5G部署場(chǎng)景和潛在技術(shù)

袁弋非 中興通訊股份有限公司總工程師王欣暉 中興通訊股份有限公司5G標(biāo)準(zhǔn)總監(jiān)趙孝武 中興通訊股份有限公司標(biāo)準(zhǔn)部長(zhǎng)

5G部署場(chǎng)景和潛在技術(shù)

袁弋非 中興通訊股份有限公司總工程師
王欣暉 中興通訊股份有限公司5G標(biāo)準(zhǔn)總監(jiān)
趙孝武 中興通訊股份有限公司標(biāo)準(zhǔn)部長(zhǎng)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展促使著5G無(wú)線通信概念的形成和研究。5G的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)計(jì)在2020年左右完成，應(yīng)該能夠支持多樣的應(yīng)用。與以往幾代蜂窩通信制式相比，5G系統(tǒng)追求的不只是峰值速率和頻譜效率，還有其他幾種關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)于每一種典型場(chǎng)景，多項(xiàng)技術(shù)可以單獨(dú)或者聯(lián)合運(yùn)用，從而提高傳輸效率，降低成本，增加連接數(shù)等。本文對(duì)幾項(xiàng)重要的潛在技術(shù)，例如大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、非正交傳輸、高頻通信等進(jìn)行了描述。

5G IMT-2020超密集組網(wǎng) 大規(guī)模天線 非正交傳輸 高頻通信

1 引言

LTE版本10的標(biāo)準(zhǔn)于2011年完成，這標(biāo)志著LTEAdvanced中所包含的基本功能已能滿足國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）對(duì)4G蜂窩系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。在過(guò)去的40多年，每10年左右蜂窩通信就會(huì)經(jīng)歷一場(chǎng)大的技術(shù)變革。第一代是純模擬電子系統(tǒng)，采用頻分多址（FDMA），它發(fā)端于20世紀(jì)80年代初，結(jié)束于90年代初。第二代主要是時(shí)分多址（TDMA），尤以80年代末出現(xiàn)的GSM系統(tǒng)為代表，取得了很大成功。第三代蜂窩通信以碼分多址為標(biāo)志，并且開(kāi)始采用Turbo信道編碼，它的標(biāo)準(zhǔn)化始于90年代后期，于2003年基本完成。根據(jù)這個(gè)周期，現(xiàn)在是開(kāi)始5G標(biāo)準(zhǔn)前期研究的時(shí)候了。ITU將5G命名為IMT-2020，意味著5G的標(biāo)準(zhǔn)化工作將于2020年左右完成。

5G將是一個(gè)全球的標(biāo)準(zhǔn)，這點(diǎn)與4G情形類(lèi)似。世界上許多國(guó)家和地區(qū)都開(kāi)始了對(duì)5G的詳細(xì)規(guī)劃和推進(jìn)，例如歐盟的METIS項(xiàng)目、中國(guó)的IMT-2020、韓國(guó)的5G Forum、日本的ADWICS。這些項(xiàng)目和計(jì)劃由眾多的電信運(yùn)營(yíng)商、系統(tǒng)設(shè)備廠家、終端廠商、以及研究所和大學(xué)參與。

與前四代不同的是，5G的應(yīng)用十分多樣化。峰值速率和平均小區(qū)頻譜效率不再是唯一的要求。除此之外，體驗(yàn)速率、連接數(shù)、低延時(shí)、高可靠、高能效都將成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要考量因素。應(yīng)用場(chǎng)景也不只是廣域覆蓋，還包括密集熱點(diǎn)、機(jī)器間通信、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、大型露天集會(huì)、地鐵等。這也決定了5G中的技術(shù)是多元的，不會(huì)像前幾代的每一代都有唯一一個(gè)標(biāo)志技術(shù)。

