5G 关键技术 通信人家园转载
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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。
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？
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。
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！
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
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。