新通訊 2016 年 10 月號 188 期《 技術(shù)前瞻 》
文．愛立信

5G無線接取技術(shù)(RAT)的能力必須遠超前幾代行動通訊技術(shù)。這些性能包括極高的數(shù)據(jù)傳輸速率、極低的時延、超高的可靠性及效能，以及極高的裝置密度，而且將藉由長程演進計劃(LTE)的演進和其他無線接取的新技術(shù)才得以實現(xiàn)。關(guān)鍵的技術(shù)組件包括：往更高頻段擴展、接取/回傳整合、裝置間的通訊、靈活雙工、彈性的頻譜(Spectrum)使用、多天線傳輸、極簡設(shè)計、用戶層與控制層分離等。

5G新應(yīng)用紛出籠　機器類型通訊崛起
基本上，移動電話、行動寬帶和媒體傳送等應(yīng)用是人類與信息間的交流。然而，許多驅(qū)動5G需求和性能的應(yīng)用及案例都是機器與機器間的通訊。為了將它們與 那些以人為中心的無線通信區(qū)別開來，后者這些應(yīng)用通常被稱為機器類型通訊(MTC)。

雖然MTC包含一系列廣泛的應(yīng)用，但根據(jù)它們的特點和要求，MTC應(yīng)用可分為巨量型MTC和關(guān)鍵型MTC兩大類(圖1)。

圖1　巨量型MTC與關(guān)鍵型MTC

巨量型MTC一般來說涉及大量的裝置--通常是傳感器和致動器。傳感器的成本極低，而且為了維持較長的電池壽命，消耗的能源也極少。顯而易見的是，每個傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量通常很少，因此極低的時延并非關(guān)鍵需求。致動器的成本也不高，它們的能耗程度從極低到中等不等。

行動網(wǎng)絡(luò)有時被用于透過毛細網(wǎng)絡(luò)(Capillary Network)建立裝置間的鏈接。這種情況下，本地連結(jié)由Wi-Fi、藍牙(Bluetooth)或802.15.4/6LoWPAN等短程無線接取技術(shù)提供。本地區(qū)以外的無線連接由行動網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點提供。

關(guān)鍵型MTC指的是流量傳輸安全/基礎(chǔ)設(shè)施控制、工業(yè)用無線連接等應(yīng)用。這些應(yīng)用要求無線連結(jié)具備極高的可靠性、可用性和極低的時延。另一方面，巨量型MTC所需要的低裝置成本、低能耗的條件，對于關(guān)鍵型MTC應(yīng)用并不那么重要。雖然設(shè)備間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可能并不大，但瞬時間的高帶寬有助于滿足容量和時延要求。

網(wǎng)絡(luò)能夠處理越多不同類型的應(yīng)用越好，其中包括在同一個頻譜中使用同一種無線接取基礎(chǔ)技術(shù)處理行動寬帶、媒體傳送以及其他一系列廣泛的MTC應(yīng)用。這可避免頻譜過于零碎，并能讓營運商在毋須部署一個單獨網(wǎng)絡(luò)或為這些應(yīng)用重新分配頻譜的情況下，支持商業(yè)潛能尚不明確的新型態(tài)MTC服務(wù)。

行動通訊行業(yè)力爭　5G頻譜大戰(zhàn)開打
為乘載日益增加的流量，并實現(xiàn)支持極高速率所需的傳輸帶寬，5G將拓展行動通訊所使用的頻率范圍，其中包括6GHz以下的新頻譜和更高頻段的頻譜。

更高頻段中的行動通訊用候選頻段還有待國際電信聯(lián)盟無線電通信組(ITU-R)或各國監(jiān)管機構(gòu)確認。從傳播特性的角度，業(yè)界傾向于這個頻率范圍的低于30GHz以下的部分。同時，大量的頻譜以及更高的傳輸帶寬容易出現(xiàn)在1GHz或更有可能在30GHz以上的部分出現(xiàn)。因此，適用于5G無線接取技術(shù)的頻段從1GHz之下開始一直到約100GHz(圖2)。

圖2　適用于5G無線接取技術(shù)的頻段

必須了解的是，高頻率(尤其是10GHz以上的頻率)只能用做低頻段的補充，主要為密集環(huán)境中極高的數(shù)據(jù)速率提供更多的系統(tǒng)容量和極寬的傳輸帶寬。在5G時代，較低頻段的頻譜配置依然將是行動通訊網(wǎng)絡(luò)的骨干，提供無處不在的廣域連結(jié)。