5G技術(shù)的多元化使得演進(jìn)型和革命性技術(shù)共存，在演進(jìn)型中也不大容易區(qū)分是pre-5G還是5G的。本文將用部署場(chǎng)景來(lái)把不同的潛在技術(shù)聯(lián)系起來(lái)。對(duì)于每一個(gè)部署場(chǎng)景，有一系列技術(shù)方案或方向有望達(dá)到關(guān)鍵性能指標(biāo)。需要指出的是本文列舉的技術(shù)不一定很全，但應(yīng)該反映了當(dāng)今5G圈子的一些共識(shí)。

2 5G的應(yīng)用和關(guān)鍵性能指標(biāo)

2.1 5G的業(yè)務(wù)類(lèi)型及特點(diǎn)

對(duì)于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)，未來(lái)5G的目標(biāo)是達(dá)到類(lèi)似光纖速度的用戶(hù)體驗(yàn)。而對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)，5G系統(tǒng)應(yīng)該支持多種應(yīng)用，如交通、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、金融、建筑、電網(wǎng)、環(huán)境保護(hù)等，特點(diǎn)都是海量接入。圖1是5G在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)上的一些主要應(yīng)用。

數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是高速率，延遲可以在50～100ms。交互業(yè)務(wù)的延時(shí)得在5～10ms。現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)和在線游戲需要高清視頻和幾十ms的延時(shí)。到2020年，云存儲(chǔ)將會(huì)匯集30%的數(shù)字信息量，意味著云與終端的無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)速率得在光纖級(jí)別。

在物聯(lián)網(wǎng)中，有關(guān)數(shù)據(jù)采集的服務(wù)包括低速率業(yè)務(wù)（例如讀表），還有高速率應(yīng)用（如視頻監(jiān)控）。讀表業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是海量連接、低成本終端、低功耗和小數(shù)據(jù)包；而視頻監(jiān)控不僅要求高速率，其部署密度也會(huì)很高。控制類(lèi)的服務(wù)有時(shí)延敏感和不敏感的。前者有車(chē)聯(lián)網(wǎng)，后者包括家居生活中的各種應(yīng)用。

2.2 關(guān)鍵性能指標(biāo)

關(guān)鍵性能指標(biāo)的定義見(jiàn)表1。除了表1中的KPI定義，5G需求中還包含3種效率：小區(qū)平均頻譜效率，單位是bit/s/Hz/小區(qū)，或是bit/s/Hz/km2；能效，單位是B/J；成本效率，單位是成功傳輸每個(gè)比特所需成本。

5G的需求列舉了如下幾大應(yīng)用場(chǎng)景：密集居住區(qū)、辦公室、商場(chǎng)、體育館、大型露天集會(huì)、地鐵系統(tǒng)、火車(chē)站、高速公路和高速鐵路。對(duì)于每一種應(yīng)用場(chǎng)景，又有不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型組合，例如圖1中的14種業(yè)務(wù)的其中一種或幾種，在各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中的比例隨用戶(hù)比例而各異。經(jīng)過(guò)一系列的測(cè)算，可以得出一些典型場(chǎng)景的關(guān)鍵性能指標(biāo)，如表2所列。

圖1 5G的主要服務(wù)

表1 關(guān)鍵性能指標(biāo)的定義

3 部署場(chǎng)景與潛在技術(shù)

5G中比較重要也更好量化的性能指標(biāo)有3個(gè)：

（1）室外100Mbit/s和熱點(diǎn)地區(qū)1Gbit/s的用戶(hù)體驗(yàn)速率。

（2）相比4G要有10～100倍的連接數(shù)和連接密度的提升。

（3）空口時(shí)延在1ms以?xún)?nèi)，端到端時(shí)延在ms級(jí)（見(jiàn)圖2）。

第二章中的場(chǎng)景主要是從業(yè)務(wù)需求角度而言。而本章是從部署角度，分出4大典型部署場(chǎng)景，能夠與技術(shù)更緊密地掛鉤。這4個(gè)場(chǎng)景分別是：宏覆蓋增強(qiáng)、超密集部署、物聯(lián)網(wǎng)和低時(shí)延/高可靠。

