八大关键技术走向.doc

自ITU发布白皮书《IMT愿景—及之后IMT将来发展框架和总体目的》后，制定全球统一5G原则已成为业界共同呼声，按照之前发布路线图，ITU在重点开展5G技术性能需求和评估办法研究，正式启动5G技术候选方案征集。
在国内，华为、中兴、爱立信、诺基亚和上海贝尔、大唐、英特尔等公司均参加了5G技术研发实验第一阶段测试。为尽早实现5G商用，在，运营商、设备商，及有关产业链应结合5G研发实验第一阶段测试成果，对5G核心技术进行突破。
大规模天线：四点问题亟需突破
大规模多天线技术（Massive MIMO）被以为是5G核心技术之一，是唯一可以十倍、百倍提高系统容量无线技术。相比于此前单一天线及4G广泛使用4/8天线系统，大规模多天线技术可以通过不同维度（空域、时域、频域、极化域等）提高频谱运用效率和能量运用效率；多维天线阵列可以自适应地调节各个天线阵子相位和功率，明显提高MIMO系统空间辨别率；多天线阵子动态组合，天然可以应用波束赋形技术，从而让能量较小波束集中在一块小型区域，将信号强度集中于特定方向和特定顾客群，因而可以明显减少社区内自干扰、邻区干扰等，提高顾客信号载干比。
结合5G技术实验测试过程及成果，大规模多天线技术如下核心问题仍需要进一步地研究：1）信道预计及建模。天线阵子动态组合及分派和顾客终端移动性，导致老式发射端位置固定信道预计和建模方式不再合用。各种顾客在地理位置随机分布将明显影响天线阵子分派，基站需要依赖信道移动性和能量在空间持续性尽快做出最优或者较优信道预计。信道能量在空间分布不均匀、不同散射体和反射体回波只对不同天线阵子可见，意味着信道有关性将难以预测，衰落将呈现非静态特性。2）导频污染，上行信道预计容易被相邻社区非正交序列干扰，基于受污染信道预计下行链路波束赋形将会对使用同一种导频序列终端导致持续定向干扰，从而减少系统容量。3）FDD系统布置。FDD系统发展Massive MIMO，需要考虑信道预计优化算法、CSI反馈增强及干扰控制、减少反馈占用资源量一系列尚未得到解决问题。4）商业化布置与成本控制。由于5G基站天线数目将极大增长，大规模天线系统会需要使用大量天线阵子，工业生产时必然有严格成本控制规定，反过来需要在理论上解决不同场景下最优天线数量这一课题。大规模多天线系统设计、制造、工程、安装、人力等成本均需有进一步减少，才干在商业化布置中不受制约。
新型多址：竞争激烈
3GPP RAN1在中会议已决定：eMBB场景多址接入方式应基于正交多址方式，非正交多址技术只限于mMTC上行场景。这就意味着，eMBB多址技术将更也许采用DFT-S-FDMA和OFDMA.而华为SCMA、中兴MUSA和大唐PDMA等将在竞争mMTC上行多址方案。
SCMA、MUSA、PDMA和NOMA等非正交多址方案均依赖于SIC技术，该技术虽然有良好信号检测性能，但如果要应用在5G系统中，仍需要解决：1）5G大连接数需求迫使人们设计更复杂SIC接受机，这就规定系统在可接受功耗水平内装配更强信号解决能力芯片；2）功率域、空域、编码域单独或联合地编码传播，规定SIC技术具备不断地对顾客特性进行排序强大能力；3）多级解决过程中，SIC技术有也许会带来较大解决时延，必要通过优化算法来减少负面影响。
此外，各个候选多址接入技术也都具备一定技术局限。以SCMA为例，仍存在问题重要有：1）代价合理码本设计；2）低复杂度接受及SIC算法；3）系统解决速率和链路预算优化；4）大量顾客在短时间接入时，SCMA会带来峰值平均功率比过高问题。
当前，一共有15种非正交多址技术候选方案在竞争，如果中华人民共和国三种方案想获得成功，仍需尽快解决各自候选方案中潜在技术问题，才干增大中选也许。
高频段通信：需统一划定
将来5G系统将面向6GHz如下和6GHz以上全频段布局，以综合满足网络对容量、覆盖、性能等方面规定。当前，6GHz如下低频段拥挤不堪，6GHz以上高频段研发局限性，这是对将来海量5G频谱需求最大挑战：1）高频段频谱信道具备诸多新特性，例如高路损、高散射和对动态环境敏感等，需要理论界进一步研究。2）元器件成本高昂，对RF功能组件成本控制不利，也对移动终端提出了新规定。3）最重要是，需要全球统一划定可以使用高频段，辨认出6GHz—100GHz当中最佳频谱。所谓“最佳”，就是不但具备先进物理特性，还得适合国际间协调，同步也要照顾到当前军队、卫星通信及其她行业实际使用状况。可以预见到，全球统一高频段频谱划定也必然是一场不见硝烟技术战争。
