陳嘉明

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司江門(mén)分公司，江門(mén) 529000）

4G通信目前處于發(fā)展高峰期，其主流標(biāo)準(zhǔn)制式包括TDD和FDD兩種。4G采用基于全I(xiàn)P的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，支持多種無(wú)線接入技術(shù)，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(diǎn)，成功替代3G傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)為當(dāng)前主流移動(dòng)通信技術(shù)，核心技術(shù)包括新的接入與多址技術(shù)、調(diào)制與編碼技術(shù)、智能天線技術(shù)、MIMO技術(shù)等，保證了4G用戶在各種網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)速率需求。但隨著技術(shù)發(fā)展，IMT-2020組織發(fā)布了新的移動(dòng)通信指標(biāo)要求，同時(shí)場(chǎng)景需趨向高速率、大規(guī)模、低時(shí)延的應(yīng)用，5G作為當(dāng)前最新一代通信系統(tǒng)，符合移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展需求。

1 5G性能要求與場(chǎng)景介紹

作為全球通信標(biāo)準(zhǔn)，5G在性能上要求比4G有更高速率、更大容量、更低時(shí)延，以滿足其豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，比如推進(jìn)工業(yè)自動(dòng)化、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等。

1.1 5G關(guān)鍵性能指標(biāo)

3GPP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)群組TSG RAN目前定義了下一代接入技術(shù)5G-NR需求的相關(guān)規(guī)范，具體需求規(guī)范如表1所示。

表1 5G-NR需求

在4G應(yīng)用上，主要KPI指標(biāo)為用戶峰值速率、端到端時(shí)延、移動(dòng)性等，5G階段，更偏向于用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、流量密度，具體如下。

（1）用戶體驗(yàn)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(shè)備總量為1 000 000/km2。

（3）端到端時(shí)延，小于1 ms。

（4）移動(dòng)性，滿足一定性能下最大移動(dòng)速度大于500 km/h。

（5）流量密度，達(dá)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(yīng)用場(chǎng)景

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

eMBB為增強(qiáng)移動(dòng)寬帶場(chǎng)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(shí)現(xiàn)。這就要求對(duì)于與4G技術(shù)相同頻率的新頻率資源，新技術(shù)可使頻率利用率提高20～100倍。目前，大規(guī)模陣列天線技術(shù)在低頻段使用。也只能提高4～6倍容量，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于要求的20～100倍。沒(méi)有新的技術(shù)可以通過(guò)1～2個(gè)數(shù)量級(jí)的提高頻譜效率，有必要擴(kuò)大頻率的幾倍甚至幾十倍的擴(kuò)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(chǎng)景，需要完成每平方公里100萬(wàn)個(gè)連接的目標(biāo)，單靠低頻段是不夠的，主要原因有二：一是當(dāng)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(kuò)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(shí)延高可靠場(chǎng)景，需提供低時(shí)延高可靠通信連接的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。主要應(yīng)對(duì)一些特殊場(chǎng)景包括工業(yè)自動(dòng)化、自動(dòng)駕駛、移動(dòng)醫(yī)療以及其它高度延遲敏感型業(yè)務(wù)。在4G時(shí)代，用戶端到端的時(shí)延要求為10 ms，實(shí)際應(yīng)用中一般在50～100 ms，這在5G的uRLLC場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)運(yùn)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(chǎng)景下的時(shí)延比4G降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到1 ms以下，以此滿足低時(shí)延高可靠的目標(biāo)。

2 5G關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

為滿足5G如此高速率的性能指標(biāo)需求，在現(xiàn)有4G技術(shù)的情況下，需要通過(guò)進(jìn)一步加大頻點(diǎn)帶寬和提高頻率利用率，而加大帶寬是起點(diǎn)，由此而產(chǎn)生的毫米波mmWave、大規(guī)模陣列天線技術(shù)、混合波束賦形技術(shù)、新多址接入技術(shù)、新編碼調(diào)制技術(shù)、新波形設(shè)計(jì)技術(shù)等都是順理成章的技術(shù)趨勢(shì)。

