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1.为什么开楼:
5G进入技术讨论也有大概两年多的时间了,现在到了真刀实枪的标准化阶段。但是现在所有的科普讨论还基本是在PR(Public Relation)阶段,都是三分讲需求,三分highlevel讲技术,三分宣传公司的角度。对科普实际没什么帮助。作为过来人,楼主许下大愿,要为5G科普做一些工作,多讲干货。

2.楼主为什么可以讲?
鉴于楼主还有正式工作,就不说名字了。楼主的工作领域就是标准领域,上研究生的时候业界正在研究3G部署,工作后正好赶上LTE标准,现在又在从事5G的标准工作。应该还是比较有发言权的。

3.到底要讲啥:
按楼主的想法,现在目标是分项目讲讲关键技术。未来可能会有所扩展,待定吧。

4.课题的顺序
由于是边想边写,顺序可能比较乱。尽量按照固定的维度去组织内容,但也不能排除多个维度组织材料,出现重复的情况。大家多包涵。

【更新】
1. 到底是什么是5G     2016.8.18   10:23
2. 自包含帧结构         
2-1. 自包含(Self-contained)帧结构 - 1   2016.8.18   23:07
2-2. 自包含子帧 - 2     2016.8.19   23:10
2-3. 自包含子帧 - 3      2016.8.20   17:35
3.多址
3-1 多址 - 引子        2016.8.26   16:14
3-2 多址 - 2             2016.9.6     22:04
3-3 多址 - 3             2016.9.10   22:46
3-4 多址 - 4             2016.9.11   9:58
3-5 多址 - SCMA      2016.11.24   22:16
  
4.毫米波
4-0 毫米波               2016.9.17  20:20
4-1 毫米波关键技术          2016.9.25  19:37
4-2 毫米波的其他应用       2016.9.25  20:35        
4-3 毫米波信道测量与建模    2016.9.28  9:33
5低时延高可靠技术
5-0 低时延高可靠技术       2016.10.11 19:30
5-1 资源分配 - 预留还是共享     2016.10.22 13:59

1. 到底啥是5G

5G是正经5G,可惜被玩儿坏了。现在到处都说是5G技术,例如全双工,已经明确的被排除出5G的备选技术。还有一些技术(重灾区是多址)注定会被大量淘汰,据说现在在提案中出现八种多址技术,楼主估计NR最终最多接受三种:eMBB两种(DL、UL),IoT接受一种(UL)。其他还有一些其他备选技术也有点悬,例如编码。

5G的正式定义来自于ITU。ITU的技术报告给出明确的三个场景、需求(KPI)、时间表(标准制定、提交、验证)。

任何的标准组织(包括3GPP、IEEE、甚至CCSA)都可以按照要求的时间(2020年Q3)提交完整的解决方案,通过ITU指定的第三方机构验证后,能够满足ITU需求的的方案就被认定为5G标准。

在3G阶段,通过验证,满足需求的标准有几个(CDMA 2000,WCDMA,TD-SCDMA,WiMAX),所以被称为IMT-2000 family。

到了4G(IMT-Advanced),虽然3GPP2和IEEE都有各自的计划,但是因为缺乏运营商支持,最终都没得到实行。实际的4G标准只有来自3GPP的LTE-Advanced (Release 10 and forward)。

5G的正式名字是IMT-2020,值得一提的是,这个名字最早是国内提出的。CAICT(信通院)领导的5G推进组英明的首创了IMT-2020这个名字(据说还注册了商标),最终被ITU采纳。

2015年6月,ITU定义了IMT-2020的需求,目前已经进入评估准备阶段。在ITU-R WP5D工作组下设立了评估工作组,正在制定评估方法和报告模板。再次值得一提的是,评估组的co-chair是中国代表彭莹。

