第五代無線通信系統新接入技術的研究

楊樂

摘要：為了研究第五代無線通信系統新接入技術，從3GPP提出的第五代無線通信系統新無線項目研究目標和主要應用場景入手，詳細探討了NR項目研究階段中的關鍵技術，并分析了3GPP NR標準化的路線圖。相關的研究人員可以根據標準化進度的要求，參考相關關鍵技術點開展進一步研究，提出更有競爭力的設計方案。

關鍵詞：無線接入 波形設計 多址接入

1 引言

隨著4G的成功商用以及移動互聯網業務井噴式的發展，尤其是視頻業務的拓展，對更高速率、更低時延，更大系統容量的無線通信技術的需求與日俱增。另外一個方面，以IoT為代表的“萬物互聯”對無線通信系統提出了海量的接入用戶數以及低功耗的特征。國際通信標準化組織3GPP已經明確，下一代無線通信系統將支持這些典型應用場景。在接入技術的選擇方面，3GPP采取原有4G技術持續演進和引入新的無線接入技術相結合的策略，以實現既可以兼容現有系統并使之平滑過渡，又可以以全新技術滿足新應用需求的目標。在這種背景下，3GPP決定開展新的無線接入技術的研究工作，包括NR研究項目的目標及其應用場景以及NR SI（New Radio Access Technology Study Item，新無線接入技術研究課題）當前討論的關鍵技術。本文將詳細介紹NR（New Radio，新無線）項目的目標與應用場景及現階段研究的關鍵技術，并對3GPP標準中5G發展的路線圖進行解析。

2 新無線接入技術及其關鍵技術

在2016年3月的3GPP第71次RAN全會上，會議通過了RP-160671“Study on New Radio Access Technology”的研究課題立項，以研究面向5G的新無線系統頻段、物理層核心技術、協議體系架構等最關鍵的問題。在3GPP中將該研究課題縮寫為NR SI。

2.1 NR研究項目的目標及其應用場景

NR SI設定的主要的研究目標如下：

（1）新的RAT（Radio Access Technology，無線接入技術）將考慮100 GHz以下的全部頻段范圍。

（2）設法實現如下的具體目標：以單一的技術架構框架，滿足TR38.913設定的全部應用場景，包括：

1）增強的移動寬帶；

2）大規模機器類型通信（Machine-type-commu-nication）；

3）超可靠性和超低時延通信。

（3）該課題初期的高優先級研究內容包括：

1）新RAT技術的基礎物理層信號結構：

◆基于OFDM的、具備潛在支持非正交、多址接入的波形技術；

◆基本的幀結構設計；

◆信道編碼方案。

2）無線空口協議架構及處理過程。

3）無線接入網架構、接口協議及處理過程。

NR將考慮將頻率范圍擴展至100 GHz以下全部可用的頻段，同時以統一的新空口技術架構框架支持5G的三大應用場景和需求。

2.2 NR SI當前討論的關鍵技術

（1）波形設計

基于參與3GPP標準制定的各公司的討論，目前波形設計主要方案應基于OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復用技術），候選技術包括以下幾種：

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高效實現。

2）DFT-s-OFDM with CP：這個與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：該方案包括了針對每個子載波的濾波方案（如OFDM-OQAM、GFDM），以及針對子載波組的濾波方案（UFMC），相較于傳統的多載波方案，該方案在有用信號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的評估將以OFDM with CP和DFT-s-OFDM with CP兩方案作為性能參考，以選擇出滿足5G不用應用場景的波形方案。表1是R1-165666中對目前RAN1提出的所有波形技術的分類。

（2）多址方案

LTE的上行和下行均采用了正交多址接入技術，可以確保在相同小區內接收機不會受到干擾。然而在理論上，通過部分/全部交疊的時/頻資源為不同的鏈路提供傳輸的非正交的接入，可以獲得更好的系統容量。因此NR的多址接入將不僅包含傳統的正交多址接入技術，還包括非正交多址接入技術。但考慮到非正交多址接入技術的增益通常需要復雜的接收機算法才能獲得，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，而下行是否會引入非正交多址技術需要進一步討論。

