圖片來(lái)自“東方IC”

現(xiàn)在，普通用戶對(duì)5G充滿希望，許多人認(rèn)為它將是一場(chǎng)變革——改進(jìn)的用戶體驗(yàn)、新的應(yīng)用、新的商業(yè)模式和新的服務(wù)將伴隨著千兆比速率、低延遲、大容量、低能耗更加先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性應(yīng)運(yùn)而生。 

然而，運(yùn)營(yíng)商和一些通信行業(yè)人士卻對(duì)商業(yè)案例持懷疑態(tài)度——5G技術(shù)尚不成熟、部署5G需要大量投資，警告聲不絕于耳。ITU發(fā)布的報(bào)告中曾估計(jì)，在假設(shè)光纖回程在商業(yè)上可行的情況下，5G部署成本可從小城市的680萬(wàn)美元到人口密集大城市的5550萬(wàn)美元不等；而單站的部署成本大約在20000美元到50000美元之間(注：這里提到的成本是投資成本CAPEX，不包含長(zhǎng)期運(yùn)維成本)。 

國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）在2015年9月發(fā)布M.2083-0號(hào)建議時(shí)（面向2020年及之后的國(guó)際移動(dòng)通信結(jié)構(gòu)和目標(biāo)），時(shí)任電信發(fā)展局主任的布哈伊馬?薩努就已經(jīng)意識(shí)到他們正在揭開一場(chǎng)波瀾壯闊卻又爭(zhēng)議叢生的通信行業(yè)新篇章。 

不過(guò)他或許沒(méi)有想到的是，在4年后的今天，5G會(huì)成為人工智能以后又一個(gè)熱點(diǎn)，引來(lái)全民討論和追逐，引來(lái)大國(guó)戰(zhàn)略博弈，甚至因此催化了5G商用步伐。 

有人歡喜，有人憂慮，有人覺(jué)得充滿前景，有人認(rèn)為會(huì)徹底失敗，眾說(shuō)紛紜。每個(gè)人都有自己的堅(jiān)持，本文將從需求、技術(shù)角度聊聊5G的愿景、技術(shù)，簡(jiǎn)單談?wù)勛髡邔?duì)這些技術(shù)的理解。

移動(dòng)通信系統(tǒng)演進(jìn)

自從人類社會(huì)誕生以來(lái)，如何高效、快捷、可靠地傳輸信息始終是人類矢志不渝的追求。從文字到印刷術(shù)，從歐洲古老的光信號(hào)塔到現(xiàn)代無(wú)線電，從手工轉(zhuǎn)接電話到寬帶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，可以這么認(rèn)為，現(xiàn)代科技發(fā)展速度一直被信息傳播速度所直接影響。從這個(gè)角度來(lái)看，現(xiàn)在商用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或許能被稱作全球信息傳播系統(tǒng)中的最重要組成部分。 

它的影響潛移默化，時(shí)至今日雖然很多人都因?yàn)樾畔⒈ǘ裤杰囻R郵件都慢的古銅色歷史，但如果真的沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有信號(hào)，我想大部分人的工作和生活都會(huì)無(wú)法正常進(jìn)行。 

與此同時(shí)，有一種觀點(diǎn)這么認(rèn)為，移動(dòng)通信系統(tǒng)現(xiàn)象級(jí)的成功主要來(lái)自于極為快速的技術(shù)創(chuàng)新和迭代。從20世紀(jì)70年代初貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（先進(jìn)移動(dòng)電話系統(tǒng)，AMPS）到21世紀(jì)初的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)，移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)完成了從模擬通信到數(shù)字通信、從純電路交換到全I(xiàn)P交換、從CDMA到OFDM的數(shù)次技術(shù)更新，每一次更新都帶來(lái)了更快的速度、更低的延遲和更多的特性，也帶來(lái)了更好的用戶體驗(yàn)。 

實(shí)際上，為了統(tǒng)一全球通信標(biāo)準(zhǔn)以方便用戶國(guó)際漫游等需求，自從3G以來(lái)，ITU一直致力于從各地區(qū)的工作小組和工作論壇中搜集整理未來(lái)通信行業(yè)需要解決的問(wèn)題，并每十年左右發(fā)布一次官方建議文件，作為此代通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并從全世界收集符合該目標(biāo)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)通常由類似3GPP或者IEEE的組織制定提交，由ITU驗(yàn)證評(píng)估。 

可以認(rèn)為這些快速迭代的建議目標(biāo)是符合當(dāng)下未來(lái)十年的通信需求的。當(dāng)然，因?yàn)樯虡I(yè)和政策問(wèn)題，當(dāng)存在競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，符合這些目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)集合不一定會(huì)完全成功，兩個(gè)非常典型的例子就是TD-SCDMA和WiMax。

為什么ITU需要發(fā)布IMT-2020（5G）建議？

一些數(shù)據(jù)可能能夠說(shuō)明問(wèn)題：

截止2016年底，LTE系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋了21.7億人，包含世界上大部分國(guó)家地區(qū) ，連接數(shù)幾乎以每年翻倍的勢(shì)頭增長(zhǎng)，2015年LTE的連接數(shù)達(dá)到十億，預(yù)計(jì)到2021年可能達(dá)到43億。如果想要用LTE系統(tǒng)同時(shí)服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，那么2022年左右總連接數(shù)可能達(dá)到180億，這已經(jīng)完全超過(guò)了當(dāng)前LTE系統(tǒng)的負(fù)載能力。 

