5G系統關鍵技術詳解
[加]文森特·黃（Vincent W. S. Wong）
[加]羅伯特·施韋爾（Robert Schober）
[澳]德裡克·吳（Derrick Wing Kwan Ng）
王蒞君（Li-Chun Wang） 著
張鴻濤 譯
第 1 章 5G 系統新技術的概況
1.1 引 言
近年來，不同國家的無線服務提供商已經部署了第三代合作夥伴計劃（3GPP，the Third Generation Partnership Project）的長期演進技術（LTE，Long Term Evolution）和長 期演進技術更新版系統（LTE-A，LTE-Advanced）。盡管這些網絡提供了前所未有的資料 速率和服務品質（QoS，Quality of service），但是仍然無法滿足使用者需求。例如，智能手 機和平闆電腦的激增導緻了移動資料流量的顯著持續增長。事實上，僅在 2015 年，全球 移動資料流量增長了 74%，從 2.1 億位元組增長到了 3.7 億位元組[1]。此外，在未來物聯網（IoT， Internet of Things）應用和機器間通信（M2M，Machine-to-Machine）中，現有網絡并不适 應超大數量的需要無線連接配接到網絡中的裝置和應用。此外，要使網絡的增長和連接配接裝置的 數量經濟、生态可持續發展，能源效率必須大幅度提高。另外，新出現的應用如醫療保健 中的遠端手術、自動駕駛和工業機器人的無線控制等需要小于毫秒範圍的超低延遲和超高 可靠性，帶來了觸感網際網路的概念。為了支援現有移動流量的指數增長和新的無線應用和 服務的出現，全球各地的研究人員和标準化機構已經着手開發第五代無線網絡（5G，Fifth Generation of Wireless Networks）[2~6]。下一代無線網絡的一些嚴格要求見表 1.1[7]。
為了應對這些挑戰，目前網絡僅有的解決方案是不夠的。也就是說，無線接入網絡 和移動中心網絡的一個技術革新是必要的（見圖 1.1）。在無線接入網絡中，基本的、新 的實體層技術，如多入多出（MIMO，Multiple-Input Multiple-Output）、非正交多址接入（NOMA，Non-Orthogonal Multiple Access）、全雙工（FD，Full-Duplex）通信、毫米波通 信、端到端通信（D2D，Device-to-Device Communication）、可視光通信（VLC，Visible Light Communication）等将被應用。此外，利用雲計算，雲無線電接入網（C-RAN，the Cloud Radio Access Network）已經成為一種有前景且具有成本效益的移動網絡架構，以提高 5G 網絡的頻譜和能源效率。另外，通過使用包括 LTE 和 Wi-Fi 在内的不同接入技術來保證 無縫覆寫，并支援高資料速率傳輸和資料解除安裝。
在本章中，我們概述了一些預期将并入 5G 系統的令人興奮的新技術。随後的章節将 詳細介紹這些新技術。
1.2 雲無線接入網絡
由參考文獻[8]可知高峰流量需求可能高于非高峰流量需求 10 倍。然而，由于基站的 網絡資源需要滿足峰值業務的需求，是以許多基站在非高峰時段内輕載，甚至處于空閑 狀态，這導緻部署的小區站點的使用率較低。另外，由于電路功耗是基站總功耗的重要 部分，輕負載基站的能量效率可能很低。C-RAN 近被确定為 5G 網絡架構的主要備選 方案。在 C-RAN 中，基帶信号處理和無線功能被解耦。通常，C-RAN 由放置在基于雲 的資料中心的基帶處理單元（BBU，Baseband Unit）組和大量低成本的部署在小區中的 射頻拉遠頭（RRH，Remote Radio Heads）組成。BBU 和 RRH 通過移動前傳鍊路連接配接， BBU 執行集中式信号處理和幹擾管理功能，而 RRH 僅保留無線傳輸功能，通過無線信 道與使用者進行通信。
C-RAN 架構有幾個優點。第一，C-RAN 可以适應空間和時間上的流量波動，通過利 用統計複用增益來提供點播業務[9]。這樣可以減少支援峰值流量需求所需的 BBU 數量， 并可以關閉空閑狀态的 RRH 以降低功耗，進而降低網絡資本支出（CAPEX，Capital Expenditure）和營運支出（OPEX，Operating Expenditure）。第二，C-RAN 有助于實作協 作發送/接收政策，例如，增強的小區間幹擾協調（eICIC，enhanced Intercell Interference Coordination）和協作多點傳輸（CoMP，Coordinated Multipoint）[10]。利用這些合作政策， 多個 RRH 之間的有效幹擾管理可以顯著提高頻譜效率。第三，C-RAN 簡化了網絡的更新 和維護。具體來說，通用處理器或雲伺服器上的基帶信号處理的虛拟化簡化了網絡更新。
雖然 C-RAN 具有上述優點，但也提出了新的研究挑戰。第一，實際上前向鍊路具有 有限的容量，這會顯著降低 C-RAN 實作的性能增益[11]。第二，為了促進集中式信号處理 和協同傳輸政策，BBU 需要大量準确的信道狀态資訊（CSI，Channel State Information）[12]。 另外，使用者移動性導緻信道時變，增加了 CSI 的更新頻率。而且，由于訓練資源有限和 前向鍊路引入的傳輸延遲，BBU 收到的 CSI 可能不準确，可能會降低執行有效幹擾管理 的能力。C-RAN 架構将在第 2 章中進行詳細讨論。第 3 章将介紹一種在前傳容量受限時 确定 C-RAN 可實作速率的資訊理論方法。
