【導(dǎo)讀】自2015年ITU發(fā)布白皮書《IMT愿景—2020年及之后IMT未來發(fā)展的框架和總體目標(biāo)》后，制定全球統(tǒng)一的5G標(biāo)準(zhǔn)已成為業(yè)界共同的呼聲，按照之前公布的路線圖，ITU在2016年重點開展5G技術(shù)性能需求和評估方法研究，2017年正式啟動5G技術(shù)候選方案征集。
在國內(nèi)，華為、中興、愛立信、諾基亞和上海貝爾、大唐、英特爾等公司均參與了2016年的5G技術(shù)研發(fā)試驗第一階段測試。為盡早實現(xiàn)5G商用，在2017年，運營商、設(shè)備商，及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)結(jié)合5G研發(fā)試驗第一階段測試結(jié)果，對5G關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行突破。
大規(guī)模天線：四點問題亟需突破
大規(guī)模多天線技術(shù)（Massive MIMO）被認(rèn)為是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，是唯一可以十倍、百倍提升系統(tǒng)容量的無線技術(shù)。相比于以前的單一天線及4G廣泛使用的4/8天線系統(tǒng)，大規(guī)模多天線技術(shù)能夠通過不同的維度（空域、時域、頻域、極化域等）提升頻譜利用效率和能量利用效率；多維天線陣列可以自適應(yīng)地調(diào)整各個天線陣子的相位和功率，顯著提高M(jìn)IMO系統(tǒng)的空間分辨率；多天線陣子的動態(tài)組合，天然可以應(yīng)用波束賦形技術(shù)，從而讓能量較小的波束集中在一塊小型區(qū)域，將信號強度集中于特定方向和特定用戶群，因此可以顯著降低小區(qū)內(nèi)自干擾、鄰區(qū)干擾等，提高用戶信號載干比。
結(jié)合5G技術(shù)試驗的測試過程及結(jié)果，大規(guī)模多天線技術(shù)的以下關(guān)鍵問題仍需要進(jìn)一步地研究：
1）信道估計及建模。天線陣子的動態(tài)組合及分配和用戶終端的移動性，導(dǎo)致傳統(tǒng)的發(fā)射端位置固定的信道估計和建模方式不再適用。多個用戶在地理位置的隨機分布將顯著影響天線陣子的分配，基站需要依賴信道的移動性和能量在空間的連續(xù)性盡快做出最優(yōu)或者較優(yōu)的信道估計。信道能量在空間的分布不均勻、不同的散射體和反射體的回波只對不同的天線陣子可見，意味著信道的相關(guān)性將難以預(yù)測，衰落將呈現(xiàn)非靜態(tài)特征。
2）導(dǎo)頻污染，上行信道估計容易被相鄰小區(qū)的非正交序列干擾，基于受污染的信道估計的下行鏈路波束賦形將會對使用同一個導(dǎo)頻序列的終端造成持續(xù)的定向干擾，從而降低系統(tǒng)容量。
3）FDD系統(tǒng)的部署。FDD系統(tǒng)發(fā)展Massive MIMO，需要考慮信道估計的優(yōu)化算法、CSI反饋增強及干擾控制、降低反饋占用的資源量的一系列尚未得到解決的問題。
4）商業(yè)化的部署與成本控制。由于5G基站天線數(shù)目將極大增長，大規(guī)模天線系統(tǒng)會需要使用大量的天線陣子，工業(yè)生產(chǎn)時必然有嚴(yán)格的成本控制要求，反過來需要在理論上解決不同場景下最優(yōu)的天線數(shù)量這一課題。大規(guī)模多天線系統(tǒng)的設(shè)計、制造、工程、安裝、人力等成本均需有進(jìn)一步的減少，才能在商業(yè)化部署中不受制約。
新型多址：競爭激烈
3GPP RAN1在2016年中的會議已決定：eMBB場景的多址接入方式應(yīng)基于正交的多址方式，非正交的多址技術(shù)只限于mMTC的上行場景。這就意味著，eMBB的多址技術(shù)將更可能采用DFT-S-FDMA和OFDMA.而華為SCMA、中興MUSA和大唐的PDMA等將在2017年競爭mMTC的上行多址方案。
SCMA、MUSA、PDMA和NOMA等非正交多址方案均依賴于SIC技術(shù)，該技術(shù)雖然有良好的信號檢測性能，但如果要應(yīng)用在5G系統(tǒng)中，仍需要解決：
1）5G的大連接數(shù)需求迫使人們設(shè)計更復(fù)雜SIC接收機，這就要求系統(tǒng)在可接受的功耗水平內(nèi)裝配更強的信號處理能力的芯片；
2）功率域、空域、編碼域單獨或聯(lián)合地編碼傳輸，要求SIC技術(shù)具有不斷地對用戶的特征進(jìn)行排序的強大能力；
3）多級處理過程中，SIC技術(shù)有可能會帶來較大的處理時延，必須通過優(yōu)化算法來降低負(fù)面影響。