當(dāng)然，一種比較簡(jiǎn)單粗暴的想法是直接增加基站，但是這樣做又會(huì)帶來(lái)很多新問(wèn)題：在4G（IMT-Advance）的設(shè)計(jì)目標(biāo)里，并沒(méi)有考慮能耗和二氧化碳排放量等等問(wèn)題；雖然3GPP提出的LTE系統(tǒng)有考慮物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，但是物聯(lián)網(wǎng)本身的關(guān)鍵性能也沒(méi)有在4G的設(shè)計(jì)目標(biāo)占據(jù)一席之地；更加嚴(yán)重的問(wèn)題是，因?yàn)?G中技術(shù)選型、調(diào)制方式設(shè)置和單載波頻帶寬度等等問(wèn)題，4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)達(dá)到它設(shè)計(jì)之初的理論速度上限[2]，與之類似的還有頻譜利用率，移動(dòng)性，服務(wù)質(zhì)量等等指標(biāo)。 

當(dāng)房子里的住戶每次走進(jìn)房門都需要考慮是不是撞到頭的時(shí)候，或許就是考慮換個(gè)門的時(shí)候了。 

因此，ITU在2015年提出了新的IMT-2020目標(biāo)，5G拉開了序幕。

IMT-2020是第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的需要滿足的目標(biāo)。單純就IMT-2020來(lái)說(shuō)，其增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶的峰值數(shù)據(jù)速率需要達(dá)到10Gbit/s，在某些場(chǎng)景下需要支持20Gbit/s的峰值數(shù)據(jù)速率；用戶有望體驗(yàn)到的帶寬達(dá)100Mbit/s；整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗應(yīng)當(dāng)比現(xiàn)存的IMT-advanced系統(tǒng)低100倍；無(wú)線往返延遲<1ms；支持500km/h的高移動(dòng)性服務(wù)等等；同時(shí)劃分了三個(gè)重要場(chǎng)景增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB），海量機(jī)器通信（mMTC）和超可靠低延遲通信（URLLC）。 

當(dāng)IMT-2020建議發(fā)布之后，ITU就當(dāng)了甩手甲方，坐等驗(yàn)收了。那么如何組織各項(xiàng)無(wú)線通信技術(shù)來(lái)構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)來(lái)滿足5G目標(biāo)，怎么設(shè)計(jì)這個(gè)通信系統(tǒng)就甩給了3GPP和IEEE等標(biāo)準(zhǔn)化組織。

5G中為了使網(wǎng)絡(luò)虛擬化，在接入網(wǎng)采用了C-RAN技術(shù)，它將基站控制單元放置在基帶池中，那么基帶池就成為了一個(gè)天然的小型數(shù)據(jù)中心。這樣的小型數(shù)據(jù)中心有能力為基站池所服務(wù)的范圍內(nèi)用戶提供一些計(jì)算/儲(chǔ)存等緩存，如果部署在基站附近，或者就是某些基站本身，這種方式我們成為邊緣計(jì)算。

怎么才能設(shè)計(jì)一個(gè)通信系統(tǒng)達(dá)到5G預(yù)想的目標(biāo)？

4G本身是比較成功的，它已經(jīng)建立了一個(gè)技術(shù)底線，那么怎么從浩如煙海的通信理論中找到可用的技術(shù)方案，據(jù)此提出標(biāo)準(zhǔn)提案，并讓所有這些標(biāo)準(zhǔn)組合起來(lái)的整個(gè)系統(tǒng)性能可以達(dá)到ITU目標(biāo)呢？更重要的是，要同時(shí)實(shí)現(xiàn)公司利益最大化？這或許是15年8月以來(lái)讓加入3GPP的各大公司最頭疼的事兒了。 

不同公司有不同的選擇：有實(shí)力的通信公司會(huì)選擇自己預(yù)研先進(jìn)的通信技術(shù)，預(yù)先布局，然后根據(jù)自己的技術(shù)積累做出提案，而沒(méi)有實(shí)力做太多預(yù)研的公司，或許需要考慮自己的利益最大化來(lái)選擇提案支持。 

不過(guò)總體來(lái)說(shuō)，有那么幾種新技術(shù)是大家都看好的，就是很多文章都有提到的： 

毫米波(mmWave)，大規(guī)模天線(massive MIMO)，網(wǎng)絡(luò)虛擬化（NFV）/切片，改進(jìn)的OFDM調(diào)制方式，Polar碼，邊緣計(jì)算，C-RAN。 

同時(shí)，優(yōu)化4G系統(tǒng)也衍生出了很多新的設(shè)計(jì)方案，所以從目前（Rel 15）來(lái)看，整個(gè)5G的調(diào)整是這樣的（如下表）： 

注：邊緣計(jì)算、C-RAN目前并未在Release 15中定義。

我想如果詳細(xì)解釋這些技術(shù)和調(diào)整，需要從頭講起。

5G的新無(wú)線技術(shù)（基站部分）

無(wú)線通信的最重要的任務(wù)之一是獲得更快的傳輸速度。對(duì)于此，我們有一個(gè)非常簡(jiǎn)單的衡量指標(biāo)：任何通信系統(tǒng)的信道容量（最大數(shù)據(jù)傳輸速度）總是可以通過(guò)香農(nóng)公式和信道容量來(lái)描述。

那么很自然的，我們始終可以通過(guò)提高無(wú)線電的頻帶寬度和信噪比兩種指標(biāo)來(lái)獲得更快的傳輸速度。為此，移動(dòng)通信系統(tǒng)的單載波帶寬從2G時(shí)代的200kHz，發(fā)展到3G時(shí)代的5MHz，4G時(shí)代的20MHz（可變），直到現(xiàn)在3GPP 5G Release15中支持最大單載波帶寬400MHz（可變）。 

