5G部署場景和潛在技術研究

袁弋非+王欣暉+趙孝武

【摘 要】移動互聯網和物聯網技術的迅猛發展促使5G無線通信概念的形成和研究。對5G的典型業務類型和部署場景做了詳盡的介紹，突出5G系統不僅追求更高的峰值速率和頻譜效率，而且在可靠性和連接密度上有關鍵指標要求，體現需求的多樣性。對5G幾項重要的潛在技術進行了描述，對每一種典型場景分析了如何單獨或者組合運用這些潛在技術來提高傳輸效率，降低成本和增加連接數。

【關鍵詞】IMT-2020 超密集組網 大規模天線 非正交傳輸 高頻通信

1 引言

LTE版本10的標準于2011年完成，這標志著LTE-Advanced中所包含的基本功能已能滿足國際電信聯盟（ITU）對4G蜂窩系統的性能指標要求。在過去的40多年里，每10年左右蜂窩通信就會經歷一場大的技術變革。第一代是純模擬電子系統，采用頻分多址（FDMA），它發端于上世紀80年代初，結束于90年代初。第二代主要是時分多址（TDMA），以80年代末出現的GSM系統為代表，取得了很大成功。第三代蜂窩通信以碼分多址為標志，并且開始采用Turbo信道編碼，它的標準化始于90年代后期，2003年基本完成。根據這個周期，5G標準前期研究的時機已經成熟，ITU將5G命名為IMT-2020[1]，這意味著5G的標準化工作將于2020年左右完成。

5G將是一個全球的標準，這點與4G情形類似。世界上許多國家和地區都開始了對5G進行詳細規劃和推進。例如歐盟的METIS項目、中國的IMT-2020、韓國的5G Forum、日本的ADWICS。這些項目和計劃由眾多的電信運營商、系統設備廠家、終端廠商以及研究所和大學參與。

與前4代不同的是，5G的應用十分多樣化。峰值速率和平均小區頻譜效率不再是唯一的要求。除此之外，體驗速率、連接數、低延時、高可靠性、高能效都將成為系統設計的重要考量因素。應用場景也不止是廣域覆蓋，還包括密集熱點、機器間通信、車聯網、大型露天集會、地鐵等[2]。這也決定了5G中的技術是多元的，不會像前幾代的每一代都有唯一一個標志技術。

5G技術的多元化使得演進型和革命性技術共存，在演進型中也不大容易區分是pre-5G還是5G，本文用部署場景來把不同的潛在技術聯系起來。對于每一個部署場景，有一系列技術方案或方向有望達到關鍵性能指標。需要指出的是本文列舉的技術不一定很全，但應該反映了當今業界對5G的一些共識。

2 5G的應用和關鍵性能指標

2.1 5G的業務類型及特點

對于移動互聯網用戶，未來5G的目標是達到類似光纖速度的用戶體驗。而對于物聯網，5G系統應該支持多種應用，如交通、醫療、農業、金融、建筑、電網、環境保護等，特點都是海量接入。圖1是5G在移動互聯網和物聯網上的一些主要應用。

數據流業務的特點是高速率，延遲可以在50 ms～100 ms，交互業務的延時得在5 ms～10 ms。現實增強和在線游戲需要高清視頻和幾十毫秒的延時。到2020年，云存儲將會匯集30%的數字信息量，意味著云與終端的無線互聯網速率須在光纖級別。

在物聯網中，有關數據采集的服務包括低速率業務，例如讀表；還有高速率應用，如視頻監控。讀表業務的特點是海量連接、低成本終端、低功耗和小數據包。而視頻監控不僅要求高速率，其部署密度也會很高。控制類的服務有時延敏感和不敏感的。前者有車聯網，后者包括家居生活中的各種應用。