此外，各個候選的多址接入技術(shù)也都具有一定的技術(shù)局限。以SCMA為例，仍存在的問題主要有：
1）代價合理的碼本設(shè)計；
2）低復(fù)雜度的接收及SIC算法；
3）系統(tǒng)處理速率和鏈路預(yù)算的優(yōu)化；
4）大量用戶在短時間接入時，SCMA會帶來峰值平均功率比過高問題。
目前，一共有15種非正交多址技術(shù)的候選方案在競爭，如果中國的三種方案想獲得成功，仍需盡快解決各自候選方案中潛在的技術(shù)問題，才能增大中選的可能。
高頻段通信：需統(tǒng)一劃定
未來5G系統(tǒng)將面向6GHz以下和6GHz以上全頻段布局，以綜合滿足網(wǎng)絡(luò)對容量、覆蓋、性能等方面的要求。目前，6GHz以下的低頻段擁擠不堪，6GHz以上的高頻段研發(fā)不足，這是對未來海量的5G頻譜需求最大的挑戰(zhàn)：
1）高頻段頻譜信道具有很多新的特征，比如高路損、高散射和對動態(tài)環(huán)境敏感等，需要理論界進(jìn)一步的研究。
2）元器件成本高昂，對RF功能組件的成本控制不利，也對移動終端提出了新的要求。
3）最重要的是，需要全球統(tǒng)一劃定可以使用的高頻段，識別出6GHz—100GHz當(dāng)中的最佳頻譜。所謂的“最佳”，就是不僅具備優(yōu)秀物理特性，還得適合國際間的協(xié)調(diào)，同時也要照顧到目前軍隊、衛(wèi)星通信及其他行業(yè)的實際使用情況。可以預(yù)見到，全球統(tǒng)一的高頻段頻譜的劃定也必然是一場不見硝煙的技術(shù)戰(zhàn)爭。
新型多載波：三種技術(shù)呼聲最高
5G新空口多載波技術(shù)將全面滿足移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求。選擇新的波形類型時有許多因素要考慮，包括頻譜效率、時延、計算復(fù)雜性、能量效率、相鄰信道共存性能和實施成本。截至目前，業(yè)內(nèi)呼聲最高的3個候選技術(shù)是：F-OFDM、FB-OFDM和UF-OFDM.這三種多載波技術(shù)的共同點是：均采用了濾波器機制，具有較低的帶外泄露，可以減少保護(hù)帶開銷。子帶間能量隔離，不再需要嚴(yán)格的時間同步，有益于減少同步信令開銷。但良好的濾波器設(shè)計及濾波器輸入?yún)?shù)是三種技術(shù)的實現(xiàn)關(guān)鍵。最優(yōu)的濾波器設(shè)計，要求是帶內(nèi)近似平坦并且?guī)舛附担瑸V波器所帶來的信噪比和誤包率損失可忽略，而陡降的帶外泄露也可以大幅降低保護(hù)帶的開銷。此外，還需要考慮實現(xiàn)復(fù)雜度、算法復(fù)雜度等約束條件。
FB-OFDM原理方案中所使用的濾波器組是以每個子載波為粒度的。通過優(yōu)化的原型濾波器設(shè)計，F(xiàn)B-OFDM可以極大地抑制信號的旁瓣，而且與UF-OFDM類似，F(xiàn)B-OFDM也通過去掉CP的方式來降低開銷。UF-OFDM和F-OFDM方案中的濾波器組都是以一個子帶為粒度的。兩者主要差別是：
一方面，UF-OFDM使用的濾波器階數(shù)較短，F(xiàn)-OFDM需要使用較長的濾波器階數(shù)；
另一方面，UF-OFDM不需要使用CP，而考慮到后向兼容的問題F-OFDM仍然需要CP，其信號處理流程與傳統(tǒng)的OFDM基本相同。FB-OFDM旁瓣水平低，降低了對同步的嚴(yán)格要求，但是濾波器的沖激響應(yīng)長度很長，所以FB-OFDM的幀較長，不適用于短包類通信業(yè)務(wù)。UF-OFDM是對一組連續(xù)的子載波進(jìn)行濾波處理，可以使用較短濾波器長度，支持短包類業(yè)務(wù)，但UF-OFDM沒有CP，因此對需要松散時間同步以節(jié)約能源的應(yīng)用場景不適合。
先進(jìn)編碼調(diào)制：Polar碼還需錘煉
3GPP RAN1在2016年10月里斯本會議和11月里諾會議中已形成如下決議：
1）eMBB場景的上行和下行數(shù)據(jù)信道均采用flexible LDPC編碼方案；
2）eMBB場景的上行控制信道采用Polar編碼方案；
3）eMBB場景的下行控制信道傾向于采用Polar編碼方案而不是TBCC（咬尾卷積碼）方案，但仍需在以后會議中確認(rèn)；
4）uRLLC和mMTC場景的數(shù)據(jù)信道和控制信道的編碼方案需要進(jìn)一步研究。