注：當(dāng)前eMBB場(chǎng)景中sub 6G基站（就是目前正在商用的非毫米波基站）推薦使用的是100MHz單載波帶寬。 

而實(shí)際上，運(yùn)營(yíng)商從無(wú)線電管理部門的頻譜寬度不可能剛好是20MHz（4G）或者100MHz（5G）這樣的單載波帶寬。比如移動(dòng)在4G時(shí)代就曾獲得1880 -1900 MHz（Bands:39）、2320-2370 MHz（Bands:40）、2575-2635 MHz（Bands:41），它們的頻帶寬度分別是20MHz，50MHz，60MHz。 

這樣的現(xiàn)實(shí)情況結(jié)果是運(yùn)營(yíng)商可以選擇在自己的頻帶上同時(shí)傳輸多個(gè)載波。這些載波可以服務(wù)不同的用戶來(lái)提高小區(qū)容量,也可以同時(shí)服務(wù)一個(gè)用戶來(lái)提高單用戶峰值速率。 

當(dāng)n個(gè)單載波服務(wù)一個(gè)用戶時(shí)，用戶能獲得的頻帶寬度就是單載波帶寬的n次倍，這樣用戶體驗(yàn)到的速度也能提高n次倍。這就是另外一種通過(guò)提高帶寬，提高用戶速率的手段載波聚合。 

所以在4G后期，出現(xiàn)了很多通過(guò)支持三載波聚合獲得高達(dá)600Mbps傳輸速度的LTE-A基站和手機(jī)終端。在5G中，載波聚合會(huì)因?yàn)榭勺儙瑓?shù)得到更廣泛的應(yīng)用，比如可以將用于毫米波的400 MHz (@120 kHz)載波與用于sub 6G的100 MHz (@ 30 kHz)載波聚合，獲得更快傳輸速度。

毫米波

正如我們之前所說(shuō)，一種提高數(shù)據(jù)傳輸速率的方式是增大頻帶寬度，但是現(xiàn)實(shí)中會(huì)面臨一些囧境：現(xiàn)有的商用無(wú)線電頻段（300MHz-3GHz）因?yàn)榇┩感院?，覆蓋范圍大而太過(guò)于擁擠，這部分頻段經(jīng)很難找到閑置的頻譜用來(lái)通信。 

所以現(xiàn)有的方式就是往3GHz以上尋找可用頻段，而3GHz以上可用的頻譜之一就是毫米波頻段了。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，拋棄我們毫米波頻譜中兩個(gè)特殊的部分：氧氣吸收和水蒸氣吸收頻譜，剩余部分帶寬(252GHz)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)存的1-4G商用頻譜之和(3GHz)，足以滿足未來(lái)帶寬的需求。 

固然毫米波頻段有大量頻譜可供使用，但是依然遇到了一些基礎(chǔ)性問(wèn)題：電信號(hào)在傳播的過(guò)程中會(huì)遭遇非常嚴(yán)重的路衰和雨衰，因此毫米波一般只能用于視距通信，無(wú)法承受遮擋，而且在多障礙物的室內(nèi)會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的多徑效應(yīng)。 

注：多徑效應(yīng)的后果是接收機(jī)難以分清信號(hào)主徑，在這種情況下，不同路徑的信號(hào)會(huì)因?yàn)榈竭_(dá)時(shí)間不同，產(chǎn)生相互干擾，降低接收機(jī)信噪比。 

同時(shí)，毫米波頻段因?yàn)榻咏鯕夂退魵馕疹l段，人體會(huì)對(duì)毫米波頻段信號(hào)傳播產(chǎn)生很大衰減。這種情況下當(dāng)手機(jī)內(nèi)部天線放置不當(dāng)時(shí)，即使手握手機(jī)也會(huì)顯著影響信號(hào)質(zhì)量，這對(duì)手機(jī)廠商的毫米波天線設(shè)計(jì)方案也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。此外，毫米波芯片功耗比較大，射頻和天線部分都有較明顯的設(shè)計(jì)難題，目前國(guó)內(nèi)的部署方案主要采用sub6G頻段完成5G覆蓋，毫米波覆蓋主要在美國(guó)等國(guó)家進(jìn)行。 

雖然毫米波頻譜利用有很大挑戰(zhàn)，但是目前毫米波頻譜需要被用于5G通信已經(jīng)成為業(yè)界共識(shí)。主要原因是如果想要完成5G通信中高速數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)，毫米波頻段的使用是重中之重。因此業(yè)界一直在積極探索可能性和現(xiàn)實(shí)性。 

早在2016年初，3GPP、美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）、歐盟委員會(huì)無(wú)線頻譜政策組（RSPG）、中國(guó)工信部和韓國(guó)、日本、澳大利亞、加拿大、新加坡等國(guó)均開展了針對(duì)毫米波頻段的規(guī)劃及測(cè)量研究。在目前公布的3GPP R15中，由3GPP RAN4工作組分配及定義了52.6GHz以下頻譜，而100GHz以下的頻譜將在今年年底的R16中分配完成。

不過(guò)，目前針對(duì)毫米波頻段的使用還存在另一大爭(zhēng)議，24GHz附近的n258頻段可能會(huì)對(duì)射電天文和天氣預(yù)測(cè)等設(shè)備產(chǎn)生一定干擾，可能會(huì)影響到衛(wèi)星通信、太空探測(cè)和氣象預(yù)測(cè)等業(yè)務(wù)。根據(jù)ITU在2018年底TG 5/1工作組的無(wú)線電兼容共存報(bào)告，對(duì)于射電天文業(yè)務(wù)，23.4GHz-24GHz頻譜應(yīng)設(shè)立34-52公里的保護(hù)間隔，可以限制干擾。

