4G和5G的區別究竟在哪兒?北郵博士為你詳細講解

5G/通信
CSDN
崔原豪
2019-06-24 · 17:31
[ 億歐導讀 ] 本文從需求、技術角度聊聊5G的愿景、技術,簡單談談作者對這些技術的理解。
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現在,普通用戶對5G充滿希望,許多人認為它將是一場變革——改進的用戶體驗、新的應用、新的商業模式和新的服務將伴隨著千兆比速率、低延遲、大容量、低能耗更加先進的網絡性能和可靠性應運而生。 

然而,運營商和一些通信行業人士卻對商業案例持懷疑態度——5G技術尚不成熟、部署5G需要大量投資,警告聲不絕于耳。ITU發布的報告中曾估計,在假設光纖回程在商業上可行的情況下,5G部署成本可從小城市的680萬美元到人口密集大城市的5550萬美元不等;而單站的部署成本大約在20000美元到50000美元之間(注:這里提到的成本是投資成本CAPEX,不包含長期運維成本)。 

國際電信聯盟(ITU)在2015年9月發布M.2083-0號建議時(面向2020年及之后的國際移動通信結構和目標),時任電信發展局主任的布哈伊馬?薩努就已經意識到他們正在揭開一場波瀾壯闊卻又爭議叢生的通信行業新篇章。 

不過他或許沒有想到的是,在4年后的今天,5G會成為人工智能以后又一個熱點,引來全民討論和追逐,引來大國戰略博弈,甚至因此催化了5G商用步伐。 

有人歡喜,有人憂慮,有人覺得充滿前景,有人認為會徹底失敗,眾說紛紜。每個人都有自己的堅持,本文將從需求、技術角度聊聊5G的愿景、技術,簡單談談作者對這些技術的理解。

移動通信系統演進

自從人類社會誕生以來,如何高效、快捷、可靠地傳輸信息始終是人類矢志不渝的追求。從文字到印刷術,從歐洲古老的光信號塔到現代無線電,從手工轉接電話到寬帶移動互聯網,可以這么認為,現代科技發展速度一直被信息傳播速度所直接影響。從這個角度來看,現在商用移動通信網絡或許能被稱作全球信息傳播系統中的最重要組成部分。 

它的影響潛移默化,時至今日雖然很多人都因為信息爆炸而憧憬車馬郵件都慢的古銅色歷史,但如果真的沒有網絡,沒有信號,我想大部分人的工作和生活都會無法正常進行。 

與此同時,有一種觀點這么認為,移動通信系統現象級的成功主要來自于極為快速的技術創新和迭代。從20世紀70年代初貝爾實驗室研制出第一代移動通信系統(先進移動電話系統,AMPS)到21世紀初的第四代移動通信系統,移動通信系統已經完成了從模擬通信到數字通信、從純電路交換到全IP交換、從CDMA到OFDM的數次技術更新,每一次更新都帶來了更快的速度、更低的延遲和更多的特性,也帶來了更好的用戶體驗。 

實際上,為了統一全球通信標準以方便用戶國際漫游等需求,自從3G以來,ITU一直致力于從各地區的工作小組和工作論壇中搜集整理未來通信行業需要解決的問題,并每十年左右發布一次官方建議文件,作為此代通信系統的設計目標,并從全世界收集符合該目標的技術標準,這些標準通常由類似3GPP或者IEEE的組織制定提交,由ITU驗證評估。 

可以認為這些快速迭代的建議目標是符合當下未來十年的通信需求的。當然,因為商業和政策問題,當存在競爭標準時,符合這些目標的標準集合不一定會完全成功,兩個非常典型的例子就是TD-SCDMA和WiMax。

為什么ITU需要發布IMT-2020(5G)建議?