2.1 mmWave

mmWave毫米波特指波長(zhǎng)為1～10 mm的電磁波，頻率從30～300 GHz。 根據(jù)通信原理，無(wú)線通信的最大帶寬約為載頻的5%，載波頻率越高，信號(hào)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(dá)1 GHz，而60 GHz頻帶中每個(gè)信道的可用帶寬高達(dá)2 GHz。

與5G相比，目前運(yùn)營(yíng)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(lái)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(guò)10 Gbit/s的接入速率，但毫米波頻段的覆蓋是個(gè)嚴(yán)重的短板，頻率越高，波長(zhǎng)越短，繞射和衍射能力越弱，覆蓋面積越小，信號(hào)直射穿透過(guò)程中損耗越大。

圖1 頻率使用示圖

基于毫米波頻率高，波長(zhǎng)短的特征，5G天線相對(duì)尺寸短達(dá)毫米級(jí)別，根據(jù)此特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)5G另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：大規(guī)模天線陣列，通過(guò)MIMO和波束賦形，提高天線增益，彌補(bǔ)毫米波覆蓋短板。

2.2 Massive MIMO

由于毫米波的波長(zhǎng)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(cè)可以通過(guò)配置大規(guī)模天線陣列，結(jié)合MIMO技術(shù)，有效解決高頻毫米波傳輸速率及頻譜效率的問(wèn)題。

當(dāng)小區(qū)中的基站天線數(shù)量變得無(wú)限大時(shí)，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(zhǎng)很短，因此可以在有限的面積內(nèi)部署非常多的天線陣子，通過(guò)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(shè)天線間距為工作頻率波長(zhǎng)一半，當(dāng)工作頻段為3.5 GHz時(shí)，可部署16根天線；工作頻段為10 GHz時(shí)，可部署100根天線；工作頻段為20 GHz時(shí)，則可部署高達(dá)400根天線。

Massive MIMO具有優(yōu)點(diǎn)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(shí)傳輸更多數(shù)據(jù)流，同時(shí)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(hào)，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(chǎn)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(hào)分集度（如折射、散射等路徑傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)），通信的可靠性得到加強(qiáng)。

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(diǎn)為射頻鏈路數(shù)量需要與天線數(shù)目相同，如果應(yīng)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(huì)加重系統(tǒng)成本和功耗。為了解決該問(wèn)題，同時(shí)限制射頻鏈路的數(shù)量，目前主要技術(shù)是提出Mixed Beamforming混合波束賦形技術(shù)，通過(guò)把一部分波束賦形轉(zhuǎn)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(guò)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(hào)來(lái)生成模擬波束。

（2）用戶設(shè)備（UE）可以測(cè)量這個(gè)波束參考信號(hào)的被接收功率，并報(bào)告波束指標(biāo)，包括接收到的最高功率。

（3）TRP可以基于探測(cè)的參考信號(hào)和報(bào)告的模擬波束，確定數(shù)字預(yù)編碼，因?yàn)闀r(shí)分復(fù)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(gè)用戶設(shè)備的下行鏈路信道理論上可以通過(guò)用戶設(shè)備在上行鏈路傳輸?shù)奶綔y(cè)參考信號(hào)來(lái)評(píng)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(duì)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(shí)，其誤碼率可以任意小。最佳編碼應(yīng)滿足如下。

圖3 混合波束賦形的基本原理圖

（1）采用隨機(jī)編譯碼方式。

（2）編碼長(zhǎng)度L → ∞，即分組的碼組長(zhǎng)度無(wú)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(chǎng)景的信道編碼技術(shù)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(cuò)碼，編碼結(jié)構(gòu)是基于一個(gè)簡(jiǎn)短的內(nèi)核代碼的多重遞歸連接，它將物理信道轉(zhuǎn)換成虛擬外部信道。當(dāng)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(jié)構(gòu)由Stolte首次描述，后由Arikan于2007年獨(dú)立完成。這是第一個(gè)具有明確構(gòu)造的編碼，使一組獨(dú)立二進(jìn)制對(duì)稱(chēng)輸入離散無(wú)記憶信道（B-DMC），能達(dá)到香農(nóng)極限容量的信道編碼。