ITU制定了计划、需求,5G还是需要具体的标准组织(SDO)落地的。目前,只有3GPP公布了完整的5G标准制定计划。计划在2019年完成全部标准,满足ITU的3个场景(eMBB、Massive IoT和URLLC)的全部KPI。其他标准组织里,IEEE近期也提出了5G计划(两种方案):采用双连接(或多连接)的方式接入3GPP 5G NR空口和提供融合了IEEE802.1多种接入方式(11ax、11ay等)的独立接入网。

对应于LTE,3GPP的5G空口技术被称为New Radio(NR)。如果没有意外,未来的5G空口技术将被称为5G NR。

2 - 1. 自包含(Self-contained)帧结构 - 1

想来想去,还是先写帧结构吧,毕竟这个对中国标准界和我都有特殊的含义。

不得不从LTE TDD的帧结构说起。

LTE项目在3GPP启动之后,国内也开始了研究工作。主要思路之一就是延续TD-SCDMA的思路,设计LTE TDD方式的技术方案。由于LTE TDD比较拗口,同时也为了和TD-S统一,改称为TD-LTE。开始老外不太明白TD-LTE是啥,后来慢慢也就认可了,现在还有一个全球性的TD-LTE推进论坛,就叫Global TD-LTE Initiatives,简称GTI。

当时的设计思路是与TD-S共享频谱,需要考虑邻频共存。由于TDD最大的干扰是交叉干扰(干扰源BS发送干扰受害BS接收),所以邻频共存就得到了一个必然的结果:TD-L的帧结构必须与TD-S完全一致 - 即0.625ms的子帧。这个设计在3GPP研究报告存在了很长时间,直到欧洲公司为了保证LTE FDD和TD-LTE设计的最大一致性,强行revise结论。TD-L的子帧被设计为和LTE FDD一致的1ms,相应的符号长度和CP长度也用了完全一样的设计。期间还有个小插曲,国内的某些领导不太满意TD-L帧结构被称为Alternative Frame structure,认为Alternative显得TD-L和LTE FDD似乎不对等,要求3GPP改为type 2 Frame Structure.

2-2. 自包含子帧 - 2

在3G、4G时代,TDD系统虽然是主流标准之一,但由于TDD频段偏高,网络覆盖较差、运营商投资高,除了中国的特殊国情以外,其他地区主流运营商采用TDD系统独立组网、运营的并不多。

话说到了5G时代,情况不太一样了。首先是新的FDD频率实在太难找了,唯一的可能就是二次数字红利(DD,Digital Dividend)广播业务退出的频段(600MHz),但这个频段涉及到广电清频这种多个行业协调问题,推动缓慢,目前只有美国进入了拍卖阶段。其次,1.8GHz – 2.6GHz之间这段频率基本都处于3G或4G的现网运营状态,何时重耕需要看政府的策略和运营商的商业计划。但是5G需要的频率量之大前所未遇,DD和重耕都不能解决实质问题,更多新频率只能在3.5GHz以上发挥了。从3.5GHz到70GHz,几乎所有的IMT备选频率都是TDD划分。

总结成一句话:5G时代真的要看TDD了。

吸取4G时代TD-LTE的设计经验,结合被广泛看好的Massive MIMO技术,5G时代TDD系统设计主要有两个目标:
1. 更快的系统反馈:为了提供更低的端到端传输时延,5G系统需要更低的RTT (消息往返时间,Round Trip Time)。在TD-LTE帧结构的七种配置中,最快的反馈大约是1ms;如果不幸的配置成了8:1的配置,最慢的系统反馈将是9ms。
2. 更快的信道测量:MIMO在TDD频段使用最大的优点是利用信道互易性,通过测量上行导频获得下行信道部分信息(波束方向)。考虑到毫米波频段的信道快速变化,5G的 TDD系统需要提供更多的上行导频发送时机。

从快速反馈的需求出发,最直接的设计就是同一个子帧里同时包含DL、UL和GP。下图是RAN1 #85会议提案中的示意图。

2016-8-19 23:13 上传

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图(a)是自包含子帧,具备三个特点 :
•        同一子帧内包含DL、UL和GP
•        同一子帧内包含对DL数据和相应的HARQ反馈
•        同一子帧内传输UL的调度信息和对应的数据信息

