【原创连载】5G关键技术(1月11日277#更新)

bluie

1.为什么开楼：
5G进入技术讨论也有大概两年多的时间了，现在到了真刀实枪的标准化阶段。但是现在所有的科普讨论还基本是在PR（Public Relation）阶段，都是三分讲需求，三分highlevel讲技术，三分宣传公司的角度。对科普实际没什么帮助。作为过来人，楼主许下大愿，要为5G科普做一些工作，多讲干货。

2.楼主为什么可以讲？
鉴于楼主还有正式工作，就不说名字了。楼主的工作领域就是标准领域，上研究生的时候业界正在研究3G部署，工作后正好赶上LTE标准，现在又在从事5G的标准工作。应该还是比较有发言权的。

3.到底要讲啥：
按楼主的想法，现在目标是分项目讲讲关键技术。未来可能会有所扩展，待定吧。

4.课题的顺序
由于是边想边写，顺序可能比较乱。尽量按照固定的维度去组织内容，但也不能排除多个维度组织材料，出现重复的情况。大家多包涵。



【更新】
1. 到底是什么是5G     2016.8.18   10:23
2. 自包含帧结构         
2-1. 自包含（Self-contained）帧结构 - 1   2016.8.18   23:07
2-2. 自包含子帧 - 2     2016.8.19   23:10
2-3. 自包含子帧 - 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立项了      2017.6.12   22:59
3-7 多址 时间不太够了     2017.10.9   23:26

4.毫米波
4-0 毫米波               2016.9.17  20:20
4-1 毫米波关键技术          2016.9.25  19:37
4-2 毫米波的其他应用       2016.9.25  20:35        
4-3 毫米波信道测量与建模    2016.9.28  9:33

5.低时延高可靠技术
5-0 低时延高可靠技术       2016.10.11 19:30
5-1 资源分配 - 预留还是共享     2016.10.22 13:59

6 .话音方案
6-0 话音方案        2017.11.3 23:00
6.1 - 国内运营商的话音方案        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



纯原创、讲技术。如果觉得好，请关注一下，谢谢！





















补充内容 (2017-11-5 09:54):
不会做电梯了：（

补充内容 (2017-11-5 09:54):
新增加内容 - 5G 话音方案

bluie

通信技术你问我答 (积分兑奖)

多谢版主帮忙做了电梯，这个楼就预留着吧。

也许有一天会想到写一段“写在开始的话”。

楼主工作有点忙，更新没那么快，只能争取每周都有更新，各位多包涵。

bluie

1. 到底啥是5G

5G是正经5G，可惜被玩儿坏了。现在到处都说是5G技术，例如全双工，已经明确的被排除出5G的备选技术。还有一些技术（重灾区是多址）注定会被大量淘汰，据说现在在提案中出现八种多址技术，楼主估计NR最终最多接受三种：eMBB两种（DL、UL），IoT接受一种（UL）。其他还有一些其他备选技术也有点悬，例如编码。

5G的正式定义来自于ITU。ITU的技术报告给出明确的三个场景、需求（KPI）、时间表（标准制定、提交、验证）。

任何的标准组织（包括3GPP、IEEE、甚至CCSA）都可以按照要求的时间（2020年Q3）提交完整的解决方案，通过ITU指定的第三方机构验证后，能够满足ITU需求的的方案就被认定为5G标准。

在3G阶段，通过验证，满足需求的标准有几个（CDMA 2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX），所以被称为IMT-2000 family。

到了4G（IMT-Advanced），虽然3GPP2和IEEE都有各自的计划，但是因为缺乏运营商支持，最终都没得到实行。实际的4G标准只有来自3GPP的LTE-Advanced （Release 10 and forward)。

5G的正式名字是IMT-2020，值得一提的是，这个名字最早是国内提出的。CAICT（信通院）领导的5G推进组英明的首创了IMT-2020这个名字（据说还注册了商标），最终被ITU采纳。

2015年6月，ITU定义了IMT-2020的需求，目前已经进入评估准备阶段。在ITU-R WP5D工作组下设立了评估工作组，正在制定评估方法和报告模板。再次值得一提的是，评估组的co-chair是中国代表彭莹。

ITU制定了计划、需求，5G还是需要具体的标准组织（SDO）落地的。目前，只有3GPP公布了完整的5G标准制定计划。计划在2019年完成全部标准，满足ITU的3个场景（eMBB、Massive IoT和URLLC）的全部KPI。其他标准组织里，IEEE近期也提出了5G计划（两种方案）：采用双连接（或多连接）的方式接入3GPP 5G NR空口和提供融合了IEEE802.1多种接入方式（11ax、11ay等）的独立接入网。

