【5G之道】第二十四章：新的5G無線接入技術

無線接入演進和向前兼容性：

無線接入解決方案必須能夠演進并適應新的需求和新的服務特性；

新的5G RAT的3GPP規范將采用分階段方法，初始階段具有相對有限的范圍，而后續演進會確保完全符合所有確定的5G要求；

新的5G RAT不需要與前幾代向后兼容；

超精致設計：最小化始終開啟的傳輸：

每個網路節點會始終有規律的進行某些傳輸；

在LTE中，始終傳輸包括：
主和輔同步信號；
小區特定參考信號；
廣播系統資訊MIB和SIB，

始終傳輸的相反是 按需傳輸，可以在基于每個需要發起和去激活的傳輸；

平均負載相對較輕的網路節點：
在郊區和農村地區，通常部署網路基礎設施以提供一定的最低終端用戶資料速率的覆寫，而不是因為需要更多的網路容量來處理業務量；
即使由于需要更多網路容量而推動部署新基礎架構，部署的大小也是根據峰值流量來規劃的；由于業務量通常隨時間顯著變化，因此每個節點的平均負載仍然相對較低，

始終傳輸的影響：
始終傳輸將增加整個系統的干擾，從而降低可達到的資料速率；
始終傳輸將增加整體網路能耗，從而限制網路能效，

始終傳輸和向前兼容性之間的關系可以通過使用MBSFN子幀實作LTE中的中繼功能來充分說明；與正常子幀相比，MBSFN子幀包括更小的小區特定參考符號，在沒有MBSFN子幀的情況下，不可能具有保證向后兼容性；

最小化始終傳輸可以被看作是更高級的超精致Ultra-lean設計原理的一部分，表示為最小化與用戶資料傳輸不直接相關的所有網路傳輸；目的是實作更高的資料速率并增強網路能量效率；

留在盒子里：

留在盒子里，是傳輸所需的資訊應該保持在一起，并且不在資源空間上傳播；目的是實作更高程度的向前兼容性；

不滿足“留在盒子里“原則的LTE傳輸的示例是，在每個LTE子幀的控制區域中發送的物理信道（PCFICH、PHICH、PDCCH）的集合；

LTE EPDCCH與“留在盒子里“原則一致；每個EPDCCH包含在單個或幾個資源塊內，使得能更加直接的引入與EPDCCH并行的新傳輸；

避免嚴格的定時關系：

另一個重要設計原則：避免子幀邊界以及不同傳輸方向之間靜態和嚴格的定時關系；示例是LTE上行鏈路混合ARQ程序；

嚴格和靜態的定時關系還可能阻止了無線接入技術可以受益于處理能力的技術進步；

可縮放OFDM：

在上行和下行鏈路中，OFDM也是用于新的5G RAT的主要候選者；

5G無線接入覆寫非常寬的頻率范圍；1GHz-10GHz，甚至高達70-80GHz；

對于低頻譜部分，與LTE相同量級的子載波間隔就足夠了；然而對于較高頻率，需要較大的子載波間隔以便確保足夠的魯棒性，特別是在合理的成本和功率消耗下的移動設備的相位噪聲；

在較高頻譜中，使用具有較大的子載波間隔的較高階數值學來確保對相位噪聲有高魯棒性；

通過簡單的引入額外的縮放因子，可以更容易的在稍后階段引入額外的數值學；

高階數值學也可以用于低頻密集部署，

頻譜成形：

依賴于時間對準的上行鏈路的正交通常是一種好的辦法，但局限于：
必須有常規的上行鏈路傳輸，以便網路能夠估計上行鏈路定時并在需要時提供定時提前命令；
在可以啟動用戶資料傳輸之前需要建立時間對準，這樣帶來導致初始訪問中的額外延遲，同樣阻礙了尚未同步的設備的即時資料傳輸，