一些數據可能能夠說明問題:

截止2016年底,LTE系統已經覆蓋了21.7億人,包含世界上大部分國家地區 ,連接數幾乎以每年翻倍的勢頭增長,2015年LTE的連接數達到十億,預計到2021年可能達到43億。如果想要用LTE系統同時服務物聯網設備,那么2022年左右總連接數可能達到180億,這已經完全超過了當前LTE系統的負載能力。 

當然,一種比較簡單粗暴的想法是直接增加基站,但是這樣做又會帶來很多新問題:在4G(IMT-Advance)的設計目標里,并沒有考慮能耗和二氧化碳排放量等等問題;雖然3GPP提出的LTE系統有考慮物聯網設備,但是物聯網本身的關鍵性能也沒有在4G的設計目標占據一席之地;更加嚴重的問題是,因為4G中技術選型、調制方式設置和單載波頻帶寬度等等問題,4G網絡已經達到它設計之初的理論速度上限[2],與之類似的還有頻譜利用率,移動性,服務質量等等指標。 

當房子里的住戶每次走進房門都需要考慮是不是撞到頭的時候,或許就是考慮換個門的時候了。 

因此,ITU在2015年提出了新的IMT-2020目標,5G拉開了序幕。

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IMT-2020是第五代移動通信系統的需要滿足的目標。單純就IMT-2020來說,其增強型移動寬帶的峰值數據速率需要達到10Gbit/s,在某些場景下需要支持20Gbit/s的峰值數據速率;用戶有望體驗到的帶寬達100Mbit/s;整個網絡的能耗應當比現存的IMT-advanced系統低100倍;無線往返延遲<1ms;支持500km/h的高移動性服務等等;同時劃分了三個重要場景增強型移動寬帶(eMBB),海量機器通信(mMTC)和超可靠低延遲通信(URLLC)。 

當IMT-2020建議發布之后,ITU就當了甩手甲方,坐等驗收了。那么如何組織各項無線通信技術來構成一個系統來滿足5G目標,怎么設計這個通信系統就甩給了3GPP和IEEE等標準化組織。

5G中為了使網絡虛擬化,在接入網采用了C-RAN技術,它將基站控制單元放置在基帶池中,那么基帶池就成為了一個天然的小型數據中心。這樣的小型數據中心有能力為基站池所服務的范圍內用戶提供一些計算/儲存等緩存,如果部署在基站附近,或者就是某些基站本身,這種方式我們成為邊緣計算。

怎么才能設計一個通信系統達到5G預想的目標?

4G本身是比較成功的,它已經建立了一個技術底線,那么怎么從浩如煙海的通信理論中找到可用的技術方案,據此提出標準提案,并讓所有這些標準組合起來的整個系統性能可以達到ITU目標呢?更重要的是,要同時實現公司利益最大化?這或許是15年8月以來讓加入3GPP的各大公司最頭疼的事兒了。 

不同公司有不同的選擇:有實力的通信公司會選擇自己預研先進的通信技術,預先布局,然后根據自己的技術積累做出提案,而沒有實力做太多預研的公司,或許需要考慮自己的利益最大化來選擇提案支持。 

不過總體來說,有那么幾種新技術是大家都看好的,就是很多文章都有提到的: 

毫米波(mmWave),大規模天線(massive MIMO),網絡虛擬化(NFV)/切片,改進的OFDM調制方式,Polar碼,邊緣計算,C-RAN。 

同時,優化4G系統也衍生出了很多新的設計方案,所以從目前(Rel 15)來看,整個5G的調整是這樣的(如下表): 

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注:邊緣計算、C-RAN目前并未在Release 15中定義。

我想如果詳細解釋這些技術和調整,需要從頭講起。

5G的新無線技術(基站部分)

無線通信的最重要的任務之一是獲得更快的傳輸速度。對于此,我們有一個非常簡單的衡量指標:任何通信系統的信道容量(最大數據傳輸速度)總是可以通過香農公式和信道容量來描述。

那么很自然的,我們始終可以通過提高無線電的頻帶寬度和信噪比兩種指標來獲得更快的傳輸速度。為此,移動通信系統的單載波帶寬從2G時代的200kHz,發展到3G時代的5MHz,4G時代的20MHz(可變),直到現在3GPP 5G Release15中支持最大單載波帶寬400MHz(可變)。 

