林泓池，孫文彬，郭繼沖，麻津銘，周永康，于啟月，孟維曉

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5G先進(jìn)技術(shù)研究進(jìn)展

林泓池，孫文彬，郭繼沖，麻津銘，周永康，于啟月，孟維曉

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

5G移動(dòng)通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定正在如火如荼地進(jìn)行中，相比前幾代移動(dòng)通信技術(shù)，5G面臨著更復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求、更極致的用戶體驗(yàn)和更密集的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。而且5G需要在大數(shù)據(jù)和人工智能的時(shí)代到來之前，做好萬物互聯(lián)的通信基礎(chǔ)。對(duì)目前5G的一些熱點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，首先給出了5G的技術(shù)愿景和需求目標(biāo)，然后對(duì)大規(guī)模天線技術(shù)、超密集組網(wǎng)技術(shù)和非正交多址技術(shù)3個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)的研究進(jìn)展情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述。

5G；大規(guī)模天線陣列；超密集組網(wǎng)；非正交多址接入

1 引言

隨著大數(shù)據(jù)和萬物互聯(lián)時(shí)代的即將到來，新任務(wù)和新需求對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提出了極大的挑戰(zhàn)，并積極地推進(jìn)著4G時(shí)代向5G時(shí)代的轉(zhuǎn)化。同時(shí)正值新興技術(shù)的工業(yè)革命時(shí)期，5G作為新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，將為萬物互聯(lián)和人工智能的發(fā)展提供良好的通信保障。

一直以來新興業(yè)務(wù)對(duì)通信質(zhì)量的新需求和對(duì)通信環(huán)境的新愿景，促進(jìn)著整個(gè)通信行業(yè)的不斷發(fā)展和通信技術(shù)的不斷更迭。與前幾代移動(dòng)通信技術(shù)相比，5G的業(yè)務(wù)類型將更加豐富、復(fù)雜，導(dǎo)致在面對(duì)不同業(yè)務(wù)、不同需求、不同場(chǎng)景的業(yè)務(wù)無法統(tǒng)一時(shí)，5G很難跟前幾代的移動(dòng)通信技術(shù)一樣以某一種先進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)作為基點(diǎn)形成解決方案來解決自己技術(shù)場(chǎng)景帶來的困難和挑戰(zhàn)。我國(guó)IMT-2020（5G）推進(jìn)組最開始根據(jù)5G需求和愿景，分析討論了5G所需面臨的挑戰(zhàn)和5G未來的愿景以及愿景中所需要的適用關(guān)鍵技術(shù)，整理發(fā)布了5G概念白皮書[1]。而在2015年6月，國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）正式以IMT-2020命名5G，并根據(jù)業(yè)務(wù)需求特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景的不同，定義了5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、大規(guī)模機(jī)器類通信（mMTC）和超可靠低時(shí)延類通信（uRLLC）[2]。2018年6月14日，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP在美國(guó)舉行全體會(huì)議，5G移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的方案獲得批準(zhǔn)并發(fā)布，這標(biāo)志著首個(gè)真正完整的國(guó)際5G標(biāo)準(zhǔn)正式出爐，5G已完成第一階段全功能標(biāo)準(zhǔn)化工作，進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)發(fā)展新階段。5G挑戰(zhàn)與關(guān)鍵技術(shù)對(duì)應(yīng)框圖如圖1所示。

與現(xiàn)有4G相比，用戶數(shù)和用戶需求的增加，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)密集化和業(yè)務(wù)多樣化，同時(shí)5G還需要面對(duì)極致的性能要求，這些無疑對(duì)5G提出了極大的挑戰(zhàn)。參考文獻(xiàn)[3]給出的挑戰(zhàn)具體包括用戶體驗(yàn)速率擴(kuò)大10~100倍、更高的頻譜利用率、毫秒級(jí)的端到端時(shí)延、大規(guī)模連接數(shù)擴(kuò)大10~100倍、更低的開銷以及良好的用戶體驗(yàn)。除此之外，為了實(shí)現(xiàn)與前幾代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的融合、過渡和可持續(xù)發(fā)展，5G還需滿足網(wǎng)絡(luò)靈活部署和高效運(yùn)營(yíng)維護(hù)的要求。圖1簡(jiǎn)單地描述了這些挑戰(zhàn)以及5G獨(dú)特的技術(shù)解決方案和相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則[4]。

