关于5G使用的新型技术小结

0. 带内全双工（IBFD）

带内全双工（IBFD），可能是5G时代最希望得到突破的技术之一。不管是FDD还是TDD都不是全双工，因为都不能实现在同一频率信道下同时进行发射和接收信号，而带内全双工则可以在相同的频段中实现同时发送和接收，这与半双工方案相比可以将传输速率提高两倍。不过，带内全双工会带来强大的自干扰，要实现这一技术关键是要消除自干扰，但值得一提的是，自干扰消除技术在不断进步，最新的一些研究和实验结果已让业界看到了希望，但最大的挑战是实现复杂度和成本太高。

1. 非正交多址接入技术

非正交多址技术（Non-Orthogonal Multiple Access ， NOMA）的原理是在发送端采用非正交发送，人为引入干扰，在接收端通过串行干扰删除（SIC）接收机来正确解调。NOMA的子信道传输采用正交频分复用（OFDM）技术，这是一个 4G 的基础技术，子信道之间是正交的，因此就互不干扰，但是一个子信道上不再只分配给一个用户，而是分给了多个用户共享。而同一子信道上不同用户之间是非正交传输，这样会造成用户间的干扰，也就因此，在接收端要采用SIC 技术进行多用户检测。由于子信道分配了多个用户，因 此这一技术可扩大容量，此外还有干扰低、适合高速移动的优点。

2. 大规模 MIMO

MIMO是多输入输出。 4G-LTE 系统中一般是4、8 根，而大规模 MIMO可以达到上百根。这些天线以大规模阵列的方式集中放置，这样一来，基站覆盖范围内，多用户可在同一时频资源上与基站同时通信，提升频谱效率。其次，大规模天线带来分集增益、阵列增益，可提升用户与基站通信功率效率。当天线规模大时，一些随机性会变得稳定，这就使得大规模 MIMO和普通 MIMO有区别，可以成为 5G技术中一个实用 的技术。当然，大规模MIMO技术也存在一些技术上的挑战。一是大规模 MIMO信道模型问题，目前大部分研究都做了大规模 MIMO信道是独立同分布信道的假设，但这和实际情况并不完全相同，实际中信道能量往往集中在有限的方向上。

3. 超密集组网

据估计，未来无线网络将有现在10 倍多的无线节点分布，因此 5G 中超密集组网会有很大发展前景，但其中还有不少亟需解决的问题。节点距离减少，网络更加密集，拓扑就更复杂，干扰是必须面对的问题，主要会有同频干扰、不同覆盖层次间的干扰。现在的算法还难以应对。可靠有效地感知临近节点是实现大规模节点协作的前提。在超密集网中，密集的部署让小区边界数量剧增，同时形状不规则导致频繁复杂的切换。为满足移动性需求，就需要更好的切换算法。此外，网络动态部署的相关技术也是研究的重点。由于用户部署的大量节点的开启和关闭是有突发性和随机性的，网络拓扑和干扰会在大范围动态变。各小站中较少的服务用户数就容易造成业务的空间和时间分布出现一些剧烈的变化。

4. 软件定义网络

目前，无线网络面临异构问题的挑战。商用的网络里存在大量的异构网络，如：LTE、WIMAX、UMTS、WLAN等等。这些异构无线网络共存将持续相当长的一段时间。在制定标准时尽量统一，但仍然会存在新旧标准的兼容问题。这些问题困扰着运营商，增加着运营商乃至终端的成本。现在来说，异构无线网络面临的问题集中在互通，资源优化无线资源利用率不高。这些主要是因为现有移动网络用的垂直架构设计，此外，网络中的一对多模型无法针对不同服务特点提供专用定制的网络保障，从而降低了网络服务质量和用户体验。所以，在无线网络中引入软件定义网络思想将有利于运营商升级网络、用户体验的提升等。

5.毫米波通信

也可以称为高频段通信。现在所用的频段资源是非常稀缺的，随着移动通信的技术演进，载波频率不断升高。现有频段已经十分吃紧。而毫米波频段（3—60GHz）资源却非常丰富，其带宽高达 273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的10 倍，尚未被充分开发利用。并且随着基站天线规模增加，为了能够在有限的空间内部署更多天线也要求通信的波长不能太长，毫米波的元件尺寸小。从而毫米波也是备选技术之一。毫米波具有波束窄、探测能力强、传输质量高、安全保密好等优点。此外，毫米波通信已经被写进标准用于室内的多媒体高速通信。