但是即使如此，n258頻譜的分配也因此在美國(guó)遭到了商務(wù)部和美國(guó)航空航天局（NASA）的強(qiáng)烈反對(duì)。

大規(guī)模MIMO

為了提高空域增益，信號(hào)發(fā)射端（例如基站）可以部署多天線系統(tǒng)，并讓每個(gè)天線獨(dú)立發(fā)射信號(hào)，同時(shí)在接收端用多個(gè)天線接收并恢復(fù)信息，這種多天線使用方式我們稱之為MIMO（Multiple Input Multiple Output）。   

MIMO可以非常有效的提升數(shù)據(jù)傳輸速度，理想情況下，對(duì)于上下行天線數(shù)目相同的MIMO設(shè)計(jì)（例如有M個(gè)收發(fā)天線），那么信道容量/最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以提升M倍。

同時(shí)，MIMO也可以通過(guò)波束設(shè)計(jì)完成發(fā)射能量聚焦，從而提升接受信號(hào)能量，提升信噪比和基站覆蓋范圍。不過(guò)通常情況下這種方式所提升的覆蓋范圍會(huì)受到較為嚴(yán)重的障礙物衰減。    

這種多天線設(shè)計(jì)需要對(duì)每個(gè)天線都賦予權(quán)重，才能因此提高空間復(fù)用增益。因此傳統(tǒng)的大量無(wú)源天線需要轉(zhuǎn)變?yōu)?G時(shí)代的有源天線，這會(huì)導(dǎo)致成本提升和能耗增加。 

4G到5G的一個(gè)非常大的調(diào)整是采取了massive MIMO作為基站多天線解決方案。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Massive MIMO和MIMO這兩者的區(qū)別就是字面意思，天線陣子的數(shù)目是不是足夠大。 

天線數(shù)目越大，就越有能力提供更多的信道自由度增益，這些增益可以用做空間分集，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，也可以用做空間復(fù)用，提高數(shù)據(jù)傳輸速度。同時(shí)，當(dāng)天線數(shù)據(jù)大到一定程度時(shí)，天線的權(quán)重設(shè)計(jì)(預(yù)編碼矩陣)的算法復(fù)雜度可以通過(guò)一些簡(jiǎn)單的線性算法得到很有效的解。 

注：理論上來(lái)說(shuō)，MIMO的天線數(shù)目多少會(huì)直接影響到可以發(fā)送或者接受的獨(dú)立信息流數(shù)目（通常等于預(yù)編碼矩陣秩），因此當(dāng)我們描述MIMO系統(tǒng)時(shí)，通常會(huì)說(shuō)到基站發(fā)射天線數(shù)量以及用戶設(shè)備接受天線數(shù)量，比如4x4 MIMO代表在基站采用4個(gè)發(fā)射天線，手機(jī)采用4個(gè)發(fā)射天線，它會(huì)產(chǎn)生2個(gè)獨(dú)立信息流（預(yù)編碼矩陣秩為2）。 

由于手機(jī)內(nèi)部容量受限，對(duì)于sub 6G頻段的終端天線數(shù)目增加難度很大，目前手機(jī)中sub 6G天線數(shù)目最多的是4個(gè)，而隨著基站數(shù)目并不受限，它始終在不斷提升。因此針對(duì)基站的MIMO系統(tǒng)存在另外一種表述方式：只描述發(fā)射天線數(shù)目，比如目前所說(shuō)的MIMO 32TR是指基站擁有32個(gè)發(fā)射（Tx）信道和32個(gè)接收（Rx）信道。通常我們認(rèn)為5G中用于 sub 6G 的massive MIMO應(yīng)當(dāng)大于16TR,目前主流有16TR、32TR和64TR幾種配置。 

同時(shí)，在目前5G所采用的兩種頻段（sub 6G和毫米波）中，massive MIMO的使用方式和目的都有所不同。在sub 6G宏基站中，massive MIMO主要目的是盡量提供更多的復(fù)用增益，也就是盡量提供更多的獨(dú)立數(shù)據(jù)流給各個(gè)用戶，我們通常稱這種工作場(chǎng)景為多用戶MIMO（MU-MIMO）；而毫米波基站中，massive MIMO的主要目的是提高基站覆蓋范圍，彌補(bǔ)路徑損耗，提高單個(gè)用戶的信噪比和空間增益，我們通常稱這種工作場(chǎng)景為單用戶MIMO（SU-MIMO）。這兩種目的決定了波束賦形和預(yù)編碼的算法設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)都略有不同。         

對(duì)于設(shè)備商來(lái)說(shuō)，Massive MIMO基站的設(shè)計(jì)也遇到了成本問(wèn)題：當(dāng)天線陣子數(shù)目增加之后，單個(gè)基站的射頻信號(hào)處理鏈路（RF chain）數(shù)目也會(huì)隨之增加，這會(huì)導(dǎo)致單個(gè)基站的成本大幅度攀升。特別是毫米波基站覆蓋范圍小，這種現(xiàn)象會(huì)更為嚴(yán)重。目前普遍的做法是采用模擬-數(shù)字混合鏈路設(shè)計(jì)方案來(lái)代替原本的純數(shù)字鏈路設(shè)計(jì)，以達(dá)到降低成本的目的。

波束管理和初始接入

Massive MIMO 可以非常有效的提高用戶數(shù)據(jù)傳輸速率和基站覆蓋范圍，也能提升單個(gè)基站的用戶容量。

然而多天線所形成的波束經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)（波束賦形）之后雖然能量會(huì)上升，同時(shí)覆蓋范圍會(huì)上升，但是單個(gè)波束的照射區(qū)域大小卻會(huì)下降。它們之間的對(duì)比就像電燈泡和手電筒。