考虑到自包含子帧对硬件处理能力的要求很高,低端手机可能不具备相应的硬件能力,提案中也包含了图(b)中的较低要求方案。这种方案中HARQ反馈和调度都有更多的时间余量,对终端硬件的处理能力要求较低。而且,自包含子帧很容易通过信令指示终端支持这种配置。

在Verizon的V5G方案中关注到了MIMO信道测量这个问题。通过在同一个子帧内同时包含DL、UL和GP,利用UL发送RS进行信道测量。但是V5G对HARQ反馈时延要求不高,不必在同一子帧内反馈。

TD-LTE帧结构设计主要考虑了两个问题:当相邻小区UL/DL不能对齐时相邻小区的交叉干扰和GP对于小区覆盖的影响。相比于传统TDD帧结构设计,自包含子帧提供了更大的灵活性,但它是否会面临TD-LTE设计时同样的挑战呢?
•        首先是相邻小区的交叉干扰。如果相邻小区采用不能完全对齐的UL/DL配置,会有一个时间片段存在交叉部分。自包含子帧在设计时考虑了一些措施:首先将DL控制部分完全对齐,避免最重要的控制部分受到干扰;其次在数据部分通过纠错编码、HARQ等技术对抗干扰带来的影响。
•        其次是较小的GP限制了小区覆盖范围。小区的覆盖范围取决于GP的大小,即小区半径R=C(电磁波速度,即光速)* GP/2。但高频率无线电波在空气中传播损耗大,本身覆盖范围有限,相应的GP长度很小。也就是说,这个问题在载频变高后就不再是主要矛盾了。

在5月的南京RAN1会议,自包含子帧的基本设计在E、Q、Z、D几家公司共同的推动下获得了通过。可以预测,自包含子帧对5G物理层的设计会起到支柱性作用,3GPP将以此为基础,结合sub-carrier spacing等参数,尽快完成帧结构设计。

2-3. 自包含子帧 - 3

直面自包含子帧时延挑战 – Scaled Symbol Control Design

ITU的IMT-2020.VISION对5G(IMT-2020)空中信号传输时延提出了1ms要求:
“IMT-2020 would be able to provide 1 ms over-the-air latency, capable of supporting services with very low latency requirements.”

自包含子帧的设计目标之一就是在同一子帧内通过反馈UL ACK,保证低时延。可是,问题来了,手机是否真的能那么快的处理信号、并生成反馈呢?

2016-8-20 17:37 上传

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自包含子帧示意图(DL Centric)

在示意图中,为了通过快速反馈降低时延,UE会在同一个子帧内的UL符号传输针对DL数据的ACK。假设DL数据占用T0 -> T1的全部符号(蓝色),一个能够充分利用流水处理接收信号的UE会在接收到每一个DL符号之后,马上开始开始解调,解码等处理(充分流水处理也即是自包含子帧的设计理念之一)。UE将在T1 + TLatency (BS到UE的空口传输时延)时刻接收全部DL数据,在这之后大致还需要一个符号的时间来处理最后一个DL符号的数据。

为了保证小区内各个UE信号同时到达BS,UE需要在T2 - TLatency时刻发送UL ACK。也就是说,留给UE处理数据的时间大约是T2 – T1 – 2×TLatency。为保证UE有足够的处理时间,似乎必须得在帧结构里预留一个额外的符号作为数据处理时间。

举个例子:假设UE处理DL数据的时间TD较大(即TD > T2 – T1 – 2× TLatency),在帧结构设计时需要预留灰色部分来保证UE有足够的时间处理DL数据,即T22 – T1 – TLatency ≥ TD。假设小区半径1公里,空口往返延时大约6us,数据处理时间大致为一个符号35us,数据处理时间远远大于空口往返延时。