注:當前eMBB場景中sub 6G基站(就是目前正在商用的非毫米波基站)推薦使用的是100MHz單載波帶寬。 

而實際上,運營商從無線電管理部門的頻譜寬度不可能剛好是20MHz(4G)或者100MHz(5G)這樣的單載波帶寬。比如移動在4G時代就曾獲得1880 -1900 MHz(Bands:39)、2320-2370 MHz(Bands:40)、2575-2635 MHz(Bands:41),它們的頻帶寬度分別是20MHz,50MHz,60MHz。 

這樣的現實情況結果是運營商可以選擇在自己的頻帶上同時傳輸多個載波。這些載波可以服務不同的用戶來提高小區容量,也可以同時服務一個用戶來提高單用戶峰值速率。 

當n個單載波服務一個用戶時,用戶能獲得的頻帶寬度就是單載波帶寬的n次倍,這樣用戶體驗到的速度也能提高n次倍。這就是另外一種通過提高帶寬,提高用戶速率的手段載波聚合。 

所以在4G后期,出現了很多通過支持三載波聚合獲得高達600Mbps傳輸速度的LTE-A基站和手機終端。在5G中,載波聚合會因為可變幀參數得到更廣泛的應用,比如可以將用于毫米波的400 MHz (@120 kHz)載波與用于sub 6G的100 MHz (@ 30 kHz)載波聚合,獲得更快傳輸速度。

毫米波

正如我們之前所說,一種提高數據傳輸速率的方式是增大頻帶寬度,但是現實中會面臨一些囧境:現有的商用無線電頻段(300MHz-3GHz)因為穿透性好,覆蓋范圍大而太過于擁擠,這部分頻段經很難找到閑置的頻譜用來通信。 

所以現有的方式就是往3GHz以上尋找可用頻段,而3GHz以上可用的頻譜之一就是毫米波頻段了。從長遠來看,拋棄我們毫米波頻譜中兩個特殊的部分:氧氣吸收和水蒸氣吸收頻譜,剩余部分帶寬(252GHz)也遠遠大于現存的1-4G商用頻譜之和(3GHz),足以滿足未來帶寬的需求。 

固然毫米波頻段有大量頻譜可供使用,但是依然遇到了一些基礎性問題:電信號在傳播的過程中會遭遇非常嚴重的路衰和雨衰,因此毫米波一般只能用于視距通信,無法承受遮擋,而且在多障礙物的室內會引發嚴重的多徑效應。 

注:多徑效應的后果是接收機難以分清信號主徑,在這種情況下,不同路徑的信號會因為到達時間不同,產生相互干擾,降低接收機信噪比。 

同時,毫米波頻段因為接近氧氣和水蒸氣吸收頻段,人體會對毫米波頻段信號傳播產生很大衰減。這種情況下當手機內部天線放置不當時,即使手握手機也會顯著影響信號質量,這對手機廠商的毫米波天線設計方案也帶來了挑戰。此外,毫米波芯片功耗比較大,射頻和天線部分都有較明顯的設計難題,目前國內的部署方案主要采用sub6G頻段完成5G覆蓋,毫米波覆蓋主要在美國等國家進行。 

雖然毫米波頻譜利用有很大挑戰,但是目前毫米波頻譜需要被用于5G通信已經成為業界共識。主要原因是如果想要完成5G通信中高速數據傳輸目標,毫米波頻段的使用是重中之重。因此業界一直在積極探索可能性和現實性。 

早在2016年初,3GPP、美國聯邦通信委員會(FCC)、歐盟委員會無線頻譜政策組(RSPG)、中國工信部和韓國、日本、澳大利亞、加拿大、新加坡等國均開展了針對毫米波頻段的規劃及測量研究。在目前公布的3GPP R15中,由3GPP RAN4工作組分配及定義了52.6GHz以下頻譜,而100GHz以下的頻譜將在今年年底的R16中分配完成。

不過,目前針對毫米波頻段的使用還存在另一大爭議,24GHz附近的n258頻段可能會對射電天文和天氣預測等設備產生一定干擾,可能會影響到衛星通信、太空探測和氣象預測等業務。根據ITU在2018年底TG 5/1工作組的無線電兼容共存報告,對于射電天文業務,23.4GHz-24GHz頻譜應設立34-52公里的保護間隔,可以限制干擾。