濾波器組多載波FBMC是另一種多載波傳輸，其中每個子載波通過濾波進行頻譜整形；

雖然必須保持子載波之間的正交性，但是OQAM調制的使用導致信道估計的困難，特別是與MIMO傳輸相結合；

在由許多符號組成的傳輸突發的情況下，該保護時間開銷將相對較小；對于低延遲傳輸，需要短突發傳輸，會導致潛在的較大的開銷；

在保持OFDM結構的同時改進頻譜限制的不同方式是對整個OFDM信號進行濾波；

也可以使用時域加窗來控制頻譜屬性；

濾波/加窗也可以用于頻譜限制載波的某些部分；還可以允許在一個載波內混合不同的OFDM數值學；

不同的數值學可以例如對應于不同的子載波間隔；

不同的數值學也可以對應于具有不同回圈前綴的相同子載波間隔，

低PAPR傳輸：

LTE上行鏈路使用了具有DFT預編碼的OFDM，以便減少發送信號的立方度量CM，從而在設備側實作更高的功率放大器，缺點是限制了傳輸的靈活性；

與較低頻譜相比，高頻譜的高功率放大器更重要：
特別是在基站側，這種高頻譜中的操作通常與大量無線相關聯，因此與大量的功率放大器相關聯；
電子元件在高頻率下的小尺寸和緊密封裝使得更難以處理過多的熱量，由于功率放大器效率低下，產生的熱量比例會更多，

當低CM是基本需求時，如在覆寫受限場景中，資料傳輸可以使用這種補充的DFT預編碼；然而也可以在OFDM之上添加其他CM減少技術的形式；

靈活雙工：

新的5G RAT也支持基于TDD和FDD的雙工方式，以便匹配存在的配對和不配對的蜂窩頻譜；

5G頻譜從1GHz到幾十個10GHz；

在該頻譜的較低部分，具有基于FDD雙工的配對頻譜將很可能占主導地位；對于由于傳輸約束將限于密集部署的較高頻率，具有基于TDD雙工的不配對頻譜起主要作用；

動態TDD：

具有基于TDD雙工的不配對頻譜的好處是，可以根據瞬時業務動態的將傳輸資源分配給不同傳輸方向；

不配對頻譜的TDD主要問題是：基站到基站和設備到設備之間的干擾的可能性；可以通過時間對準和在所有小區使用相同的下行鏈路/上行鏈路配置組合來避免；

新的5G無線接入，允許將傳輸資源或多或少的完全動態的分配給不同的傳輸方向，會有基站到基站和設備到設備的干擾產生；

廣域部署潛在干擾：
基站具有高發射功率，位于更高的位置，并且通常以高占空比發射服務多個激活設備；
設備具有低得多的發射功率，通常位于室內或室外的街道，并且通常平均以相對低的占空比傳輸，

密集部署基站和設備傳輸特性：
與廣域部署相比，密集部署中基站的發射功率將更類似于設備的發射功率；
密集部署的基站在室內和室外的街道部署；
由于更多的動態業務變化，密集部署中的基站通常將平均比較低的占空比進行操作，

什么是全雙工：

全雙工操作意味著在相同的頻率下同時接收和發送；

全雙工會導致發射機到接識訓的自干擾，可在檢測前消除；依賴于空間分離、模擬抑制和數字消除的組合；

全雙工有益的一種情況，基站之間的無線連接：
與傳統的基站/設備鏈路相比，回程鏈路在許多情況下更為孤立；
與傳統移動設備相比，與全雙工相關聯的接識訓復雜程度可能更容易包括在回程節點中；
對于回程節點，更容易在發射和接收天線之間有更多空間分離，放寬度主動干擾的抑制，

鏈路級的全雙工，在基站/設備鏈路上的雙向上的同時傳輸；

小區級的全雙工，在基站發射到一個設備，并且同時在相同頻率上接收/檢測另一設備的發射；在小區級全雙工好處，不需要再設備側支持同時的同頻傳輸和接收；

幀結構：

幀結構是再無線介面上實作低延遲的關鍵因素；低等待時間，需要短TTI，因此需要短子幀；

低鏈路級延遲要求對資料的快速解調和解碼；接識訓由于子幀內的資料的解調和解碼所需的控制資訊位于子幀的開始，可以盡早的開始解調和解碼；重傳發生在一個子幀延遲；減少混合ARQ往返時間；