2016-8-20 17:38 上传

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很自然的想到,难道大部分灰色部分只能空着吗?能不能传点有用的数据呢?能想到这个,就必须给你点赞了。

仔细分析控制信道设计会发现,控制信道总可以归纳为两部分,一部分没有数据依赖性,另一部分则具有数据依赖性。UE可以在这个灰色时间区间发送与DL数据接收无关的信息,例如导频。把UL ACK分成两个较短的符号传输。第一个符号传输与DL数据接收无关的导频可以在数据处理的同时发送,第二个符号传输ACK在数据处理完成后再发送。这时,只要保证缩短符号(Scaled Symbol)的长度小于TD就可以了,既给UE留了足够的时间接收DL数据、生成ACK,又充分利用了时间资源。不仅如此,Ack到下一个子帧之间又留出了时间,这样不仅自包含同帧Ack实现了,子帧间无间断的HARQ处理也成为了可能!

2016-8-20 17:38 上传

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再看复杂度,缩短符号相应的FFT  size 变小了,也更便于基站接收UL  ACK的流水作业(即在原本只收到半个符号的时间点就可以开始处理导频信号了),总的复杂度不增反降,真可谓两全其美。

那么,这样做有什么代价吗?会不会影响UL传输性能呢?

假设缩短符号是按比例缩短,即CP也缩短一半,这时对抗(多径造成的)时延扩展能力会相应下降。对于UL控制信道(导频和ACK),这个影响有多大呢?

30KHz符号和60KHz符号的设计参数

2016-8-20 17:39 上传

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下图是信道时延扩展为300ns时的Geometry分布。可以看到:在Geometry较大的区域(大于22dB),Scaled CP性能开始下降。但是,采用UL缩短符号传输控制信道需要传输的仅仅是1个比特,码率非常低,Geometry工作点远远低于22dB。因此,缩短符号对控制信道的影响可以基本忽略。

3-1 多址 - 引子

5G多址有两个特点:

第一是从来没有这么公司观点如此统一:5G需要新的多址;

第二是从来没有一个技术有这么多竞争方案。

先卖个关子,说一下现有的多址技术。

教科书上写了不少,就不多说TDMA了。

到了3G时代,作为主要的技术创新点,多址技术被提到了前所未有重要程度,甚至系统都用多址技术来命名 - CDMA、TD-SCDMA、WCDMA。这三种技术本质都是使用不同的码字来区分用户地址,最初的来源都是一位美女发明家海蒂.拉玛(Hedy Lamarr)的一个想法。民用CDMA技术最大的贡献者是Qualcomm,主要解决了组网问题。关键的技术包括功率控制、软切换、Rake接收等等。在CDMA IS-95出现后,欧洲的ETSI也意识到了下一代技术的趋势会是CDMA。但是,作为后来者的ETSI面临着技术先行者Qualcomm设置的巨大专利池。为了尽量绕开专利,WCDMA采用了不同的码字设计,但是并不能避开基本的CDMA组网专利(功率控制、软切换、Rake接收等),这也是Qualcomm在3G时代声称具有核心专利的原因。

在2007年,WiMAX赶上了3G时代的尾巴,进入了IMT-2000 family。它最大的贡献就是将OFDMA技术引入了蜂窝通信系统。相比于CDMA这种窄带多址技术,OFDMA对于可扩展的宽带系统支持更好。同时,相比于传统的FDMA,OFDMA通过完全正交的相邻子载波1/2重叠,提供更高的频谱效率。OFDMA很快引起了业界的极大关注,俨然成为4G的重要备选方案。换句话说,OFDMA此时已经成为最大的移动通信技术“网红”。

