5G移動通信的關鍵技術規(guī)范及發(fā)展

陳嘉明

（中國移動通信集團廣東有限公司江門分公司，江門 529000）

4G通信目前處于發(fā)展高峰期，其主流標準制式包括TDD和FDD兩種。4G采用基于全IP的異構蜂窩網(wǎng)絡，支持多種無線接入技術，具有傳輸速率高、頻譜利用率高、智能性能高、覆蓋性能好等特點，成功替代3G傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡為當前主流移動通信技術，核心技術包括新的接入與多址技術、調制與編碼技術、智能天線技術、MIMO技術等，保證了4G用戶在各種網(wǎng)絡場景下的數(shù)據(jù)速率需求。但隨著技術發(fā)展，IMT-2020組織發(fā)布了新的移動通信指標要求，同時場景需趨向高速率、大規(guī)模、低時延的應用，5G作為當前最新一代通信系統(tǒng)，符合移動通信技術發(fā)展需求。

1 5G性能要求與場景介紹

作為全球通信標準，5G在性能上要求比4G有更高速率、更大容量、更低時延，以滿足其豐富的應用場景，比如推進工業(yè)自動化、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等。

1.1 5G關鍵性能指標

3GPP技術標準群組TSG RAN目前定義了下一代接入技術5G-NR需求的相關規(guī)范，具體需求規(guī)范如表1所示。

表1 5G-NR需求

在4G應用上，主要KPI指標為用戶峰值速率、端到端時延、移動性等，5G階段，更偏向于用戶體驗速率、連接數(shù)密度、流量密度，具體如下。

（1）用戶體驗速率，要求用戶獲得的最低傳輸速率為 0.1～ 1 Gbit/s。

（2）連接密度數(shù)，在線設備總量為1 000 000/km2。

（3）端到端時延，小于1 ms。

（4）移動性，滿足一定性能下最大移動速度大于500 km/h。

（5）流量密度，達到1 000 Tbit/s/km2。

（6）用戶峰值速率，最高傳輸速率大于10 Gbit/s。

1.2 5G應用場景

根據(jù)3GPP規(guī)范描述，ITU-R IMT-2020定義了3種5G使用場景， 分別為eMBB (enhanced Mobile BroadBand)、mMTC (massive Machine Type Communications)、URLLC (Ultra-Reliable and Low Latency Communications)。

eMBB為增強移動寬帶場景，在這種情況下，系統(tǒng)需要增加100倍的區(qū)域流量和20倍用戶的峰值速率。在低頻段，由于不能使用新的頻譜，只能在舊的頻率資源下實現(xiàn)。這就要求對于與4G技術相同頻率的新頻率資源，新技術可使頻率利用率提高20～100倍。目前，大規(guī)模陣列天線技術在低頻段使用。也只能提高4～6倍容量，這遠遠小于要求的20～100倍。沒有新的技術可以通過1～2個數(shù)量級的提高頻譜效率，有必要擴大頻率的幾倍甚至幾十倍的擴大頻率帶寬，從而可以滿足eMBB情景5G的需求。

mMTC為海量大連接場景，需要完成每平方公里100萬個連接的目標，單靠低頻段是不夠的，主要原因有二：一是當前低頻段在單位面積、單位頻率下的連接數(shù)不夠；二是即使按照NB-IoT方式改造，也只能部分滿足低速物聯(lián)網(wǎng)連接的需求，而中、高速率的物聯(lián)網(wǎng)用戶需求仍然得不到滿足。因而只有擴寬頻率，才能在大帶寬的條件下滿足大容量的物聯(lián)網(wǎng)用戶接入。

uRLLC為低時延高可靠場景，需提供低時延高可靠通信連接的網(wǎng)絡服務。主要應對一些特殊場景包括工業(yè)自動化、自動駕駛、移動醫(yī)療以及其它高度延遲敏感型業(yè)務。在4G時代，用戶端到端的時延要求為10 ms，實際應用中一般在50～100 ms，這在5G的uRLLC場景下的業(yè)務運行是不可接受的，容易出現(xiàn)工業(yè)控制誤差，所謂的“差之毫厘，謬以千里”。5G要求在uRLLC場景下的時延比4G降低一個數(shù)量級，達到1 ms以下，以此滿足低時延高可靠的目標。

2 5G關鍵技術發(fā)展

為滿足5G如此高速率的性能指標需求，在現(xiàn)有4G技術的情況下，需要通過進一步加大頻點帶寬和提高頻率利用率，而加大帶寬是起點，由此而產生的毫米波mmWave、大規(guī)模陣列天線技術、混合波束賦形技術、新多址接入技術、新編碼調制技術、新波形設計技術等都是順理成章的技術趨勢。

2.1 mmWave

mmWave毫米波特指波長為1～10 mm的電磁波，頻率從30～300 GHz。 根據(jù)通信原理，無線通信的最大帶寬約為載頻的5%，載波頻率越高，信號速率越高。在毫米波段，28 GHz頻段和60 GHz頻段是5G最有希望被采用的頻帶。28 GHz頻段中可用的頻譜帶寬高達1 GHz，而60 GHz頻帶中每個信道的可用帶寬高達2 GHz。