对应于LTE，3GPP的5G空口技术被称为New Radio（NR）。如果没有意外，未来的5G空口技术将被称为5G NR。

m0338005

polarisdll

公众号图片显示不正常，公众号具体是什么？

bluie

polarisdll 发表于 2016-8-18 11:03
公众号图片显示不正常，公众号具体是什么？

5GNR,谢谢

polarisdll

O了

siikee

中国在5G上都成领头羊啦

bluie

siikee 发表于 2016-8-18 14:02
中国在5G上都成领头羊啦

5G技术研发需要大量的投资，这件事上面中国应该超过了欧洲，美国就更不知道被落哪了。

cyberblog

好样的，谢  谢

bluie

2 - 1. 自包含（Self-contained）帧结构 - 1


想来想去，还是先写帧结构吧，毕竟这个对中国标准界和我都有特殊的含义。

不得不从LTE TDD的帧结构说起。

LTE项目在3GPP启动之后，国内也开始了研究工作。主要思路之一就是延续TD-SCDMA的思路，设计LTE TDD方式的技术方案。由于LTE TDD比较拗口，同时也为了和TD-S统一，改称为TD-LTE。开始老外不太明白TD-LTE是啥，后来慢慢也就认可了，现在还有一个全球性的TD-LTE推进论坛，就叫Global TD-LTE Initiatives，简称GTI。

当时的设计思路是与TD-S共享频谱，需要考虑邻频共存。由于TDD最大的干扰是交叉干扰（干扰源BS发送干扰受害BS接收），所以邻频共存就得到了一个必然的结果：TD-L的帧结构必须与TD-S完全一致 - 即0.625ms的子帧。这个设计在3GPP研究报告存在了很长时间，直到欧洲公司为了保证LTE FDD和TD-LTE设计的最大一致性，强行revise结论。TD-L的子帧被设计为和LTE FDD一致的1ms，相应的符号长度和CP长度也用了完全一样的设计。期间还有个小插曲，国内的某些领导不太满意TD-L帧结构被称为Alternative Frame structure，认为Alternative显得TD-L和LTE FDD似乎不对等，要求3GPP改为type 2 Frame Structure.

年纪大了，不能熬夜了，明天再写5G的帧结构设计

lizhijun0919

好东东大家分享

laicai2003

为哈后来 TD-LTE用 1ms子帧还是能在现网中和 TD-S 共存呢，莫非所使用的频谱频段又重新分配了？

bluie

laicai2003 发表于 2016-8-19 10:26
为哈后来 TD-LTE用 1ms子帧还是能在现网中和 TD-S 共存呢，莫非所使用的频谱频段又重新分配了？

重新算了一下，在牺牲几个符号后可以凑的上。

bluie

2-2. 自包含子帧 - 2

在3G、4G时代，TDD系统虽然是主流标准之一，但由于TDD频段偏高，网络覆盖较差、运营商投资高，除了中国的特殊国情以外，其他地区主流运营商采用TDD系统独立组网、运营的并不多。

话说到了5G时代，情况不太一样了。首先是新的FDD频率实在太难找了，唯一的可能就是二次数字红利（DD，Digital Dividend）广播业务退出的频段（600MHz），但这个频段涉及到广电清频这种多个行业协调问题，推动缓慢，目前只有美国进入了拍卖阶段。其次，1.8GHz – 2.6GHz之间这段频率基本都处于3G或4G的现网运营状态，何时重耕需要看政府的策略和运营商的商业计划。但是5G需要的频率量之大前所未遇，DD和重耕都不能解决实质问题，更多新频率只能在3.5GHz以上发挥了。从3.5GHz到70GHz，几乎所有的IMT备选频率都是TDD划分。

总结成一句话：5G时代真的要看TDD了。

吸取4G时代TD-LTE的设计经验，结合被广泛看好的Massive MIMO技术，5G时代TDD系统设计主要有两个目标：
1. 更快的系统反馈：为了提供更低的端到端传输时延，5G系统需要更低的RTT （消息往返时间，Round Trip Time）。在TD-LTE帧结构的七种配置中，最快的反馈大约是1ms；如果不幸的配置成了8:1的配置，最慢的系统反馈将是9ms。
2. 更快的信道测量：MIMO在TDD频段使用最大的优点是利用信道互易性，通过测量上行导频获得下行信道部分信息（波束方向）。考虑到毫米波频段的信道快速变化，5G的 TDD系统需要提供更多的上行导频发送时机。

从快速反馈的需求出发，最直接的设计就是同一个子帧里同时包含DL、UL和GP。下图是RAN1 #85会议提案中的示意图。

图（a）是自包含子帧，具备三个特点 ：
•        同一子帧内包含DL、UL和GP
•        同一子帧内包含对DL数据和相应的HARQ反馈
•        同一子帧内传输UL的调度信息和对应的数据信息

考虑到自包含子帧对硬件处理能力的要求很高，低端手机可能不具备相应的硬件能力，提案中也包含了图（b）中的较低要求方案。这种方案中HARQ反馈和调度都有更多的时间余量，对终端硬件的处理能力要求较低。而且，自包含子帧很容易通过信令指示终端支持这种配置。

在Verizon的V5G方案中关注到了MIMO信道测量这个问题。通过在同一个子帧内同时包含DL、UL和GP，利用UL发送RS进行信道测量。但是V5G对HARQ反馈时延要求不高，不必在同一子帧内反馈。

