第 1 章 背景介紹
| 1.1 前幾代蜂窩通信的演進 |
| 1.2 第五代蜂窩通信的系統要求 |
與前四代不同的是，5G 的應用十分多樣化。峰值速率和平均小區頻譜效率 不再是唯一的要求。除此之外，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考量因素。應用場景也不隻是廣域覆寫，還包括密集 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，不會像前幾代那樣，每一代都有唯一一個标志性技術。就多址技 術而言，5G 的一大特點是采用非正交資源[1-2]。
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，特點都是海量接入。圖 1-1 是 5G 在移動網際網路和物聯網 上的一些主要應用[3]。
在物聯網中，有關資料采集的服務包括低速率業務，如讀表，還有高速率 應用，如視訊監控。讀表業務的特點是海量連接配接、低成本終端、低功耗和小數 據分組；而視訊監控不僅要求高速率，其部署密度也會很高。控制類的服務有 時延敏感和非時延敏感的，前者如車聯網，後者包括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：增強的寬帶移動（eMBB）、低時 延高可靠（URLLC）、海量物聯網（mMTC）。資料流業務的特點是高速率， 時延可以在 50～100 ms；互動業務的時延在 5～10 ms；現實增強和線上遊戲需 要高清視訊和幾十毫秒的時延。到 2020 年，雲存儲将會彙集 30%的數字資訊 量，意味着雲與終端的無線網際網路速率達到光纖級别。低延遲時間高可靠業務，如 對時延十分敏感的控制類物聯網應用。海量物聯網則代表着衆多應用，包括低 速采集、高速采集，非時延敏感的控制類物聯網等。
寬帶移動有多種部署場景，比較主要的有室内熱點（Indoor Hotspot），密集 城市（Dense Urban），農村（Rural）和城市宏站（Urban Macro）[4]。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。密集城市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。特點是高的業務負載，較好的室内 外的覆寫。這幾種部署場景的特點可以用量化的形式列成表格，如表 1-2 所示。
1.2.2 關鍵性能名額
5G 系統的關鍵性能名額（KPI）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。其中與多址技術比較相關的有如下幾 點[5]。
• 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 議層 2/3 的資料分組（SDU）從發送側到接收側正确傳輸所需時間。對于低時 延高可靠場景，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。第四代 OFDM 系統是需要 嚴格的資源排程和完整的一套随機接入過程，才能進行資料的通信。5G 的非正 交免排程多址技術有望大大簡化随機接入的過程，無須嚴格的動态資源信令， 縮短控制面和使用者面時延。
• 電池壽命指在沒有充電的情形下系統能維持的時間。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。電池壽命的一個影響因素是每次随機接入和資料傳輸總共花的 時間。如果仍然采用 4G 嚴格正交的多址方式，整個接入流程很長，不利于降 低終端的能耗，而非正交多址在這方面有優勢。
• 對于無線寬帶場景，在 Full Buffer 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。正交多址 的系統并不能逼近系統的容量界。要進一步提升系統的吞吐，需要采用非正交 的多址方式。
• 連接配接數密度的定義是在機關面積裡，如每平方千米範圍内，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千米 100 萬 個終端機器裝置。4G 正交系統的設計主要是服務高速資料業務，其特點是同時 服務有限的使用者，而每個使用者有較高的吞吐。這樣的設計并不适合大的連接配接數密 度的場景，而非正交多址技術有潛力支援大量低速率的使用者/裝置同時接入系統。
###1.2.3 性能評估方法
使用者面時延和控制面時延、偶發小包的時延，以及電池壽命等名額一般采 用分析計算的方法進行評估。而系統的頻譜效率和連接配接數密度等名額需要系統 仿真。對于非正交多址，比較合适的部署場景是城市宏站和郊區宏站。原因如 下：① 城市/郊區宏站是單層網絡，無法通過密集部署低功率節點來大幅提高系統容量，在這種情況下，非正交多址成為增加系統吞吐的重要手段，尤其當 宏站的收發天線數目有限，不能利用多天線技術時；② 宏站同構網下，每個基 站的激活使用者數目較大，有利于非正交使用者的配對排程，提高性能增益；③ 由 于宏網的覆寫較大，使用者之間較有可能存在遠近效應，這無論對提高吞吐，還 是降低接收器複雜度，都很有利。
除了不可缺少的系統仿真，非正交多址的研究還需要大量的鍊路級仿真。 傳統的鍊路級仿真一般是單使用者的，因為系統仿真的資源多半在一個小區内是 正交的。但在非正交情形下，多使用者鍊路仿真有助于細緻刻畫各個使用者間的幹 擾以及幹擾消除/抑制所起的效果。這樣才能建立一個較為精确的鍊路到系統的 映射模型，使系統仿真能夠更加準确地反映每一條鍊路的性能。
| 1.3 下行非正交多址的主要方案 |