世界無線電通訊大會(WRC-15)討論會達成了一項協(xié)議，將針對5G的IMT-2020規(guī)范納入WRC-19中。大會也就一組將用于5G研究、可直接適用于NX的頻段達成共識。所提議的很多頻段都屬于毫米波(Millimeter Wave, mmWave)區(qū)域，其中包括：24.25G～27.5GHz、37G～40.5GHz、42.5G～43.5GHz、45.5G～47GHz、47.2G～50.2GHz、50.4G～52.6GHz、66G～76GHz和81G～86GHz，分配給主要的行動通訊服務(wù)；31.8G～33.4GHz、40.5G～42.5GHz和47GHz～47.2GHz，可能需要額外分配給主要的行動通訊服務(wù)。

行動通訊行業(yè)將力爭6G～20GHz范圍的頻譜，但各大監(jiān)管機構(gòu)遵循的政策導向似乎聚焦于30GHz以上的頻段。在美國，美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)發(fā)布了兩條與24GHz以上頻段有關(guān)的公共規(guī)則制定通知(Notices of Public Rule Making, NPRM)。英國通訊管理局(Ofcom)同樣也表現(xiàn)出對30GHz以上頻段的偏好。

行動通訊業(yè)的容量需求將繼續(xù)由授權(quán)頻段滿足，但隨著新頻譜開始影響衛(wèi)星通訊、無線電定位等現(xiàn)有服務(wù)，新的頻譜共享方案將變得越來越重要。共享方案的兩個范例包括歐洲為2.3GHz頻段規(guī)劃的LSA，以及美國在3.5GHz頻段的公民寬帶無線服務(wù)(Citizens Band Radio Service)。
相關(guān)技術(shù)組件襄助　5G發(fā)展如魚得水。

除了向更高頻率擴展外，還有幾個與演進至5G無線接取技術(shù)有關(guān)的其他技術(shù)組件，包括接取/回傳整合、裝置對裝置通訊、靈活雙工、彈性的頻譜使用、多天線傳輸、極簡設(shè)計以及用戶/控制分離。

接取/回傳整合
無線技術(shù)經(jīng)常被當作回傳解決方案的一部分。這些無線回傳解決方案通常采用專有無線技術(shù)，在視距條件下和高頻段中運作，其中包括毫米波頻段。

未來的接取(基地臺到裝置)鏈路也將拓展到更高頻率。此外，為了支持高密度低功耗部署，無線回傳還將進一步拓展，像接取鏈路那樣得以涵蓋非視距的狀況。

因此在5G時代，無線接取鏈路和無線回傳應(yīng)被看作一個整合的無線接取解決方案，能夠使用同一種基礎(chǔ)技術(shù)和一個共享頻譜池(Spectrum Pool)運作。如此一 來將提高整體的頻譜使用效率，同時減少營運和管理工作量。

裝置對裝置通訊
特定的裝置對裝置(Device-to-Device, D2D)通訊最近成為了LTE規(guī)范延伸的一部分。在5G時代，從一開始就應(yīng)該把支持D2D視為無線接取方案的一部分。這不只包括裝置間的點對點(P2P)用戶數(shù)據(jù)通訊，而且還包括將行動裝置作為拓展網(wǎng)絡(luò)覆蓋的中繼點。

D2D直接通訊可用于分擔流量、拓展性能，并增強無線接取網(wǎng)的整體效率。此外，為了避免對其他鏈路的不可控干擾，D2D直接通訊應(yīng)被置于網(wǎng)絡(luò)控制之下。對于授權(quán)頻譜的D2D通訊而言，這一點特別重要。

靈活雙工
從行動通訊問世以來，分頻雙工(FDD)一直是主要的雙工方案。在5G時代，F(xiàn)DD仍將是低頻段的主要雙工方案，但是對于極密集環(huán)境的高頻段，尤其是10GHz以上的頻段，分時雙工(TDD)將扮演更加重要的角色。

在低功耗節(jié)點密集部署的環(huán)境中，TDD中的干擾場景(基地臺到基地臺、裝置到裝置的直接干擾)將類似于同樣在FDD中出現(xiàn)的「正常的」基地臺到裝置，和裝置到基地站的干擾。

此外，考慮到極密集環(huán)境中的動態(tài)流量變化，為不同的傳輸方向動態(tài)分配傳輸資源(如時槽)的能力，也有助于更有效率地運用可用頻譜。

因此，為了發(fā)揮最大潛能，5G應(yīng)允許非常有彈性和動態(tài)地分配TDD傳輸資源。相對于TDD現(xiàn)有的行動通訊技術(shù)，包括分時長程演進計劃(TD-LTE)在內(nèi)，對上下行鏈路配置有限制，而且通常假設(shè)了相鄰的蜂巢和相鄰的營運商配置相同。