5G愿景的提出引發(fā)了一系列通信技術(shù)的變革和應(yīng)用，在新頻譜方面，有擴(kuò)展頻譜資源的毫米波通信技術(shù)；在通信模式方面，有大規(guī)模天線陣列技術(shù)、非正交多址接入技術(shù)和全雙工通信技術(shù)；在組網(wǎng)模式方面，有超密集組網(wǎng)技術(shù)和D2D通信技術(shù)；在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，有軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和自組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；在編碼方面，有適用于長(zhǎng)碼的LDPC碼和適用于短碼的Polar碼。隨著這些技術(shù)的研究發(fā)展和實(shí)踐，5G 的系統(tǒng)將不斷得到完善，并且5G的性能也將不斷得到提升[3-6]。

圖1 5G挑戰(zhàn)與關(guān)鍵技術(shù)對(duì)應(yīng)框圖[3]

本文將選取一些具有5G特色的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行介紹，并對(duì)其技術(shù)的研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展進(jìn)行簡(jiǎn)單評(píng)述，內(nèi)容包含3個(gè)方面：4G的MIMO的改進(jìn)技術(shù)——大規(guī)模天線陣列、5G組網(wǎng)通信模式的愿景——超密集組網(wǎng)、5G多址接入技術(shù)——非正交多址接入技術(shù)。

2 大規(guī)模天線陣列

如前所述，3GPP規(guī)定了5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景，即eMBB、mMTC和uRLLC。3個(gè)場(chǎng)景的側(cè)重點(diǎn)不同，對(duì)無線通信技術(shù)的要求也各不相同。而針對(duì)eMBB場(chǎng)景來說，要求量級(jí)在10 Gbit/s以上超高的信息傳輸速率。為了實(shí)現(xiàn)這么高速率的傳輸，可做的工作有：密集化節(jié)點(diǎn)、增加帶寬、提升頻譜效率[7]。而在4G中的MIMO技術(shù)，一般是8根天線的MIMO，所以為了進(jìn)一步提升頻譜效率，5G的目光放在了大規(guī)模MIMO技術(shù)。

大規(guī)模MIMO概念最早于2010年被Marzetta在參考文獻(xiàn)[8]中詳細(xì)闡述。在提出之初，就以超高的頻譜效率和極其簡(jiǎn)單的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)引起了廣泛的關(guān)注。隨著研究熱度和深度的增加，基于大規(guī)模MIMO技術(shù)的相關(guān)理論研究越來越多，然而在實(shí)踐工程中卻出現(xiàn)了阻力。在大規(guī)模MIMO提出之初，采用全數(shù)字預(yù)編碼方案對(duì)多用戶干擾進(jìn)行控制，如全數(shù)字迫零（zero-force，ZF）和全數(shù)字匹配濾波（matched filter，MF）[8]。當(dāng)信道衰落服從獨(dú)立同分布時(shí)，全數(shù)字MF預(yù)編碼方案可以最低的計(jì)算復(fù)雜度獲得最佳的性能。但是該方案要求射頻鏈路數(shù)等于發(fā)射天線數(shù)，也就意味著基站需要配有成百上千的射頻鏈路。這樣的要求在實(shí)際工程中會(huì)導(dǎo)致成本太高，能耗太高是不能被滿足的。起初面對(duì)此困境，研究者想到了全模擬預(yù)編碼方案，其僅僅需要等于獨(dú)立數(shù)據(jù)流數(shù)的射頻鏈路數(shù)，容易在實(shí)際場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)。但是全模擬預(yù)編碼方案卻存在旁瓣干擾，致使性能較差。

圖2 大規(guī)模MIMO混合預(yù)編碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)5G的高速率低功耗的綠色通信的理念，提出了在全數(shù)字與全模擬預(yù)編碼方案之間取了一個(gè)折中的混合預(yù)編碼，是目前的大規(guī)模MIMO研究熱點(diǎn)[9]。混合預(yù)編碼方案由數(shù)字預(yù)編碼和模擬預(yù)編碼兩部分組成，如圖2所示，所需的射頻鏈路數(shù)大于或等于獨(dú)立數(shù)據(jù)流數(shù)但小于或等于2倍的獨(dú)立數(shù)據(jù)流數(shù)[9]，能逼近全數(shù)字預(yù)編碼方案的性能。