新型多载波：三种技术呼声最高
5G新空口多载波技术将全面满足移动互联网和物联网业务需求。选取新波形类型时有许多因素要考虑，涉及频谱效率、时延、计算复杂性、能量效率、相邻信道共存性能和实行成本。截至当前，业内呼声最高3个候选技术是：F-OFDM、FB-OFDM和UF-OFDM.这三种多载波技术共同点是：均采用了滤波器机制，具备较低带外泄露，可以减少保护带开销。子带间能量隔离，不再需要严格时间同步，有益于减少同步信令开销。但良好滤波器设计及滤波器输入参数是三种技术实现核心。最优滤波器设计，规定是带内近似平坦并且带外陡降，滤波器所带来信噪比和误包率损失可忽视，而陡降带外泄露也可以大幅减少保护带开销。此外，还需要考虑实现复杂度、算法复杂度等约束条件。
FB-OFDM原理方案中所使用滤波器组是以每个子载波为粒度。通过优化原型滤波器设计，FB-OFDM可以极大地抑制信号旁瓣，并且与UF-OFDM类似，FB-OFDM也通过去掉CP方式来减少开销。UF-OFDM和F-OFDM方案中滤波器组都是以一种子带为粒度。两者重要差别是：一方面，UF-OFDM使用滤波器阶数较短，F-OFDM需要使用较长滤波器阶数；另一方面，UF-OFDM不需要使用CP，而考虑到后向兼容问题F-OFDM依然需要CP，其信号解决流程与老式OFDM基本相似。FB-OFDM旁瓣水平低，减少了对同步严格规定，但是滤波器冲激响应长度很长，因此FB-OFDM帧较长，不合用于短包类通信业务。UF-OFDM是对一组持续子载波进行滤波解决，可以使用较短滤波器长度，支持短包类业务，但UF-OFDM没有CP，因而对需要松散时间同步以节约能源应用场景不适合。
先进编码调制：Polar码还需锤炼
3GPP RAN1在10月里斯本会议和11月里诺会议中已形成如下决策：1）eMBB场景上行和下行数据信道均采用flexible LDPC编码方案；2）eMBB场景上行控制信道采用Polar编码方案；3）eMBB场景下行控制信道倾向于采用Polar编码方案而不是TBCC（咬尾卷积码）方案，但仍需在后来会议中确认；4）uRLLC和mMTC场景数据信道和控制信道编码方案需要进一步研究。
Turbo Code 2.0、LDPC、Polar编码方案各有千秋，在编码效率上均可以接近或“达到”香农容量，并且有着低编码和译码复杂度，对芯片性能规定和功耗都不高。但由于LDPC和Polar编码更适应5G高速率，低时延、大容量数据传播及各种场景规定，事实上Turbo编码方案已经退出了竞争。在，uRLLC和mMTC场景数据信道和控制信道编码方案将是LDPC和Polar编码方案双雄竞争，从技术角度而言，LDPC和Polar编码方案难分伯仲。究竟在哪种场景、哪种信道选取哪种编码方案，市场、专利、产业链成熟度等恐怕是更重要砝码。这里需要提到是，LDPC码由于提出时间最早，其有关专利已纷纷到期或接近到期，而Polar码最为年轻，专利年限相对较长。此外，LDPC已经在众多领域得到了广泛应用，产业成熟度非常高，而Polar码由于年限较短，暂时还没有明确技术原则，也谈不上有多少应用。由此而看，Polar码如果想应用在uRLLC和mMTC场景中，难度较大。
全双工：模型进一步分析验证
全双工技术可以使通信终端设备可以在同一时间同一频段发送和接受信号，理论上，比老式TDD或FDD模式能提高一倍频谱效率，同步还能有效减少端到端传播时延和减小信令开销。全双工技术核心问题是如何有效地抑制和消除强烈自干扰。
5G第一阶段测试实验室测试系统是少天线和小带宽，且实验室无线环境较纯净，而将来商业布置后，必然面临着多邻居社区同频异频干扰、异构异制式社区干扰、各种类型天线、100MHz以上带宽和其他难以预料复杂干扰，对于这样状况下全双工系统工作原理、自干扰消除算法、信道及干扰数学建模还缺少进一步理论分析和系统实验验证。