表2 5G典型場(chǎng)景的關(guān)鍵性能指標(biāo)

圖2 5G的主要關(guān)鍵性能指標(biāo)以及潛在技術(shù)

●宏覆蓋增強(qiáng)場(chǎng)景

在這個(gè)場(chǎng)景，所用的頻段多半是低頻，宏小區(qū)的覆蓋半徑可達(dá)數(shù)公里。100Mbit/s的用戶(hù)體驗(yàn)速率的性能指標(biāo)較具有挑戰(zhàn)性。在這個(gè)場(chǎng)景中，不同用戶(hù)到基站的路損差異很大，使得信噪比差別也很大。宏站上一般允許布置許多天線。連接數(shù)，即使是人與人之間的通信用戶(hù)數(shù)也十分大。因此，比較適合的技術(shù)包括：大規(guī)模天線、非正交傳輸，以及新型調(diào)制編碼。這些技術(shù)一般情況下可以較好地共存，即復(fù)合起來(lái)用，總的增益近似等于各個(gè)技術(shù)所帶來(lái)增益的疊加。

●超密集部署

如上一章所述，5G的應(yīng)用場(chǎng)景許多是與密集部署相關(guān)的，如辦公室、密集城市公寓、商場(chǎng)、露天集會(huì)、體育場(chǎng)館。這種部署下的用戶(hù)體驗(yàn)速率要求是1Gbit/s。很明顯，用戶(hù)的密度在典型面積下相當(dāng)高，可以是室外或是室內(nèi)。小區(qū)的拓?fù)湫螤畛尸F(xiàn)高度的異構(gòu)性和多樣性，有宏小區(qū)、微小區(qū)（Micro Cell）、毫微小區(qū)（PicoCell)、微微小區(qū)（FemtoCell）。它們的發(fā)射功率、天線增益、天線高度也大相徑庭。適合的潛在技術(shù)有高級(jí)的干擾協(xié)調(diào)管理、虛擬小區(qū)、無(wú)線回傳、新型調(diào)制編碼、增強(qiáng)的自組織網(wǎng)絡(luò)等。對(duì)于室內(nèi)部署，還可采用高頻通信來(lái)增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)，降低小區(qū)間干擾。高頻的短波長(zhǎng)性質(zhì)使得大規(guī)模天線陣列更容易部署。

●機(jī)器間通信場(chǎng)景

這個(gè)場(chǎng)景的最大挑戰(zhàn)是支持海量的終端數(shù)。這也意味著每一個(gè)機(jī)器終端的成本要遠(yuǎn)低于一般的手機(jī)終端。功耗方面也得足夠低，以保證電池幾年不耗盡。覆蓋還應(yīng)該十分魯棒，能夠達(dá)到地下室。潛在的技術(shù)包括窄帶傳輸、控制信令優(yōu)化、非正交傳輸。窄帶傳輸能有效降低設(shè)備費(fèi)用并提高覆蓋。控制信令優(yōu)化可顯著降低控制信道的開(kāi)銷(xiāo)。非正交傳輸支持多個(gè)終端同時(shí)同頻共享無(wú)線資源，其接入過(guò)程可以是競(jìng)爭(zhēng)式的，從而有效降低控制信令開(kāi)銷(xiāo)。

●低時(shí)延和高可靠場(chǎng)景

低時(shí)延和高可靠是幾種應(yīng)用共同的要求。例如在某些制造工業(yè)中的機(jī)器間通信，ms級(jí)的延時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。在智能交通系統(tǒng)，ms級(jí)延時(shí)和近乎為0的檢測(cè)率是硬性要求，否則無(wú)法避免交通事故。此種場(chǎng)景的潛在技術(shù)有物理幀的新設(shè)計(jì)、高級(jí)的鏈路自適應(yīng)。終端直通技術(shù)也可降低端到端的時(shí)延。