6. 网络功能虚拟化（NFV）

NFV，就是通过IT虚拟化技术将网络功能软件化，并运行于通用硬件设备之上，以替代传统专用网络硬件设备。NFV将网络功能以虚拟机的形式运行于通用硬件设备或白盒之上，以实现配置灵活性、可扩展性和移动性，并以此希望降低网络CAPEX和OPEX。

7. 云无线接入网（C-RAN）

云无线接入网（C-RAN），将无线接入的网络功能软件化为虚拟化功能，并部署于标准的云环境中。C-RAN概念由集中式RAN发展而来，目标是为了提升设计灵活性和计算可扩展性，提升能效和减少集成成本。在C-RAN构架下，BBU功能是虚拟化的，且集中化、池化部署，RRU与天线分布式部署，RRU通过前传网络连接BBU池， BBU池可共享资源、灵活分配处理来自各个RRU的信号。C-RAN的优势是，可以提升计算效率和能效，易于实现CoMP（协同多点传输）、多RAT、动态小区配置等更先进的联合优化方案，但C-RAN的挑战是前传网络设计和部署的复杂性。

8. 网络切片（Network Slicing）

5G网络将面向不同的应用场景，比如，超高清视频、VR、大规模物联网、车联网等，不同的场景对网络的移动性、安全性、时延、可靠性，甚至是计费方式的要求是不一样的，因此，需要将一张物理网络分成多个虚拟网络，每个虚拟网络面向不同的应用场景需求。虚拟网络间是逻辑独立的，互不影响。

9. 多接入边缘计算（MEC）

多接入边缘计算（MEC），就是位于网络边缘的、基于云的IT计算和存储环境。它使数据存储和计算能力部署于更靠近用户的边缘，从而降低了网络时延，可更好的提供低时延、高宽带应用。MEC可通过开放生态系统引入新应用，从而帮助运营商提供更丰富的增值服务，比如数据分析、定位服务、AR和数据缓存等。

10. 前传和回传技术

回传（Backhaul）指无线接入网连接到核心网的部分，光纤是回传网络的理想选择，但在光纤难以部署或部署成本过高的环境下，无线回传是替代方案，比如点对点微波、毫米波回传等，此外，无线mesh网络也是5G回传的一个选项，在R16里，5G无线本身将被设计为无线回传技术，即IAB（5G NR集成无线接入和回传）。前传（Fronthaul）指BBU池连接拉远RRU部分，如C-RAN章节所述。前传链路容量主要取决于无线空口速率和MIMO天线数量，4G前传链路采用CPRI（通用公共无线接口）协议，但由于5G无线速率大幅提升、MIMO天线数量成倍增加，CPRI无法满足5G时代的前传容量和时延需求，为此，标准组织正在积极研究和制定新的前传技术，包括将一些处理能力从BBU下沉到RRU单元，以减小时延和前传容量等。

11. 软件定义无线电（SDR）

软件定义无线电（SDR），可实现部分或全部物理层功能在软件中定义。需要注意软件定义无线电和软件控制无线电的区别，后者仅指物理层功能由软件控制。在SDR中可实现调制、解调、滤波、信道增益和频率选择等一些传统的物理层功能，这些软件计算可在通用芯片、GPU、DSP、FPGA和其他专用处理芯片上完成。

12. 认知无线电（CR）

认知无线电（CR），通过了解无线内部和外部环境状态实时做出行为决策。SDR被认为是CR的使能技术，但CR包括和可使能多种技术应用，比如动态频谱接入、自组织网络、认知无线电抗干扰系统、认知网关、认知路由、实时频谱管理、协作MIMO等。

13.Small Cells

Small Cells，就是小基站（小小区），相较于传统宏基站，Small Cells的发射功率更低，覆盖范围更小，通常覆盖10米到几百米的范围，通常Small Cells根据覆盖范围的大小依次分为微蜂窝、Picocell和家庭Femtocell。

14. 低时延技术

为了满足5G URLLC场景，比如自动驾驶、远程控制等应用，低时延是5G关键技术之一。为了降低网络数据包传输时延，5G主要从无线空口和有线回传两方面来实现。在无线空口侧，5G主要通过缩短TTI时长、增强调度算法等来减低空口时延；在有线回传方面，通过MEC部署，使数据和计算更接近用户侧，从而减少网络回传带来的物理时延。