IEEE力推WiMAX进入IMT-2000 family有两层含义:首先是为了使用ITU为3G划分的频率;更深一层的含义是在4G时代与3GPP正面竞争。IEEE推出的4G技术是WiMAX(802.16e)的演进版本 – 802.16m。出身较晚的WiMAX标准由于采用了OFDMA等技术,在物理层设计显示出了强大的竞争力。3GPP再次感受到了来自WiMAX的挑战和4G时代的危机。为了迎接来自16m的挑战,3GPP在LTE系统中引入OFDMA和MIMO技术,显著的提升了系统的频谱效率。同时,3GPP在自己擅长的电信网络架构方面提出了“扁平化”的低时延设计。故事的结果相信各位读者已经很熟悉了,16m由于缺少运营商的支持,最终被终止了。

虽然IEEE的802.16m失败了,但是WiMAX和16m带来的多址技术 – OFDMA取得了巨大的成功。这也是迄今为止,我们能找到的最好的移动宽带系统多址方式。

那么,为什么还会有那么多5G的备选多址技术出现呢?且听下回分解。

3-2 多址 - 2

真心后悔没有及时写完多址技术,最近三次RAN1的会议的多址技术居然呈现线性增长,搞得越写越多了。

到了八月下旬的RAN1#86,居然出现了十五种多址提案。上次会议(RAN1#85)还只有不到10种,再上次会议才几种...

这些多址技术有一个共同点,都是非正交多址,目前简称NOMA。

先分辨一个小概念 - NOMA。截止目前为止,出现过两次NOMA,分别是rel-13的LTE和rel-14的5G NR。

在Rel-13的时候,日本的NTT DoCoMo推动了一种功率域的非正交多址技术,叫NOMA。主要思路是把信道质量(SNR)相差很大的两个用户(UE1、UE2)配对,在同一个时频资源块上发送。假设UE1离基站很近,UE2离基站很远。UE2需要做串行干扰消除(SIC),把另一个UE的信号减去,得到本身的信号。好处很明显,资源利用率提高了,缺点就是UE需要引入SIC接收机,复杂度提高了。这种NOMA其实还有个学术的名字叫superposition coding,后来3GPP立项就用了这个名字叫MUST - Multi-User Superposition Transmission。根据理论分析,功率域的superposition可以把信道容量提升一些,画成图形就是直线被上拉成了抛物线。

另一个就是rel-14 5G的NOMA了。这次是一类技术的名称,就是指Non-Orthgnal MA。为什么要在5G提NOMA呢?主要是针对物联网(IoT/MTC)场景提出的。对于IoT来说,每次传输的数据量非常小,按照传统的UL资源请求、传输方式非常不划算。就是说建立连接需要的控制信令数据量已经超过payload本身了,划不来啊。而且时延也挺大,更关键的是IoT重要指标之一是省电,NB-IoT提出的指标是5W/H的电池用10年。传统的资源请求、传输的流程增加了耗电。很自然的提出一个问题:能不能减少两个步骤,变成直接竞争传输呢?这就是Grant Free或者叫Contention Based概念 - UE不请求资源,直接在UL发送。这样碰撞的概率就会增加,需要设计一种方法,在碰撞的情况下也能正确解出信号,这就需要NOMA技术了。因为NOMA可以提供非常大(比正交多址大很多)的地址空间,这样随机选择地址并碰撞的概率就大大降低了。

华为的SCMA、ZTE的MUSA、大唐的PDMA都是这类技术。其实本质都是构造一个非正交向量空间,供UE选择并传输。国内很看重多址的创新,也作为主要技术创新点大力推动。但是这种非正交多址技术其实并不是第一次提出,最早在移动通信系统中应用是CDMA2000时代,当时也是为了解决地址不够的问题,高通提出了非正交CDMA技术。这次,高通提出的RSMA技术就是非正交CDMA技术的升级技术。区别只是在于构造非正交向量的空间方法不同。