4 潛在技術(shù)

在圖2中，我們?cè)信e了一些5G可能的技術(shù)。在這一章，我們將對(duì)4種重點(diǎn)技術(shù)展開(kāi)討論。這4種技術(shù)分別是：大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)技術(shù)、非正交傳輸和高頻通信。

4.1 大規(guī)模天線

多天線技術(shù)一直是標(biāo)準(zhǔn)化中十分重要而又經(jīng)典的議題。在4G時(shí)代，OFDM的采用大大地促使了多天線的應(yīng)用，原因就是OFDM的MIMO接收器要比3G的CDMA的簡(jiǎn)單魯棒好得多。貝爾實(shí)驗(yàn)室Marzetta博士的開(kāi)創(chuàng)性論文給人們展現(xiàn)了多天線系統(tǒng)的真正潛能，其潛能來(lái)自于基站部署大量的天線，而無(wú)需終端側(cè)具有多個(gè)天線。理論上講，當(dāng)基站天線增加至無(wú)窮，系統(tǒng)容量?jī)H受限于參考信號(hào)的污染。

盡管大規(guī)模天線的初始概念并未明確指明天線形態(tài)是一維還是二維的，天線實(shí)現(xiàn)工藝的迅猛發(fā)展現(xiàn)在能夠支持有源天線單元。通過(guò)靈活的天線單元組合和預(yù)編碼，可以實(shí)現(xiàn)垂直方向上的動(dòng)態(tài)波束賦形（見(jiàn)圖3）。這種賦形通常被稱(chēng)為3D MIMO，能在用戶(hù)處于城市樓群的立體分布情形下有效地增強(qiáng)覆蓋和提高系統(tǒng)的吞吐。因此，從這個(gè)角度講，3D MIMO有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)度，都需要在基站側(cè)部署大量的天線單元和天線端口。

圖3 大規(guī)模天線用于3DMIMO

圖4是一個(gè)初步的下行大規(guī)模天線系統(tǒng)的仿真結(jié)果。仿真中一共有19個(gè)宏站，57個(gè)扇區(qū)的同構(gòu)網(wǎng)拓?fù)洌鹃g距為200m。信道估計(jì)和反饋假設(shè)為理想。可以觀察到當(dāng)天線數(shù)目增大至64時(shí)，頻譜效率較8天線的有3倍左右的增益。

大規(guī)模天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)性有以下幾點(diǎn)：

（1）當(dāng)天線數(shù)增多時(shí)，更多的資源需要用于參考信號(hào)，以便對(duì)每個(gè)單獨(dú)的信道進(jìn)行估計(jì)。需要在參考信號(hào)開(kāi)銷(xiāo)與系統(tǒng)性能之間做到良好的折中。

（2）大規(guī)模天線意味著需要大量的比特?cái)?shù)用于準(zhǔn)確描述空間信道狀態(tài)信息（CSI），從而有效地進(jìn)行預(yù)編碼和資源調(diào)度。這對(duì)于無(wú)法利用信道互易性的FDD系統(tǒng)尤為重要。對(duì)于TDD系統(tǒng)，需要天線校準(zhǔn)和上行參考信號(hào)的優(yōu)化。

圖4 大規(guī)模天線系統(tǒng)下行小區(qū)頻譜效率的仿真結(jié)果

（3）除非是在高頻段，大量的天線數(shù)給實(shí)際部署帶來(lái)很大的限制，在不少地區(qū)和城市有嚴(yán)格的建筑管理法規(guī)，使部署多天線的難度增加。有些情況下因?yàn)榻ㄖ锿庑芜€可能部署非規(guī)則形狀的天線陣列，這無(wú)論是從陰影衰落模型和工程實(shí)踐角度都存在許多新的問(wèn)題要解決。