如圖3、圖4所示在平均和速率方面上，混合預(yù)編碼的性能可以取得接近于全數(shù)字預(yù)編碼的性能，且明顯優(yōu)于全模擬預(yù)編碼的性能，如圖3所示。而在平均能耗方面上，混合預(yù)編碼的性能不如全模擬預(yù)編碼的性能，但比全數(shù)字預(yù)編碼的性能好，如圖4所示。

圖3 線性預(yù)編碼的平均和速率

為了更好地理解大規(guī)模MIMO在5G愿景中的應(yīng)用，本文將圍繞兩個(gè)研究熱點(diǎn)展開具體技術(shù)細(xì)節(jié)的介紹，即毫米波大規(guī)模MIMO波束成形技術(shù)和大規(guī)模MIMO機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)。

圖5 基于不同天線陣列的毫米波大規(guī)模MIMO波束成形技術(shù)

2.1 毫米波大規(guī)模MIMO

重視毫米波的研究和使用是5G的特點(diǎn)之一，這主要是由于毫米波具有豐富的頻率資源。然而單純的毫米波技術(shù)本身帶有路徑損耗大的特點(diǎn)，不適合遠(yuǎn)距離傳輸。所以將其與大規(guī)模MIMO結(jié)合，在彌補(bǔ)毫米波技術(shù)本身缺陷的同時(shí)，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的傳輸速率。毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)工作的頻段在30 ~300 GHz，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在0.1~1 cm，十分有利于大規(guī)模天線陣列的部署，從而為系統(tǒng)提供較高的陣列增益。此外，由于高頻電磁波的傳播特性，毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信道模型具有很強(qiáng)的視距路徑分量。這兩個(gè)特點(diǎn)為毫米波大規(guī)模MIMO波束成形技術(shù)提供了基礎(chǔ)，保證了其具有較低復(fù)雜度和較好性能的優(yōu)點(diǎn)[10-11]。

根據(jù)陣列所用天線的不同，毫米波大規(guī)模MIMO波束成形技術(shù)可以分成兩種：基于透鏡天線陣列和基于射頻天線陣列的波束成形技術(shù)，如圖5（a）所示。特殊地，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的離散透鏡天線陣列可以起到空域離散傅立葉變化的作用[12]。在毫米波傳播環(huán)境中，由于毫米波本身易被散射體吸收，不易被散射體反射，導(dǎo)致散射簇的數(shù)量十分有限，波束空間信道呈現(xiàn)一種稀疏性，即有效波束的個(gè)數(shù)比較少。合適的波束選擇算法可以在保證一定系統(tǒng)性能的情況下，使得需要工作的輻射器數(shù)量驟減，從而大大減少所需的射頻鏈路數(shù)。因此，當(dāng)前基于透鏡天線陣列的波束成形技術(shù)的主要研究方向就是設(shè)計(jì)合適的波束選擇算法，目前已經(jīng)有大量的算法被提出[10-13]。

雖然透鏡天線有著獨(dú)特的特點(diǎn)，但是透鏡天線生產(chǎn)效率低，不易構(gòu)造，限制了透鏡天線的使用。而普通的射頻天線則沒有這種缺點(diǎn)，且由其組成的大規(guī)模天線陣列可以擁有較小的旁瓣和后瓣，因此，基于射頻天線陣列的波束成形技術(shù)引起了研究者的廣泛關(guān)注[11,14]。改變圖5（b）中的連接結(jié)構(gòu)，可以得到不同的射頻天線陣列結(jié)構(gòu)。目前，射頻天線陣列的結(jié)構(gòu)主要有4種，分別是全連接結(jié)構(gòu)（fully-connected architecture）、子陣列結(jié)構(gòu)（array-of-subarray architecture）、過載子陣列結(jié)構(gòu)（overlapped subarray architecture，OSA）以及自適應(yīng)子陣列結(jié)構(gòu)（adaptive array-of-subarray architecture）?；谏鲜鎏炀€陣列結(jié)構(gòu)，通信研究者已經(jīng)提出了很多優(yōu)秀的波束成形方案，其目標(biāo)函數(shù)涉及系統(tǒng)有效性、可靠性、能效等[15,17]。