1.3 雲計算和霧計算
無處不在的計算服務對于處理和存儲在物聯網系統中生成的大量資料至關重要。物 聯網對象的有限處理能力并不總是能夠滿足物聯網應用所需的計算能力。在這種情況下， 雲計算可以提供必要的存儲和處理能力。雲伺服器可以從不同的 IoT 裝置收集資料、存 儲資料，并運作軟體應用程式來處理和分析資料。ThingWorx、OpenIoT、Google Cloud 和 Amazon Web Services（AWS）IoT 等雲平台為 IoT 應用開發商和服務提供商提供計算 服務。後，IoT 服務提供商基于從 IoT 對象收集的資訊向 IoT 終端使用者提供服務。
對于具有嚴格延遲要求的延遲敏感 IoT 應用，正常雲服務可能不合适。霧計算[13~15] 也稱為移動邊緣計算，将雲計算擴充到網絡的邊緣。具有處理和存儲功能的 IoT 裝置（霧 節點）被部署在系統中，并代表其他裝置運作應用程式。由于霧節點位置靠近，計算服 務的延遲性能将會得到提高。另外，作為網絡邊緣裝置（例如路由器和智能網關）并具 有計算和存儲能力的霧聚合節點可以為具有更寬松等待時間要求的任務提供進一步的計 算服務。圖 1.2 說明了在物聯網系統中霧計算和雲計算可以共存。事實上，霧計算并不能 代替雲計算。這兩種計算範式相輔相成，共同提供物聯網所需的計算服務，提高了物聯 網應用的可擴充性。移動邊緣計算和霧計算将在第 4 章中詳細讨論。
1.4 非正交多址接入
無線通信系統必須同時向同一區域（例如同一小區）的使用者提供服務。為了協調和 保證多個使用者的服務，需要采用一些多址技術。前四代蜂窩系統依賴于正交多址接入 （OMA，Orthogonal Multiple Access）。特别地，第一代（1G）系統采用頻分多址（FDMA， Frequency Division Multiple Access）。實作全球移動通信系統（GSM，Global System for Mobile Communications）的第二代（2G）系統主要使用時分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）。實作通用移動通信系統（UMTS，Universal Mobile Telecommunications System）的第三代（3G）系統依賴于碼分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）。 實作 LTE 的第四代（4G）系統采用正交頻分多址接入（OFDMA，Orthogonal Frequency Division Multiple Access） 。OMA 的主要優點是在理想條件下避免了幹擾，進而大大簡化 了系統和協定設計，包括檢測、信道估計和資源配置設定。然而，在消極方面，OMA 系統中 可以支援的使用者數量受到可用正交維數的限制，實際上，由于（例如在 TDMA 和 CDMA 中）信道的頻率選擇性和（在 FDMA 和 OFDMA 中）相位噪聲和頻率偏移的影響，正交 性經常損失。此外，從資訊理論的角度來看，OMA 不是優的[16]。
OMA 的缺點可以通過 NOMA 技術來克服[17~21]。在 NOMA 中，可以在相同的資源 上（例如，在相同的時間、頻率和空間次元上）排程多個使用者。在接收機處經過連續幹 擾消除（SIC，Successive Interference Cancellation）能減少和消除由于非正交傳輸引入的 一定量的中間幹擾。由于其更有效地利用了資源，學術界和行業都将 NOMA 視為 5G 系 統的關鍵技術之一[17, 19]。雖然有幾種不同形式的 NOMA，但迄今為止受關注的兩種方 案是功率域 NOMA[18]和稀疏碼分多址接入（SCMA，Sparse Code Multiple Access）[17, 22]。
在功率域 NOMA 中，多個使用者在同一時間多路複用，在接收機處利用頻率資源和功 率差通過 SIC 分離使用者信号[20]。功率域 NOMA 與 OMA 相比，在可實作的資料速率、覆 蓋範圍和可靠性方面的優勢在參考文獻[21]中已經得到證明。此外，還研究了功率域 NOMA 與其他 5G 備選技術例如（大規模）MIMO[23, 24]和 FD 傳輸的組合。雖然主要是 5G 的備選，但是功率域 NOMA 也被考慮用于下行鍊路 LTE 傳輸在 3GPP 中的标準化[19]。
SCMA 通過重載多使用者系統來實作非正交接入。是以，在發射機處，将使用者的編碼比特 映射到複雜碼字，并使用稀疏擴充覆寫不同使用者的碼字。在接收機處，采用聯合多使用者檢測 和使用資訊傳遞算法的信道解碼技術，其中，擴充碼的稀疏性限制了計算複雜度[22]。由于 超載，SCMA 可以容納比 OFDMA 更多的使用者，并實作更高的吞吐量和連接配接性。
NOMA 目前是一個活躍的研究領域，許多挑戰尚未得到完全解決，例如，NOMA 的 基本理論資訊限制、信道編碼和調制設計；NOMA 和其他 5G 技術的內建，包括（大規 模）MIMO 和全雙工；NOMA 的安全配置，資源配置設定和硬體供應。在第 6 章中将詳細介 紹 NOMA。
1.5 靈活的實體層設計