2.2 關鍵性能指標

關鍵性能指標的定義如表1所示。

除了表1中的KPI定義，5G需求中還包含三種效率：小區平均頻譜效率，單位是bit/s/Hz/小區，或是bit/s/Hz/km2；能效，單位是bit/J；成本效率，單位是成功傳輸每個比特所需成本。

5G的需求列舉了如下幾大應用場景：密集居住區、辦公室、商場、體育館、大型露天集會、地鐵系統、火車站、高速公路和高速鐵路。對于每一種應用場景，又有不同的業務類型組合，例如圖1業務的一種或幾種，在各個應用場景中的比例隨用戶比例而各異。經過一系列的測算，可以得出一些典型場景的關鍵性能指標，如表2所示。

3 部署場景與潛在技術

5G中比較重要也更好量化的性能指標有三個：

（1）室外100 Mbps和熱點地區

1 Gbps的用戶體驗速率；

（2）相比4G要有10～100倍的連接數和連接密度的提升；

（3）空口時延在1 ms以內，端到端時延在毫秒級。具體如圖2所示。

第二節中的場景主要是從業務需求角度而言。而本節是從部署角度分出四大典型部署場景，能夠與技術更緊密地掛鉤。這四個場景分別是：宏覆蓋增強場景、超密集部署場景、物聯網場景和低時延/高可靠場景。

（1）宏覆蓋增強場景

這個場景所用的頻段多半是低頻，宏小區的覆蓋半徑可達數公里。100 Mbps用戶體驗速率的性能指標較具有挑戰性。在這個場景中，不同用戶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，即使是人與人之間的通信用戶數也十分大。因此比較適合的技術包括：大規模天線、非正交傳輸[3]以及新型調制編碼[4]。這些技術一般情況下可以較好地共存，即復合起來用，總的增益近似等于各個技術所帶來增益的疊加。

（2）超密集部署

如上一節所述，5G的應用場景許多是與密集部署相關的，如辦公室、密集城市公寓、商場、露天集會、體育場館。這種部署下的用戶體驗速率要求是1 Gbps。很明顯，用戶的密度在典型面積下相當高，可以是室外或室內。小區的拓撲形狀呈現高度的異構性和多樣性，有宏小區、微小區（Micro cell）、毫微小區（Pico cell）、微微小區（Femto cell）[5]。它們的發射功率、天線增益、天線高度也大相徑庭。適合的潛在技術有高級的干擾協調管理、虛擬小區、無線回傳[6]、新型調制編碼、增強的自組織網絡等。對于室內部署，還可采用高頻通信來增強用戶體驗，降低小區間干擾。高頻的短波長性質使得大規模天線陣列更容易部署。

（3）機器間通信場景

這個場景的最大挑戰是支持海量的終端數。這也意味著每一個機器終端的成本要遠低于一般的手機終端。功耗方面也得足夠低，以保證電池幾年不耗盡。覆蓋還應該十分魯棒，能夠達到地下室。潛在的技術包括窄帶傳輸、控制信令優化、非正交傳輸。窄帶傳輸能有效降低設備費用并提高覆蓋。控制信令優化可顯著降低控制信道的開銷。非正交傳輸支持多個終端同時同頻共享無線資源，其接入過程可以是競爭式的，從而有效降低控制信令開銷。

（4）低時延和高可靠場景

低時延和高可靠是幾種應用共同的要求。例如在某些制造工業中的機器間通信，毫秒級的延時會嚴重影響產品質量。在智能交通系統，毫秒級延時和近乎為0的檢測率是硬性要求，否則無法避免交通事故。此種場景的潛在技術有物理幀的新設計、高級的鏈路自適應。終端直通技術也可降低端到端的時延。

4 潛在技術

圖2列舉了一些5G可能的技術。這一節將對4種重點技術展開討論。這4種技術分別是：大規模天線、超密集組網技術、非正交傳輸和高頻通信。

4.1 大規模天線

多天線技術一直是標準化中十分重要而又經典的議題。在4G時代，OFDM的采用大大地促使了多天線的應用，原因就是OFDM的MIMO接收器要比3G的CDMA簡單魯棒得多。貝爾實驗室Marzetta博士的開創性論文[7]給人們展現了多天線系統的真正潛能，其潛能來自于基站部署大量的天線，而無需終端側具有多個天線。從理論上講，當基站天線增加至無窮，系統容量僅受限于參考信號的污染。