這種情況下，用戶可能僅僅數(shù)米就能走出波束的照射范圍；更重要的問(wèn)題是，低照射范圍會(huì)面帶來(lái)用戶接入問(wèn)題。 

注：在sub 6G基站中，因?yàn)橥^(qū)內(nèi)可能會(huì)存在多個(gè)波束用來(lái)服務(wù)不同用戶；當(dāng)2個(gè)或者2個(gè)以上波束照射區(qū)域重疊時(shí)，同頻用戶會(huì)發(fā)生波束間干擾；甚至當(dāng)用戶接入此基站時(shí)，也需要鑒別自己接入的是波束序號(hào)，以確定自己的資源分配方案。 

因此，如何正確管理和切換Massive MIMO小區(qū)中波束，是另外一大4G和5G的不同。因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題與傳統(tǒng)的4G小區(qū)切換和初始接入相同，所以有人稱5G中massive MIMO會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)小區(qū)分裂為多個(gè)扇狀小區(qū)。 

波束管理的目的是為了中確認(rèn)并維持一個(gè)或多個(gè)用戶-基站間的可用波束，它需要確定適合當(dāng)前用戶的最佳波束、測(cè)量用戶與基站之間的信道狀態(tài)、調(diào)整massive MIMO中的波束成型算法以跟蹤用戶。當(dāng)用戶存在另外的最佳波束時(shí)，對(duì)用戶做出波束切換。 

而當(dāng)用戶接入時(shí)，初始接入就是波束管理的第一步。 

當(dāng)一個(gè)用戶在另一個(gè)sub6G基站范圍內(nèi)出現(xiàn)時(shí)（不考慮小區(qū)切換），會(huì)啟動(dòng)初始接入階段。這個(gè)階段大致分為三步，波束掃描同步信號(hào)和小區(qū)信息、用戶發(fā)起隨機(jī)接入請(qǐng)求并微調(diào)基站波束朝向、用戶微調(diào)自身接收完成波束匹配和綁定。這樣單個(gè)用戶在基站范圍內(nèi)就擁有了特定的波束來(lái)追蹤用戶軌跡，提供通信服務(wù)。

LTE-NR載波聚合/雙連接

上文中有提到，LTE-A系統(tǒng)中采用載波聚合來(lái)提升單個(gè)用戶可獲得的帶寬，通過(guò)允許用戶在多個(gè)載波上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)來(lái)提升峰值數(shù)據(jù)速率。其實(shí)載波聚合中最簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)景是在相同的工作頻段中使用連續(xù)子載波（帶內(nèi)連續(xù)載波）進(jìn)行聚合。但是這并不普遍適用，很多情況下，LTE系統(tǒng)中聚合的是帶外非連續(xù)載波。

注：LTA-A中支持最大5載波聚合，提供100MHz的可用帶寬，而LTA-A Pro中支持最大32載波聚合，提供640MHz的可用帶寬。

而3GPP中定義的載波聚合只能允許單用戶在對(duì)來(lái)自同一基站的載波進(jìn)行聚合，當(dāng)有來(lái)自2個(gè)基站的載波時(shí)需要同時(shí)接收時(shí)，這種方式被稱為雙連接（Dual Connectivity）。雙連接可以允許用戶同時(shí)在來(lái)自兩個(gè)不同基站的多個(gè)載波上同時(shí)傳輸和發(fā)送數(shù)據(jù)，這兩個(gè)基站分別被稱為主基站和第二基站。 

注：因?yàn)?G中將會(huì)采用多種頻譜覆蓋同一區(qū)域，同時(shí)會(huì)將控制數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)分離，這會(huì)導(dǎo)致異構(gòu)小區(qū)大量存在，在這種情況下采用雙連接來(lái)連接宏基站和微基站是非常必要的。

在5G部署初期的非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）階段，5G基站將會(huì)錨定在4G系統(tǒng)中，而LTE系統(tǒng)和5G NR系統(tǒng)頻段不同，基站也不同。這時(shí)候可能會(huì)采用雙連接來(lái)同時(shí)處理來(lái)自eNB和gNB的多頻段載波信息。

從目前來(lái)看，載波聚合和雙連接均會(huì)被用在5G NSA組網(wǎng)中。理論上5G NR的載波聚合可以獲得高達(dá)1GHz頻譜，同時(shí)傳輸不同幀的數(shù)據(jù)，同時(shí)也能加快5G中NSA網(wǎng)絡(luò)的部署（僅僅需要添加5G基站，不需要過(guò)多更改4G核心網(wǎng)）。

先進(jìn)信道編碼（LDPC/Polar碼）

在所有數(shù)字通信系統(tǒng)中，信道編碼和譯碼都是提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性的重要組成部分。數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中總會(huì)因?yàn)樾诺朗д?、噪聲和干擾等影響，導(dǎo)致接收信號(hào)后譯碼產(chǎn)生誤差，達(dá)不到實(shí)用要求。 

香農(nóng)第二定理告訴我們，只要數(shù)據(jù)傳輸速率小于信道容量，就會(huì)存在一種編碼，使誤碼率任意小。5G中新采用的LDPC碼和Polar碼就是目前性能優(yōu)異的信道編碼方案之二，它們都屬于線性分組碼。 

實(shí)際上當(dāng)時(shí)5G中信道編碼的候選方案有四種，其中三種畢竟有競(jìng)爭(zhēng)力：接近香農(nóng)極限的Turbo碼、LDPC碼和達(dá)到香農(nóng)極限的Polar碼。 

注：2G、3G、4G時(shí)代一直在采用Turbo碼，而LDPC碼在WiFi、固定通信等場(chǎng)景中得到使用，Polar碼則是近些年編碼領(lǐng)域的新星。 

