5G部署场景和潜在技术研究

5G2021-02-20 11:31:47

本文作者

袁弋非:中兴通讯无线标准技术总监和总工。

王欣晖:IMT-2020(5G)推进组无线接入工作组的副主席。

赵孝武:中国科学院软件研究所博士,3GPP2 TSG-SX主席。


本文主要讲了什么内容?

移动互联网和物联网技术的迅猛发展促使5G无线通信概念的形成和研究。


本文对5G的典型业务类型和部署场景做了详尽的介绍突出5G系统不仅追求更高的峰值速率和频谱效率,而且在可靠性和连接密度上有关键指标要求,体现需求的多样性。


本文还对5G几项重要的潜在技术进行了描述对每一种典型场景分析了如何单独或者组合运用这些潜在技术来提高传输效率,降低成本和增加连接数


引言


LTE版本10的标准于2011年完成,这标志着LTE-Advanced中所包含的基本功能已能满足国际电信联盟(ITU)对4G蜂窝系统的性能指标要求。在过去的40多年里,每10年左右蜂窝通信就会经历一场大的技术变革。第一代是纯模拟电子系统,采用频分多址(FDMA),它发端于上世纪80年代初,结束于90年代初。第二代主要是时分多址(TDMA),以80年代末出现的GSM系统为代表,取得了很大成功。第三代蜂窝通信以码分多址为标志,并且开始采用Turbo信道编码,它的标准化始于90年代后期,2003年基本完成。根据这个周期,5G标准前期研究的时机已经成熟,ITU将5G命名为IMT-2020,这意味着5G的标准化工作将于2020年左右完成。 


5G将是一个全球的标准,这点与4G情形类似。世界上许多国家和地区都开始了对5G进行详细规划和推进。例如欧盟的METIS项目、中国的IMT-2020、韩国的5G Forum、日本的ADWICS。这些项目和计划由众 多的电信运营商、系统设备厂家、终端厂商以及研究 所和大学参与。 


与前4代不同的是,5G的应用十分多样化。峰值 速率和平均小区频谱效率不再是唯一的要求。除此之外,体验速率、连接数、低延时、高可靠性、高能效 都将成为系统设计的重要考量因素。应用场景也不止 是广域覆盖,还包括密集热点、机器间通信、车联 网、大型露天集会、地铁等。这也决定了5G中的技术是多元的,不会像前几代的每一代都有唯一一个标 志技术。 


5G技术的多元化使得演进型和革命性技术共存,在演进型中也不大容易区分是pre-5G还是5G,本文用部署场景来把不同的潜在技术联系起来。对于每一个部署场景,有一系列技术方案或方向有望达到关键性能指标。需要指出的是本文列举的技术不一定很全,但应该反映了当今业界对5G的一些共识。


5G的应用和关键性能指标


1、5G的业务类型及特点


对于移动互联网用户,未来5G的目标是达到类似光纤速度的用户体验。而对于物联网,5G系统应该支持多种应用,如交通、医疗、农业、金融、建筑、电网、环境保护等,特点都是海量接入。图1是5G在移动互联网和物联网上的一些主要应用。 


图1  5G的主要服务


数据流业务的特点是高速率,延迟可以在50 ms~100 ms,交互业务的延时得在5 ms~10 ms。现 实增强和在线游戏需要高清视频和几十毫秒的延时。到2020年,云存储将会汇集30%的数字信息量,意味着云与终端的无线互联网速率须在光纤级别。 


在物联网中,有关数据采集的服务包括低速率业务,例如读表;还有高速率应用,如视频监控。读表业务的特点是海量连接、低成本终端、低功耗和小数据包。而视频监控不仅要求高速率,其部署密度也会很高。控制类的服务有时延敏感和不敏感的。前者有车联网,后者包括家居生活中的各种应用。 


2、关键性能指标


关键性能指标的定义如表1所示。除了表1中的KPI定义,5G需求中还包含三种效率:小区平均频谱效率,单位是bit/s/Hz/小区,或是 bit/s/Hz/平方千米;能效,单位是bit/J;成本效率,单位是成功传输每个比特所需成本。


表1  关键性能指标的定义


5G的需求列举了如下几大应用场景:密集居住区、办公室、商场、体育馆、大型露天集会、地铁系统、火车站、高速公路和高速铁路。对于每一种应用场景,又有不同的业务类型组合,例如图1业务的一种或几种,在各个应用场景中的比例随用户比例而各异。经过一系列的测算,可以得出一些典型场景的关键性能指标,如表2所示。


表2  5G典型场景的关键性能指标


5G部署场景与潜在技术


5G中比较重要也更好量化的性能指标有三个:(1)室外100  Mbps和热点地区 1 Gbps的用户体验速率;(2)相比4G要有10~100倍的连 接数和连接密度的提升;(3)空口时延在1 ms以内,端到端时延在毫秒级。具体如图2所示。