與5G相比，目前運營商在4G-LTE頻段使用的最高頻率約2.6 GHz，可使用頻譜帶寬100 MHz。故后續(xù)的5G研究，將集中在高頻段范圍，使頻譜帶寬盡可能提升，從而提高傳輸速率，圖1為未來毫米波頻率使用示意圖。

6 GHz以上的毫米波頻段雖然具備大量的連續(xù)頻譜資源，并可支持超過10 Gbit/s的接入速率，但毫米波頻段的覆蓋是個嚴重的短板，頻率越高，波長越短，繞射和衍射能力越弱，覆蓋面積越小，信號直射穿透過程中損耗越大。

圖1 頻率使用示圖

基于毫米波頻率高，波長短的特征，5G天線相對尺寸短達毫米級別，根據(jù)此特點可以實現(xiàn)5G另一個關鍵技術：大規(guī)模天線陣列，通過MIMO和波束賦形，提高天線增益，彌補毫米波覆蓋短板。

2.2 Massive MIMO

由于毫米波的波長約為1～10 mm，在一定的單位面積里，相比于微波，可集成更多的天線。因此，在基站側可以通過配置大規(guī)模天線陣列，結合MIMO技術，有效解決高頻毫米波傳輸速率及頻譜效率的問題。

當小區(qū)中的基站天線數(shù)量變得無限大時，可以忽略諸如附加高斯白噪聲和瑞利衰減等副作用，并且可以大大提高數(shù)據(jù)速率。雖然高頻傳播損耗非常大，但由于高頻段波長很短，因此可以在有限的面積內部署非常多的天線陣子，通過大規(guī)模天線陣列形成具有非常高增益的窄波束抵消傳播損耗。如圖2所示，以20 cm×20 cm的天線尺寸為例，假設天線間距為工作頻率波長一半，當工作頻段為3.5 GHz時，可部署16根天線；工作頻段為10 GHz時，可部署100根天線；工作頻段為20 GHz時，則可部署高達400根天線。

Massive MIMO具有優(yōu)點如下。

（1）更高的系統(tǒng)性能，利用Massive MIMO提供的空間自由度，基站可同時傳輸更多數(shù)據(jù)流，同時與更多用戶通信，另外大規(guī)模陣列天線可發(fā)送具有指向行的信號，減少用戶之間的干擾，大大提升數(shù)據(jù)傳輸速率，性能比現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)明顯提高。

圖2 20 cm×20 cm天線面板陣子分布及波束示意圖

（2）更高的空間分辨度，大規(guī)模陣列天線可以集中輻射更小的空間區(qū)域，可形成更窄的波束，并增加垂直緯度的波束，產生三維可控波束，大大提升空間分辨度和自由度。

（3）更高的可靠性，Massive MIMO天線的有效孔徑比普通天線更大，從而可以接收更多信號分集度（如折射、散射等路徑傳輸過來的信號），通信的可靠性得到加強。

2.3 Mixed Beamforming

常規(guī)的波束賦形系統(tǒng)主要為數(shù)字波束賦形系統(tǒng)，此種系統(tǒng)特點為射頻鏈路數(shù)量需要與天線數(shù)目相同，如果應用在配置了大規(guī)模天線陣列的毫米波系統(tǒng)，由于天線數(shù)目太大，會加重系統(tǒng)成本和功耗。為了解決該問題，同時限制射頻鏈路的數(shù)量，目前主要技術是提出Mixed Beamforming混合波束賦形技術，通過把一部分波束賦形轉換到模擬域完成。

混合波束賦形的基本原理如圖3所示。

（1）通過使用總輻射功率（TRP）天線的子面板發(fā)射正交下行鏈路參考信號來生成模擬波束。

（2）用戶設備（UE）可以測量這個波束參考信號的被接收功率，并報告波束指標，包括接收到的最高功率。

（3）TRP可以基于探測的參考信號和報告的模擬波束，確定數(shù)字預編碼，因為時分復用（TDD）系統(tǒng)的傳輸是在同一頻率發(fā)生的，上行鏈路和下行鏈路信道狀態(tài)是完成相同的。

（4）到每個用戶設備的下行鏈路信道理論上可以通過用戶設備在上行鏈路傳輸?shù)奶綔y參考信號來評估。

（5）配置用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕旌喜ㄊx形。

2.4 LDPC/Polar

信道編碼是提升信道傳輸?shù)挠行院涂煽啃缘闹匾侄巍.E.Shannon的有噪信道編碼定理指出，對任何信道，只要信息傳輸速率R不大于信道容量C，就一定存在這樣的編碼方法，在采用最大似然譯碼時，其誤碼率可以任意小。最佳編碼應滿足如下。