3-3 多址 - 3

如果问主席:问君能有几多愁。主席肯定说看看多址方案就知道了。

在今年四月的RAN1#84bis上,主席报告归纳了所有的NOMA方案,一共是八种。

  • For UL, Multi-user shared access (MUSA) (e.g., R1-162226)
  • Resource spread multiple access (RSMA) (e.g., R1-163510)
  • Sparse code multiple access (SCMA) (e.g., R1-162153)
  • Pattern defined multiple access (PDMA) (e.g., R1-163383)
  • Non-orthogonal coded multiple access (NCMA) (e.g., R1-162517)
  • Low code rate spreading (e.g., R1-162385)
  • Frequency domain spreading (e.g., R1-162385)
  • Non-orthogonal multiple access (NOMA) (e.g., R1-163111)

到了八月的RAN1#86会议上,主席报告再次归纳了所有的NOMA方案,就变成15种了。

  • Sparsecode multiple access (SCMA) (e.g., R1-162153)
  • Multi-usershared access (MUSA) (e.g., R1-162226)
  • Lowcode rate spreading (e.g., R1-162385)
  • Frequencydomain spreading (e.g., R1-162385)
  • Non-orthogonalcoded multiple access (NCMA) (e.g., R1-162517)
  • Non-orthogonalmultiple access (NOMA) (e.g., R1-163111)
  • Patterndivision multiple access (PDMA) (e.g., R1-163383)
  • Resourcespread multiple access (RSMA) (e.g., R1-163510)
  • Interleave-GridMultiple Access (IGMA), (e.g., R1-163992)
  • Lowdensity spreading with signature vector extension (LDS-SVE) (e.g., R1-164329)
  • Lowcode rate and signature based shared access (LSSA), (e.g., R1-164869)
  • Non-orthogonalcoded access (NOCA), (e.g., R1-165019)
  • InterleaveDivision Multiple Access (IDMA), (e.g., R1-165021)
  • Repetitiondivision multiple access (RDMA), (e.g., R1-167535)
  • GroupOrthogonal Coded Access (GOCA), (e.g., R1-167535)

主席哭了,不带你们这样的。不但没有按说好的down selection,还增加了7种。于是,主席生气了,在会场说,下次会议(RAN1#86bis)是最后一次讨论多址了,必须得有结论。大家听到后也凌乱了。

这么多多址技术既然都是CDMA扩展技术,怎么分析、比较呢?

R1-166358给出了一些分析方法。按照扩频序列来区分:伪随机长扩频码和固定码本短扩频码。

伪随机长扩频码的代表是RSMA;
固定码本短扩频码的代表是:

  • Sparse code multiple access (SCMA) (e.g., R1-162153)
  • Pattern defined multiple access (PDMA) (e.g., R1-163383)
  • Non-orthogonal coded multiple access (NCMA) (e.g., R1-162517)
  • Low code rate spreading (e.g., R1-162385)

对于NOMA技术来说,长码空间更大,碰撞概率更低,同时伪随机特性也更好,但短码可以简化多用户检测,简化接收端接收机设计。从缺点角度看,短码首先需要预先设计和优化,在传输中可能需要进行额外的功率回退避免码字不够随机而造成的PAPR,影响链路预算。

很多文献都进行了仿真比较,篇幅所限,这里就不放了。

但通过分析后结论是类似的:

1. 伪随机扩频性能更好一些,这个在CDMA时代就证明了;
2. 固定码本的扩频方法由于码字短,需要预先搜索定义优化码本。

3-4 多址 - 4

说了这么久,都是NOMA技术,难道OFDMA和SC-FDMA就不用了吗?

恰恰相反,NR正是要在eMBB场景继续用OFDMA和SC-FDMA。

下行OFDMA没什么悬念,唯一的悬念在于上行是用SC-FDMA还是OFDMA。

用OFDMA的好处在做LTE D2D的时候就讨论过,如果上行也用OFDMA,那么手机在发送D2D信号时就比较简单,可以和宏蜂窝的上行信号完全正交,并同时FTT发送。

但是缺点也比较明显,就是为了避免PAPR带来的功率回退(Power Backoff)会导致上行的覆盖(链路预算)减小。据当前分析,大概会有1-2dB的链路预算损失。

因此,预计上行采用SC-FDMA的可能性较大,毕竟已经被LTE验证过了。

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