Turbo Code 2.0、LDPC、Polar編碼方案各有千秋，在編碼效率上均可以接近或“達(dá)到”香農(nóng)容量，并且有著低的編碼和譯碼復(fù)雜度，對芯片的性能要求和功耗都不高。但由于LDPC和Polar編碼更適應(yīng)5G的高速率，低時延、大容量數(shù)據(jù)傳輸及多種場景的要求，事實上Turbo編碼方案已經(jīng)退出了競爭。在2017年，uRLLC和mMTC場景的數(shù)據(jù)信道和控制信道的編碼方案將是LDPC和Polar編碼方案的雙雄競爭，從技術(shù)角度而言，LDPC和Polar編碼方案難分伯仲。究竟在哪種場景、哪種信道選擇哪種編碼方案，市場、專利、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度等恐怕是更重要的砝碼。這里需要提到的是，LDPC碼由于提出時間最早，其相關(guān)的專利已紛紛到期或接近到期，而Polar碼最為年輕，專利年限相對較長。此外，LDPC已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)成熟度非常高，而Polar碼由于年限較短，暫時還沒有明確的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也談不上有多少應(yīng)用。由此而看，Polar碼如果想應(yīng)用在uRLLC和mMTC場景中，難度較大。
全雙工：模型深入分析驗證
全雙工技術(shù)可以使通信終端設(shè)備能夠在同一時間同一頻段發(fā)送和接收信號，理論上，比傳統(tǒng)的TDD或FDD模式能提高一倍的頻譜效率，同時還能有效降低端到端的傳輸時延和減小信令開銷。全雙工技術(shù)的核心問題是如何有效地抑制和消除強烈的自干擾。
5G第一階段測試實驗室測試系統(tǒng)是少天線和小帶寬，且實驗室無線環(huán)境較純凈，而未來商業(yè)部署后，必然面臨著多鄰居小區(qū)的同頻異頻干擾、異構(gòu)異制式小區(qū)干擾、多種類型的天線、100MHz以上的帶寬和其它難以預(yù)料的復(fù)雜干擾，對于這樣情況下的全雙工系統(tǒng)的工作原理、自干擾的消除算法、信道及干擾的數(shù)學(xué)建模還缺乏深入的理論分析和系統(tǒng)的實驗驗證。
再看全雙工技術(shù)與基站系統(tǒng)的融合方面，引入全雙工系統(tǒng)后，需要解決：
1）物理層的全雙工幀結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)編碼、調(diào)制、功率分配、波束賦形、信道估計、均衡等問題；
2）MAC層的同步、檢測、偵聽、沖突避免、ACK/NACK等問題；
3）調(diào)整或設(shè)計更高層的協(xié)議，確保全雙工系統(tǒng)中干擾協(xié)調(diào)策略、網(wǎng)絡(luò)資源管理等；
4）與Massive MIMO技術(shù)的有效結(jié)合、接收、反饋等問題及如何在此條件下優(yōu)化MIMO算法；
5）考慮到4G空口的演進(jìn)，全雙工和半雙工之間動態(tài)切換的控制面優(yōu)化，以及對現(xiàn)有幀結(jié)構(gòu)和控制信令的優(yōu)化問題也需要進(jìn)一步研究。
未來大規(guī)模商業(yè)部署時，需要考慮制造成本，那么在RF及電路元器件設(shè)計及制造時，自干擾消除電路需滿足寬頻（大于100MHz）、功耗低、尺寸利于安裝、且可支持Massive MIMO所需的多天線（多于64根）。
超密集組網(wǎng)：現(xiàn)實場景效果待驗
超密集異構(gòu)組網(wǎng)技術(shù)可以促使終端在部分區(qū)域內(nèi)捕獲更多的頻譜，距離各個發(fā)射節(jié)點距離也更近，提升了業(yè)務(wù)的功率效率、頻譜效率，大幅度提高了系統(tǒng)容量，并天然地保證了業(yè)務(wù)在各種接入技術(shù)和各覆蓋層次間負(fù)荷分擔(dān)。但超密集部署場景下，由于各個發(fā)射節(jié)點間距離較小，網(wǎng)絡(luò)間的干擾將不可避免，主要類型有：同頻干擾，共享頻譜資源干擾，不同覆蓋層次間的干擾，鄰區(qū)終端干擾等。在現(xiàn)實場景下，如何有效進(jìn)行節(jié)點協(xié)作、干擾消除、干擾協(xié)調(diào)成為重點解決的問題，現(xiàn)在業(yè)內(nèi)已經(jīng)提出了一系列的方案，如虛擬層技術(shù)、小區(qū)動態(tài)分簇等，但均沒有經(jīng)過實際驗證，效果有待檢驗。
超密集地部署網(wǎng)絡(luò)發(fā)射節(jié)點，使得小區(qū)邊界數(shù)量劇增，加之小區(qū)邊界更不規(guī)則，導(dǎo)致更頻繁、更為多樣的切換，原有的4G分布式切換算法會使得其小區(qū)間交互控制信令負(fù)荷會隨著小區(qū)密度的增加以二次方趨勢增長，極大地增加了網(wǎng)絡(luò)控制信令負(fù)荷。超密集部署場景下的切換算法是必須解決的問題。