（4）高頻可以減小天線尺寸，使得部署更為靈活。但是，高頻器件本身的制造成本較高，如何設(shè)計(jì)高集成度的高頻天線陣列是當(dāng)今技術(shù)難點(diǎn)之一。

4.2 超密集組網(wǎng)的潛在技術(shù)

從第一代到第三代蜂窩通信，同構(gòu)拓?fù)湫螤罱M網(wǎng)是基本的方式。到了4G，尤其是LTE-Advanced，出現(xiàn)了異構(gòu)拓?fù)洌春暾九c低功率節(jié)點(diǎn)諸如Pico、Femto或者中繼站混合組網(wǎng)，以提高系統(tǒng)容量（見(jiàn)圖5）。容量的提升主要來(lái)自小區(qū)分裂，即低功率節(jié)點(diǎn)將宏站的業(yè)務(wù)進(jìn)行分流，可以同頻。當(dāng)?shù)凸β使?jié)點(diǎn)的密度不高時(shí)，節(jié)點(diǎn)間的干擾也不嚴(yán)重。一些干擾抑制的方法已在LTE的版本10和11中得到了標(biāo)準(zhǔn)化。

5G時(shí)代的密集部署不僅密度更高，而且更有多樣性。除了4G時(shí)用的19個(gè)宏站配上若干個(gè)小站，場(chǎng)景具體化到了城市公寓、辦公室、商場(chǎng)等，更貼近實(shí)際部署。3D的信道和用戶(hù)部署將會(huì)得到更廣泛的采用。

隨著低功率節(jié)點(diǎn)密度的增高，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的覆蓋變得更小，相互間的干擾也愈加明顯。如下的幾個(gè)解決思路可供參考：

（1）增強(qiáng)的功率控制和自適應(yīng)，多小區(qū)的幾乎空白子幀不僅用于數(shù)據(jù)，還用于控制信道。

（2）增強(qiáng)的干擾測(cè)量。

（3）增強(qiáng)的協(xié)作調(diào)度，時(shí)域、頻域、空域以及功率域的聯(lián)合協(xié)作。

（4）基于干擾對(duì)齊的干擾協(xié)調(diào)。

（5）無(wú)線回傳。

圖5 超密集部署的沿革

4.3 非正交傳輸

4G OFDM系統(tǒng)的一大優(yōu)勢(shì)是接收端的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)，這都得歸功于正交的無(wú)線資源使用。但是，從和速率的角度，正交系統(tǒng)通常是無(wú)法達(dá)到和容量上界的，如圖6所示。正交系統(tǒng)的最優(yōu)特性在用戶(hù)的信噪比存在巨大差異時(shí)表現(xiàn)得尤為顯著。

圖6 正交和非正交系統(tǒng)的下行和速率的比較

最簡(jiǎn)單的非正交傳輸就是多個(gè)用戶(hù)調(diào)制符號(hào)的直接線性疊加。這種功率域的疊加對(duì)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的影響較小，而且許多方面屬于實(shí)現(xiàn)類(lèi)技術(shù)，尤其是上行。功率域疊加的傳輸需要有比特級(jí)的干擾消除，接收器復(fù)雜度較高，對(duì)于終端的實(shí)現(xiàn)要求很高。

更先進(jìn)的非正交傳輸還可以利用碼本的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)降低對(duì)接收器復(fù)雜度的要求，使得系統(tǒng)更魯棒。例如：

（1）基于擴(kuò)頻碼：序列具有較低的相關(guān)性，提高接收端的遞進(jìn)干擾消除（SIC）的魯棒性，適用于上行免調(diào)度場(chǎng)景。