2.2 機(jī)會(huì)波束形成

傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)采用波束成形（預(yù)編碼）技術(shù)來避免多個(gè)用戶和數(shù)據(jù)流之間的干擾，從而提高系統(tǒng)性能。然而，波束成形技術(shù)最重要的前提條件是瞬時(shí)信道狀況完全已知。因此，信道估計(jì)技術(shù)對(duì)于MIMO系統(tǒng)的性能尤為重要。隨著用戶數(shù)目和天線數(shù)目的增加，信道估計(jì)技術(shù)的復(fù)雜性呈指數(shù)倍增加。并且在現(xiàn)實(shí)的物理環(huán)境中，信道估計(jì)技術(shù)的復(fù)雜性是極其高的，跟蹤信道的瞬時(shí)狀態(tài)從而獲得完美的信道信息是一件不可能完成的任務(wù)。所以對(duì)于5G如果想要用大規(guī)模的天線來提高系統(tǒng)性能來說，在無法獲得完美信道信息的狀況下，傳統(tǒng)波束成形的系統(tǒng)性能會(huì)有大幅度的下降。而機(jī)會(huì)波束成形可以在無法獲得完美信道信息的狀況下，依然保持一定的系統(tǒng)性能。并在用戶密集的情形下，會(huì)有用戶分集和系統(tǒng)簡(jiǎn)單能耗低的優(yōu)點(diǎn)。所以機(jī)會(huì)波束成形可以作為5G物聯(lián)網(wǎng)的備選技術(shù)之一。

其中，表示接收信號(hào)，為信道矩陣，為隨機(jī)波束成形矩陣，為用戶數(shù)據(jù)，為加性高斯白噪聲，表示第n個(gè)天線的信道系數(shù)，表示第n個(gè)天線的隨機(jī)成形系數(shù)。

不同于傳統(tǒng)的波束成形系統(tǒng)，等效信道決定了接收的信噪比和系統(tǒng)性能。在接收端，每個(gè)用戶測(cè)量自身的信噪比來衡量等效信道的質(zhì)量，并且將所測(cè)量的信噪比反饋給基站。其反饋的信噪比為：

基站根據(jù)反饋的信噪比選擇最大信噪比的用戶來傳輸數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)最大的系統(tǒng)容量和最小的誤碼率。其傳輸結(jié)構(gòu)如圖7所示。

與其他波束成形技術(shù)相比較，機(jī)會(huì)波束成形的波束成形矩陣設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，并且當(dāng)真實(shí)的物理信道變化比較緩慢的時(shí)候，機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)可以通過提高隨機(jī)矩陣的變化速率來改善系統(tǒng)性能。同時(shí)由于機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)并不需要較多的信道和用戶信息，因此機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)可以很容易地與其他多用戶復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，從而同時(shí)獲得多用戶分集和復(fù)用增益，例如時(shí)分多址—機(jī)會(huì)波束成形系統(tǒng)、頻分多址—機(jī)會(huì)波束成形系統(tǒng)以及非正交多址—機(jī)會(huì)波束成形系統(tǒng)。

圖8給出了機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)與重復(fù)編碼（repetition coding，RC）、空時(shí)編碼（space-time block coding，STBC）在瑞利信道以及萊斯信道的誤碼性能的比較，與其他分集技術(shù)比較，可以看出機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)有良好的誤碼性能。圖9給出了機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)與矢量量化（vector quantization，VQ）、格拉斯曼子空間包（Grassmannian subspace packing，GSP）技術(shù)[18]以及基因算法（genetic algorithm，GA）[19]在低反饋情況下的誤碼率比較，可以看出機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)的誤碼性能最好。因此可知機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)性能[20]。

圖8 機(jī)會(huì)波束成形與其他分集技術(shù)的誤碼率比較[20]

圖9 機(jī)會(huì)波束成形與其他波束成形技術(shù)的誤碼率比較[20]

