【原創連載】5G關鍵技術(1月11日277#更新)

bluie

1.為什么開樓：
5G進入技術討論也有大概兩年多的時間了，現在到了真刀實槍的標準化階段。但是現在所有的科普討論還基本是在PR（Public Relation）階段，都是三分講需求，三分highlevel講技術，三分宣傳公司的角度。對科普實際沒什么幫助。作為過來人，樓主許下大愿，要為5G科普做一些工作，多講干貨。

2.樓主為什么可以講？
鑒于樓主還有正式工作，就不說名字了。樓主的工作領域就是標準領域，上研究生的時候業界正在研究3G部署，工作后正好趕上LTE標準，現在又在從事5G的標準工作。應該還是比較有發言權的。

3.到底要講啥：
按樓主的想法，現在目標是分項目講講關鍵技術。未來可能會有所擴展，待定吧。

4.課題的順序
由于是邊想邊寫，順序可能比較亂。盡量按照固定的維度去組織內容，但也不能排除多個維度組織材料，出現重復的情況。大家多包涵。



【更新】
1. 到底是什么是5G     2016.8.18   10:23
2. 自包含幀結構         
2-1. 自包含（Self-contained）幀結構 - 1   2016.8.18   23:07
2-2. 自包含子幀 - 2     2016.8.19   23:10
2-3. 自包含子幀 - 3      2016.8.20   17:35
3.多址
3-1 多址 - 引子        2016.8.26   16:14
3-2 多址 - 2             2016.9.6     22:04
3-3 多址 - 3             2016.9.10   22:46
3-4 多址 - 4             2016.9.11   9:58
3-5 多址 - SCMA      2016.11.24   22:16
3-6 多址 - Release 15立項了      2017.6.12   22:59
3-7 多址 時間不太夠了     2017.10.9   23:26

4.毫米波
4-0 毫米波               2016.9.17  20:20
4-1 毫米波關鍵技術          2016.9.25  19:37
4-2 毫米波的其他應用       2016.9.25  20:35        
4-3 毫米波信道測量與建模    2016.9.28  9:33

5.低時延高可靠技術
5-0 低時延高可靠技術       2016.10.11 19:30
5-1 資源分配 - 預留還是共享     2016.10.22 13:59

6 .話音方案
6-0 話音方案        2017.11.3 23:00
6.1 - 國內運營商的話音方案        2018.1.11 11:32

7 .multi-band operation
7-0 multi-band operation - SUL+CA        2018.1.11 17:37
7-1 SUL        2018.1.11 18:26



純原創、講技術。如果覺得好，請關注一下，謝謝！





















補充內容 (2017-11-5 09:54):
不會做電梯了：（

補充內容 (2017-11-5 09:54):
新增加內容 - 5G 話音方案

bluie

通信技術你問我答 (積分兌獎)

多謝版主幫忙做了電梯，這個樓就預留著吧。

也許有一天會想到寫一段“寫在開始的話”。

樓主工作有點忙，更新沒那么快，只能爭取每周都有更新，各位多包涵。

bluie

1. 到底啥是5G

5G是正經5G，可惜被玩兒壞了�，F在到處都說是5G技術，例如全雙工，已經明確的被排除出5G的備選技術。還有一些技術（重災區是多址）注定會被大量淘汰，據說現在在提案中出現八種多址技術，樓主估計NR最終最多接受三種：eMBB兩種（DL、UL），IoT接受一種（UL）。其他還有一些其他備選技術也有點懸，例如編碼。

5G的正式定義來自于ITU。ITU的技術報告給出明確的三個場景、需求（KPI）、時間表（標準制定、提交、驗證）。

任何的標準組織（包括3GPP、IEEE、甚至CCSA）都可以按照要求的時間（2020年Q3）提交完整的解決方案，通過ITU指定的第三方機構驗證后，能夠滿足ITU需求的的方案就被認定為5G標準。

在3G階段，通過驗證，滿足需求的標準有幾個（CDMA 2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX），所以被稱為IMT-2000 family。

到了4G（IMT-Advanced），雖然3GPP2和IEEE都有各自的計劃，但是因為缺乏運營商支持，最終都沒得到實行。實際的4G標準只有來自3GPP的LTE-Advanced （Release 10 and forward)。

