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韩国电子通信研究院对5G愿景及关键技术的思考(二)

一、对相关使能技术的考量
 
(1)大规模MIMO技术
 
其中,在超大规模MIMO技术的实际应用之中,于移动通信基站侧的自由空间部署大量的天线(超过100幅),所主要适用的部署场景为:宏小区层面的第五代移动通信用户多址接入。
 
而且,如图1所示,宏小区网络以及小基站网络各自采取不同的物理工作频段,并可通过两维(平面)的天线阵列进行三维立体波束赋形——面向处于户外的移动通信终端设备进行水平波束赋形、面向高层建筑物进行垂直波束赋形。


 

图1  可实施灵活的波束赋形


 
此外,如果充分地发挥出MU-MIMO(Multi-User MIMO,多用户MIMO)技术增益的全部潜力,移动通信系统的容量就可以得到增强——最高可达十倍(相对于未部署相关技术之时)。
 
但是,目前,基于大规模MIMO技术的无线接入网络规范方面,尚存以下三个方面的问题:(1)面向多用户MIMO技术高效运行的多用户CSI(无线信道质量指标)反馈机制;(2)在不引入过量开销的情况之下,面向大量天线的参考信号(CSI-RS与DM RS)设计;(3)混合式波束赋形技术。
 
(2)超高密集度组网
 
在以众多小基站组网的超高密集度网络之中,高密集度的发射与接收点可以增大所在地域的移动通信系统容量(最高可到1000倍),并将可增大相关地域的无线频谱资源利用效率(终端侧实际获得的频谱效率最高可达10 bps/Hz)。
 
未来的第五代移动通信无线接入网络之中,超高密集度组网可采取分布式的网络架构(多点及多层发射/接收),均可把每一个发射/接收点作为一个无线接入网络节点,并采取独立控制或者协调式控制,如图2所示。也可采取集中式的网络架构,并以其中一个无线接入网络节点来对一组发射/接收节点进行集中管理与控制。


 

图2  分布式的超高密集度组网

但是,目前,基于超高密集度组网的无线接入网络规范方面,尚存以下三个方面的问题:(1)以用户终端为中心的虚拟小区信息方面——用户终端对于附近发射/接收节点的发现;基于临近发射/接收节点的虚拟小区运营。(2)多点多层的传输/接收方面——基于多个发射/接收节点的多层传输/接收;码书、功率控制以及用户终端反馈等。(3)干扰抑制与消除方面——在以用户终端为中心的虚拟小区之间进行协作式的移动数据传输;基于网络辅助的信号干扰抑制及消除。
 
(3)带内全双工移动通信技术
 
全双工移动通信技术又被业界称为“同时发射/接收技术”,可使得用户终端通过统一物理频段同时地接收与传输移动数据,从而将有望增大无线频谱资源利用效率(最大可提高一倍)。
 
但是,截至目前,带内全双工移动通信技术的可行性方面,如图3所示,尚存在以下三个方面的问题:(1)SIC(Self-Interference Cancellation,自干扰消除)技术不够成熟;(2)基于单幅共享型宽频带天线的带内全双工移动通信技术收/发信机中,天线侧易产生自干扰;(3)基于多幅专用型窄频带天线的带内全双工移动通信技术收/发信机中,每副天线侧易产生自干扰,而且各幅天线之间易产生射频信号的交叉调制。


 

图3


此外,目前,基于带内全双工移动通信技术的无线接入网络规范方面,如图4所示,尚存在以下四个方面的问题:(1)可以将SIC(自干扰消除)效率最大化的相关无线协议的设计;(2)同频干扰控制问题;(3)动态全双工技术;(4)无线自回程技术。


 

图4


 
(4)面向低延迟/时延的业务感知型可扩展TTI(传输时间间隔)
 
国际电信联盟无线电通信局对于未来第五代移动通信系统端到端延迟/时延的确定数值为不超过五毫秒,单向的移动数据传输延迟/时延不超过一毫秒,从而将使得提供大量的延迟/时延敏感型服务(比如车联网)成为可能,如图5所示(以蓝色标识的无线链路具有短的移动数据传输间隔,以黄色标识的无线链路具有一般的传输时间间隔)。其中,要实现低延迟/时延的数据分组传输,无线链路将采取具有更小传输间隔(低至数百微秒)的相关技术,以增强移动数据传输的可靠性。


 

图5


 
其中,可以预见的是,未来的第五代移动通信系统中将支持对于端到端延迟/时延有着不同需求的多种数据分组的传送,因此:(1)对于各类移动通信业务,为满足不同的端到端延迟/时延需求,应在同一个无线成帧结构之中支撑多个异构多层的TTIs(传输时间间隔);(2)均可支撑宏小区网络以及小基站网络(如上文中图5所示)。
 
截至目前,于此方面的无线接入网络规范,尚存在以下三个方面的问题:(1)面向低延迟/时延的新兴无线接入特征的设计问题——是采取后向兼容帧结构还是采取非后向兼容帧结构?如果要获得更短的传输时间间隔,就需要降低处理时间;为了获得低延迟/时延,需要对物理层PHY及媒介接入控制层MAC进行增强;以极小的甚至接近于零的延迟/时延进行“无缝”的网络切换。(2)为了同时支撑多种级别的TTIs(传输时间间隔),需要研发增强型的载波聚合技术等。(3)高可靠性的移动数据分组传送存在着延迟/时延方面的限制(是一对矛盾问题)——需对移动数据重传机制进行增强,研发快速HARQ(Hybrid Automatic Repeat Quest,混合式自动重传)技术以及快速ARQ(Automatic Repeat Quest,自动重传)技术;要能追踪支撑多样性——同时使用时间域、频率域与空间域等多域的网络资源。
 