然而對(duì)于機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)而言，由于每個(gè)用戶需要在被服務(wù)前加入等待隊(duì)列，同時(shí)基站總是選擇反饋信噪比最大的用戶進(jìn)行服務(wù)，用戶之間的公平性和用戶服務(wù)的實(shí)時(shí)性很難得到保障，因此未來可以研究機(jī)會(huì)波束成形系統(tǒng)中的用戶公平性問題，并提出一個(gè)基于用戶實(shí)時(shí)性服務(wù)的改進(jìn)機(jī)會(huì)波束成形系統(tǒng)。而且對(duì)于用戶數(shù)目較少的情況，機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)與傳統(tǒng)的波束成形技術(shù)相比，并沒有較大的性能優(yōu)勢(shì)。因此針對(duì)低用戶數(shù)目情況下，如何提高機(jī)會(huì)波束成形系統(tǒng)性能也是未來研究機(jī)會(huì)波束成形技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

隨著研究的不斷深入，大規(guī)模MIMO作為5G應(yīng)用中的核心技術(shù)之一被寄予了厚望，與現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合的大規(guī)模MIMO也將會(huì)在5G應(yīng)用上大展宏圖。

3 超密集組網(wǎng)技術(shù)

與4G移動(dòng)通信技術(shù)相比，5G網(wǎng)絡(luò)的容量需求將有1 000倍的增長(zhǎng)，屆時(shí)，通信終端無處不在，并且在大型的熱點(diǎn)區(qū)域，如商場(chǎng)、露天展臺(tái)等地方上將存在著大量的設(shè)備需要連接。與此同時(shí)，不同的移動(dòng)終端會(huì)帶來不同的業(yè)務(wù)需求，這也就導(dǎo)致了業(yè)務(wù)需求的多樣化。這使得移動(dòng)蜂窩小區(qū)里的用戶越來越密集，簡(jiǎn)單的和單一的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不足以支撐非常密集和業(yè)務(wù)多樣化的蜂窩小區(qū)的用戶需求。因此提出了一個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的超密集組網(wǎng)（ultra dense network，UDN），將用于滿足區(qū)域面積內(nèi)超高的容量需求（即熱點(diǎn)問題），為移動(dòng)終端提供無縫的網(wǎng)絡(luò)切換，讓用戶在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能擁有超高速的上網(wǎng)和通話體驗(yàn)。超密集組網(wǎng)通過在宏基站（macro base station，MBS）的熱點(diǎn)區(qū)域放置微基站（small base station，SBS）形成微小區(qū)提供了更高的頻譜自由度，有效地提高了系統(tǒng)的單位面積譜效率，從而提升了系統(tǒng)的性能[21]。

對(duì)宏小區(qū)中宏基站的部署一般多采用固定的格形部署，而微小區(qū)的微基站部署受周邊環(huán)境和當(dāng)?shù)厝肆鞯挠绊?。不僅如此，微小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)也呈現(xiàn)自組織性，不同層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之間也可能需要協(xié)作和補(bǔ)償，種種原因?qū)е铝藢?duì)微小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的建模不能單單采用傳統(tǒng)的基于格點(diǎn)的基站部署方式[22]。同時(shí)由于用戶在小區(qū)中呈現(xiàn)的分布不同，比如在某些熱點(diǎn)區(qū)域（如展會(huì)中心區(qū)、景觀區(qū)），用戶分布較集中，呈現(xiàn)從中間向四周蔓延的趨勢(shì)，而在其他區(qū)域，用戶不會(huì)有明顯的集聚效應(yīng)，所以微小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)部署是超密集組網(wǎng)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

超密集組網(wǎng)在帶來好處的同時(shí)，也帶來了新的挑戰(zhàn)，密集的網(wǎng)絡(luò)使得基站之間的距離更近，隨之帶來的小基站之間干擾（inter cell interference）問題越發(fā)明顯。不僅如此，網(wǎng)絡(luò)的密集化也導(dǎo)致了小區(qū)中的干擾管理算法變得越發(fā)復(fù)雜。密集的組網(wǎng)也導(dǎo)致了很高的能耗[23]，SBS能提供的功率也不會(huì)像宏基站提供的功率那么強(qiáng)，有一定的約束，如何將有限的功率很好地利用，使服務(wù)的用戶更多，提供的容量更大，基站的耗能更小，也是現(xiàn)在亟需解決的熱點(diǎn)問題。因此需要有新的干擾管理技術(shù)，充分協(xié)調(diào)現(xiàn)有的或者將要部署的SBS之間的關(guān)系，從而消除或減小基站之間的干擾，提升用戶服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS），提升網(wǎng)絡(luò)的單位面積頻譜利用率，達(dá)到蜂窩小區(qū)總吞吐量提升的目的。與此同時(shí)，在超密集組網(wǎng)場(chǎng)景下，基站之間距離較近，基站之間的協(xié)作更便利，因此也可以使用多點(diǎn)聯(lián)合傳輸（coordinated multipoint，CoMP）技術(shù)進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的性能。

