5G系统关键技术详解

[加]文森特·黄（Vincent W. S. Wong）
[加]罗伯特·施韦尔（Robert Schober）
[澳]德里克·吴（Derrick Wing Kwan Ng）
王蒞君（Li-Chun Wang） 著
张鸿涛 译

第 1 章 5G 系统新技术的概况

1.1 引 言

近年来，不同国家的无线服务提供商已经部署了第三代合作伙伴计划（3GPP，the Third Generation Partnership Project）的长期演进技术（LTE，Long Term Evolution）和长 期演进技术升级版系统（LTE-A，LTE-Advanced）。尽管这些网络提供了前所未有的数据 速率和服务质量（QoS，Quality of service），但是仍然无法满足用户需求。例如，智能手 机和平板电脑的激增导致了移动数据流量的显著持续增长。事实上，仅在 2015 年，全球 移动数据流量增长了 74%，从 2.1 亿字节增长到了 3.7 亿字节[1]。此外，在未来物联网（IoT， Internet of Things）应用和机器间通信（M2M，Machine-to-Machine）中，现有网络并不适 应超大数量的需要无线连接到网络中的设备和应用。此外，要使网络的增长和连接设备的 数量经济、生态可持续发展，能源效率必须大幅度提高。另外，新出现的应用如医疗保健 中的远程手术、自动驾驶和工业机器人的无线控制等需要小于毫秒范围的超低延迟和超高 可靠性，带来了触感互联网的概念。为了支持现有移动流量的指数增长和新的无线应用和 服务的出现，全球各地的研究人员和标准化机构已经着手开发第五代无线网络（5G，Fifth Generation of Wireless Networks）[2~6]。下一代无线网络的一些严格要求见表 1.1[7]。
为了应对这些挑战，当前网络仅有的解决方案是不够的。也就是说，无线接入网络 和移动中心网络的一个技术革新是必要的（见图 1.1）。在无线接入网络中，基本的、新 的物理层技术，如多入多出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）、非正交多址接入（NOMA，Non-Orthogonal Multiple Access）、全双工（FD，Full-Duplex）通信、毫米波通 信、端到端通信（D2D，Device-to-Device Communication）、可视光通信（VLC，Visible Light Communication）等将被应用。此外，利用云计算，云无线电接入网（C-RAN，the Cloud Radio Access Network）已经成为一种有前景且具有成本效益的移动网络架构，以提高 5G 网络的频谱和能源效率。另外，通过使用包括 LTE 和 Wi-Fi 在内的不同接入技术来保证 无缝覆盖，并支持高数据速率传输和数据卸载。


在本章中，我们概述了一些预期将并入 5G 系统的令人兴奋的新技术。随后的章节将 详细介绍这些新技术。

1.2 云无线接入网络

由参考文献[8]可知高峰流量需求可能高于非高峰流量需求 10 倍。然而，由于基站的 网络资源需要满足峰值业务的需求，所以许多基站在非高峰时段内轻载，甚至处于空闲 状态，这导致部署的小区站点的利用率较低。另外，由于电路功耗是基站总功耗的重要 部分，轻负载基站的能量效率可能很低。C-RAN 近被确定为 5G 网络架构的主要备选 方案。在 C-RAN 中，基带信号处理和无线功能被解耦。通常，C-RAN 由放置在基于云 的数据中心的基带处理单元（BBU，Baseband Unit）组和大量低成本的部署在小区中的 射频拉远头（RRH，Remote Radio Heads）组成。BBU 和 RRH 通过移动前传链路连接， BBU 执行集中式信号处理和干扰管理功能，而 RRH 仅保留无线传输功能，通过无线信 道与用户进行通信。
C-RAN 架构有几个优点。第一，C-RAN 可以适应空间和时间上的流量波动，通过利 用统计复用增益来提供点播业务[9]。这样可以减少支持峰值流量需求所需的 BBU 数量， 并可以关闭空闲状态的 RRH 以降低功耗，从而降低网络资本支出（CAPEX，Capital Expenditure）和运营支出（OPEX，Operating Expenditure）。第二，C-RAN 有助于实现协 作发送/接收策略，例如，增强的小区间干扰协调（eICIC，enhanced Intercell Interference Coordination）和协作多点传输（CoMP，Coordinated Multipoint）[10]。利用这些合作策略， 多个 RRH 之间的有效干扰管理可以显著提高频谱效率。第三，C-RAN 简化了网络的升级 和维护。具体来说，通用处理器或云服务器上的基带信号处理的虚拟化简化了网络升级。
虽然 C-RAN 具有上述优点，但也提出了新的研究挑战。第一，实际上前向链路具有 有限的容量，这会显著降低 C-RAN 实现的性能增益[11]。第二，为了促进集中式信号处理 和协同传输策略，BBU 需要大量准确的信道状态信息（CSI，Channel State Information）[12]。 另外，用户移动性导致信道时变，增加了 CSI 的更新频率。而且，由于训练资源有限和 前向链路引入的传输延迟，BBU 收到的 CSI 可能不准确，可能会降低执行有效干扰管理 的能力。C-RAN 架构将在第 2 章中进行详细讨论。第 3 章将介绍一种在前传容量受限时 确定 C-RAN 可实现速率的信息理论方法。