但是即使如此,n258頻譜的分配也因此在美國遭到了商務部和美國航空航天局(NASA)的強烈反對。

大規模MIMO

為了提高空域增益,信號發射端(例如基站)可以部署多天線系統,并讓每個天線獨立發射信號,同時在接收端用多個天線接收并恢復信息,這種多天線使用方式我們稱之為MIMO(Multiple Input Multiple Output)。   

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MIMO可以非常有效的提升數據傳輸速度,理想情況下,對于上下行天線數目相同的MIMO設計(例如有M個收發天線),那么信道容量/最大數據傳輸速度可以提升M倍。

同時,MIMO也可以通過波束設計完成發射能量聚焦,從而提升接受信號能量,提升信噪比和基站覆蓋范圍。不過通常情況下這種方式所提升的覆蓋范圍會受到較為嚴重的障礙物衰減。    

這種多天線設計需要對每個天線都賦予權重,才能因此提高空間復用增益。因此傳統的大量無源天線需要轉變為5G時代的有源天線,這會導致成本提升和能耗增加。 

4G到5G的一個非常大的調整是采取了massive MIMO作為基站多天線解決方案。簡單來說,Massive MIMO和MIMO這兩者的區別就是字面意思,天線陣子的數目是不是足夠大。 

天線數目越大,就越有能力提供更多的信道自由度增益,這些增益可以用做空間分集,提高信號傳輸的可靠性,也可以用做空間復用,提高數據傳輸速度。同時,當天線數據大到一定程度時,天線的權重設計(預編碼矩陣)的算法復雜度可以通過一些簡單的線性算法得到很有效的解。 

注:理論上來說,MIMO的天線數目多少會直接影響到可以發送或者接受的獨立信息流數目(通常等于預編碼矩陣秩),因此當我們描述MIMO系統時,通常會說到基站發射天線數量以及用戶設備接受天線數量,比如4x4 MIMO代表在基站采用4個發射天線,手機采用4個發射天線,它會產生2個獨立信息流(預編碼矩陣秩為2)。 

由于手機內部容量受限,對于sub 6G頻段的終端天線數目增加難度很大,目前手機中sub 6G天線數目最多的是4個,而隨著基站數目并不受限,它始終在不斷提升。因此針對基站的MIMO系統存在另外一種表述方式:只描述發射天線數目,比如目前所說的MIMO 32TR是指基站擁有32個發射(Tx)信道和32個接收(Rx)信道。通常我們認為5G中用于 sub 6G 的massive MIMO應當大于16TR,目前主流有16TR、32TR和64TR幾種配置。 

同時,在目前5G所采用的兩種頻段(sub 6G和毫米波)中,massive MIMO的使用方式和目的都有所不同。在sub 6G宏基站中,massive MIMO主要目的是盡量提供更多的復用增益,也就是盡量提供更多的獨立數據流給各個用戶,我們通常稱這種工作場景為多用戶MIMO(MU-MIMO);而毫米波基站中,massive MIMO的主要目的是提高基站覆蓋范圍,彌補路徑損耗,提高單個用戶的信噪比和空間增益,我們通常稱這種工作場景為單用戶MIMO(SU-MIMO)。這兩種目的決定了波束賦形和預編碼的算法設計和硬件設計都略有不同。         

對于設備商來說,Massive MIMO基站的設計也遇到了成本問題:當天線陣子數目增加之后,單個基站的射頻信號處理鏈路(RF chain)數目也會隨之增加,這會導致單個基站的成本大幅度攀升。特別是毫米波基站覆蓋范圍小,這種現象會更為嚴重。目前普遍的做法是采用模擬-數字混合鏈路設計方案來代替原本的純數字鏈路設計,以達到降低成本的目的。

波束管理和初始接入

Massive MIMO 可以非常有效的提高用戶數據傳輸速率和基站覆蓋范圍,也能提升單個基站的用戶容量。

然而多天線所形成的波束經過設計(波束賦形)之后雖然能量會上升,同時覆蓋范圍會上升,但是單個波束的照射區域大小卻會下降。它們之間的對比就像電燈泡和手電筒。

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這種情況下,用戶可能僅僅數米就能走出波束的照射范圍;更重要的問題是,低照射范圍會面帶來用戶接入問題。 

