第五代无线通信系统新接入技术的研究
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摘要：为了研究第五代无线通信系统新接入技术，从3GPP提出的第五代无线通信系统新无线项目研究目标和主要应用场景入手，详细探讨了NR项目研究阶段中的关键技术，并分析了3GPP NR标准化的路线图。相关的研究人员可以根据标准化进度的要求，参考相关关键技术点开展进一步研究，提出更有竞争力的设计方案。
关键词：无线接入 波形设计 多址接入
1 引言
随着4G的成功商用以及移动互联网业务井喷式的发展，尤其是视频业务的拓展，对更高速率、更低时延，更大系统容量的无线通信技术的需求与日俱增。另外一个方面，以IoT为代表的“万物互联”对无线通信系统提出了海量的接入用户数以及低功耗的特征。国际通信标准化组织3GPP已经明确，下一代无线通信系统将支持这些典型应用场景。在接入技术的选择方面，3GPP采取原有4G技术持续演进和引入新的无线接入技术相结合的策略，以实现既可以兼容现有系统并使之平滑过渡，又可以以全新技术满足新应用需求的目标。在这种背景下，3GPP决定开展新的无线接入技术的研究工作，包括NR研究项目的目标及其应用场景以及NR SI（New Radio Access Technology Study Item，新无线接入技术研究课题）当前讨论的关键技术。本文将详细介绍NR（New Radio，新无线）项目的目标与应用场景及现阶段研究的关键技术，并对3GPP标准中5G发展的路线图进行解析。
2 新无线接入技术及其关键技术
在2016年3月的3GPP第71次RAN全会上，会议通过了RP-160671“Study on New Radio Access Technology”的研究n题立项，以研究面向5G的新无线系统频段、物理层核心技术、协议体系架构等最关键的问题。在3GPP中将该研究课题缩写为NR SI。
2.1 NR研究项目的目标及其应用场景
NR SI设定的主要的研究目标如下：
（1）新的RAT（Radio Access Technology，无线接入技术）将考虑100 GHz以下的全部频段范围。
（2）设法实现如下的具体目标：以单一的技术架构框架，满足TR38.913设定的全部应用场景，包括：
1）增强的移动宽带；
2）大规模机器类型通信（Machine-type-commu-nication）；
3）超可靠性和超低时延通信。
（3）该课题初期的高优先级研究内容包括：
1）新RAT技术的基础物理层信号结构：
基于OFDM的、具备潜在支持非正交、多址接入的波形技术；
基本的帧结构设计；
信道编码方案。
2）无线空口协议架构及处理过程。
3）无线接入网架构、接口协议及处理过程。
NR将考虑将频率范围扩展至100 GHz以下全部可用的频段，同时以统一的新空口技术架构框架支持5G的三大应用场景和需求。
2.2 NR SI当前讨论的关键技术
（1）波形设计
基于参与3GPP标准制定的各公司的讨论，目前波形设计主要方案应基于OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术），候选技术包括以下几种：
1）OFDM with CP：该方案是目前多载波宽宽无线系统中使用最广泛的多载波waveform（如LTE和802.11），可以通过FFT/IFFT高效实现。
2）DFT-s-OFDM with CP：这个与LTE UL上行的SC-FDMA是相同的处理方法。
3）Filtering and/or windowing on OFDM/DFT-s-OFDM with guard interval：该方案包括了针对每个子载波的滤波方案（如OFDM-OQAM、GFDM），以及针对子载波组的滤波方案（UFMC），相较于传统的多载波方案，该方案在有用信号的带外泄漏以及频谱的同步灵敏度等方面具有更好的性能。
未来NR waveform的评估将以OFDM with CP和DFT-s-OFDM with CP两方案作为性能参考，以选择出满足5G不用应用场景的波形方案。表1是R1-165666中对目前RAN1提出的所有波形技术的分类。
（2）多址方案
LTE的上行和下行均采用了正交多址接入技术，可以确保在相同小区内接收机不会受到干扰。然而在理论上，通过部分/全部交叠的时/频资源为不同的链路提供传输的非正交的接入，可以获得更好的系统容量。因此NR的多址接入将不仅包含传统的正交多址接入技术，还包括非正交多址接入技术。但考虑到非正交多址接入技术的增益通常需要复杂的接收机算法才能获得，因此目前的NR中明确了上行可以使用如MUSA（R1-162226），SCMA（R1-162153），PDMA（R1-163383）等非正交多址接入技术，而下行是否会引入非正交多址技术需要进一步讨论。
（3）子载波间距