在超密集組網(wǎng)場(chǎng)景下，由于系統(tǒng)中的用戶較多、容量需求大和業(yè)務(wù)種類多樣化，因此需要網(wǎng)絡(luò)能夠提供更高的單位面積的頻譜利用率，更靈活的自適應(yīng)資源調(diào)度策略[24]。同時(shí)，隨著通信逐步成為世界上最耗能的應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)[25]，需要想辦法在滿足用戶要求的同時(shí)，盡可能降低能耗，從而得到較高的能耗比。超密集組網(wǎng)（UDN）作為5G 的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)其概念的描述、基站布置與基站協(xié)作的探索、網(wǎng)絡(luò)的性能分析和具體干擾管理算法的研究，都將是未來超密集組網(wǎng)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)方向。

4 非正交多址接入技術(shù)

多址接入技術(shù)通常被看作現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)的特征代表，從TDMA、FDMA、CDMA開始，到后來的OFDM和MIMO。隨著正交多址接入技術(shù)的研究發(fā)展，多址接入技術(shù)已經(jīng)逐步成熟，但僅利用正交多址接入（orthogonal multiple access，OMA）技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足5G大連接、超密集的愿景。所以5G還需要開發(fā)出新型的多址技術(shù)。所以本著特殊到一般的研究思想，很容易就想到正交多址接入技術(shù)需要過渡到非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）技術(shù)[26]。正交多址技術(shù)是通過在多個(gè)相互正交的資源塊上去區(qū)分和服務(wù)不同用戶的，而非正交多址技術(shù)則是在同一資源塊對(duì)不同的用戶提供服務(wù)，即把多用戶的信息進(jìn)行疊加傳輸，這樣不僅可以有效提高系統(tǒng)頻譜效率，還可以提高基站服務(wù)的用戶數(shù)，比較適合5G的萬物互聯(lián)和高頻譜的愿景。所以5G除了支持傳統(tǒng)的OFDMA技術(shù)外，還支持NOMA、SCMA等多種新型多址技術(shù)[27-28]。

4.1 NOMA

單講NOMA，一般指的是基于功率域復(fù)用的新型多址接入技術(shù)，以在接收端進(jìn)行串行干擾消除算法實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到的疊加信號(hào)進(jìn)行譯碼。通過仿真系統(tǒng)的驗(yàn)證，NOMA與傳統(tǒng)OMA相比，提高了吞吐量和頻譜效率，然而串行干擾消除（successive interference cancellation，SIC）通過功率排序依次對(duì)用戶進(jìn)行譯碼，勢(shì)必會(huì)造成對(duì)誤碼的累積效應(yīng)[29]。

雖然NOMA的吞吐量相比OMA提升了，但其是以犧牲誤碼性能換取的，即NOMA相比OMA增加了功率復(fù)用組內(nèi)用戶間干擾。所以在組內(nèi)功率分配時(shí)，怎樣分配使得吞吐量和誤碼性能達(dá)到一個(gè)權(quán)衡；同時(shí)對(duì)于復(fù)用用戶之間怎樣分組聚類，也是一個(gè)難點(diǎn)問題，雖然可以證明信道差異越大的兩用戶復(fù)用比隨機(jī)兩用戶復(fù)用，系統(tǒng)性能的吞吐量有更大的提升，但其誤碼性能卻較差（信道狀態(tài)好的用戶對(duì)信道狀態(tài)差的用戶干擾太大，導(dǎo)致不能正常譯碼）；而且不同功率復(fù)用組間的功率怎么分配，使得整體系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最優(yōu)，也是一個(gè)熱點(diǎn)問題；而且是否存在一種會(huì)比串行干擾消除譯碼方式更好的、適合NOMA的譯碼方式也有待研究；還有NOMA是否可以實(shí)現(xiàn)分集和復(fù)用同時(shí)存在？這樣系統(tǒng)既有分集增益，又會(huì)有用戶增益。

