背景介紹
1.1 前幾代移動通信的演進
| 1.2 第五代移動通信系統（5G-NR）的系統要求 |
與前四代不同的是，5G 的應用十分多樣化 [4]，峰值速率和平均小區頻譜效 率不再是唯一的要求。此外，體驗速率、連接配接數、低延遲時間、高可靠、高能效都 将成為系統設計的重要因素。應用場景也不止有廣域覆寫，還有密集熱點、機 器間通信、車聯網、大型露天集會、地鐵等，這也決定了 5G 中的技術是多元的。
1.2.1 主要場景
對于移動網際網路使用者，未來 5G 的目标是達到類似光纖速度的使用者體驗。而 對于物聯網，5G 系統應該支援多種應用，如交通、醫療、農業、金融、建築、電網、 環境保護等，其特點是海量接入。圖 1-2 所示的是 5G 在移動網際網路和物聯網 上的一些主要應用。
在物聯網中，有關資料采集的服務包括低速率業務（讀表）、高速率業務（視 頻監控）等。讀表業務的特點是海量連接配接、低成本終端、低功耗和小資料包；而視訊監控不僅要求高速率，其部署密度也會很高。控制類有時延敏感的服務 （車聯網）和不敏感的服務（家居生活中的各種應用）。
5G 的這些應用大緻可以歸為三大場景：增強的移動寬帶（eMBB）、低延遲時間高 可靠（URLLC）、海量物聯網（mMTC）。資料流業務的特點是高速率，延遲可以 在 50 ～ 100 ms 之間；互動業務的時延在 5 ～ 10 ms 之間；現實增強和線上遊戲 需要高清視訊和幾十毫秒的時延。預計到 2020 年，雲存儲将會彙集 30% 的數字 資訊量。這意味着雲與終端的無線網際網路速率将達到光纖級别。低延遲時間高可靠業務 包括對時延十分敏感的控制類物聯網應用。海量物聯網則包含衆多應用，如低速采 集、高速采集、時延不敏感的控制類物聯網等。
寬帶移動有多種部署場景，主要有：室内熱點（Indoor Hotspot）、密集城 區環境（Dense Urban）、農村（Rural）和城區宏站（Urban Macro）。室内 熱點部署主要關心的是，建築物内高密度分布的使用者的高速率體驗、追求高的 系統吞吐、一緻性的使用者體驗、每個節點的覆寫範圍較小。密集城區部署可以 是同構網或者異構網，對象是城市中心和十分密集的街區。其特點是高的業務 負載、較好的室外和室内外的覆寫。這幾種部署場景的特點可以列成如表 1-2 所示的表格。
1.2.2 關鍵性能名額和評估方法
5G 系統的關鍵性能名額（KPIs） [4] 包括峰值速率、峰值頻譜效率、帶寬、控 制面時延、使用者面時延、非頻發小包的時延、移動中斷時間、系統間的移動性、可 靠性、覆寫、電池壽命、終端能效、每個扇區 / 節點的頻譜效率、機關面積的業務 容量、使用者體驗速率、連接配接密度等。編碼作為實體層的基本技術，将對 5G 系統的 各項性能名額起着直接和間接作用。
- 峰值速率是當所有的無線資源分給一個連結，信道條件足以保證誤碼率 為 0 的條件下，除去同步信号、參考信号、頻域保護帶、時間保護間隔等開銷， 理論上能達到的最高速率。下行的峰值速率名額是 20 Gbit/s，上行的峰值速率 名額是 10 Gbit/s。高的峰值速率要求解碼器能在短時間内完成大資料塊的譯碼 過程，這也意味着信道編碼的譯碼算法複雜度不能過高，尤其在大碼長、高碼率的情形下。
- 峰值頻譜效率是峰值速率條件下機關時頻資源的頻譜效率。在高頻段，帶 寬可以較寬，但頻譜效率較低；而在低頻段，帶寬可能較窄，但頻譜效率較高。 是以，峰值速率并不能直接将峰值頻譜效率和帶寬相乘而得出。峰值譜效下行 的名額是 30 bit/（s·Hz），上行是 15 bit/（s·Hz）。高的峰值頻譜效率要求信道編 碼能夠支援接近于 1 的碼率和高的調制等級。