再看全双工技术与基站系统融合方面，引入全双工系统后，需要解决：1）物理层全双工帧构造、数据编码、调制、功率分派、波束赋形、信道预计、均衡等问题；2）MAC层同步、检测、侦听、冲突避免、ACK/NACK等问题；3）调节或设计更高层合同，保证全双工系统中干扰协调方略、网络资源管理等；4）与Massive MIMO技术有效结合、接受、反馈等问题及如何在此条件下优化MIMO算法；5）考虑到4G空口演进，全双工和半双工之间动态切换控制面优化，以及对既有帧构造和控制信令优化问题也需要进一步研究。
将来大规模商业布置时，需要考虑制导致本，那么在RF及电路元器件设计及制造时，自干扰消除电路需满足宽频（不不大于100MHz）、功耗低、尺寸利于安装、且可支持Massive MIMO所需多天线（多于64根）。
超密集组网：现实场景效果待验
超密集异构组网技术可以促使终端在某些区域内捕获更多频谱，距离各个发射节点距离也更近，提高了业务功率效率、频谱效率，大幅度提高了系统容量，并天然地保证了业务在各种接入技术和各覆盖层次间负荷分担。但超密集布置场景下，由于各个发射节点间距离较小，网络间干扰将不可避免，重要类型有：同频干扰，共享频谱资源干扰，不同覆盖层次间干扰，邻区终端干扰等。在现实场景下，如何有效进行节点协作、干扰消除、干扰协调成为重点解决问题，当前业内已经提出了一系列方案，如虚拟层技术、社区动态分簇等，但均没有通过实际验证，效果有待检查。
超密集地布置网络发射节点，使得社区边界数量剧增，加之社区边界更不规则，导致更频繁、更为多样切换，原有4G分布式切换算法会使得其社区间交互控制信令负荷会随着社区密度增长以二次方趋势增长，极大地增长了网络控制信令负荷。超密集布置场景下切换算法是必要解决问题。
超密集布置发射节点状态随机变化，使得网络拓扑和干扰类型也随机动态变化，加上多样化顾客业务需求保障，同步为了减少网络布置、运营维护复杂度和成本，提高网络质量，超密集组网技术必要配合更智能、能统一实现各种无线接入制式、覆盖层次自配备、自优化、自愈合网络自组织技术。就当前研究成果来看，超密集布置场景下SON技术（自配备、自优化、自愈功能）是业内缺少共识，也是亟待解决核心技术点。
组网核心技术：网络切片已获验
随着软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）等技术逐渐成熟，5G组网技术已能实现控制功能和转发功能分离，以及网元功能和物理实体解耦，从而实现网络资源智慧感知和实时调配，以及网络连接和网络功能按需提供和适配。原本业界普遍紧张网络切片技术，也由其发起者爱立信在第一阶段测试中通过原型机进行了实验室验证，测试中实现了基于爱立信提出切片管理三层架构（业务管理层，切片管理层，共享基本设施/资源层）下，完整网络切片生命周期管理全过程，其中包括基于切片Blueprint切片构建和激活，运营状态监控、更新、迁移、共享、扩容、缩容，以及删除切片等。此外，还验证了当前3GPP原则中主流切片选取方案；以及依照不同业务需求，切片在多数据中心灵活布置等场景。
SDN和NFV组合虽然功能强大，但依然不能解决所有问题，由于现实中存在各种老式网络，5G新型网络架构将不得不考虑如何解决异构网络之间兼容性问题、如何规范编程接口、如何发现灵活有效控制方略、如何进行不同架构网络合同适配、南北向接口数据规范、数据采集解决等一系列问题。
5G是移动宽带网和物联网有机组合，因而机器间通信技术、车联网、情景感知技术、C-RAN和D-RAN组网技术等领域也是其构成某些。就已知研究成果来看，这些领域中依然存在着大量问题需要进一步研究，并最后拿出可以在实际场景布置商用解决方案。
5G会和4G同样，是一种长期演进各种技术组合，既有研究成果已经让人们体验到超高速率、零时延、超大连接、信息融合等等某些5G特性，但这并不是5G所有，随着各种研究不断进一步，5G核心支撑技术将从开始逐渐得以明确，并进入实质性原则化研究与制定阶段，最后在先后实际商用布置，5G将为人们寻常生产生活提供更加便利通信条件。