15. 低功耗广域网络技术（LPWA）

mMTC是5G的一大场景，5G的目标是万物互联，考虑未来物联网设备数量指数级增长，LPWA（低功耗广域网络）技术在5G时代至关重要。一些LPWA（低功耗广域网络）技术正在广泛部署，比如LTE-M（也称为CAT-M1）、NB-IoT（CAT-NB1）、Lora、Sigfox等，功耗低、覆盖广、成本低和连接数量大，是这些技术共有的特点，但这些技术特点之间本身是相互矛盾的：一方面，我们通过降低功耗的办法，比如让物联网终端发送完数据后就进入休眠状态，比如缩小覆盖范围，来延长电池寿命（通常几年到10年）；另一方面，我们又不得不增加每bit的传输功率和降低数据速率来增强覆盖范围，因此，根据不同的应用场景权衡利弊，在这些矛盾中寻求最佳的平衡点，是LPWA技术的长期课题。在4G时代已定义了NB-IoT和LTE-M两大蜂窝物联网技术，NB-IoT和LTE-M将继续从4G R13、R14一路演进到5G R15、R16、R17，它们属于未来5G mMTC场景，是5G万物互联的重要组成部分。

16. 卫星通信

卫星通信接入已被纳入5G标准。与2/3/4G网络相比，5G是“网络的网络”，卫星通信将整合到5G构架中，以实现由卫星、地面无线和其他电信基础设施组成天地一体的无缝互联网络，未来5G流量将根据带宽、时延、网络环境和应用需求等在无缝互联的网络中动态流动。

17. 滤波组多载波技术（FBMC）

在OFDM系统中，各个子载波在时域相互正交，它们的频谱相互重叠，因而具有较高的频谱利用率。OFDM技术一般应用在无线系统的数据传输中，在OFDM系统中，由于无线信道的多径效应，从而使符号间产生干扰。为了消除符号间干扰(ISl)，在符号间插入保护间隔。插入保护间隔的一般方法是符号间置零，即发送第一个符号后停留一段时间(不发送任何信息)，接下来再发送第二个符号。在OFDM系统中，这样虽然减弱或消除了符号间干扰，由于破坏了子载波间的正交性，从而导致了子载波之间的干扰(ICI)。因此，这种方法在OFDM系统中不能采用。在OFDM系统中，为了既可以消除ISI，又可以消除ICI，通常保护间隔是由CP（Cycle Prefix ，循环前缀来)充当。CP是系统开销，不传输有效数据，从而降低了频谱效率。而FBMC利用一组不交叠的带限子载波实现多载波传输，FMC对于频偏引起的载波间干扰非常小，不需要CP（循环前缀），较大的提高了频率效率。

18.功率复用

SIC在接收端消除多址干扰(MAI)，需要在接收信号中对用户进行判决来排出消除干扰的用户的先后顺序，而判决的依据就是用户信号功率大小。基站在发送端会对不同的用户分配不同的信号功率，来获取系统最大的性能增益，同时达到区分用户的目的，这就是功率复用技术。发送端采用功率复用技术。不同于其他的多址方案，NOMA 首次采用了功率域复用技术。功率复用技术在其他几种传统的多址方案没有被充分利用，其不同于简单的功率控制，而是由基站遵循相关的算法来进行功率分配。在发送端中，对不同的用户分配不同的发射功率，从而提高系统的吞吐率。另一方面，NOMA 在功率域叠加多个用户，在接收端，SIC 接收机可以根据不同的功率区分不同的用户，也可以通过诸如Turbo 码和LDPC 码的信道编码来进行区分。这样，NOMA 能够充分的利用功率域，而功率域是在4G系统中没有充分利用的。与OFDM 相比，NOMA 具有更好的性能增益。NOMA可以利用不同的路径损耗的差异来对多路发射信号进行叠加，从而提高信号增益。它能够让同一小区覆盖范围的所有移动设备都能获得最大的可接入带宽，可以解决由于大规模连接带来的网络挑战。NOMA的另一优点是，无需知道每个信道的CSI（信道状态信息），从而有望在高速移动场景下获得更好的性能，并能组建更好的移动节点回程链路。

参考文献：
5G关键新技术浅析
20大5G关键技术