行是否會引入非正交多址技術(shù)需要進(jìn)一步討論。

（3）子載波間距

在NR SI討論之初，考慮到CP長度以及減少時延等因素，候選的子載波間隔包括15 kHz、17.5 kHz、17.06 kHz以及21.33 kHz。經(jīng)過激烈的討論，為了與LTE基帶/射頻處理更好地兼容，會議最終決定NR仍然采用與LTE相同的子載波間隔15 kHz為設(shè)計基準(zhǔn)，子載波間隔可以是15 kHz的N倍（N=2n）倍，并且要求支持1 ms對齊。但也有公司提出，上述方案在支持100 MHz帶寬的時候，將會使得系統(tǒng)保護(hù)帶寬較大造成浪費（如表2所示），建議額外增加75 kHz的設(shè)計基準(zhǔn)。因此在下次會議結(jié)束前，仍然需要對15 kHz的方案是否能靈活支持不同帶寬進(jìn)行研究。

（4）幀結(jié)構(gòu)

NR的幀結(jié)構(gòu)希望可以同時支持TDD和FDD雙工方式，因此目前規(guī)定在一個TI（Time Interval，時間間隔）內(nèi)，可以包含一個或者多個下行傳輸、上行傳輸以及保護(hù)間隔。此外，為了支持self-contained功能（即在相同時隙中發(fā)送對應(yīng)的ACK/NACK，對比LTE需要在n+4個時隙傳輸ACK/NACK），NR的幀結(jié)構(gòu)需要具有以下兩個能力：

1）在下行數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后很短時間內(nèi)（微秒量級）進(jìn)行ACK確認(rèn)；

2）在上行數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后很短時間內(nèi)（微秒量級）進(jìn)行ACK確認(rèn)。

（5）信道編碼

為了支持不同應(yīng)用場景，NR的信道編碼候選方案包括了turbo codes、LDPC codes以及polar codes。與會各公司從解碼性能以及解碼復(fù)雜度等方面，針對不同碼塊長度的情況進(jìn)行了對比。在AWGN信道下，目前所有的候選信道編碼方案性能相似，而對于polar 碼是否可以在較小的碼塊長度情況下獲得更好的性能，則需要進(jìn)一步研究。

（6）調(diào)制方式

調(diào)制方式的選擇需要在接收機(jī)的復(fù)雜性和頻譜效率上做權(quán)衡。一些公司建議NR應(yīng)該采用基于格雷碼編碼的比特交織編碼調(diào)制技術(shù)（base on Gray-encoded and Bit -Interleaved Coded Modulation）。并且為了達(dá)到峰值速率的要求，建議可能需要考慮到1024QAM。由于調(diào)整方式，尤其是建議使用的BICM的設(shè)計方案受信道糾錯編碼影響很大，需要在新的編碼方案有了初步結(jié)論后才可以進(jìn)行設(shè)計及深入探討，所以當(dāng)前這部分內(nèi)容不是討論的重點內(nèi)容。

（7）多天線技術(shù)

如表3所示，從LTE R8中的最大4天線發(fā)送，到NR中最大256天線發(fā)送，MM（Massive MIMO，大規(guī)模多輸入-多輸出技術(shù)）無疑是提升5G頻譜效率的重要手段之一，而MM系統(tǒng)的性能與CSI反饋精度以及負(fù)載等密切相關(guān)。

當(dāng)前，NR WI確定MM的CSI反饋可以包括以下幾個方式：

1）隱式反饋（Implicit CSI feedback）：即用戶反饋CQI、PMI、RI、CRI等表征信道質(zhì)量的信息。

2）顯示反饋（Explicit CSI feedback）：包括量化/模擬反饋CSI信息：即直接反饋信道參數(shù)或經(jīng)過壓縮的信道信息。

3）信道互易性反饋（Reciprocity-based feed-back）：即利用上下行信道的互易性獲得信道信息。

MM方案的評估與選型還需要結(jié)合具體的波束形成（Beam Forming）方案進(jìn)行，當(dāng)前，NR WI確定后續(xù)的MM需要研究模擬波束形成，數(shù)字波束形成和混合波束形成三種方案（如圖1所示），然后進(jìn)行綜合對比與評價。

2.3 3GPP標(biāo)準(zhǔn)路線圖

3GPP 5G路線圖如圖2所示，按照該路線圖，5G NR的部署計劃分兩個階段：

第一階段：計劃在2018年6月完成Release 15版本的規(guī)范制定，并于2020年完成前期的部署。按照第一階段的詳細(xì)計劃，在2018年6月完成的Release 15版本中，支持獨立的NR和非獨立的NR兩種工作模式，其中支持非獨立的NR模式意味著Release 15將基于LTE控制面協(xié)議進(jìn)行兼容性升級，支持獨立NR模式意味著支持全新的控制面協(xié)議棧。在用例場景和頻段方面，Release 15將支持eMBB和URLCC兩種用例場景和6 GHz以下及60 GHz以上的頻段范圍。

第二階段：需要考慮與第一階段兼容，計劃在2019年底完成Release 16版本的規(guī)范制定，并作為正式的5G標(biāo)準(zhǔn)提交到ITU-R IMT-2020，該版本的商用系統(tǒng)計劃于2021年完成部署。

3 結(jié)束語

5G技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)研究及產(chǎn)品研發(fā)有著實際的應(yīng)用需求和廣泛的應(yīng)用場景，三種典型的應(yīng)用場景（eMBB、mMTC、URLLC）的需求重點各不相同，因此5G的無線接入技術(shù)面臨巨大的挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這種挑戰(zhàn)，3GPP制定了合理的應(yīng)對策略和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化路線，既在現(xiàn)有4G技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行平滑演進(jìn)，保證技術(shù)的兼容性，又引入新的頻段和新的空口技術(shù)以應(yīng)對滿足新的需求。在此基礎(chǔ)上，3GPP制訂了詳細(xì)可行的標(biāo)準(zhǔn)化路線圖，以保證進(jìn)行充分的、有效的技術(shù)方案評估論證，以此奠定5G產(chǎn)品研發(fā)的堅實基礎(chǔ)。

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