TD-LTE帧结构设计主要考虑了两个问题：当相邻小区UL/DL不能对齐时相邻小区的交叉干扰和GP对于小区覆盖的影响。相比于传统TDD帧结构设计，自包含子帧提供了更大的灵活性，但它是否会面临TD-LTE设计时同样的挑战呢？
•        首先是相邻小区的交叉干扰。如果相邻小区采用不能完全对齐的UL/DL配置，会有一个时间片段存在交叉部分。自包含子帧在设计时考虑了一些措施：首先将DL控制部分完全对齐，避免最重要的控制部分受到干扰；其次在数据部分通过纠错编码、HARQ等技术对抗干扰带来的影响。
•        其次是较小的GP限制了小区覆盖范围。小区的覆盖范围取决于GP的大小，即小区半径R=C（电磁波速度，即光速）* GP/2。但高频率无线电波在空气中传播损耗大，本身覆盖范围有限，相应的GP长度很小。也就是说，这个问题在载频变高后就不再是主要矛盾了。

在5月的南京RAN1会议，自包含子帧的基本设计在E、Q、Z、D几家公司共同的推动下获得了通过。可以预测，自包含子帧对5G物理层的设计会起到支柱性作用，3GPP将以此为基础，结合sub-carrier spacing等参数，尽快完成帧结构设计。

bluie

2-3. 自包含子帧 - 3

直面自包含子帧时延挑战 – Scaled Symbol Control Design

ITU的IMT-2020.VISION对5G（IMT-2020）空中信号传输时延提出了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.”

自包含子帧的设计目标之一就是在同一子帧内通过反馈UL ACK，保证低时延。可是，问题来了，手机是否真的能那么快的处理信号、并生成反馈呢？

自包含子帧示意图（DL Centric）

在示意图中，为了通过快速反馈降低时延，UE会在同一个子帧内的UL符号传输针对DL数据的ACK。假设DL数据占用T0 -> T1的全部符号（蓝色），一个能够充分利用流水处理接收信号的UE会在接收到每一个DL符号之后，马上开始开始解调，解码等处理（充分流水处理也即是自包含子帧的设计理念之一）。UE将在T1 + TLatency （BS到UE的空口传输时延）时刻接收全部DL数据，在这之后大致还需要一个符号的时间来处理最后一个DL符号的数据。

为了保证小区内各个UE信号同时到达BS，UE需要在T2 - TLatency时刻发送UL ACK。也就是说，留给UE处理数据的时间大约是T2 – T1 – 2×TLatency。为保证UE有足够的处理时间，似乎必须得在帧结构里预留一个额外的符号作为数据处理时间。

举个例子：假设UE处理DL数据的时间TD较大（即TD > T2 – T1 – 2× TLatency），在帧结构设计时需要预留灰色部分来保证UE有足够的时间处理DL数据，即T22 – T1 – TLatency ≥ TD。假设小区半径1公里，空口往返延时大约6us，数据处理时间大致为一个符号35us，数据处理时间远远大于空口往返延时。

很自然的想到，难道大部分灰色部分只能空着吗？能不能传点有用的数据呢？能想到这个，就必须给你点赞了。

仔细分析控制信道设计会发现，控制信道总可以归纳为两部分，一部分没有数据依赖性，另一部分则具有数据依赖性。UE可以在这个灰色时间区间发送与DL数据接收无关的信息，例如导频。把UL ACK分成两个较短的符号传输。第一个符号传输与DL数据接收无关的导频可以在数据处理的同时发送，第二个符号传输ACK在数据处理完成后再发送。这时，只要保证缩短符号（Scaled Symbol）的长度小于TD就可以了，既给UE留了足够的时间接收DL数据、生成ACK，又充分利用了时间资源。不仅如此，Ack到下一个子帧之间又留出了时间，这样不仅自包含同帧Ack实现了，子帧间无间断的HARQ处理也成为了可能！

再看复杂度，缩短符号相应的FFT  size 变小了，也更便于基站接收UL  ACK的流水作业（即在原本只收到半个符号的时间点就可以开始处理导频信号了），总的复杂度不增反降，真可谓两全其美。

那么，这样做有什么代价吗？会不会影响UL传输性能呢？

假设缩短符号是按比例缩短，即CP也缩短一半，这时对抗（多径造成的）时延扩展能力会相应下降。对于UL控制信道（导频和ACK），这个影响有多大呢？

30KHz符号和60KHz符号的设计参数

下图是信道时延扩展为300ns时的Geometry分布。可以看到：在Geometry较大的区域（大于22dB），Scaled CP性能开始下降。但是，采用UL缩短符号传输控制信道需要传输的仅仅是1个比特，码率非常低，Geometry工作点远远低于22dB。因此，缩短符号对控制信道的影响可以基本忽略。

bluie

self-contained subframe的设计还有一些细节，例如对UL centric的设计，和对URLLC的设计。但原理都类似，暂时都不讲了。

看来周末更新真心不行，大家都出去玩儿了。

phei1001

好，谢谢楼主

taojian723

bluie 发表于 2016-8-22 14:15
self-contained subframe的设计还有一些细节，例如对UL centric的设计，和对URLLC的设计。但原理都类似，暂 ...

感谢楼主真是惊喜，占个位置，追更！

zhangyu928

这得占个位置慢慢看，谢谢楼主