在NR SI讨论之初，考虑到CP长度以及减少时延等因素，候选的子载波间隔包括15 kHz、17.5 kHz、17.06 kHz以及21.33 kHz。经过激烈的讨论，为了与LTE基带/射频处理更好地兼容，会议最终决定NR仍然采用与LTE相同的子载波间隔15 kHz为设计基准，子载波间隔可以是15 kHz的N倍（N=2n）倍，并且要求支持1 ms对齐。但也有公司提出，上述方案在支持100 MHz带宽的时候，将会使得系统保护带宽较大造成浪费（如表2所示），建议额外增加75 kHz的设计基准。因此在下次会议结束前，仍然需要对15 kHz的方案是否能灵活支持不同带宽进行研究。
（4）帧结构
NR的帧结构希望可以同时支持TDD和FDD双工方式，因此目前规定在一个TI（Time Interval，时间间隔）内，可以包含一个或者多个下行传输、上行传输以及保护间隔。此外，为了支持self-contained功能（即在相同时隙中发送对应的ACK/NACK，对比LTE需要在n+4个时隙传输ACK/NACK），NR的帧结构需要具有以下两个能力：
1）在下行数据传输结束后很短时间内（微秒量级）进行ACK确认；
2）在上行数据传输结束后很短时间内（微秒量级）进行ACK确认。
（5）信道编码
为了支持不同应用场景，NR的信道编码候选方案包括了turbo codes、LDPC codes以及polar codes。与会各公司从解码性能以及解码复杂度等方面，针对不同码块长度的情况进行了对比。在AWGN信道下，目前所有的候选信道编码方案性能相似，而对于polar 码是否可以在较小的码块长度情况下获得更好的性能，则需要进一步研究。
（6）调制方式
调制方式的选择需要在接收机的复杂性和频谱效率上做权衡。一些公司建议NR应该采用基于格雷码编码的比特交织编码调制技术（base on Gray-encoded and Bit -Interleaved Coded Modulation）。并且为了达到峰值速率的要求，建议可能需要考虑到1024QAM。由于调整方式，尤其是建议使用的BICM的设计方案受信道纠错编码影响很大，需要在新的编码方案有了初步结论后才可以进行设计及深入探讨，所以当前这部分内容不是讨论的重点内容。
（7）多天线技术
如表3所示，从LTE R8中的最大4天线发送，到NR中最大256天线发送，MM（Massive MIMO，大规模多输入-多输出技术）无疑是提升5G频谱效率的重要手段之一，而MM系统的性能与CSI反馈精度以及负载等密切相关。
当前，NR WI确定MM的CSI反馈可以包括以下几个方式：
1）隐式反馈（Implicit CSI feedback）：即用舴蠢CQI、PMI、RI、CRI等表征信道质量的信息。
2）显示反馈（Explicit CSI feedback）：包括量化/模拟反馈CSI信息：即直接反馈信道参数或经过压缩的信道信息。
3）信道互易性反馈（Reciprocity-based feed-back）：即利用上下行信道的互易性获得信道信息。
MM方案的评估与选型还需要结合具体的波束形成（Beam Forming）方案进行，当前，NR WI确定后续的MM需要研究模拟波束形成，数字波束形成和混合波束形成三种方案（如图1所示），然后进行综合对比与评价。
2.3 3GPP标准路线图
3GPP 5G路线图如图2所示，按照该路线图，5G NR的部署计划分两个阶段：
第一阶段：计划在2018年6月完成Release 15版本的规范制定，并于2020年完成前期的部署。按照第一阶段的详细计划，在2018年6月完成的Release 15版本中，支持独立的NR和非独立的NR两种工作模式，其中支持非独立的NR模式意味着Release 15将基于LTE控制面协议进行兼容性升级，支持独立NR模式意味着支持全新的控制面协议栈。在用例场景和频段方面，Release 15将支持eMBB和URLCC两种用例场景和6 GHz以下及60 GHz以上的频段范围。
第二阶段：需要考虑与第一阶段兼容，计划在2019年底完成Release 16版本的规范制定，并作为正式的5G标准提交到ITU-R IMT-2020，该版本的商用系统计划于2021年完成部署。
3 结束语
5G技术的标准研究及产品研发有着实际的应用需求和广泛的应用场景，三种典型的应用场景（eMBB、mMTC、URLLC）的需求重点各不相同，因此5G的无线接入技术面临巨大的挑战。为了应对这种挑战，3GPP制定了合理的应对策略和技术标准化路线，既在现有4G技术基础上进行平滑演进，保证技术的兼容性，又引入新的频段和新的空口技术以应对满足新的需求。在此基础上，3GPP制订了详细可行的标准化路线图，以保证进行充分的、有效的技术方案评估论证，以此奠定5G产品研发的坚实基础。
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