图2  5G的主要关键性能指标以及潜在技术


第二节中的场景主要是从业务需求角度而言。而本节是从部署角度分出四大典型部署场景,能够与技术更紧密地挂钩。这四个场景分别是:宏覆盖增强场景、超密集部署场景、物联网场景和低时延/高可靠场景。


(1)宏覆盖增强场景


这个场景所用的频段多半是低频,宏小区的覆盖半径可达数公里。100 Mbps用户体验速率的性能指标较具有挑战性。在这个场景中,不同用户到基站的路损差异很大,使得信噪比差别也很大。宏站上一般允许布置许多天线。连接数,即使是人与人之间的通信用户数也十分大。因此比较适合的技术包括:大规模天线、非正交传输以及新型调制编码。这些技术一般情况下可以较好地共存,即复合起来用,总的增益近似等于各个技术所带来增益的叠加。 


(2)超密集部署 


如上一节所述,5G的应用场景许多是与密集部 署相关的,如办公室、密集城市公寓、商场、露天集会、体育场馆。这种部署下的用户体验速率要求是1Gbps。很明显,用户的密度在典型面积下相当高,可以是室外或室内。小区的拓扑形状呈现高度的异构性和多样性,有宏小区、微小区(Micro cell)、毫微小区(Pico cell)、微微小区(Femto cell)。它们的发射功率、天线增益、天线高度也大相径庭。适合的潜在技术有高级的干扰协调管理、虚拟小区、无线回传、新型调制编码、增强的自组织网络等。对于室内部署,还可采用高频通信来增强用户体验,降低小区间干扰。高频的短波长性质使得大规模天线阵列更容易部署。


(3)机器间通信场景


这个场景的大挑战是支持海量的终端数。这也意味着每一个机器终端的成本要远低于一般的手机终端。功耗方面也得足够低,以保证电池几年不耗尽。 覆盖还应该十分鲁棒,能够达到地下室。潜在的技术包括窄带传输、控制信令优化、非正交传输。窄带传输能有效降低设备费用并提高覆盖。控制信令优化可显著降低控制信道的开销。非正交传输支持多个终端同时同频共享无线资源,其接入过程可以是竞争式的,从而有效降低控制信令开销。 


(4)低时延和高可靠场景


低时延和高可靠是几种应用共同的要求。例如在某些制造工业中的机器间通信,毫秒级的延时会严重影响产品质量。在智能交通系统,毫秒级延时和近乎为0的检测率是硬性要求,否则无法避免交通事故。此种场景的潜在技术有物理帧的新设计、高级的链路自适应。终端直通技术也可降低端到端的时延。


5G潜在技术


图2列举了一些5G可能的技术。这一节将对4种重点技术展开讨论。这4种技术分别是:大规模天线、超密集组网技术、非正交传输和高频通信。 


1、大规模天线


多天线技术一直是标准化中十分重要而又经典的议题。在4G时代,OFDM的采用大大地促使了多天线的应用,原因就是OFDM的MIMO接收器要比3G的CDMA简单鲁棒得多。贝尔实验室Marzetta博士的论文给人们展现了多天线系统的真正潜能,其潜能来自于基站部署大量的天线,而无需终端侧具有多个天线。从理论上讲,当基站天线增加至无穷,系统容量仅受限于参考信号的污染。 


尽管大规模天线的初始概念并未明确指明天线形态是一维还是二维,天线实现工艺的迅猛发展现在能够支持有源天线单元。通过灵活的天线单元组合和预编码,可以实现垂直方向上的动态波束赋形,如图3所示。这种赋形通常被称为3D MIMO,它能在用户处于城市楼群的立体分布情形下有效地增强覆盖和提高系统的吞吐量。因此,从这个角度来看,3D MIMO有很强的关联度,都需要在基站侧部署大量的天线单元和天线端口。


图3  大规模天线用于3D MIMO


图4是一个初步的下行大规模天线系统的仿真结果。仿真中一共有19个宏站,57个扇区的同构网拓扑,站间距为200 m。信道估计和反馈假设为理想。5G微信公众平台(ID:angmobile)了解到,作者进一步指出,可以观察到当天线数目增大至64时,频谱效率较8天线的有3倍左右的增益。 大规模天线系统设计的挑战性有以下几点:


图4  大规模天线系统不同发射天线数的下行小区频谱效率 (bps/Hz)的仿真结果


(1)当天线数增多时,更多的资源需要用于参考信号,以便对每个单独的信道进行估计。需要在参考信号开销与系统性能之间做到良好的折中。


(2)大规模天线意味着需要大量的比特数用于准确描述空间信道状态信息(CSI),从而有效地进行预编码和资源调度。这对于无法利用信道互易性的FDD系统尤为重要。对于TDD系统,需要天线校准和上行参考信号的优化。


(3)除非是在高频段,大量的天线数给实际部署带来很大的限制,在不少地区和城市有严格的建筑管理法规,这使部署多天线的难度增加。有些情况下因为建筑物外形还可能部署非规则形状的天线阵列,这无论是从阴影衰落模型和工程实践角度都存在许多新的问题要解决。 