對于上行鏈路，在子幀開始處發送調度授權，并且相應的上行鏈路資料填充上行鏈路子幀的剩余部分；

信道編碼：

LTE使用Turbo編碼，5G RAT也選擇Turbo編碼，還有低密度奇偶校驗LDPC碼和極化碼Polar；

LDPC碼，基于稀疏奇偶校驗矩陣的塊碼，是具有基于迭代訊息傳遞演算法的解碼；

極化碼，是第一個到達Shannon極限的已知結構化碼；極化碼不具有誤差基底，使得更容易在解碼之后實作非常低的誤碼率；但技術相對不成熟；

Turbo碼主要優點在于塊長度和碼率方面的靈活性；在Turbo碼的打孔方面的靈活性，可以很容易實作基于增量冗余的混合ARQ；

LDPC碼是針對某個塊長度和某個碼率設計的；
Turbo碼主要缺點，是在解碼器復雜性方面；

多天線傳輸和波束成形：

對于較高頻率，限制因素不是帶寬和頻譜，而是覆寫；對于較高頻率，波束成形是提供增強覆寫的工具；

廣泛使用波束成形以確保足夠的覆寫對于新的5G RAT是非常重要的；

緊密集成天線元件和RF部件實作的最近發展允許比先前使用多得多的可控天線元件；

每個天線元件具有其自己的D-A轉換器和功率放大器，并且所有波束處理在基帶中完成；

多站點連接和緊密互聯：

多站點連接意味著設備同時連接到多個站點；

在非常高的載波頻率下或者需要非常高的可靠性時，多站點連接有關鍵作用；

多站點連接還可以在低負載時提高用戶資料速率；

多站點連接可以包括同一層內的站點（層內連接），還可以同時連接到不同小區層的站點（層間連接）；多站點連接可以通過不同無線接入技術的連接；

多站點連接可以在協議堆疊中的不同級別實作：使用類似載波聚集的結構，它們通常對站點之間的回程具有嚴格的等待時間要求；將協議堆疊中較高層的資料流聚合，類似LTE的雙連接，其中聚合在PDCP層完成；

系統接入功能：

即不與用戶資料傳送直接相關，但是設備能夠訪問系統所必須的功能；

系統接入功能包括：網路通知/尋呼設備的功能，設備接入系統的功能（隨機接入）；

影響5G RAT的系統接入功能，新型別解決方案：
覆寫對于波束成形的依賴，特別是在較高頻率；
在一些部署中需要支持非常高的網路能效；
支持高度向前兼容性的目標，

覆寫依賴于波束成形意味著從鏈路預算來看廣播大量資訊會受限制；最小化廣播資訊的數量對于使用大規模波束成形來覆寫時至關重要的；

從哪些節點廣播系統資訊也具有靈活性；當沒有服務的設備時，底層的節點可以是完全不活動的；

5G RAT多層部署也是多技術部署；

系統資訊的大部分在相鄰小區之間是相同的；可以使用MBSFN從一組節點聯合的廣播系統資訊；

由于過度使用波束成形來提高覆寫，會影響隨機接入，也可能不能同時監聽所有方向上的隨機接入傳輸；

調度和基于內容的傳輸：

調度可以對傳輸活動有動態和嚴格控制，提高資源利用率；

調度需要設備從基站請求資源，在進行調度決定之后，其可以向設備提供指示用于上行鏈路傳輸資源的調度授權；

避免請求-準許階段：
向設備提供預先在特定時間內有效的調度準許，在調度授權有效時間內，設備可以在上行鏈路上不必經過請求授權階段而進行發送；
允許不需要任何授權的未調度傳輸，

在沒有提供獨占接入的授權時，不能避免來自不同設備的傳輸之間的沖突；解決：接受沖突；提高處理增益足以允許沖突傳輸的檢測和解碼，

低密度擴展LDS，可以有效的檢測碰撞信號；
LDS利用特定的擴展序列來擴展發射信號；

稀疏碼多址SCMA是LDS的修改擴展，其中LDS的直接序列擴展由稀疏碼字代替；這種稀疏碼字提供擴展的歐幾里的距離和增強的鏈路性能；

接入/回程融合：

5G時代，回程和接入融合的原因：
在5G時代，接入鏈路將擴展到10GHz以上的高頻帶，當前用于回程的頻率范圍；
在5G時代，移動網路的預期密集化將需要能夠在非視距條件下操作的無線回程，

無線回程鏈路的重要屬性：
在無線回程場景中，設備通常是不移動的；
與正常設備相比，無線回程設備可以具有更多的復雜性，包括更多的天線及發射和接收天線分離的可能性，

用于接入和無線回程的公共頻譜池不一定意味著接入鏈路和無線回程鏈路在相同的頻率上操作；許多情況下，回程鏈路和接入鏈路之間的頻率是分離的；

集成的設備到設備連接：

LTE設備到設備連接包括兩部分：
設備到設備通信，重點關注公共安全用例；
設備到設備發現，不僅針對公共安全，而且針對商業用例，

設備到設備連接應該被看做是增強5G網路內連接性的通用工具；

網路應能夠配置基于設備的中繼鏈路以增強連接質量；

為了最大限度提高設備到設備連接，應盡可能在網路控制下進行；沒有網路可用時，設備大設備的連接也應該可以作業，