圖3 混合波束賦形的基本原理圖

（1）采用隨機編譯碼方式。

（2）編碼長度L → ∞，即分組的碼組長度無限。

（3）譯碼采用最佳的最大似然譯碼算法。

3GPP最終確定5G eMBB場景的信道編碼技術方案，Polar為控制信道的編碼方案，LDPC為數(shù)據(jù)信道的編碼方案。

在信息論中，Polar Code是一種線性塊糾錯碼，編碼結構是基于一個簡短的內核代碼的多重遞歸連接，它將物理信道轉換成虛擬外部信道。當遞歸的數(shù)量變大，虛擬通道趨向于具有高可靠性或低可靠性（即極化），并且數(shù)據(jù)比特被分配給最可靠的通道。極化碼的結構由Stolte首次描述，后由Arikan于2007年獨立完成。這是第一個具有明確構造的編碼，使一組獨立二進制對稱輸入離散無記憶信道（B-DMC），能達到香農極限容量的信道編碼。

而LDPC（低密度奇偶校驗），在信息論中，是一種線性糾錯碼，是一種能在有噪聲的傳輸信道上傳送信息的一種方法。LDPC碼也稱Gallager碼，由Robert G.Gallager于1962年提出。LDPC是通過稀疏二部圖構造的，是一種容量逼近碼，意味著存在實際結構，使噪聲門限在一個對稱無記憶信道上能被設置得非常接近（甚至在二進制擦除信道上任意接近）理論最大值（香農極限）。噪聲閾值定義了信道噪聲的上限，據(jù)此可以使信息丟失的概率盡可能小。使用迭代置信傳播技術，LDPC碼可以根據(jù)其塊長度在時間上進行線性解碼。它的校驗矩陣H中非零元素（“1”）的個數(shù)遠小于零元素的個數(shù)，或者矩陣的行重及列重與碼長相比是個很小的數(shù)，LDPC碼的這種特性使其可以構造出低復雜度、高性能的碼。表2針對Polar碼、LDPC碼與4G的Turbo碼作出了對比分析。

表2 3種編碼對比情況

2.5 FBMC

正交頻分復用（OFDM）是子信道中信道使用的概念，所有子信道都是正交的，數(shù)據(jù)被符號調制并傳輸?shù)矫總€子信道。因此，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更快。OFDM的技術性質是FFT銀行過濾器。原型濾波器的主要缺點是由于其窄帶外帶寬，在實際應用中出現(xiàn)強烈的頻譜泄漏。并且在傳統(tǒng)OFDM中，一般采用在信號波形上插入循環(huán)前綴（CP）的方法來對抗多徑，保護間隔一般是符號周期的1/4或1/8長度。

相比于OFDM中使用的矩形窗函數(shù)，F(xiàn)BMC是通過一套優(yōu)化濾波器進行替代，進而減少帶外衰減，如圖4所示matlab軟件仿真所示。其次，為了應付不同的多址接入或機會頻譜接入通信標準，F(xiàn)BMC原型濾波器可以被設計成帶有很大的靈活性去匹配時間或者頻率色散信道及具有較小的旁瓣。由于原型濾波器的脈沖響應和頻率響應可以根據(jù)需要進行設計，因此子載波不必相互正交，而是允許較小的頻帶，因此必須插入循環(huán)前綴。

2.6 NOMA

圖4 基于matlab的FBMC與OFDM調制仿真對比圖

表3 3G/4G/5G多址方式對比

4G時代使用正交頻分多址（OFDMA）技術，通過把一系列相互正交不重疊的子載波分配給不同用戶，實現(xiàn)多址，具有無多址干擾（MAI）特點，但正交多址技術由于其可容納的接入用戶數(shù)與正交資源成正比，而正交資源數(shù)量受限于正交性要求，不能滿足未來5G時代廣域連續(xù)覆蓋，熱點高容量、海量連接、低延時接入等的業(yè)務需求。

NOMA技術通過在發(fā)送端利用非正交傳輸主動引入干擾信息，并通過串行干擾消除（SIC）接收器校正接收端解調。 使用SIC技術的接收機已經(jīng)提高了復雜度，但是可以提高頻譜效率并增加接收機的頻譜效率復雜度。

NOMA采用4G相同的正交頻分復用（OFDM）技術傳輸子信道，因此各個子信道之間互相正交，互不干擾，不同的是NOMA多個用戶共享一個子信道，而不是單用戶獨享，表3列出了3G到5G系統(tǒng)的信道分配情況。

非正交傳輸不同用戶之間在同一信道會引起用戶間的干擾問題，因此需要使用SIC技術在接收端進行多用戶檢測。在發(fā)送端，功率復用用于在同一個子信道上發(fā)送不同的用戶。根據(jù)相關算法分配不同用戶的信號強度，每個用戶到達接收端的信號強度也不相同。然后SIC接收機根據(jù)不同用戶的信號強度按照一定的順序進行干擾消除，實現(xiàn)正確解調，并以此區(qū)分不同用戶。

3 結束語

綜上所述，5G的發(fā)展有賴于新頻段、新編碼技術、新多址技術、新波形的進一步研究。目前5G已進入第二階段，根據(jù)3GPP中計劃，IMT-2020從2018年初到9月，將完成對eMBB、mMTC和URLLC等三大場景的相應NR和LTE的功能需求和測試環(huán)境KPI評估。后續(xù)，我們將緊跟5G研究步伐，繼續(xù)在5G的發(fā)展中探究。