- 控制面的時延是指從空閑态到連接配接态傳輸連續資料這一過程所需的時 間，名額是 10 ms。使用者面時延是假設沒有非連續接收（DRX）的限制下，協定 層 2/3 的資料包（SDU）從發送側到接收側正确傳輸所需時間。對于低延遲時間高可靠 場景，使用者面時延的名額是上行 0.5 ms，下行 0.5 ms。對于無線寬帶場景，使用者面 時延的名額是上行 4 ms，下行 4 ms。有效的信道譯碼算法是降低使用者面時延的一 項重要手段。
- 可靠性定量是指一個協定層2/3的資料包（SDU）在1 ms的時間内傳輸的正确率。 信道條件一般是小區邊緣。名額是1−10−5（5個9） 。可靠性的保證很大程度取決于信道 譯碼後的殘餘錯誤機率。高可靠性系統要求信道編碼有較低的錯誤平層和較高的重傳 備援資訊。
- 電池壽命指在沒有充電的情形下能維持的時間。對于海量物聯網，電池壽 命需要考慮極端覆寫條件、每天上行傳輸的比特數、下行傳輸的比特數和電池 的容量。低複雜度的信道編解碼技術可以降低電池功耗，延長電池壽命。
- 對于無線寬帶場景，在 Full Buffer 的業務條件下，每個扇區 / 節點的頻譜 效率要求是 4G 系統的 3 倍左右，邊緣頻譜效率要求是 4G 系統的 3 倍。采用合 适的調制編碼方式，可以進一步提高系統的頻譜效率。
- 連接配接數密度的定義是在機關面積中，例如，每平方公裡範圍内，能保證 一定 QoS 條件下的總的終端機器裝置數量。QoS 需要考慮業務的到達頻度、所 需傳輸時間以及誤碼率等。在城市部署場景，連接配接數密度的名額是每平方公裡 100 萬個終端機器裝置。高的連接配接密度意味着每個終端的低成本運作，即編碼 和解碼要有低的複雜度。
使用者體驗速率、機關面積的業務容量、每個節點的頻譜效率和邊緣頻譜效 率等性能名額一般需要系統仿真。這将在室内熱點、密集城區、農村和城區宏 站部署場景中進行評估。連接配接數密度同樣需要系統仿真，在城區宏站和農村部 署場景中進行評估。另外，電池壽命也可用系統仿真進行評估。
可以通過分析的方法進行評估的性能名額包括：使用者面時延和控制面時延、 非頻發小包的時延、峰值速率和峰值頻譜效率、電池壽命等 。
需要由鍊路級（和系統級）仿真來評估的名額有覆寫和可靠性。
1.2.3 調制編碼的性能仿真參數
調制編碼的性能評估一般采用單使用者的鍊路級仿真，結果的呈現以誤塊率 （BLER，Block Error Rate）與信噪比（SNR，Signal-to-Noise Ratio）的曲線為主。 eMBB 和 mMTC/URLLC 的仿真參數有些不同，如表 1-3 所示。在研究的第一階 段采用較為簡單的 AWGN 信道，以便校準仿真結果。第二階段采用相對實際的快 速衰落信道，來考察信道編碼的魯棒性。這裡的側重點是信道編碼，是以調制采 用的是經典的 QPSK，16QAM 和 64QAM，分别對應較低、中等和較高的信噪比 工作點。碼塊長度方面，eMBB 場景的跨度較大，起點相對高，如 100 bit，反映 eMBB 業務多樣性和支援高速率的特點；mMTC/URLLC 的跨度較窄，起點較低， 如最低 20 bit，反映這兩類應用支援較低速率和小業務包的特點。碼率的範圍對比 與碼塊長度的對比類似。對于 URLLC 場景，BLER 的工作點要低到 10−5（甚至更 低），以便觀察錯誤平層。