注:在sub 6G基站中,因為同小區內可能會存在多個波束用來服務不同用戶;當2個或者2個以上波束照射區域重疊時,同頻用戶會發生波束間干擾;甚至當用戶接入此基站時,也需要鑒別自己接入的是波束序號,以確定自己的資源分配方案。 

因此,如何正確管理和切換Massive MIMO小區中波束,是另外一大4G和5G的不同。因為這個問題與傳統的4G小區切換和初始接入相同,所以有人稱5G中massive MIMO會導致傳統小區分裂為多個扇狀小區。 

波束管理的目的是為了中確認并維持一個或多個用戶-基站間的可用波束,它需要確定適合當前用戶的最佳波束、測量用戶與基站之間的信道狀態、調整massive MIMO中的波束成型算法以跟蹤用戶。當用戶存在另外的最佳波束時,對用戶做出波束切換。 

而當用戶接入時,初始接入就是波束管理的第一步。 

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當一個用戶在另一個sub6G基站范圍內出現時(不考慮小區切換),會啟動初始接入階段。這個階段大致分為三步,波束掃描同步信號和小區信息、用戶發起隨機接入請求并微調基站波束朝向、用戶微調自身接收完成波束匹配和綁定。這樣單個用戶在基站范圍內就擁有了特定的波束來追蹤用戶軌跡,提供通信服務。

LTE-NR載波聚合/雙連接

上文中有提到,LTE-A系統中采用載波聚合來提升單個用戶可獲得的帶寬,通過允許用戶在多個載波上同時傳輸數據來提升峰值數據速率。其實載波聚合中最簡單的應用場景是在相同的工作頻段中使用連續子載波(帶內連續載波)進行聚合。但是這并不普遍適用,很多情況下,LTE系統中聚合的是帶外非連續載波。

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注:LTA-A中支持最大5載波聚合,提供100MHz的可用帶寬,而LTA-A Pro中支持最大32載波聚合,提供640MHz的可用帶寬。

而3GPP中定義的載波聚合只能允許單用戶在對來自同一基站的載波進行聚合,當有來自2個基站的載波時需要同時接收時,這種方式被稱為雙連接(Dual Connectivity)。雙連接可以允許用戶同時在來自兩個不同基站的多個載波上同時傳輸和發送數據,這兩個基站分別被稱為主基站和第二基站。 

注:因為5G中將會采用多種頻譜覆蓋同一區域,同時會將控制數據和用戶數據分離,這會導致異構小區大量存在,在這種情況下采用雙連接來連接宏基站和微基站是非常必要的。

在5G部署初期的非獨立組網(NSA)階段,5G基站將會錨定在4G系統中,而LTE系統和5G NR系統頻段不同,基站也不同。這時候可能會采用雙連接來同時處理來自eNB和gNB的多頻段載波信息。

從目前來看,載波聚合和雙連接均會被用在5G NSA組網中。理論上5G NR的載波聚合可以獲得高達1GHz頻譜,同時傳輸不同幀的數據,同時也能加快5G中NSA網絡的部署(僅僅需要添加5G基站,不需要過多更改4G核心網)。

先進信道編碼(LDPC/Polar碼)

在所有數字通信系統中,信道編碼和譯碼都是提高數據傳輸可靠性的重要組成部分。數字信號在傳輸過程中總會因為信道失真、噪聲和干擾等影響,導致接收信號后譯碼產生誤差,達不到實用要求。 

香農第二定理告訴我們,只要數據傳輸速率小于信道容量,就會存在一種編碼,使誤碼率任意小。5G中新采用的LDPC碼和Polar碼就是目前性能優異的信道編碼方案之二,它們都屬于線性分組碼。 