5G的正式名字是IMT-2020，值得一提的是，這個名字最早是國內提出的。CAICT（信通院）領導的5G推進組英明的首創了IMT-2020這個名字（據說還注冊了商標），最終被ITU采納。

2015年6月，ITU定義了IMT-2020的需求，目前已經進入評估準備階段。在ITU-R WP5D工作組下設立了評估工作組，正在制定評估方法和報告模板。再次值得一提的是，評估組的co-chair是中國代表彭瑩。

ITU制定了計劃、需求，5G還是需要具體的標準組織（SDO）落地的。目前，只有3GPP公布了完整的5G標準制定計劃。計劃在2019年完成全部標準，滿足ITU的3個場景（eMBB、Massive IoT和URLLC）的全部KPI。其他標準組織里，IEEE近期也提出了5G計劃（兩種方案）：采用雙連接（或多連接）的方式接入3GPP 5G NR空口和提供融合了IEEE802.1多種接入方式（11ax、11ay等）的獨立接入網。

對應于LTE，3GPP的5G空口技術被稱為New Radio（NR）。如果沒有意外，未來的5G空口技術將被稱為5G NR。

m0338005

polarisdll

公眾號圖片顯示不正常，公眾號具體是什么？

bluie

polarisdll 發表于 2016-8-18 11:03
公眾號圖片顯示不正常，公眾號具體是什么？

5GNR,謝謝

polarisdll

O了

siikee

中國在5G上都成領頭羊啦

bluie

siikee 發表于 2016-8-18 14:02
中國在5G上都成領頭羊啦

5G技術研發需要大量的投資，這件事上面中國應該超過了歐洲，美國就更不知道被落哪了。

cyberblog

好樣的，謝  謝

bluie

2 - 1. 自包含（Self-contained）幀結構 - 1


想來想去，還是先寫幀結構吧，畢竟這個對中國標準界和我都有特殊的含義。

不得不從LTE TDD的幀結構說起。

LTE項目在3GPP啟動之后，國內也開始了研究工作。主要思路之一就是延續TD-SCDMA的思路，設計LTE TDD方式的技術方案。由于LTE TDD比較拗口，同時也為了和TD-S統一，改稱為TD-LTE。開始老外不太明白TD-LTE是啥，后來慢慢也就認可了，現在還有一個全球性的TD-LTE推進論壇，就叫Global TD-LTE Initiatives，簡稱GTI。

當時的設計思路是與TD-S共享頻譜，需要考慮鄰頻共存。由于TDD最大的干擾是交叉干擾（干擾源BS發送干擾受害BS接收），所以鄰頻共存就得到了一個必然的結果：TD-L的幀結構必須與TD-S完全一致 - 即0.625ms的子幀。這個設計在3GPP研究報告存在了很長時間，直到歐洲公司為了保證LTE FDD和TD-LTE設計的最大一致性，強行revise結論。TD-L的子幀被設計為和LTE FDD一致的1ms，相應的符號長度和CP長度也用了完全一樣的設計。期間還有個小插曲，國內的某些領導不太滿意TD-L幀結構被稱為Alternative Frame structure，認為Alternative顯得TD-L和LTE FDD似乎不對等，要求3GPP改為type 2 Frame Structure.

年紀大了，不能熬夜了，明天再寫5G的幀結構設計

lizhijun0919

好東東大家分享

laicai2003

為哈后來 TD-LTE用 1ms子幀還是能在現網中和 TD-S 共存呢，莫非所使用的頻譜頻段又重新分配了？

bluie

laicai2003 發表于 2016-8-19 10:26
為哈后來 TD-LTE用 1ms子幀還是能在現網中和 TD-S 共存呢，莫非所使用的頻譜頻段又重新分配了？

重新算了一下，在犧牲幾個符號后可以湊的上。

bluie

2-2. 自包含子幀 - 2

在3G、4G時代，TDD系統雖然是主流標準之一，但由于TDD頻段偏高，網絡覆蓋較差、運營商投資高，除了中國的特殊國情以外，其他地區主流運營商采用TDD系統獨立組網、運營的并不多。