(5)高级V2X(车联网)技术
 
高级V2X(车联网)通信技术可提供各种安全服务以及非安全服务。相关服务对于该技术的潜在需求为:低延迟/时延(低于5毫秒)、高可用性(大于99.9%)、高无线数据传输速率(大约100 Mbit/s)以及高移动性支持(大于280千米/时的绝对速度)。
 
移动通信国际标准组织3GPP的LTE Release 14版本将会面向各种车辆安全服务研发基础车联网通信技术。此外,对于即将得到小规模应用的一些业务(比如汽车自动驾驶、车载移动互联网、车载信息娱乐服务等)研发先进的、具备高性能的车联网通信技术。
 
截至目前,于高级车联网通信技术方面的无线接入网络规范,尚存在以下两个方面的问题:(1)增强型V2V(车辆到车辆间)通信方面——应既能支持单播机制,也能支持广播与多播/组播机制;需要研发全新的帧结构,以支持面向处于高速移动状态的用户进行低延迟及高可靠的无线数据传输;需研发可发生于联网车辆之间的多跳通信机制。(2)增强型V2I(车辆到基础设施间)通信方面——应研发对于用户高度密集分布区域的高无线数据传输速率的支撑机制;需要研发全新的帧结构,以支持面向处于高速移动状态的用户进行低延迟及高可靠的无线数据传输;为了能够快速地实现沿路无线接入网络的“无缝”切换,需要研发车辆与道路基础设施之间的高效空口技术。
 
(6)大规模无线连接技术
 
大规模连接技术主要将可被用于把近乎“海”量的IoT(物联网)设备以及MTC(机器类通信)终端设备接入到未来的第五代移动通信系统之中,数据传输的一般特性为:单位地域(每平方公里)里内的设备数量均值将可达十万部;偶尔、间隔传输;低的无线数据传输速率需求;大规模无线连接需求、终端成本低、终端的实现复杂度低、优化的窄带数据传输、本地及汇聚的无线连接等。
 
截至目前,于此大规模无线连接技术的无线接入网络规范,尚存在以下四个方面的问题:(1)需研究如何降低设备的成本及实现复杂度——低功耗、受限的MCS(Modulation and Coding Scheme,信道调制与编码策略)、单个射频单元、单幅微型/超微型天线、低/极低的无线数据传输速率。(2)大规模以及批量的无线接入方面——需研究把用于调度数据传送的相关信令降低至最小的程度;需研究通过预配置资源进行基于内容的直接上行链路无线数据传输。(3)面向窄带数据传送的无线传输优化方面——需研究面向窄带数据传送的增强型控制/数据信道结果;为支撑大量设备的接入,应研发细粒度的资源管理机制。(4)本地与汇聚的无线连接方面——研发基于多跳型D2D(终端设备间)无线链路的本地/局域无线连接机制;研发通过网管与中继设备进行汇聚型无线连接并支撑“无缝”服务持续性、一致性的相关技术机制。
 
(7)毫米波mmW物理频段的利用问题
 
总体看来,面向2020年及未来,此后各代新兴的移动通信系统将会越来越多地基于30 GHz~300 GHz之间的毫米波物理频段组网。由于该频段具有非常丰富、大频宽且连续的无线频谱资源,其上的无线通信系统就将可提供非常高的移动数据传输速率以及非常大的系统容量,预计将可为移动宽带用户随时提供泛在的1 Gbit/s速率(注:指的是用户所实际体验到的无线数据传输速率均值)。
 
如图6所示,未来的毫米波移动通信系统主要将可采取三种无线接入网络组网模式:(1)独立小区模式——以单个的毫米波移动通信小基站对目标地域进行全覆盖;(2)协作式小区模式——以毫米波小基站作为用户数据平面,而以宏小区网络作为毫米波小基站网络的控制平面;(3)Cloud RAN(“云”无线接入网络)——以毫米波小基站作为用户数据平面,而以宏基站无线单元以及毫米波无线单元作为毫米波小基站网络的控制平面。


 

图6  毫米波移动通信无线接入网络的三种组网模式展望


 
截至目前,于毫米波物理频段的无线接入网络规范方面,尚存在以下两个方面的问题:(1)需要进一步地研究毫米波无线信道的建模问题;(2)需要设计新兴的毫米波移动通信系统的无线接口/空口——需要考虑毫米波无线信号电平/功率在自由空间中的传输路径损耗,并研发可避免发生网络拥塞的相关解决方案;需要研发毫米波无线接入网络的波束赋形技术、NLOS(非视距)无线信号传输技术、无线中继技术、多点协作传输技术等;需研发毫米波无线接入网络与现有及未来各种面向低于6 GHz频点物理频段的无线接入网络的集成/整合解决方案。
 
二、第五代移动通信系统标准化的时间表
 
如图7所示,国际电信联盟无线电通信局以及移动通信国际标准组织3GPP相关的规划为三个“十五月规划”:(1)3GPP LTE Release 14(自2016年3月至2017年6月)——执行有关第五代移动通信系统的研究项目;(2)3GPP LTE Release 15(自2017年6月至2018年9月)——执行有关第五代移动通信系统的研究工作项目;(3)3GPP LTE Release 16(自2018年9月至2019年12月)——执行有关第五代移动通信系统标准的后续演进工作。


 

图7  国际电信联盟无线电通信局与3GPP的第五代移动通信系统发展路线图


 
 
参考文献:
 
[1] ETRI. 5G Vision and Enabling Technologies: ETRI Perspective[EB/OL].
ftp://ftp.3gpp.org/workshop/2015-09-17_18_RAN_5G/Docs/RWS-150029.zip, 2015-10-30.
 
本文作者为上海情报服务平台兼职情报分析员


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