由于信道編碼是物理層最基本的技術(shù)，信道編碼方案對(duì)系統(tǒng)的性能有直接影響。在20Gbit/s的峰值速率要求目標(biāo)下，系統(tǒng)對(duì)用戶面和控制的延遲要求很高，信道編碼的譯碼器單次譯碼延遲需要控制在幾到幾十s以內(nèi)，同時(shí)要求譯碼器有合理的芯片面積和功耗。 

根據(jù)5G系統(tǒng)對(duì)可靠性的要求，需要在eMBB場(chǎng)景在塊誤碼率以上沒(méi)有錯(cuò)誤平層，在URLLC場(chǎng)景場(chǎng)景在塊誤碼率以上沒(méi)有錯(cuò)誤平層。這個(gè)要求Turbo碼很難滿足，而且它的算法復(fù)雜度過(guò)高，雖然可以采用并行架構(gòu)提升編譯速度，但是隨之而來(lái)的功耗提升和芯片計(jì)算能力要求也不利于實(shí)際使用。所以Turbo碼是需要在5G標(biāo)準(zhǔn)中替換的。

Polar碼是2009年由Erdal Arikan教授提出的新型線性分組碼，主要是采用信道極化思想，利用極化而來(lái)的“理想信道”傳輸未知信息比特，利用“非理想信道”傳輸已知信息比特。對(duì)于這種方式，一些同學(xué)把它形象稱為“放棄差生，提升優(yōu)等生”。在諾基亞的研究中證明，Polar碼在短碼領(lǐng)域也存在顯著的算法復(fù)雜度提升，它的算法復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于Turbo碼和LDPC碼，是短碼中最優(yōu)編碼方案之一，目前被作為5G中控制信道的數(shù)據(jù)傳輸方案。 

注：3GPP目前采用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)輔助的Polar碼方案，使Polar碼獲得接近甚至在短碼上超過(guò)Turbo和LDPC碼的糾錯(cuò)能力。在無(wú)線通信常用的中長(zhǎng)碼配置下，能夠獲得大約0.5dB的增益；短碼配置下甚至能夠獲得大于1dB的增益。 

而LDPC碼是1963年由Robert Gallager提出，它是根據(jù)奇偶校驗(yàn)矩陣來(lái)定義的一種線性分組碼，通過(guò)稀疏非系統(tǒng)矩陣校驗(yàn)碼塊，并最終根據(jù)判決準(zhǔn)則判斷碼字。

相比Turbo碼，LDPC碼具有較小的譯碼錯(cuò)誤和譯碼復(fù)雜度，且碼長(zhǎng)大于200時(shí)無(wú)錯(cuò)誤平層，并且可以實(shí)現(xiàn)并行操作，有利于硬件實(shí)現(xiàn)，且在長(zhǎng)碼字時(shí)算法復(fù)雜度優(yōu)于Polar碼，所以它被票選為5G中數(shù)據(jù)信道的傳輸方案。

先進(jìn)的波形（Release 15中未定）

學(xué)通信的同學(xué)應(yīng)該都對(duì)正交頻分復(fù)用（OFDM）有相當(dāng)深刻的印象，OFDM是目前主流通信標(biāo)準(zhǔn)都在采用的波形，包括3GPP LTE和IEEE 802.11（Wi-Fi）系列。當(dāng)它被用作多址接入時(shí)，被稱作正交頻分多址接入（OFDMA）。

在LTE系統(tǒng)中，上行鏈路采用的是采用的是采用循環(huán)前綴的離散傅里葉變換-擴(kuò)頻OFDMA（DFT-s-OFDMA），下行鏈路采用的是單載波頻分復(fù)用（SC-FDMA）。不得不說(shuō)，SC-FDMA其實(shí)并不先進(jìn)。 

實(shí)際上，傳統(tǒng)的帶有循環(huán)前綴的OFDM因?yàn)閭鬏斝矢?，?shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，與MIMO系統(tǒng)天然適合等優(yōu)點(diǎn)，但是OFDM系統(tǒng)普遍要求精確的時(shí)鐘同步來(lái)維持載波間的正交性，在實(shí)際應(yīng)用中，普遍采用的方案是增加更多的時(shí)間同步信號(hào)和循環(huán)前綴來(lái)保證載波同步，這樣卻會(huì)帶來(lái)更多的時(shí)間開銷，這不利于5G中低延遲目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)；同時(shí)OFDM的帶外輻射過(guò)高，峰均比過(guò)大等問(wèn)題也需要解決。 

因此，各個(gè)通信廠商提出了濾波正交頻分復(fù)用(Filtered-OFDM.f-OFDM)、濾波器組OFDM（FB-OFDM）等波形，來(lái)獲得更高的時(shí)頻效率和更好的帶外輻射特性，以滿足5G通信要求。目前華為提出的f-OFDM是呼聲最高的一種選擇。 

目前MIMO技術(shù)已經(jīng)在5G系統(tǒng)中得到了廣泛使用，F(xiàn)B-OFDM雖然帶外衰減性能最好，但是與MIMO不宜結(jié)合，所以目前處境比較困難[5]。我們這就重點(diǎn)介紹一下f-OFDM技術(shù)。 

顧名思義，f-OFDM主要采取的措施是在發(fā)送前對(duì)OFDM信號(hào)進(jìn)行濾波處理，這樣的好處是可以獲得更加靈活的信號(hào)設(shè)計(jì)方案，可以配置載波間隔、循環(huán)前綴、濾波器系數(shù)等參數(shù)，來(lái)滿足5G的多樣性需求和一種特殊的要求--軟件定義空口。此外，f-OFDM也集成了OFDM中復(fù)雜度低、頻譜效率高等優(yōu)點(diǎn)，也可以通過(guò)配置克服OFDM中帶外輻射高、幀結(jié)構(gòu)固定等問(wèn)題，甚至能通過(guò)DFT預(yù)編碼來(lái)克服OFDM的均峰比過(guò)高的問(wèn)題。 