超密集部署的發(fā)射節(jié)點狀態(tài)的隨機變化，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜透蓴_類型也隨機動態(tài)變化，加上多樣化的用戶業(yè)務(wù)需求保障，同時為了降低網(wǎng)絡(luò)部署、運營維護(hù)復(fù)雜度和成本，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，超密集組網(wǎng)技術(shù)必須配合更智能的、能統(tǒng)一實現(xiàn)多種無線接入制式、覆蓋層次的自配置、自優(yōu)化、自愈合的網(wǎng)絡(luò)自組織技術(shù)。就當(dāng)前的研究成果來看，超密集部署場景下的SON技術(shù)（自配置、自優(yōu)化、自愈功能）是業(yè)內(nèi)缺乏共識，也是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)點。
組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)切片已獲驗
隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）等技術(shù)的逐步成熟，5G組網(wǎng)技術(shù)已能實現(xiàn)控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能的分離，以及網(wǎng)元功能和物理實體的解耦，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的智慧感知和實時調(diào)配，以及網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)功能的按需提供和適配。原本業(yè)界普遍擔(dān)心的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，也由其發(fā)起者愛立信在第一階段測試中通過原型機進(jìn)行了實驗室驗證，測試中實現(xiàn)了基于愛立信提出的切片管理三層架構(gòu)（業(yè)務(wù)管理層，切片管理層，共享基礎(chǔ)設(shè)施/資源層）下，完整的網(wǎng)絡(luò)切片生命周期管理全過程，其中包含基于切片Blueprint的切片構(gòu)建和激活，運行狀態(tài)監(jiān)控、更新、遷移、共享、擴容、縮容，以及刪除切片等。此外，還驗證了目前3GPP標(biāo)準(zhǔn)中主流的切片選擇方案；以及根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，切片在多數(shù)據(jù)中心的靈活部署等場景。
SDN和NFV的組合雖然功能強大，但仍然不能解決所有的問題，由于現(xiàn)實中存在多種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，5G的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將不得不考慮如何解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問題、如何規(guī)范編程接口、如何發(fā)現(xiàn)靈活有效的控制策略、如何進(jìn)行不同架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議適配、南北向接口的數(shù)據(jù)規(guī)范、數(shù)據(jù)采集處理等一系列問題。
5G是移動寬帶網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的有機組合，因此機器間通信技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)、情景感知技術(shù)、C-RAN和D-RAN組網(wǎng)技術(shù)等領(lǐng)域也是其組成部分。就已知的研究成果來看，這些領(lǐng)域中仍然存在著大量的問題需要進(jìn)一步的研究，并最終拿出可以在實際場景部署的商用解決方案。
5G會和4G一樣，是一個長期演進(jìn)的多種技術(shù)的組合，現(xiàn)有的研究成果已經(jīng)讓人們體驗到超高速率、零時延、超大連接、信息融合等等部分5G的特性，但這并不是5G的全部，隨著各種研究的不斷深入，5G關(guān)鍵支撐技術(shù)將從2017年開始逐步得以明確，并進(jìn)入實質(zhì)性的標(biāo)準(zhǔn)化研究與制定階段，最終在2020年前后實際商用部署，5G將為人們的日常生產(chǎn)生活提供更加便利的通信條件。
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