5G八大关键技术走向.doc

自2015年ITU发布白皮书《IMT愿景—2020年及之后IMT未来发展的框架和总体目标》后，制定全球统一的5G标准已成为业界共同的呼声，按照之前公布的路线图，ITU在2016年重点开展5G技术性能需求和评估方法研究，2017年正式启动5G技术候选方案征集。
在国内，华为、中兴、爱立信、诺基亚和上海贝尔、大唐、英特尔等公司均参与了2016年的5G技术研发试验第一阶段测试。为尽早实现5G商用，在2017年，运营商、设备商，及相关产业链应结合5G研发试验第一阶段测试结果，对5G关键技术进行突破。
大规模天线：四点问题亟需突破
大规模多天线技术（Massive MIMO）被认为是5G的关键技术之一，是唯一可以十倍、百倍提升系统容量的无线技术。相比于以前的单一天线及4G广泛使用的4/8天线系统，大规模多天线技术能够通过不同的维度（空域、时域、频域、极化域等）提升频谱利用效率和能量利用效率；多维天线阵列可以自适应地调整各个天线阵子的相位和功率，显著提高MIMO系统的空间分辨率；多天线阵子的动态组合，天然可以应用波束赋形技术，从而让能量较小的波束集中在一块小型区域，将信号强度集中于特定方向和特定用户群，因此可以显著降低小区内自干扰、邻区干扰等，提高用户信号载干比。
结合5G技术试验的测试过程及结果，大规模多天线技术的以下关键问题仍需要进一步地研究：1）信道估计及建模。天线阵子的动态组合及分配和用户终端的移动性，导致传统的发射端位置固定的信道估计和建模方式不再适用。多个用户在地理位置的随机分布将显著影响天线阵子的分配，基站需要依赖信道的移动性和能量在空间的连续性尽快做出最优或者较优的信道估计。信道能量在空间的分布不均匀、不同的散射体和反射体的回波只对不同的天线阵子可见，意味着信道的相关性将难以预测，衰落将呈现非静态特征。2）导频污染，上行信道估计容易被相邻小区的非正交序列干扰，基于受污染的信道估计的下行链路波束赋形将会对使用同一个导频序列的终端造成持续的定向干扰，从而降低系统容量。3）FDD系统的部署。FDD系统发展Massive MIMO，需要考虑信道估计的优化算法、CSI反馈增强及干扰控制、降低反馈占用的资源量的一系列尚未得到解决的问题。4）商业化的部署与成本控制。由于5G基站天线数目将极大增长，大规模天线系统会需要使用大量的天线阵子，工业生产时必然有严格的成本控制要求，反过来需要在理论上解决不同场景下最优的天线数量这一课题。大规模多天线系统的设计、制造、工程、安装、人力等成本均需有进一步的减少，才能在商业化部署中不受制约。
新型多址：竞争激烈
3GPP RAN1在2016年中的会议已决定：eMBB场景的多址接入方式应基于正交的多址方式，非正交的多址技术只限于mMTC的上行场景。这就意味着，eMBB的多址技术将更可能采用DFT-S-FDMA和OFDMA.而华为SCMA、中兴MUSA和大唐的PDMA等将在2017年竞争mMTC的上行多址方案。
SCMA、MUSA、PDMA和NOMA等非正交多址方案均依赖于SIC技术，该技术虽然有良好的信号检测性能，但如果要应用在5G系统中，仍需要解决：1）5G的大连接数需求迫使人们设计更复杂SIC接收机，这就要求系统在可接受的功耗水平内装配更强的信号处理能力的芯片；2）功率域、空域、编码域单独或联合地编码传输，要求SIC技术具有不断地对用户的特征进行排序的强大能力；3）多级处理过程中，SIC技术有可能会带来较大的处理时延，必须通过优化算法来降低负面影响。
此外，各个候选的多址接入技术也都具有一定的技术局限。以SCMA为例，仍存在的问题主要有：1）代价合理的码本设计；2）低复杂度的接收及SIC算法；3）系统处理速率和链路预算的优化；4）大量用户在短时间接入时，SCMA会带来峰值平均功率比过高问题。
目前，一共有15种非正交多址技术的候选方案在竞争，如果中国的三种方案想获得成功，仍需尽快解决各自候选方案中潜在的技术问题，才能增大中选的可能。
高频段通信：需统一划定