（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。經過激烈的討論，為了與LTE基帶/射頻處理更好地兼容，會議最終決定NR仍然采用與LTE相同的子載波間隔15 kHz為設計基準，子載波間隔可以是15 kHz的N倍（N=2n）倍，并且要求支持1 ms對齊。但也有公司提出，上述方案在支持100 MHz帶寬的時候，將會使得系統保護帶寬較大造成浪費（如表2所示），建議額外增加75 kHz的設計基準。因此在下次會議結束前，仍然需要對15 kHz的方案是否能靈活支持不同帶寬進行研究。

（4）幀結構

NR的幀結構希望可以同時支持TDD和FDD雙工方式，因此目前規定在一個TI（Time Interval，時間間隔）內，可以包含一個或者多個下行傳輸、上行傳輸以及保護間隔。此外，為了支持self-contained功能（即在相同時隙中發送對應的ACK/NACK，對比LTE需要在n+4個時隙傳輸ACK/NACK），NR的幀結構需要具有以下兩個能力：

1）在下行數據傳輸結束后很短時間內（微秒量級）進行ACK確認；

2）在上行數據傳輸結束后很短時間內（微秒量級）進行ACK確認。

（5）信道編碼

為了支持不同應用場景，NR的信道編碼候選方案包括了turbo codes、LDPC codes以及polar codes。與會各公司從解碼性能以及解碼復雜度等方面，針對不同碼塊長度的情況進行了對比。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，則需要進一步研究。

（6）調制方式

調制方式的選擇需要在接收機的復雜性和頻譜效率上做權衡。一些公司建議NR應該采用基于格雷碼編碼的比特交織編碼調制技術（base on Gray-encoded and Bit -Interleaved Coded Modulation）。并且為了達到峰值速率的要求，建議可能需要考慮到1024QAM。由于調整方式，尤其是建議使用的BICM的設計方案受信道糾錯編碼影響很大，需要在新的編碼方案有了初步結論后才可以進行設計及深入探討，所以當前這部分內容不是討論的重點內容。

（7）多天線技術

如表3所示，從LTE R8中的最大4天線發送，到NR中最大256天線發送，MM（Massive MIMO，大規模多輸入-多輸出技術）無疑是提升5G頻譜效率的重要手段之一，而MM系統的性能與CSI反饋精度以及負載等密切相關。

當前，NR WI確定MM的CSI反饋可以包括以下幾個方式：

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或經過壓縮的信道信息。

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方案的評估與選型還需要結合具體的波束形成（Beam Forming）方案進行，當前，NR WI確定后續的MM需要研究模擬波束形成，數字波束形成和混合波束形成三種方案（如圖1所示），然后進行綜合對比與評價。

2.3 3GPP標準路線圖

3GPP 5G路線圖如圖2所示，按照該路線圖，5G NR的部署計劃分兩個階段：

第一階段：計劃在2018年6月完成Release 15版本的規范制定，并于2020年完成前期的部署。按照第一階段的詳細計劃，在2018年6月完成的Release 15版本中，支持獨立的NR和非獨立的NR兩種工作模式，其中支持非獨立的NR模式意味著Release 15將基于LTE控制面協議進行兼容性升級，支持獨立NR模式意味著支持全新的控制面協議棧。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，計劃在2019年底完成Release 16版本的規范制定，并作為正式的5G標準提交到ITU-R IMT-2020，該版本的商用系統計劃于2021年完成部署。

3 結束語

5G技術的標準研究及產品研發有著實際的應用需求和廣泛的應用場景，三種典型的應用場景（eMBB、mMTC、URLLC）的需求重點各不相同，因此5G的無線接入技術面臨巨大的挑戰。為了應對這種挑戰，3GPP制定了合理的應對策略和技術標準化路線，既在現有4G技術基礎上進行平滑演進，保證技術的兼容性，又引入新的頻段和新的空口技術以應對滿足新的需求。在此基礎上，3GPP制訂了詳細可行的標準化路線圖，以保證進行充分的、有效的技術方案評估論證，以此奠定5G產品研發的堅實基礎。

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