話說到了5G時代，情況不太一樣了。首先是新的FDD頻率實在太難找了，唯一的可能就是二次數字紅利（DD，Digital Dividend）廣播業務退出的頻段（600MHz），但這個頻段涉及到廣電清頻這種多個行業協調問題，推動緩慢，目前只有美國進入了拍賣階段。其次，1.8GHz – 2.6GHz之間這段頻率基本都處于3G或4G的現網運營狀態，何時重耕需要看政府的策略和運營商的商業計劃。但是5G需要的頻率量之大前所未遇，DD和重耕都不能解決實質問題，更多新頻率只能在3.5GHz以上發揮了。從3.5GHz到70GHz，幾乎所有的IMT備選頻率都是TDD劃分。

總結成一句話：5G時代真的要看TDD了。

吸取4G時代TD-LTE的設計經驗，結合被廣泛看好的Massive MIMO技術，5G時代TDD系統設計主要有兩個目標：
1. 更快的系統反饋：為了提供更低的端到端傳輸時延，5G系統需要更低的RTT （消息往返時間，Round Trip Time）。在TD-LTE幀結構的七種配置中，最快的反饋大約是1ms；如果不幸的配置成了8:1的配置，最慢的系統反饋將是9ms。
2. 更快的信道測量：MIMO在TDD頻段使用最大的優點是利用信道互易性，通過測量上行導頻獲得下行信道部分信息（波束方向）�？紤]到毫米波頻段的信道快速變化，5G的 TDD系統需要提供更多的上行導頻發送時機。

從快速反饋的需求出發，最直接的設計就是同一個子幀里同時包含DL、UL和GP。下圖是RAN1 #85會議提案中的示意圖。

圖（a）是自包含子幀，具備三個特點 ：
•        同一子幀內包含DL、UL和GP
•        同一子幀內包含對DL數據和相應的HARQ反饋
•        同一子幀內傳輸UL的調度信息和對應的數據信息

考慮到自包含子幀對硬件處理能力的要求很高，低端手機可能不具備相應的硬件能力，提案中也包含了圖（b）中的較低要求方案。這種方案中HARQ反饋和調度都有更多的時間余量，對終端硬件的處理能力要求較低。而且，自包含子幀很容易通過信令指示終端支持這種配置。

在Verizon的V5G方案中關注到了MIMO信道測量這個問題。通過在同一個子幀內同時包含DL、UL和GP，利用UL發送RS進行信道測量。但是V5G對HARQ反饋時延要求不高，不必在同一子幀內反饋。

TD-LTE幀結構設計主要考慮了兩個問題：當相鄰小區UL/DL不能對齊時相鄰小區的交叉干擾和GP對于小區覆蓋的影響。相比于傳統TDD幀結構設計，自包含子幀提供了更大的靈活性，但它是否會面臨TD-LTE設計時同樣的挑戰呢？
•        首先是相鄰小區的交叉干擾。如果相鄰小區采用不能完全對齊的UL/DL配置，會有一個時間片段存在交叉部分。自包含子幀在設計時考慮了一些措施：首先將DL控制部分完全對齊，避免最重要的控制部分受到干擾；其次在數據部分通過糾錯編碼、HARQ等技術對抗干擾帶來的影響。
•        其次是較小的GP限制了小區覆蓋范圍。小區的覆蓋范圍取決于GP的大小，即小區半徑R=C（電磁波速度，即光速）* GP/2。但高頻率無線電波在空氣中傳播損耗大，本身覆蓋范圍有限，相應的GP長度很小。也就是說，這個問題在載頻變高后就不再是主要矛盾了。

在5月的南京RAN1會議，自包含子幀的基本設計在E、Q、Z、D幾家公司共同的推動下獲得了通過�？梢灶A測，自包含子幀對5G物理層的設計會起到支柱性作用，3GPP將以此為基礎，結合sub-carrier spacing等參數，盡快完成幀結構設計。

bluie

2-3. 自包含子幀 - 3

直面自包含子幀時延挑戰 – Scaled Symbol Control Design

ITU的IMT-2020.VISION對5G（IMT-2020）空中信號傳輸時延提出了1ms要求：
“IMT-2020 would be able to provide 1 ms over-the-air latency, capable of supporting services with very low latency requirements.”