未来5G系统将面向6GHz以下和6GHz以上全频段布局，以综合满足网络对容量、覆盖、性能等方面的要求。目前，6GHz以下的低频段拥挤不堪，6GHz以上的高频段研发不足，这是对未来海量的5G频谱需求最大的挑战：1）高频段频谱信道具有很多新的特征，比如高路损、高散射和对动态环境敏感等，需要理论界进一步的研究。2）元器件成本高昂，对RF功能组件的成本控制不利，也对移动终端提出了新的要求。3）最重要的是，需要全球统一划定可以使用的高频段，识别出6GHz—100GHz当中的最佳频谱。所谓的“最佳”，就是不仅具备优秀物理特性，还得适合国际间的协调，同时也要照顾到目前军队、卫星通信及其他行业的实际使用情况。可以预见到，全球统一的高频段频谱的划定也必然是一场不见硝烟的技术战争。
新型多载波：三种技术呼声最高
5G新空口多载波技术将全面满足移动互联网和物联网的业务需求。选择新的波形类型时有许多因素要考虑，包括频谱效率、时延、计算复杂性、能量效率、相邻信道共存性能和实施成本。截至目前，业内呼声最高的3个候选技术是：F-OFDM、FB-OFDM和UF-OFDM.这三种多载波技术的共同点是：均采用了滤波器机制，具有较低的带外泄露，可以减少保护带开销。子带间能量隔离，不再需要严格的时间同步，有益于减少同步信令开销。但良好的滤波器设计及滤波器输入参数是三种技术的实现关键。最优的滤波器设计，要求是带内近似平坦并且带外陡降，滤波器所带来的信噪比和误包率损失可忽略，而陡降的带外泄露也可以大幅降低保护带的开销。此外，还需要考虑实现复杂度、算法复杂度等约束条件。
FB-OFDM原理方案中所使用的滤波器组是以每个子载波为粒度的。通过优化的原型滤波器设计，FB-OFDM可以极大地抑制信号的旁瓣，而且与UF-OFDM类似，FB-OFDM也通过去掉CP的方式来降低开销。UF-OFDM和F-OFDM方案中的滤波器组都是以一个子带为粒度的。两者主要差别是：一方面，UF-OFDM使用的滤波器阶数较短，F-OFDM需要使用较长的滤波器阶数；另一方面，UF-OFDM不需要使用CP，而考虑到后向兼容的问题F-OFDM仍然需要CP，其信号处理流程与传统的OFDM基本相同。FB-OFDM旁瓣水平低，降低了对同步的严格要求，但是滤波器的冲激响应长度很长，所以FB-OFDM的帧较长，不适用于短包类通信业务。UF-OFDM是对一组连续的子载波进行滤波处理，可以使用较短滤波器长度，支持短包类业务，但UF-OFDM没有CP，因此对需要松散时间同步以节约能源的应用场景不适合。
先进编码调制：Polar码还需锤炼
3GPP RAN1在2016年10月里斯本会议和11月里诺会议中已形成如下决议：1）eMBB场景的上行和下行数据信道均采用flexible LDPC编码方案；2）eMBB场景的上行控制信道采用Polar编码方案；3）eMBB场景的下行控制信道倾向于采用Polar编码方案而不是TBCC（咬尾卷积码）方案，但仍需在以后会议中确认；4）uRLLC和mMTC场景的数据信道和控制信道的编码方案需要进一步研究。
Turbo Code 2.0、LDPC、Polar编码方案各有千秋，在编码效率上均可以接近或“达到”香农容量，并且有着低的编码和译码复杂度，对芯片的性能要求和功耗都不高。但由于LDPC和Polar编码更适应5G的高速率，低时延、大容量数据传输及多种场景的要求，事实上Turbo编码方案已经退出了竞争。在2017年，uRLLC和mMTC场景的数据信道和控制信道的编码方案将是LDPC和Polar编码方案的双雄竞争，从技术角度而言，LDPC和Polar编码方案难分伯仲。究竟在哪种场景、哪种信道选择哪种编码方案，市场、专利、产业链成熟度等恐怕是更重要的砝码。这里需要提到的是，LDPC码由于提出时间最早，其相关的专利已纷纷到期或接近到期，而Polar码最为年轻，专利年限相对较长。此外，LDPC已经在众多领域得到了广泛应用，产业成熟度非常高，而Polar码由于年限较短，暂时还没有明确的技术标准，也谈不上有多少应用。由此而看，Polar码如果想应用在uRLLC和mMTC场景中，难度较大。
全双工：模型深入分析验证
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。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。
5G第一阶段测试实验室测试系统是少天线和小带宽，且实验室无线环境较纯净，而未来商业部署后，必然面临着多邻居小区的同频异频干扰、异构异制式小区干扰、多种类型的天线、100MHz以上的带宽和其它难以预料的复杂干扰，对于这样情况下的全双工系统的工作原理、自干扰的消除算法、信道及干扰的数学建模还缺乏深入的理论分析和系统的实验验证。