實際上當時5G中信道編碼的候選方案有四種,其中三種畢竟有競爭力:接近香農極限的Turbo碼、LDPC碼和達到香農極限的Polar碼。 

注:2G、3G、4G時代一直在采用Turbo碼,而LDPC碼在WiFi、固定通信等場景中得到使用,Polar碼則是近些年編碼領域的新星。 

由于信道編碼是物理層最基本的技術,信道編碼方案對系統的性能有直接影響。在20Gbit/s的峰值速率要求目標下,系統對用戶面和控制的延遲要求很高,信道編碼的譯碼器單次譯碼延遲需要控制在幾到幾十s以內,同時要求譯碼器有合理的芯片面積和功耗。 

根據5G系統對可靠性的要求,需要在eMBB場景在塊誤碼率以上沒有錯誤平層,在URLLC場景場景在塊誤碼率以上沒有錯誤平層。這個要求Turbo碼很難滿足,而且它的算法復雜度過高,雖然可以采用并行架構提升編譯速度,但是隨之而來的功耗提升和芯片計算能力要求也不利于實際使用。所以Turbo碼是需要在5G標準中替換的。

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Polar碼是2009年由Erdal Arikan教授提出的新型線性分組碼,主要是采用信道極化思想,利用極化而來的“理想信道”傳輸未知信息比特,利用“非理想信道”傳輸已知信息比特。對于這種方式,一些同學把它形象稱為“放棄差生,提升優等生”。在諾基亞的研究中證明,Polar碼在短碼領域也存在顯著的算法復雜度提升,它的算法復雜度要遠遠優于Turbo碼和LDPC碼,是短碼中最優編碼方案之一,目前被作為5G中控制信道的數據傳輸方案。 

注:3GPP目前采用循環冗余校驗(CRC)輔助的Polar碼方案,使Polar碼獲得接近甚至在短碼上超過Turbo和LDPC碼的糾錯能力。在無線通信常用的中長碼配置下,能夠獲得大約0.5dB的增益;短碼配置下甚至能夠獲得大于1dB的增益。 

而LDPC碼是1963年由Robert Gallager提出,它是根據奇偶校驗矩陣來定義的一種線性分組碼,通過稀疏非系統矩陣校驗碼塊,并最終根據判決準則判斷碼字。

相比Turbo碼,LDPC碼具有較小的譯碼錯誤和譯碼復雜度,且碼長大于200時無錯誤平層,并且可以實現并行操作,有利于硬件實現,且在長碼字時算法復雜度優于Polar碼,所以它被票選為5G中數據信道的傳輸方案。

先進的波形(Release 15中未定)

學通信的同學應該都對正交頻分復用(OFDM)有相當深刻的印象,OFDM是目前主流通信標準都在采用的波形,包括3GPP LTE和IEEE 802.11(Wi-Fi)系列。當它被用作多址接入時,被稱作正交頻分多址接入(OFDMA)。

在LTE系統中,上行鏈路采用的是采用的是采用循環前綴的離散傅里葉變換-擴頻OFDMA(DFT-s-OFDMA),下行鏈路采用的是單載波頻分復用(SC-FDMA)。不得不說,SC-FDMA其實并不先進。 

實際上,傳統的帶有循環前綴的OFDM因為傳輸效率高,實現簡單,與MIMO系統天然適合等優點,但是OFDM系統普遍要求精確的時鐘同步來維持載波間的正交性,在實際應用中,普遍采用的方案是增加更多的時間同步信號和循環前綴來保證載波同步,這樣卻會帶來更多的時間開銷,這不利于5G中低延遲目標的實現;同時OFDM的帶外輻射過高,峰均比過大等問題也需要解決。 

因此,各個通信廠商提出了濾波正交頻分復用(Filtered-OFDM.f-OFDM)、濾波器組OFDM(FB-OFDM)等波形,來獲得更高的時頻效率和更好的帶外輻射特性,以滿足5G通信要求。目前華為提出的f-OFDM是呼聲最高的一種選擇。 

目前MIMO技術已經在5G系統中得到了廣泛使用,FB-OFDM雖然帶外衰減性能最好,但是與MIMO不宜結合,所以目前處境比較困難[5]。我們這就重點介紹一下f-OFDM技術。 

