必读 | 详解5G八大关键技术2017走势

自2015年ITU发布白皮书《IMT愿景—2020年及之后IMT未来发展的框架和总体目标》后，制定全球统一的5G标准已成为业界共同的呼声，按照之前公布的路线图，ITU在2016年重点开展5G技术性能需求和评估方法研究，2017年正式启动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、英特尔等公司均参与了2016年的5G技术研发试验第一阶段测试。为尽早实现5G商用，在2017年，运营商、设备商，及相关产业链应结合5G研发试验第一阶段测试结果，对5G关键技术进行突破。

大规模天线：四点问题亟需突破

大规模多天线技术(Massive MIMO)被认为是5G的关键技术之一，是唯一可以十倍、百倍提升系统容量的无线技术。相比于以前的单一天线及4G广泛使用的4/8天线系统，大规模多天线技术能够通过不同的维度(空域、时域、频域、极化域等)提升频谱利用效率和能量利用效率;多维天线阵列可以自适应地调整各个天线阵子的相位和功率，显著提高MIMO系统的空间分辨率;多天线阵子的动态组合，天然可以应用波束赋形技术，从而让能量较小的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用户群，因此可以显著降低小区内自干扰、邻区干扰等，提高用户信号载干比。

结合5G技术试验的测试过程及结果，大规模多天线技术的以下关键问题仍需要进一步地研究：1)信道估计及建模。天线阵子的动态组合及分配和用户终端的移动性，导致传统的发射端位置固定的信道估计和建模方式不再适用。多个用户在地理位置的随机分布将显著影响天线阵子的分配，基站需要依赖信道的移动性和能量在空间的连续性尽快做出最优或者较优的信道估计。信道能量在空间的分布不均匀、不同的散射体和反射体的回波只对不同的天线阵子可见，意味着信道的相关性将难以预测，衰落将呈现非静态特征。2)导频污染，上行信道估计容易被相邻小区的非正交序列干扰，基于受污染的信道估计的下行链路波束赋形将会对使用同一个导频序列的终端造成持续的定向干扰，从而降低系统容量。3)FDD系统的部署。FDD系统发展Massive MIMO，需要考虑信道估计的优化算法、CSI反馈增强及干扰控制、降低反馈占用的资源量的一系列尚未得到解决的问题。4)商业化的部署与成本控制。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的天线阵子，工业生产时必然有严格的成本控制要求，反过来需要在理论上解决不同场景下最优的天线数量这一课题。大规模多天线系统的设计、制造、工程、安装、人力等成本均需有进一步的减少，才能在商业化部署中不受制约。

新型多址：竞争激烈

3GPP RAN1在2016年中的会议已决定：eMBB场景的多址接入方式应基于正交的多址方式，非正交的多址技术只限于mMTC的上行场景。这就意味着，eMBB的多址技术将更可能采用DFT-S-FDMA和OFDMA。而华为SCMA、中兴MUSA和大唐的PDMA等将在2017年竞争mMTC的上行多址方案。

SCMA、MUSA、PDMA和NOMA等非正交多址方案均依赖于SIC技术，该技术虽然有良好的信号检测性能，但如果要应用在5G系统中，仍需要解决：1)5G的大连接数需求迫使人们设计更复杂SIC接收机，这就要求系统在可接受的功耗水平内装配更强的信号处理能力的芯片;2)功率域、空域、编码域单独或联合地编码传输，要求SIC技术具有不断地对用户的特征进行排序的强大能力;3)多级处理过程中，SIC技术有可能会带来较大的处理时延，必须通过优化算法来降低负面影响。

此外，各个候选的多址接入技术也都具有一定的技术局限。以SCMA为例，仍存在的问题主要有：1)代价合理的码本设计;2)低复杂度的接收及SIC算法;3)系统处理速率和链路预算的优化;4)大量用户在短时间接入时，SCMA会带来峰值平均功率比过高问题。