盡管大規模天線的初始概念并未明確指明天線形態是一維還是二維，天線實現工藝的迅猛發展現在能夠支持有源天線單元。通過靈活的天線單元組合和預編碼，可以實現垂直方向上的動態波束賦形，如圖3所示。這種賦形通常被稱為3D MIMO，它能在用戶處于城市樓群的立體分布情形下有效地增強覆蓋和提高系統的吞吐量。因此，從這個角度來看，3D MIMO有很強的關聯度，都需要在基站側部署大量的天線單元和天線端口。

圖4是一個初步的下行大規模天線系統的仿真結果。仿真中一共有19個宏站，57個扇區的同構網拓撲，站間距為200 m。信道估計和反饋假設為理想。可以觀察到當天線數目增大至64時，頻譜效率較8天線的有3倍左右的增益。

大規模天線系統設計的挑戰性有以下幾點：

（1）當天線數增多時，更多的資源需要用于參考信號，以便對每個單獨的信道進行估計。需要在參考信號開銷與系統性能之間做到良好的折中。

（2）大規模天線意味著需要大量的比特數用于準確描述空間信道狀態信息（CSI），從而有效地進行預編碼和資源調度。這對于無法利用信道互易性的FDD系統尤為重要。對于TDD系統，需要天線校準和上行參考信號的優化。

（3）除非是在高頻段，大量的天線數給實際部署帶來很大的限制，在不少地區和城市有嚴格的建筑管理法規，這使部署多天線的難度增加。有些情況下因為建筑物外形還可能部署非規則形狀的天線陣列，這無論是從陰影衰落模型和工程實踐角度都存在許多新的問題要解決。

（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，如何設計高集成度的高頻天線陣列是當今技術的難點之一。

4.2 超密集組網的潛在技術

同構拓撲形狀組網是第一代到第三代蜂窩通信的基本方式。到了4G，尤其是LTE-Advanced，出現了異構拓撲，即宏站與低功率節點諸如Pico、Femto或者中繼站混合組網來提高系統容量，如圖5所示。容量的提升主要來自小區分裂，即低功率節點將宏站的業務進行分流，可以同頻。當低功率節點的密度不高時，節點間的干擾也不嚴重。一些干擾抑制的方法已在LTE的版本10和版本11中得到了標準化。

5G時代的密集部署不僅密度更高，而且更有多樣性。除了4G時用的19個宏站配上若干個小站，場景具體化到了城市公寓、辦公室、商場等，更貼近實際部署。3D的信道和用戶部署將會更廣泛地采用。

隨著低功率節點密度的增高，每個節點的覆蓋變得更小，相互間的干擾也愈加明顯[8]。有如下的幾個解決思路可供參考：

（1）增強的功率控制和自適應，多小區的幾乎空白子幀不僅用于數據，還用于控制信道；

（2）增強的干擾測量；

（3）增強的協作調度，時域、頻域、空域以及功率域的聯合協作；

（4）基于干擾對齊的干擾協調；

（5）無線回傳。

4.3 非正交傳輸

4G OFDM系統的一大優勢是接收端的簡單實現，這都得歸功于正交的無線資源使用。但是從和速率的角度來看，正交系統通常無法達到和容量上界，如圖6所示。正交系統的非最優特性在用戶的信噪比存在巨大差異時表現得尤為顯著。

最簡單的非正交傳輸就是多個用戶調制符號的直接線性疊加。這種功率域的疊加對當前標準的影響較小，而且許多方面屬于實現類技術，尤其是上行。功率域疊加的傳輸需要有比特級的干擾消除，接收器復雜度較高，對于終端的實現要求很高。