再看全双工技术与基站系统的融合方面，引入全双工系统后，需要解决：1）物理层的全双工帧结构、数据编码、调制、功率分配、波束赋形、信道估计、均衡等问题；2）MAC层的同步、检测、侦听、冲突避免、ACK/NACK等问题；3）调整或设计更高层的协议，确保全双工系统中干扰协调策略、网络资源管理等；4）与Massive MIMO技术的有效结合、接收、反馈等问题及如何在此条件下优化MIMO算法；5）考虑到4G空口的演进，全双工和半双工之间动态切换的控制面优化，以及对现有帧结构和控制信令的优化问题也需要进一步研究。
未来大规模商业部署时，需要考虑制造成本，那么在RF及电路元器件设计及制造时，自干扰消除电路需满足宽频（大于100MHz）、功耗低、尺寸利于安装、且可支持Massive MIMO所需的多天线（多于64根）。
超密集组网：现实场景效果待验
超密集异构组网技术可以促使终端在部分区域内捕获更多的频谱，距离各个发射节点距离也更近，提升了业务的功率效率、频谱效率，大幅度提高了系统容量，并天然地保证了业务在各种接入技术和各覆盖层次间负荷分担。但超密集部署场景下，由于各个发射节点间距离较小，网络间的干扰将不可避免，主要类型有：同频干扰，共享频谱资源干扰，不同覆盖层次间的干扰，邻区终端干扰等。在现实场景下，如何有效进行节点协作、干扰消除、干扰协调成为重点解决的问题，现在业内已经提出了一系列的方案，如虚拟层技术、小区动态分簇等，但均没有经过实际验证，效果有待检验。
超密集地部署网络发射节点，使得小区边界数量剧增，加之小区边界更不规则，导致更频繁、更为多样的切换，原有的4G分布式切换算法会使得其小区间交互控制信令负荷会随着小区密度的增加以二次方趋势增长，极大地增加了网络控制信令负荷。超密集部署场景下的切换算法是必须解决的问题。
超密集部署的发射节点状态的随机变化，使得网络拓扑和干扰类型也随机动态变化，加上多样化的用户业务需求保障，同时为了降低网络部署、运营维护复杂度和成本，提高网络质量，超密集组网技术必须配合更智能的、能统一实现多种无线接入制式、覆盖层次的自配置、自优化、自愈合的网络自组织技术。就当前的研究成果来看，超密集部署场景下的SON技术（自配置、自优化、自愈功能）是业内缺乏共识，也是亟待解决的关键技术点。
组网关键技术：网络切片已获验
随着软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）等技术的逐步成熟，5G组网技术已能实现控制功能和转发功能的分离，以及网元功能和物理实体的解耦，从而实现网络资源的智慧感知和实时调配，以及网络连接和网络功能的按需提供和适配。原本业界普遍担心的网络切片技术，也由其发起者爱立信在第一阶段测试中通过原型机进行了实验室验证，测试中实现了基于爱立信提出的切片管理三层架构（业务管理层，切片管理层，共享基础设施/资源层）下，完整的网络切片生命周期管理全过程，其中包含基于切片Blueprint的切片构建和激活，运行状态监控、更新、迁移、共享、扩容、缩容，以及删除切片等。此外，还验证了目前3GPP标准中主流的切片选择方案；以及根据不同的业务需求，切片在多数据中心的灵活部署等场景。
SDN和NFV的组合虽然功能强大，但仍然不能解决所有的问题，由于现实中存在多种传统网络，5G的新型网络架构将不得不考虑如何解决异构网络之间的兼容性问题、如何规范编程接口、如何发现灵活有效的控制策略、如何进行不同架构网络协议适配、南北向接口的数据规范、数据采集处理等一系列问题。
5G是移动宽带网和物联网的有机组合，因此机器间通信技术、车联网、情景感知技术、C-RAN和D-RAN组网技术等领域也是其组成部分。就已知的研究成果来看，这些领域中仍然存在着大量的问题需要进一步的研究，并最终拿出可以在实际场景部署的商用解决方案。
5G会和4G一样，是一个长期演进的多种技术的组合，现有的研究成果已经让人们体验到超高速率、零时延、超大连接、信息融合等等部分5G的特性，但这并不是5G的全部，随着各种研究的不断深入，5G关键支撑技术将从2017年开始逐步得以明确，并进入实质性的标准化研究与制定阶段，最终在2020年前后实际商用部署，5G将为人们的日常生产生活提供更加便利的通信条件。