(4)高频可以减小天线尺寸,使得部署更为灵活。但是,高频器件本身的制造成本较高,如何设计高集成度的高频天线阵列是当今技术的难点之一。 


2、超密集组网的潜在技术


同构拓扑形状组网是第一代到第三代蜂窝通信的基本方式。到了4G,尤其是LTE-Advanced,出现了异构拓扑,即宏站与低功率节点诸如Pico、Femto或者中继站混合组网来提高系统容量,如图5所示。容量的提升主要来自小区分裂,即低功率节点将宏站的业务进行分流,可以同频。当低功率节点的密度不高时,节点间的干扰也不严重。一些干扰抑制的方法已在LTE的版本10和版本11中得到了标准化。


图5  超密集部署的沿革


5G时代的密集部署不仅密度更高,而且更有多样 性。除了4G时用的19个宏站配上若干个小站,场景具体化到了城市公寓、办公室、商场等,更贴近实际部署。3D的信道和用户部署将会更广泛地采用。 


随着低功率节点密度的增高,每个节点的覆盖变 得更小,相互间的干扰也愈加明显。5G微信公众平台(ID:angmobile)了解到,作者进一步指出,有如下的几个解决思路可供参考: 


(1)增强的功率控制和自适应,多小区的几乎空白子帧不仅用于数据,还用于控制信道; 


(2)增强的干扰测量;


(3)增强的协作调度,时域、频域、空域以及功率域的联合协作;


(4)基于干扰对齐的干扰协调;


(5)无线回传。 


3、非正交传输 


4G OFDM系统的一大优势是接收端的简单实现,这都得归功于正交的无线资源使用。但是从和速率的角度来看,正交系统通常无法达到和容量上界,如图6所示。正交系统的非优特性在用户的信噪比存在巨大差异时表现得尤为显著。 


图6  正交和非正交系统的下行和速率的比较


最简单的非正交传输就是多个用户调制符号的直接线性叠加。这种功率域的叠加对当前标准的影响较小,而且许多方面属于实现类技术,尤其是上行。功率域叠加的传输需要有比特级的干扰消除,接收器复杂度较高,对于终端的实现要求很高。 


更先进的非正交传输还可以利用码本的结构优化来降低对接收器复杂度的要求,使得系统更鲁棒。例如: 


(1)基于扩频码:序列具有较低的相关性,提高接收端的递进干扰消除(SIC)的鲁棒性,适用于上行免调度场景; 


(2)基于稀疏码:码本矩阵具有稀疏性,可以降低接收算法的复杂度,适用于上行免调度场景;


(3)基于比特分割:码的叠加在比特级别,可以降低下行接收算法的复杂度。


4、高频通信


传统蜂窝通信的频段在400 MHz至3 GHz。考虑到这些频段的使用已经饱和,而且5G的容量和用户速率 要求如此之高,6 GHz以上的频段很有可能广泛用于蜂 窝通信,尽管目前大家对高频是否支持广域覆盖还有不同看法。对于高频,以下两点问题需要首先研究: 


(1)高频信道的传播模型。与低频相比,高频传播的机制和散射体的电磁效应可能有很大差别。 尽管对于点到点的微波通信已经有不少测量和信道模型,但它们多是考虑视距场景,这与蜂窝通信的一般状况有较大的不同。信道建模的难度不仅体现在需要横跨6 GHz一直到100 GHz,而且大尺度和小尺度衰落都需精确,并且还得包括空间信道建模。


(2)器件成本和功放效率。对于传统的点到点通信,例如宏站之间的微波回传,器件成本和功耗一般不是制约因素。5G微信公众平台(ID:angmobile)了解到,作者进一步指出,但对于电池供电的手持终端,器件成本和功耗直接影响高频的商用可能性。由于信号失真严重、射频噪声显著,有可能只用低阶的调制方式,这对高频系统性能会有很大影响。 


高频方面,一些技术方向有望提高系统性能,弥补高频传输的某些先天不足。


(1)新的帧结构设计。高频信道与低频信道的特性有很大差异,系统带宽也会有数量级的增高,载波方式也可能不只是多载波,其它的例如单载波也有其用武之地。


(2)高频的短波长可以大大缩小天线阵列的尺寸,使大规模天线部署更有可能。高频传输的视距分量会占更高比例,基于多天线的波束跟踪技术将会有广阔的应用前景。


(3)新的网络拓扑。高频通信一般适用于近距离传输,而且很容易被物体阻挡。这种“隔离”的特性为新的网络拓扑提供了可能性,尤其是在超密集部署。


结束语


本文首先描述了5G的各类业务需求和应用场景,包括移动互联网和物联网的多种应用。接着对四大典型部署场景:广域覆盖、超密度部署、物联网和低时延高可靠的关键性能指标和潜在的技术进行了分析,突出了用户体验速率、连接数密度以及时延的指标要求。然后分别论述了四大潜在技术:大规模天线、超密集组网、非正交传输和高频通信。


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