NOMA組內(nèi)兩用戶的誤碼率情況如圖11所示，可以看出用串行干擾消除算法用戶2可以直接檢測(cè)得到自己的信息，而用戶1需要先檢測(cè)出用戶2的信息，然后在接收的信號(hào)中減去用戶2的信息，再檢測(cè)才能得到自己的信息。可以看出對(duì)于用戶1來說誤碼累積未必是件壞事。這是因?yàn)闄z測(cè)用戶2的誤碼累積后，再經(jīng)過判決可能會(huì)導(dǎo)致正確譯碼。所以串行干擾消除算法的誤碼分析還是需要詳盡研究的。

圖11 NOMA組內(nèi)兩用戶的誤碼率（）

除了以上NOMA本身的研究問題以外，NOMA與其他技術(shù)的有機(jī)結(jié)合也是很有意思的課題，例如OFDM和NOMA、MIMO和NOMA等。

4.2 SCMA

2014年，華為公司在參考文獻(xiàn)[30]中提出了稀疏碼多址接入（sparse code multiple access，SCMA）的概念，并認(rèn)為SCMA可以看作低密度擴(kuò)頻（low density spreading，LDS）CDMA的擴(kuò)展和推廣。在SCMA系統(tǒng)中，正交振幅調(diào)制（quadrature amplitude modulation，QAM）映射和擴(kuò)頻的過程融合在一起，形成一個(gè)SCMA碼本，為SCMA編碼過程帶來成形增益[30]。像這樣，每個(gè)傳輸層的二進(jìn)制比特流都會(huì)根據(jù)碼本直接映射成多維的復(fù)數(shù)碼字，而用戶通過不同的碼字來實(shí)現(xiàn)共用信道，如圖12所示，其中的每一列對(duì)應(yīng)一組不同比特信息所映射的信號(hào)。

既然SCMA是碼域的非正交多址接入技術(shù)，那么碼本設(shè)計(jì)是SCMA中的一個(gè)核心問題，也是SCMA相關(guān)研究中比較具有挑戰(zhàn)性的，SCMA的碼本可以形成一個(gè)多維的星座圖，而多維星座圖設(shè)計(jì)本身較為復(fù)雜[31-32]。在SCMA碼本設(shè)計(jì)問題中，不僅僅要設(shè)計(jì)一個(gè)性能較好的多維星座圖，同時(shí)要保證各個(gè)用戶能夠相對(duì)獨(dú)立地進(jìn)行發(fā)送和接收，才能滿足實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用需求。其次SCMA要面臨接收機(jī)設(shè)計(jì)。由于不同的層可能會(huì)占用相同的時(shí)間（或頻率）資源，SCMA 中區(qū)分用戶就成為了技術(shù)難點(diǎn)。通常，在接收端使用一個(gè)非線性的多用戶檢測(cè)器（multi-user detector，MUD）來區(qū)分不同的、非正交的用戶，最大似然（maximum likelihood，ML）準(zhǔn)則是多用戶檢測(cè)的最優(yōu)準(zhǔn)則。然而，ML準(zhǔn)則的復(fù)雜度往往非常之高。考慮到SCMA 的稀疏特性，可以利用消息傳播算法來完成多用戶檢測(cè)。SCMA 的接收問題一直是該領(lǐng)域中熱門的研究方向[33]。