1.3 云计算和雾计算

无处不在的计算服务对于处理和存储在物联网系统中生成的大量数据至关重要。物 联网对象的有限处理能力并不总是能够满足物联网应用所需的计算能力。在这种情况下， 云计算可以提供必要的存储和处理能力。云服务器可以从不同的 IoT 设备收集数据、存 储数据，并运行软件应用程序来处理和分析数据。ThingWorx、OpenIoT、Google Cloud 和 Amazon Web Services（AWS）IoT 等云平台为 IoT 应用开发商和服务提供商提供计算 服务。后，IoT 服务提供商基于从 IoT 对象收集的信息向 IoT 终端用户提供服务。
对于具有严格延迟要求的延迟敏感 IoT 应用，常规云服务可能不合适。雾计算[13~15] 也称为移动边缘计算，将云计算扩展到网络的边缘。具有处理和存储功能的 IoT 设备（雾 节点）被部署在系统中，并代表其他设备运行应用程序。由于雾节点位置靠近，计算服 务的延迟性能将会得到提高。另外，作为网络边缘设备（例如路由器和智能网关）并具 有计算和存储能力的雾聚合节点可以为具有更宽松等待时间要求的任务提供进一步的计 算服务。图 1.2 说明了在物联网系统中雾计算和云计算可以共存。事实上，雾计算并不能 代替云计算。这两种计算范式相辅相成，共同提供物联网所需的计算服务，提高了物联 网应用的可扩展性。移动边缘计算和雾计算将在第 4 章中详细讨论。

1.4 非正交多址接入

无线通信系统必须同时向同一区域（例如同一小区）的用户提供服务。为了协调和 保证多个用户的服务，需要采用一些多址技术。前四代蜂窝系统依赖于正交多址接入 （OMA，Orthogonal Multiple Access）。特别地，第一代（1G）系统采用频分多址（FDMA， Frequency Division Multiple Access）。实现全球移动通信系统（GSM，Global System for Mobile Communications）的第二代（2G）系统主要使用时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）。实现通用移动通信系统（UMTS，Universal Mobile Telecommunications System）的第三代（3G）系统依赖于码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）。 实现 LTE 的第四代（4G）系统采用正交频分多址接入（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access） 。OMA 的主要优点是在理想条件下避免了干扰，从而大大简化 了系统和协议设计，包括检测、信道估计和资源分配。然而，在消极方面，OMA 系统中 可以支持的用户数量受到可用正交维数的限制，实际上，由于（例如在 TDMA 和 CDMA 中）信道的频率选择性和（在 FDMA 和 OFDMA 中）相位噪声和频率偏移的影响，正交 性经常损失。此外，从信息理论的角度来看，OMA 不是优的[16]。

OMA 的缺点可以通过 NOMA 技术来克服[17~21]。在 NOMA 中，可以在相同的资源 上（例如，在相同的时间、频率和空间维度上）调度多个用户。在接收机处经过连续干 扰消除（SIC，Successive Interference Cancellation）能减少和消除由于非正交传输引入的 一定量的中间干扰。由于其更有效地利用了资源，学术界和行业都将 NOMA 视为 5G 系 统的关键技术之一[17, 19]。虽然有几种不同形式的 NOMA，但迄今为止受关注的两种方 案是功率域 NOMA[18]和稀疏码分多址接入（SCMA，Sparse Code Multiple Access）[17, 22]。
在功率域 NOMA 中，多个用户在同一时间多路复用，在接收机处利用频率资源和功 率差通过 SIC 分离用户信号[20]。功率域 NOMA 与 OMA 相比，在可实现的数据速率、覆 盖范围和可靠性方面的优势在参考文献[21]中已经得到证实。此外，还研究了功率域 NOMA 与其他 5G 备选技术例如（大规模）MIMO[23, 24]和 FD 传输的组合。虽然主要是 5G 的备选，但是功率域 NOMA 也被考虑用于下行链路 LTE 传输在 3GPP 中的标准化[19]。
SCMA 通过重载多用户系统来实现非正交接入。因此，在发射机处，将用户的编码比特 映射到复杂码字，并使用稀疏扩展覆盖不同用户的码字。在接收机处，采用联合多用户检测 和使用信息传递算法的信道解码技术，其中，扩展码的稀疏性限制了计算复杂度[22]。由于 超载，SCMA 可以容纳比 OFDMA 更多的用户，并实现更高的吞吐量和连接性。
NOMA 目前是一个活跃的研究领域，许多挑战尚未得到完全解决，例如，NOMA 的 基本理论信息限制、信道编码和调制设计；NOMA 和其他 5G 技术的集成，包括（大规 模）MIMO 和全双工；NOMA 的安全配置，资源分配和硬件供应。在第 6 章中将详细介 绍 NOMA。
1.5 灵活的物理层设计