（2）基于稀疏碼：碼本矩陣具有稀疏性，可以降低接收算法的復(fù)雜度，適用于上行免調(diào)度場(chǎng)景。

（3）基于比特分割：碼的疊加在比特級(jí)別，可以降低下行接收算法的復(fù)雜。

4.4 高頻通信

傳統(tǒng)蜂窩通信的頻段在400MHz～3GHz之間。考慮到這些頻段的使用已經(jīng)飽和，而且5G的容量和用戶(hù)速率要求很高，6GHz以上的頻段很有可能廣泛用于蜂窩通信，盡管目前業(yè)界對(duì)高頻是否支持廣域覆蓋還有不同看法。對(duì)于高頻，筆者認(rèn)為以下兩個(gè)問(wèn)題需要首先研究：

（1）高頻信道的傳播模型：與低頻相比，高頻傳播的機(jī)制和散射體的電磁效應(yīng)可能有很大差別。盡管對(duì)于點(diǎn)到點(diǎn)的微波通信，已經(jīng)有不少測(cè)量和信道模型，但它們多是考慮視距場(chǎng)景，這與蜂窩通信的一般狀況有較大的不同。信道建模的難度不僅體現(xiàn)在需要橫跨6～100GHz，而且大尺度和小尺度衰落都需精確，并且還得包括空間信道建模。

（2）器件成本和功放效率：對(duì)于傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)通信，例如宏站之間的微波回傳，器件成本和功耗一般不是制約因素。但對(duì)于電池供電的手持終端，器件成本和功耗直接影響高頻的商用可能性。由于信號(hào)失真嚴(yán)重、射頻噪聲顯著，有可能只用低階的調(diào)制方式，這對(duì)高頻系統(tǒng)性能會(huì)有很大影響。

高頻方面，一些技術(shù)方向有望提高系統(tǒng)性能，彌補(bǔ)高頻傳輸?shù)哪承┫忍觳蛔悖热纾?/p>

●新的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：高頻信道與低頻信道的特性有很大差異，系統(tǒng)帶寬也會(huì)有數(shù)量級(jí)的增高，載波方式也可能不只是多載波，其他的例如單載波也有其用武之地。

●高頻的短波長(zhǎng)可以大大縮小天線陣列的尺寸，使大規(guī)模天線部署更有可能。高頻傳輸?shù)囊暰喾至繒?huì)占更高比例，基于多天線的波束跟蹤技術(shù)將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

●新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹８哳l通信一般適于近距離傳輸，而且很容易被物體阻擋。這種“隔離”的特性為新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮峁┝丝赡苄裕绕涫窃诔芗渴稹?/p>

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先描述了5G的業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景，接著對(duì)幾個(gè)典型部署場(chǎng)景的關(guān)鍵性能指標(biāo)和潛在的技術(shù)進(jìn)行了論述，然后分別介紹了4大技術(shù)：大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、非正交傳輸和高頻通信。

1 ITU.IMT for 2020 and Beyond.http://www.itu.int/en/ITUR/study-groups/rsg5/rwp5d/imt-2020

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3 N.Bhushan,J.Li,D.Malladi,R.Gilmore,D.Brenner,A. Damnjanovic,R.T.Sukhavasi,C.Patel,and S.Geirhofer. Network Densification:the Dominant Theme for Wireless Evolution in 5G.IEEE Comm

4 H.Jin,K.Peng,J.Song.Bit Division Multiplexing for Broadcasting.IEEE Trans

Deployment Scenarios and Enabling Technologies for 5G

The fast development of mobile internet and internet of things(IoT)pushes the concept formation and study of 5G wireless communications.5G is expected to be standardized around 2020 and will support diverse applications and services.Different from previous generations,peak rate and spectral efficiency are not longer the only key performance indicators(KPIs).There are other KPIs defined for 5G.For each typical scenario,multiple technologies can be used independently or jointly to significantly improve the spectral efficiency,to reduce the cost,to increase the number of connections.Several key potential technologies are discussed,including massive MIMO,ultra-dense networks (UDN),non-orthogonal transmission,high frequency communications.

5G,IMT-2020,ultra-dense networks(UDN),massive MIMO,non-orthogonal transmission,high frequency communication

2015-05-06）