目前，一共有15种非正交多址技术的候选方案在竞争，如果中国的三种方案想获得成功，仍需尽快解决各自候选方案中潜在的技术问题，才能增大中选的可能。

高频段通信：需统一划定

未来5G系统将面向6GHz以下和6GHz以上全频段布局，以综合满足网络对容量、覆盖、性能等方面的要求。目前，6GHz以下的低频段拥挤不堪，6GHz以上的高频段研发不足，这是对未来海量的5G频谱需求最大的挑战：1)高频段频谱信道具有很多新的特征，比如高路损、高散射和对动态环境敏感等，需要理论界进一步的研究。2)元器件成本高昂，对RF功能组件的成本控制不利，也对移动终端提出了新的要求。3)最重要的是，需要全球统一划定可以使用的高频段，识别出6GHz—100GHz当中的最佳频谱。所谓的“最佳”，就是不仅具备优秀物理特性，还得适合国际间的协调，同时也要照顾到目前军队、卫星通信及其他行业的实际使用情况。可以预见到，全球统一的高频段频谱的划定也必然是一场不见硝烟的技术战争。

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的业务需求。选择新的波形类型时有许多因素要考虑，包括频谱效率、时延、计算复杂性、能量效率、相邻信道共存性能和实施成本。截至目前，业内呼声最高的3个候选技术是：F-OFDM、FB-OFDM和UF-OFDM。这三种多载波技术的共同点是：均采用了滤波器机制，具有较低的带外泄露，可以减少保护带开销。子带间能量隔离，不再需要严格的时间同步，有益于减少同步信令开销。但良好的滤波器设计及滤波器输入参数是三种技术的实现关键。最优的滤波器设计，要求是带内近似平坦并且带外陡降，滤波器所带来的信噪比和误包率损失可忽略，而陡降的带外泄露也可以大幅降低保护带的开销。此外，还需要考虑实现复杂度、算法复杂度等约束条件。

FB-OFDM原理方案中所使用的滤波器组是以每个子载波为粒度的。通过优化的原型滤波器设计，FB-OFDM可以极大地抑制信号的旁瓣，而且与UF-OFDM类似，FB-OFDM也通过去掉CP的方式来降低开销。UF-OFDM和F-OFDM方案中的滤波器组都是以一个子带为粒度的。两者主要差别是：一方面，UF-OFDM使用的滤波器阶数较短，F-OFDM需要使用较长的滤波器阶数;另一方面，UF-OFDM不需要使用CP，而考虑到后向兼容的问题F-OFDM仍然需要CP，其信号处理流程与传统的OFDM基本相同。FB-OFDM旁瓣水平低，降低了对同步的严格要求，但是滤波器的冲激响应长度很长，所以FB-OFDM的帧较长，不适用于短包类通信业务。UF-OFDM是对一组连续的子载波进行滤波处理，可以使用较短滤波器长度，支持短包类业务，但UF-OFDM没有CP，因此对需要松散时间同步以节约能源的应用场景不适合。

先进编码调制：Polar码还需锤炼

3GPP RAN1在2016年10月里斯本会议和11月里诺会议中已形成如下决议：1)eMBB场景的上行和下行数据信道均采用flexible LDPC编码方案;2)eMBB场景的上行控制信道采用Polar编码方案;3)eMBB场景的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，但仍需在以后会议中确认;4)uRLLC和mMTC场景的数据信道和控制信道的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，并且有着低的编码和译码复杂度，对芯片的性能要求和功耗都不高。但由于LDPC和Polar编码更适应5G的高速率，低时延、大容量数据传输及多种场景的要求，事实上Turbo编码方案已经退出了竞争。在2017年，uRLLC和mMTC场景的数据信道和控制信道的编码方案将是LDPC和Polar编码方案的双雄竞争，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、哪种信道选择哪种编码方案，市场、专利、产业链成熟度等恐怕是更重要的砝码。这里需要提到的是，LDPC码由于提出时间最早，其相关的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，暂时还没有明确的技术标准，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。