注：3GPP 86次RAN會(huì)議上討論并仿真了再新的PA模型下f-OFDM和OFDM的系統(tǒng)性能，結(jié)果顯示在3個(gè)用戶功率平均分配，保護(hù)間隔為12個(gè)子載波時(shí)，f-OFDM會(huì)獲得1dB的性能提升。   

為了獲得上述優(yōu)點(diǎn)，f-OFDM所需要付出的僅僅是增加幾個(gè)可配置濾波器，所以說(shuō)f-OFDM是目前呼聲最高的一種選擇。 

此外，很多人認(rèn)為OFDM波形用于多址接入很可能不能滿足mMTC場(chǎng)景多址接入的需求，因此3GPP RAN1 在 2016 年中的會(huì)議決定：eMBB 場(chǎng)景 的多址接入方式應(yīng)基于正交的多址方式（OFDMA），非正交的多址技術(shù)只限于 mMTC 的上行場(chǎng)景。

這樣非正交頻分多址(NOMA)也成為了一種研究熱點(diǎn)，吸引了大量目光。華為的SCMA、中興 MUSA 和大唐的 PDMA 等將在Release 16中競(jìng)爭(zhēng) mMTC 的上行多址方案。

可變幀結(jié)構(gòu)/可變命理/極簡(jiǎn)載波

對(duì)比4G LTE，5G中最突出的配置是可變的numberology（符號(hào)長(zhǎng)度和子載波間隔），因?yàn)榭勺兠恚?G的幀結(jié)構(gòu)可根據(jù)場(chǎng)景變化，且更加靈活，甚至因此可以為不同場(chǎng)景配置不同帶寬。5G的命理（numberology）已經(jīng)在3GPP 38.211中確定，所以這里可以詳細(xì)聊一聊。   

在5G中，numberology主要由一個(gè)特定參數(shù)μ來(lái)代表，一般與子載波間隔間的換算關(guān)系是 KHz，當(dāng)μ為0時(shí)，是最基礎(chǔ)的子載波15KHz，具體的配置如下表所示： 

如上所述，在5G/NR中支持多種numberology，并且根據(jù)numberology類型的不同，無(wú)線電幀結(jié)構(gòu)略有不同。然而，不管numberology和μ如何，一個(gè)無(wú)線電幀的長(zhǎng)度和一個(gè)子子幀的長(zhǎng)度是相同的。無(wú)線電幀的長(zhǎng)度總是10毫秒，子幀的長(zhǎng)度總是1毫秒。

那它們?yōu)槭裁磶Y(jié)構(gòu)不同呢？

主要是因?yàn)槊總€(gè)子幀中的slots數(shù)目不同，以及slots中的OFDM符號(hào)數(shù)目不同。我們以正常循環(huán)前綴，μ為1時(shí)，子載波間隔30kHz這個(gè)配置為例。此時(shí)每個(gè)無(wú)線電幀中有10個(gè)子幀，每個(gè)子幀中有2個(gè)slots，而每個(gè)slots由14個(gè)OFDM符號(hào)組成，這樣每個(gè)slots長(zhǎng)度1ms/2=0.5ms。 

當(dāng)正常循環(huán)前綴，μ為2時(shí)，子載波間隔是60kHz，此時(shí)每個(gè)無(wú)線電幀中有10個(gè)子幀，每個(gè)子幀中有4個(gè)slots，而每個(gè)slots由14個(gè)OFDM符號(hào)組成，這樣每個(gè)slots長(zhǎng)度1ms/4 = 0.25ms。

以此類推。

具體的幀長(zhǎng)度配置可以查閱38.211-4.3.2-1表。

可變幀長(zhǎng)度和可變命理使得5G的幀結(jié)構(gòu)在毫米波、sub6G頻段均可通用，且為跨頻段的載波聚合和雙連接奠定了基礎(chǔ)，也使5G在URLLC場(chǎng)景可以通過(guò)更改幀結(jié)構(gòu)，獲得更低的延遲，在eMBB場(chǎng)景獲得更多的子載波帶寬，為以后的擴(kuò)展奠定了基礎(chǔ)。 

5G中幀結(jié)構(gòu)的另一個(gè)改變是采用了極簡(jiǎn)載波的概念。

正如之前所說(shuō)，LTE系統(tǒng)需要每10ms啟用一次廣播信號(hào)（紅色部分），每5ms啟用一次同步信號(hào)（圖中藍(lán)色為Primary synchronization，淺藍(lán)色為Secondary synchronization），同時(shí)，LTE系統(tǒng)需要大量的小區(qū)參考信號(hào)（圖中黑點(diǎn)）。5G中，因?yàn)榭赡懿捎酶玫牟ㄐ魏透玫挠布?，?duì)OFDM信號(hào)正交性的要求降低，因此降低了同步要求，同時(shí)在把信令壓縮，取消了所有的小區(qū)參考信號(hào)，每20ms同步和廣播一次。 

這種極簡(jiǎn)載波設(shè)計(jì)極大的降低了信令開銷，降低了延遲。

網(wǎng)絡(luò)切片/虛擬化/C-RAN

在5G的設(shè)計(jì)中，需要支持物聯(lián)網(wǎng)、語(yǔ)音、通話等等多種業(yè)務(wù)，而不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求差異非常明顯，不同業(yè)務(wù)指標(biāo)需要的資源也完全不同，而且其中的一些參數(shù)是無(wú)法兼顧的。具體見(jiàn)下圖：

