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(xiàng)目研究目標(biāo)和主要應(yīng)用場景入手，詳細(xì)探討了NR項(xiàng)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(diǎn)開展進(jìn)一步研究，提出更有競爭力的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：無線接入 波形設(shè)計(jì) 多址接入

1 引言

隨著4G的成功商用以及移動(dòng)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(duì)更高速率、更低時(shí)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(gè)方面，以IoT為代表的“萬物互聯(lián)”對(duì)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(shí)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(xiàng)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(xiàng)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(duì)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(huì)上，會(huì)議通過了RP-160671“Study on New Radio Access Technology”的研究課題立項(xiàng)，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(xiàng)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(shí)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(dòng)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(shí)延通信。

（3）該課題初期的高優(yōu)先級(jí)研究內(nèi)容包括：

1）新RAT技術(shù)的基礎(chǔ)物理層信號(hào)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(jì)；

◆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(shí)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(jì)

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(jì)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(shí)現(xiàn)。

2）DFT-s-OFDM with CP：這個(gè)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(duì)每個(gè)子載波的濾波方案（如OFDM-OQAM、GFDM），以及針對(duì)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(hào)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(píng)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(duì)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(huì)受到干擾。然而在理論上，通過部分/全部交疊的時(shí)/頻資源為不同的鏈路提供傳輸?shù)姆钦坏慕尤耄梢垣@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(huì)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(shí)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(huì)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(jì)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(duì)齊。但也有公司提出，上述方案在支持100 MHz帶寬的時(shí)候，將會(huì)使得系統(tǒng)保護(hù)帶寬較大造成浪費(fèi)（如表2所示），建議額外增加75 kHz的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。因此在下次會(huì)議結(jié)束前，仍然需要對(duì)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(shí)支持TDD和FDD雙工方式，因此目前規(guī)定在一個(gè)TI（Time Interval，時(shí)間間隔）內(nèi)，可以包含一個(gè)或者多個(gè)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(shí)隙中發(fā)送對(duì)應(yīng)的ACK/NACK，對(duì)比LTE需要在n+4個(gè)時(shí)隙傳輸ACK/NACK），NR的幀結(jié)構(gòu)需要具有以下兩個(gè)能力：

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

2）在上行數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后很短時(shí)間內(nèi)（微秒量級(jí)）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(huì)各公司從解碼性能以及解碼復(fù)雜度等方面，針對(duì)不同碼塊長度的情況進(jìn)行了對(duì)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(duì)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(jì)方案受信道糾錯(cuò)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(jì)及深入探討，所以當(dāng)前這部分內(nèi)容不是討論的重點(diǎn)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(gè)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(píng)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(duì)比與評(píng)價(jià)。

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(jì)劃分兩個(gè)階段：

第一階段：計(jì)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(jì)劃，在2018年6月完成的Release 15版本中，支持獨(dú)立的NR和非獨(dú)立的NR兩種工作模式，其中支持非獨(dú)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(jí)，支持獨(dú)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(jì)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(jì)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(shí)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(diǎn)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(duì)這種挑戰(zhàn)，3GPP制定了合理的應(yīng)對(duì)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(duì)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(píng)估論證，以此奠定5G產(chǎn)品研發(fā)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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