而LDPC（低密度奇偶校驗(yàn)），在信息論中，是一種線性糾錯(cuò)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(chēng)Gallager碼，由Robert G.Gallager于1962年提出。LDPC是通過(guò)稀疏二部圖構(gòu)造的，是一種容量逼近碼，意味著存在實(shí)際結(jié)構(gòu)，使噪聲門(mén)限在一個(gè)對(duì)稱(chēng)無(wú)記憶信道上能被設(shè)置得非常接近（甚至在二進(jìn)制擦除信道上任意接近）理論最大值（香農(nóng)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(shù)，LDPC碼可以根據(jù)其塊長(zhǎng)度在時(shí)間上進(jìn)行線性解碼。它的校驗(yàn)矩陣H中非零元素（“1”）的個(gè)數(shù)遠(yuǎn)小于零元素的個(gè)數(shù)，或者矩陣的行重及列重與碼長(zhǎng)相比是個(gè)很小的數(shù)，LDPC碼的這種特性使其可以構(gòu)造出低復(fù)雜度、高性能的碼。表2針對(duì)Polar碼、LDPC碼與4G的Turbo碼作出了對(duì)比分析。

表2 3種編碼對(duì)比情況

2.5 FBMC

正交頻分復(fù)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(hào)調(diào)制并傳輸?shù)矫總€(gè)子信道。因此，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更快。OFDM的技術(shù)性質(zhì)是FFT銀行過(guò)濾器。原型濾波器的主要缺點(diǎn)是由于其窄帶外帶寬，在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)強(qiáng)烈的頻譜泄漏。并且在傳統(tǒng)OFDM中，一般采用在信號(hào)波形上插入循環(huán)前綴（CP）的方法來(lái)對(duì)抗多徑，保護(hù)間隔一般是符號(hào)周期的1/4或1/8長(zhǎng)度。

相比于OFDM中使用的矩形窗函數(shù)，F(xiàn)BMC是通過(guò)一套優(yōu)化濾波器進(jìn)行替代，進(jìn)而減少帶外衰減，如圖4所示matlab軟件仿真所示。其次，為了應(yīng)付不同的多址接入或機(jī)會(huì)頻譜接入通信標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)BMC原型濾波器可以被設(shè)計(jì)成帶有很大的靈活性去匹配時(shí)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(yīng)和頻率響應(yīng)可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(diào)制仿真對(duì)比圖

表3 3G/4G/5G多址方式對(duì)比

4G時(shí)代使用正交頻分多址（OFDMA）技術(shù)，通過(guò)把一系列相互正交不重疊的子載波分配給不同用戶，實(shí)現(xiàn)多址，具有無(wú)多址干擾（MAI）特點(diǎn)，但正交多址技術(shù)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(lái)5G時(shí)代廣域連續(xù)覆蓋，熱點(diǎn)高容量、海量連接、低延時(shí)接入等的業(yè)務(wù)需求。

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

NOMA采用4G相同的正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)傳輸子信道，因此各個(gè)子信道之間互相正交，互不干擾，不同的是NOMA多個(gè)用戶共享一個(gè)子信道，而不是單用戶獨(dú)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(huì)引起用戶間的干擾問(wèn)題，因此需要使用SIC技術(shù)在接收端進(jìn)行多用戶檢測(cè)。在發(fā)送端，功率復(fù)用用于在同一個(gè)子信道上發(fā)送不同的用戶。根據(jù)相關(guān)算法分配不同用戶的信號(hào)強(qiáng)度，每個(gè)用戶到達(dá)接收端的信號(hào)強(qiáng)度也不相同。然后SIC接收機(jī)根據(jù)不同用戶的信號(hào)強(qiáng)度按照一定的順序進(jìn)行干擾消除，實(shí)現(xiàn)正確解調(diào)，并以此區(qū)分不同用戶。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，5G的發(fā)展有賴(lài)于新頻段、新編碼技術(shù)、新多址技術(shù)、新波形的進(jìn)一步研究。目前5G已進(jìn)入第二階段，根據(jù)3GPP中計(jì)劃，IMT-2020從2018年初到9月，將完成對(duì)eMBB、mMTC和URLLC等三大場(chǎng)景的相應(yīng)NR和LTE的功能需求和測(cè)試環(huán)境KPI評(píng)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。