如果想要在一張網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)支持多種場(chǎng)景，那么最好的方式是不同業(yè)務(wù)采用配置不同的網(wǎng)絡(luò)路徑，經(jīng)過(guò)不同網(wǎng)元，這種技術(shù)被稱為網(wǎng)絡(luò)切片（Network Slicing）。那么很容易理解，網(wǎng)絡(luò)切片的先決技術(shù)是需要能夠通過(guò)軟件控制各個(gè)不同的網(wǎng)元，也就是網(wǎng)絡(luò)虛擬化或者被稱為軟件定義網(wǎng)（NFV/SDN）。

其實(shí)SDN已經(jīng)在4G LTE網(wǎng)絡(luò)中得到了很多廣泛的應(yīng)用，也已經(jīng)比較成熟。SDN/NFV通過(guò)把傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)單元（MME、PCRF、P/S-GW）和基站（接入網(wǎng)單元，C-RAN）替換為放在機(jī)房中的虛擬機(jī)池，并通過(guò)軟件控制。 

注：這里的機(jī)房可能放置在大型數(shù)據(jù)中心中（核心云），也可能放置在小型城鎮(zhèn)的數(shù)據(jù)中心或者小型區(qū)域中（邊緣云）。當(dāng)基站的控制單元被放入機(jī)房，外部只留下AAU時(shí)，這些控制單元被稱作云接入網(wǎng)（C-RAN）。 

這種方式可以帶來(lái)很多好處，比如核心網(wǎng)絡(luò)的功耗可以通過(guò)數(shù)據(jù)中心的集中管理得到控制，比如可以針對(duì)不同的業(yè)務(wù)配置不同的服務(wù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（QoS）等等。實(shí)際上，網(wǎng)絡(luò)單元的云化和虛擬化也是大勢(shì)所趨，能極大的降低運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本，這也是運(yùn)營(yíng)商的根本利益。所以移動(dòng)、聯(lián)通和電信等運(yùn)營(yíng)商對(duì)SDN、NFV和C-RAN等網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)有很高的渴望。

狹義來(lái)說(shuō)，5G僅僅是一個(gè)跨越物理層和MAC層的無(wú)線通信技術(shù)合集，定義了一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)，而系統(tǒng)中的各種技術(shù)應(yīng)用都是牽一發(fā)而動(dòng)全身的，比如因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)虛擬化的應(yīng)用，5G波形很有可能會(huì)采用f-OFDM來(lái)獲得更靈活的空口配置，實(shí)現(xiàn)軟件定義空口這個(gè)概念；比如因?yàn)樾滦筒ㄊ牟捎茫帕畈糠挚梢苑艑拰?duì)時(shí)間同步的要求，從而采用更簡(jiǎn)化的信令設(shè)計(jì)；比如因?yàn)閙assive MIMO的采用，基站接入部分就需要制定良好的波束管理和新的初始接入方案；而因?yàn)楹撩撞ɑ竞托^(qū)覆蓋的下降，又帶來(lái)兩個(gè)新特性： 

超密集網(wǎng)絡(luò)部署和微波接收回傳一體化 

現(xiàn)實(shí)中，因?yàn)?G即將采用的毫米波傳輸和sub 6G基站的覆蓋范圍都遠(yuǎn)不及4G時(shí)代，所以基站密集部署（Ultra Dense Deployment）將會(huì)是一個(gè)現(xiàn)實(shí)情況；運(yùn)營(yíng)商需要通過(guò)縮短各個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的距離，改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，以促使終端在熱點(diǎn)區(qū)域獲得更多頻譜，并讓用戶在邊緣區(qū)域也獲得更好的性能。

當(dāng)用戶同時(shí)被多個(gè)基站覆蓋時(shí)，就會(huì)因?yàn)樽虞d波頻段被同時(shí)占用而存在可能的小區(qū)間干擾問(wèn)題，超密集網(wǎng)絡(luò)會(huì)帶來(lái)更嚴(yán)峻的小區(qū)間干擾挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)也將會(huì)成為未來(lái)的現(xiàn)實(shí)。 

不過(guò)超密集網(wǎng)絡(luò)也存在一些好處，比如因?yàn)楹撩撞ɑ镜拇髱?，所以從從核心網(wǎng)絡(luò)到基站部分的數(shù)據(jù)傳輸（前傳和回傳）有可能通過(guò)閑置的毫米波頻帶，通過(guò)毫米波基站接力來(lái)完成，傳統(tǒng)的前傳解決方案是純光纖前傳，在國(guó)外的一些無(wú)法部署光纖地區(qū)，存在微波回傳基站。

這種技術(shù)，我們稱為微波接收回傳一體化。有望可以降低運(yùn)營(yíng)商承載網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)成本。 

邊緣計(jì)算

5G中為了使網(wǎng)絡(luò)虛擬化，在接入網(wǎng)采用了C-RAN技術(shù)，它將基站控制單元放置在基帶池中，那么基帶池就成為了一個(gè)天然的小型數(shù)據(jù)中心。這樣的小型數(shù)據(jù)中心有能力為基站池所服務(wù)的范圍內(nèi)用戶提供一些計(jì)算/儲(chǔ)存等緩存。這種方式我們成為邊緣計(jì)算。

邊緣計(jì)算可以創(chuàng)造出一個(gè)高性能、較低功耗、低延遲和高帶寬的電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)環(huán)境，可以被擴(kuò)展為城鎮(zhèn)級(jí)或者小區(qū)級(jí)的小型數(shù)據(jù)中心。它可以解決很多亟需低延遲的應(yīng)用問(wèn)題，比如云游戲。 

運(yùn)營(yíng)商本身也能通過(guò)邊緣計(jì)算擴(kuò)展自身的業(yè)務(wù)范圍，提供超低延遲的特殊云服務(wù)，而不是僅僅局限于擔(dān)當(dāng)單一的傳輸管道。