顧名思義,f-OFDM主要采取的措施是在發送前對OFDM信號進行濾波處理,這樣的好處是可以獲得更加靈活的信號設計方案,可以配置載波間隔、循環前綴、濾波器系數等參數,來滿足5G的多樣性需求和一種特殊的要求--軟件定義空口。此外,f-OFDM也集成了OFDM中復雜度低、頻譜效率高等優點,也可以通過配置克服OFDM中帶外輻射高、幀結構固定等問題,甚至能通過DFT預編碼來克服OFDM的均峰比過高的問題。 

注:3GPP 86次RAN會議上討論并仿真了再新的PA模型下f-OFDM和OFDM的系統性能,結果顯示在3個用戶功率平均分配,保護間隔為12個子載波時,f-OFDM會獲得1dB的性能提升。   

為了獲得上述優點,f-OFDM所需要付出的僅僅是增加幾個可配置濾波器,所以說f-OFDM是目前呼聲最高的一種選擇。 

此外,很多人認為OFDM波形用于多址接入很可能不能滿足mMTC場景多址接入的需求,因此3GPP RAN1 在 2016 年中的會議決定:eMBB 場景 的多址接入方式應基于正交的多址方式(OFDMA),非正交的多址技術只限于 mMTC 的上行場景。

這樣非正交頻分多址(NOMA)也成為了一種研究熱點,吸引了大量目光。華為的SCMA、中興 MUSA 和大唐的 PDMA 等將在Release 16中競爭 mMTC 的上行多址方案。

可變幀結構/可變命理/極簡載波

對比4G LTE,5G中最突出的配置是可變的numberology(符號長度和子載波間隔),因為可變命理,所以5G的幀結構可根據場景變化,且更加靈活,甚至因此可以為不同場景配置不同帶寬。5G的命理(numberology)已經在3GPP 38.211中確定,所以這里可以詳細聊一聊。   

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在5G中,numberology主要由一個特定參數μ來代表,一般與子載波間隔間的換算關系是 KHz,當μ為0時,是最基礎的子載波15KHz,具體的配置如下表所示: 

如上所述,在5G/NR中支持多種numberology,并且根據numberology類型的不同,無線電幀結構略有不同。然而,不管numberology和μ如何,一個無線電幀的長度和一個子子幀的長度是相同的。無線電幀的長度總是10毫秒,子幀的長度總是1毫秒。

那它們為什么幀結構不同呢?

主要是因為每個子幀中的slots數目不同,以及slots中的OFDM符號數目不同。我們以正常循環前綴,μ為1時,子載波間隔30kHz這個配置為例。此時每個無線電幀中有10個子幀,每個子幀中有2個slots,而每個slots由14個OFDM符號組成,這樣每個slots長度1ms/2=0.5ms。 

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當正常循環前綴,μ為2時,子載波間隔是60kHz,此時每個無線電幀中有10個子幀,每個子幀中有4個slots,而每個slots由14個OFDM符號組成,這樣每個slots長度1ms/4 = 0.25ms。

以此類推。

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具體的幀長度配置可以查閱38.211-4.3.2-1表。

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可變幀長度和可變命理使得5G的幀結構在毫米波、sub6G頻段均可通用,且為跨頻段的載波聚合和雙連接奠定了基礎,也使5G在URLLC場景可以通過更改幀結構,獲得更低的延遲,在eMBB場景獲得更多的子載波帶寬,為以后的擴展奠定了基礎。 

5G中幀結構的另一個改變是采用了極簡載波的概念。

正如之前所說,LTE系統需要每10ms啟用一次廣播信號(紅色部分),每5ms啟用一次同步信號(圖中藍色為Primary synchronization,淺藍色為Secondary synchronization),同時,LTE系統需要大量的小區參考信號(圖中黑點)。5G中,因為可能采用更好的波形和更好的硬件,對OFDM信號正交性的要求降低,因此降低了同步要求,同時在把信令壓縮,取消了所有的小區參考信號,每20ms同步和廣播一次。 

這種極簡載波設計極大的降低了信令開銷,降低了延遲。

網絡切片/虛擬化/C-RAN

在5G的設計中,需要支持物聯網、語音、通話等等多種業務,而不同的業務場景對網絡要求差異非常明顯,不同業務指標需要的資源也完全不同,而且其中的一些參數是無法兼顧的。具體見下圖:

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如果想要在一張網絡中同時支持多種場景,那么最好的方式是不同業務采用配置不同的網絡路徑,經過不同網元,這種技術被稱為網絡切片(Network Slicing)。那么很容易理解,網絡切片的先決技術是需要能夠通過軟件控制各個不同的網元,也就是網絡虛擬化或者被稱為軟件定義網(NFV/SDN)。

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其實SDN已經在4G LTE網絡中得到了很多廣泛的應用,也已經比較成熟。SDN/NFV通過把傳統的網絡單元(MME、PCRF、P/S-GW)和基站(接入網單元,C-RAN)替換為放在機房中的虛擬機池,并通過軟件控制。 

注:這里的機房可能放置在大型數據中心中(核心云),也可能放置在小型城鎮的數據中心或者小型區域中(邊緣云)。當基站的控制單元被放入機房,外部只留下AAU時,這些控制單元被稱作云接入網(C-RAN)。 

這種方式可以帶來很多好處,比如核心網絡的功耗可以通過數據中心的集中管理得到控制,比如可以針對不同的業務配置不同的服務質量標準(QoS)等等。實際上,網絡單元的云化和虛擬化也是大勢所趨,能極大的降低運營商的運營成本,這也是運營商的根本利益。所以移動、聯通和電信等運營商對SDN、NFV和C-RAN等網絡虛擬化技術有很高的渴望。

狹義來說,5G僅僅是一個跨越物理層和MAC層的無線通信技術合集,定義了一個無線通信系統,而系統中的各種技術應用都是牽一發而動全身的,比如因為網絡虛擬化的應用,5G波形很有可能會采用f-OFDM來獲得更靈活的空口配置,實現軟件定義空口這個概念;比如因為新型波束的采用,信令部分可以放寬對時間同步的要求,從而采用更簡化的信令設計;比如因為massive MIMO的采用,基站接入部分就需要制定良好的波束管理和新的初始接入方案;而因為毫米波基站和小區覆蓋的下降,又帶來兩個新特性: 

超密集網絡部署和微波接收回傳一體化 

現實中,因為5G即將采用的毫米波傳輸和sub 6G基站的覆蓋范圍都遠不及4G時代,所以基站密集部署(Ultra Dense Deployment)將會是一個現實情況;運營商需要通過縮短各個發射節點之間的距離,改善網絡覆蓋范圍,以促使終端在熱點區域獲得更多頻譜,并讓用戶在邊緣區域也獲得更好的性能。

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當用戶同時被多個基站覆蓋時,就會因為子載波頻段被同時占用而存在可能的小區間干擾問題,超密集網絡會帶來更嚴峻的小區間干擾挑戰,網絡異構也將會成為未來的現實。 

不過超密集網絡也存在一些好處,比如因為毫米波基站的大帶寬,所以從從核心網絡到基站部分的數據傳輸(前傳和回傳)有可能通過閑置的毫米波頻帶,通過毫米波基站接力來完成,傳統的前傳解決方案是純光纖前傳,在國外的一些無法部署光纖地區,存在微波回傳基站。

這種技術,我們稱為微波接收回傳一體化。有望可以降低運營商承載網絡的組網成本。 

邊緣計算

5G中為了使網絡虛擬化,在接入網采用了C-RAN技術,它將基站控制單元放置在基帶池中,那么基帶池就成為了一個天然的小型數據中心。這樣的小型數據中心有能力為基站池所服務的范圍內用戶提供一些計算/儲存等緩存。這種方式我們成為邊緣計算。

邊緣計算可以創造出一個高性能、較低功耗、低延遲和高帶寬的電信級網絡服務環境,可以被擴展為城鎮級或者小區級的小型數據中心。它可以解決很多亟需低延遲的應用問題,比如云游戲。 

運營商本身也能通過邊緣計算擴展自身的業務范圍,提供超低延遲的特殊云服務,而不是僅僅局限于擔當單一的傳輸管道。 

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