更先進的非正交傳輸還可以利用碼本的結構優化來降低對接收器復雜度的要求，使得系統更魯棒。例如：

（1）基于擴頻碼：序列具有較低的相關性，提高接收端的遞進干擾消除（SIC）的魯棒性，適用于上行免調度場景；

（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雜度，適用于上行免調度場景；

（3）基于比特分割[9]：碼的疊加在比特級別，可以降低下行接收算法的復雜度。

4.4 高頻通信

傳統蜂窩通信的頻段在400 MHz至3 GHz。考慮到這些頻段的使用已經飽和，而且5G的容量和用戶速率要求如此之高，6 GHz以上的頻段很有可能廣泛用于蜂窩通信，盡管目前大家對高頻是否支持廣域覆蓋還有不同看法。對于高頻，以下兩點問題需要首先研究：

（1）高頻信道的傳播模型[10]。與低頻相比，高頻傳播的機制和散射體的電磁效應可能有很大差別。盡管對于點到點的微波通信已經有不少測量和信道模型，但它們多是考慮視距場景，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在需要橫跨6 GHz一直到100 GHz，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。對于傳統的點到點通信，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。由于信號失真嚴重、射頻噪聲顯著，有可能只用低階的調制方式，這對高頻系統性能會有很大影響。

高頻方面，一些技術方向有望提高系統性能，彌補高頻傳輸的某些先天不足。

（1）新的幀結構設計。高頻信道與低頻信道的特性有很大差異，系統帶寬也會有數量級的增高，載波方式也可能不只是多載波，其它的例如單載波也有其用武之地。

（2）高頻的短波長可以大大縮小天線陣列的尺寸，使大規模天線部署更有可能。高頻傳輸的視距分量會占更高比例，基于多天線的波束跟蹤技術將會有廣闊的應用前景。

（3）新的網絡拓撲。高頻通信一般適用于近距離傳輸，而且很容易被物體阻擋。這種“隔離”的特性為新的網絡拓撲提供了可能性，尤其是在超密集部署。

5 結束語

本文首先描述了5G的各類業務需求和應用場景，包括移動互聯網和物聯網的多種應用。接著對四大典型部署場景：廣域覆蓋、超密度部署、物聯網和低時延高可靠的關鍵性能指標和潛在的技術進行了分析，突出了用戶體驗速率、連接數密度以及時延的指標要求。然后分別論述了四大潛在技術：大規模天線、超密集組網、非正交傳輸和高頻通信。

參考文獻：

[1] ITU. IMT for 2020 and beyond[EB/OL]. [2016-07-10] http：//www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/rsg5/rwp5d/imt-2020.

[2] Y Yuan， L Zhu. Application scenarios and enabling technologies of 5G[J]. China Communications， 2014（11）： 69-79.

[3] Y Yuan， Z Yuan， G Yu， et al. Non-orthogonal transmission technology in LTE evolution[J]. IEEE Communications Magazine， 2016（7）： 68-74.

[4] 3GPP R1-162230. Discussion on channel coding for new radio interface[S]. 2016.

[5] 袁弋非. LTE/LTE-Advanced關鍵技術與系統性能[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2013.

[6] Y Yuan. LTE-Advanced relay technology and standardization[Z]. 2012.

[7] T L Marzetta. Noncooperative cellular wireless with unlimited number of base station antennas[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2010（11）： 3590-3600.

[8] N Bhushan， J Li， D Malladi， et al. Network densification： the dominant theme for wireless evolution in 5G[J]. IEEE Communications Magazine， 2014（2）： 82-89.

[9] H Jin， K Peng， J Song. Bit division multiplexing for broadcasting[J]. IEEE Transactions on Broadcasting， 2013（3）： 539-547.

[10] 3GPP TR 38.900. Study on channel model for frequency spectrum above 6 GHz[S]. 2016.