自包含子幀的設計目標之一就是在同一子幀內通過反饋UL ACK，保證低時延�？墒�，問題來了，手機是否真的能那么快的處理信號、并生成反饋呢？

自包含子幀示意圖（DL Centric）

在示意圖中，為了通過快速反饋降低時延，UE會在同一個子幀內的UL符號傳輸針對DL數據的ACK。假設DL數據占用T0 -> T1的全部符號（藍色），一個能夠充分利用流水處理接收信號的UE會在接收到每一個DL符號之后，馬上開始開始解調，解碼等處理（充分流水處理也即是自包含子幀的設計理念之一）。UE將在T1 + TLatency （BS到UE的空口傳輸時延）時刻接收全部DL數據，在這之后大致還需要一個符號的時間來處理最后一個DL符號的數據。

為了保證小區內各個UE信號同時到達BS，UE需要在T2 - TLatency時刻發送UL ACK。也就是說，留給UE處理數據的時間大約是T2 – T1 – 2×TLatency。為保證UE有足夠的處理時間，似乎必須得在幀結構里預留一個額外的符號作為數據處理時間。

舉個例子：假設UE處理DL數據的時間TD較大（即TD > T2 – T1 – 2× TLatency），在幀結構設計時需要預留灰色部分來保證UE有足夠的時間處理DL數據，即T22 – T1 – TLatency ≥ TD。假設小區半徑1公里，空口往返延時大約6us，數據處理時間大致為一個符號35us，數據處理時間遠遠大于空口往返延時。

很自然的想到，難道大部分灰色部分只能空著嗎？能不能傳點有用的數據呢？能想到這個，就必須給你點贊了。

仔細分析控制信道設計會發現，控制信道總可以歸納為兩部分，一部分沒有數據依賴性，另一部分則具有數據依賴性。UE可以在這個灰色時間區間發送與DL數據接收無關的信息，例如導頻。把UL ACK分成兩個較短的符號傳輸。第一個符號傳輸與DL數據接收無關的導頻可以在數據處理的同時發送，第二個符號傳輸ACK在數據處理完成后再發送。這時，只要保證縮短符號（Scaled Symbol）的長度小于TD就可以了，既給UE留了足夠的時間接收DL數據、生成ACK，又充分利用了時間資源。不僅如此，Ack到下一個子幀之間又留出了時間，這樣不僅自包含同幀Ack實現了，子幀間無間斷的HARQ處理也成為了可能！

再看復雜度，縮短符號相應的FFT  size 變小了，也更便于基站接收UL  ACK的流水作業（即在原本只收到半個符號的時間點就可以開始處理導頻信號了），總的復雜度不增反降，真可謂兩全其美。

那么，這樣做有什么代價嗎？會不會影響UL傳輸性能呢？

假設縮短符號是按比例縮短，即CP也縮短一半，這時對抗（多徑造成的）時延擴展能力會相應下降。對于UL控制信道（導頻和ACK），這個影響有多大呢？

30KHz符號和60KHz符號的設計參數

下圖是信道時延擴展為300ns時的Geometry分布�？梢钥吹剑涸贕eometry較大的區域（大于22dB），Scaled CP性能開始下降。但是，采用UL縮短符號傳輸控制信道需要傳輸的僅僅是1個比特，碼率非常低，Geometry工作點遠遠低于22dB。因此，縮短符號對控制信道的影響可以基本忽略。

bluie

self-contained subframe的設計還有一些細節，例如對UL centric的設計，和對URLLC的設計。但原理都類似，暫時都不講了。

看來周末更新真心不行，大家都出去玩兒了。

phei1001

好，謝謝樓主

taojian723

bluie 發表于 2016-8-22 14:15
self-contained subframe的設計還有一些細節，例如對UL centric的設計，和對URLLC的設計。但原理都類似，暫 ...

感謝樓主真是驚喜，占個位置，追更！

zhangyu928

這得占個位置慢慢看，謝謝樓主