頻選衰落信道OFDM-SCMA重復(fù)編碼多天線分集系統(tǒng)誤碼率如圖13所示。

從圖13中可以看出，使用重復(fù)編碼多天線技術(shù)的OFDM-SCM系統(tǒng)的性能優(yōu)于單輸入單輸出OFDM-SCMA系統(tǒng)在衰落信道下的性能，說明MIMO技術(shù)的引入為系統(tǒng)增加了可靠性。比較SCMA多天線系統(tǒng)與傳統(tǒng)的正交多天線系統(tǒng)可以看出，在低信噪比時(shí)，SCMA方案差于正交方案；同時(shí)還能看出，在不使用交織技術(shù)時(shí)，基于OFDM-SCMA的重復(fù)編碼多天線傳輸系統(tǒng)的性能比使用BPSK調(diào)制的OFDM傳輸系統(tǒng)要差。這是因?yàn)镾CMA碼本的非正交特性為系統(tǒng)引入了干擾，使其性能本身比正交方案略差。使用頻率交織技術(shù)后，同一SCMA信號(hào)的個(gè)不同的投影可以映射到近似衰落獨(dú)立的OFDM子載波上，從而產(chǎn)生了頻率分集作用。雖然使用頻率交織技術(shù)的誤碼率略高于使用時(shí)間交織技術(shù)的誤碼率，但這是仿真假設(shè)條件所帶來的差距。因?yàn)樵诜抡嬷?，假設(shè)不同相干時(shí)間內(nèi)的的信道系數(shù)是完全獨(dú)立的，但OFDM子載波間的衰落系數(shù)是存在一定的相關(guān)性的。因此在實(shí)際的OFDM-SCMA系統(tǒng)中，頻率交織和時(shí)間交織孰優(yōu)孰劣要分具體情況討論。

除了上述的NOMA和SCMA，非正交多址接入技術(shù)還有中興的多用戶共享多址（multi-user shared access，MUSA）、大唐的圖樣分割多址（pattern division multiple access，PDMA）以及高通提出的資源擴(kuò)頻多址（resource spread multiple access，RSMA）等方案。在萬物互聯(lián)的5G愿景下，非正交多址接入技術(shù)絕對(duì)是一場(chǎng)多址技術(shù)的改革和創(chuàng)新，會(huì)使未來移動(dòng)通信的無線接入技術(shù)達(dá)到一個(gè)新的高度。

5 結(jié)束語

本文首先從5G的發(fā)展開始介紹了5G需要面臨的挑戰(zhàn)和熱點(diǎn)先進(jìn)技術(shù)，然后分別從大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)和非正交多址接入技術(shù)3個(gè)方面，對(duì)具有5G特色技術(shù)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)詳細(xì)進(jìn)行了闡述。5G雖然面對(duì)了業(yè)務(wù)需求和用戶體驗(yàn)兩方面雙重的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)，但各研究機(jī)構(gòu)都積極地為5G的鋪設(shè)進(jìn)行著努力。距離預(yù)計(jì)5G商用的2020年已經(jīng)不遠(yuǎn)了，然而5G標(biāo)準(zhǔn)的確定之路才剛剛開始，對(duì)于5G先進(jìn)技術(shù)的研究仍還有大量工作需要完成。在不懈的努力后，未來的5G技術(shù)定會(huì)是一個(gè)更開放、更智能、更靈活、更豐富的移動(dòng)通信技術(shù)。

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Research progress of 5G advanced technologies

LIN Hongchi, SUN Wenbin, GUO Jichong, MA Jinming,ZHOU Yongkang, YU Qiyue, MENG Weixiao

Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

The standards of the 5th generation communication technology were picking up. Compared with previous generations’ communication technologies, 5G will face more complex business requirements, more extreme user experience and more dense network architecture. Moreover, 5G needs to lay a good communication foundation for IoT before the arrival of the era of big data and artificial intelligence. Some hot technologies of 5G were briefly introduced. Firstly, the technical vision and demand target of 5G was given, and then the research progress of three hot technologies of massive MIMO, ultra dense network and non-orthogonal multi-access technology was expounded.

5G, massive MIMO, UDN, NOMA

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018238

林泓池（1993?），男，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)槌芗M網(wǎng)和非正交多址。

孫文彬（1990?），男，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生，主要研究方向?yàn)闊o線通信、多天線技術(shù)以及預(yù)編碼技術(shù)。

郭繼沖（1992?），男，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生，主要研究方向?yàn)闊o線信道建模、毫米波系統(tǒng)、預(yù)編碼技術(shù)。

麻津銘（1994?），男，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)槌芗M網(wǎng)。

周永康（1994?），男，哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)橄∈璐a多址接入的碼本設(shè)計(jì)和技術(shù)應(yīng)用。

于啟月（1982?），女，博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閷拵o線通信、信息論與編碼等。

孟維曉（1968?），男，博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闊o線移動(dòng)通信、空天通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星定位導(dǎo)航。

2018?07?20；

2018?08?06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61728104）；黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（No.ZD2017013）

The National Natural Science Foundation of China(No.61728104)，The Natural Science Foundation Major Project of Heilongjiang Province(No.ZD017013)