彈性的頻譜使用
行動通訊自問世以來，一直依賴于各個地區(qū)的每個營運商授權(quán)的頻譜。這仍將是5G時代行動通訊的基礎(chǔ)，讓營運商能夠在一個干擾受控制下的環(huán)境中，提供高質(zhì)量的連結(jié)服務(wù)。盡管如此，向每個營運商授權(quán)頻譜的方式將有可能輔以共享頻譜的方式。這種共享可能發(fā)生在有限數(shù)量的營運商之間，也可能發(fā)生在免授權(quán)場景中。

NX等新型空中接口可能會非常適合更加傳統(tǒng)的授權(quán)執(zhí)照頻段，主要因為須要為該技術(shù)的獨立工作奠定基礎(chǔ)，同時利用LTE等技術(shù)實現(xiàn)互連互通。在未來某種情況下，5G頻譜的進一步分配有可能借鑒通訊行業(yè)在較低蜂巢頻段中采用的共享方法。

多天線傳輸
由于小型天線有著物理局限，多天線傳輸已在當代行動通訊中發(fā)揮了重要作用，并且將在5G時代扮演更加重要的角色。只要發(fā)射和接收天線的有效孔徑不變，發(fā)射器和接收器之間的路徑損耗就不會隨著頻率改變。但天線孔徑的縮減與頻率的平方成正比，而這種縮減可以透過采用更高的天線方向性加以補償。5G無線技術(shù)將采用數(shù)百個天線單元，將天線孔徑增加到超出現(xiàn)有蜂巢技術(shù)所能實現(xiàn)的水平。

此外，發(fā)射端和接收端將利用波束成形(Beamforming)技術(shù)追蹤對方，并改善瞬時配置鏈路上的能量傳送。波束成形技術(shù)還能將干擾限制在發(fā)射端周圍的小部分空間中，并將干擾對接收端的影響限制在罕見的隨機事件上，從而改善無線環(huán)境。對于低頻段而言，波束成形將是一項重要技術(shù)，例如用于增加覆蓋范圍，或在部署稀疏的環(huán)境中提供更高的傳輸速率。

極簡設(shè)計
極簡(Ultra-lean)無線接取設(shè)計對于實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的高效至關(guān)重要。極簡設(shè)計的基本原則可以表示為：盡量減少任何與傳送用戶數(shù)據(jù)無直接關(guān)系的傳輸。這些傳輸包括訊號同步、網(wǎng)絡(luò)接入、信道估算以及各類系統(tǒng)和控制信息的廣播。

極簡設(shè)計對于那些擁有大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和流量變化極大的密集部署特別重要。能使網(wǎng)絡(luò)在沒有用戶數(shù)據(jù)傳輸時，讓節(jié)點快速進入低能耗狀態(tài)，在提升網(wǎng)絡(luò)效能方面將發(fā)揮重要作用。極簡設(shè)計還能減少來自非用戶數(shù)據(jù)相關(guān)傳輸?shù)母蓴_，達到更高的傳輸速度。

用戶層與控制層分離
5G的另一個重要設(shè)計原則是分離用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)控制功能。后者包括提供系統(tǒng)信息，亦即裝置接取系統(tǒng)所需的信息和步驟。

這種分離將實現(xiàn)用戶層擴展和基本系統(tǒng)控制功能的分離。例如，用戶數(shù)據(jù)可以由一個密集的節(jié)點層傳送，而系統(tǒng)信息只由一個宏迭加層(Overlaid Macro Layer)提供，裝置最初則在這一層接取系統(tǒng)。

用戶數(shù)據(jù)和系統(tǒng)控制功能的分離，應(yīng)該還可能延伸到多個頻段和無線接取技術(shù)。例如，基于新的高頻無線接取的某個密集層的系統(tǒng)控制功能，可由一個LTE迭加層提供。

用戶/控制分離也是未來那些重度依賴波束成形來傳送用戶數(shù)據(jù)之無線接取系統(tǒng)的重要組成部分。極簡設(shè)計結(jié)合用戶層數(shù)據(jù)傳送和基本系統(tǒng)控制功能的邏輯分離，將能更好地優(yōu)化裝置導向型網(wǎng)絡(luò)中活躍的無線鏈路。由于只有與系統(tǒng)控制層相關(guān)的極簡訊號需要是靜態(tài)的，因此得以設(shè)計出一切幾乎能實時動態(tài)優(yōu)化的系統(tǒng)。

極簡設(shè)計下用戶數(shù)據(jù)傳送和系統(tǒng)控制功能的分離，還能提升無線接取技術(shù)演進的彈性，藉助這種分離，用戶層能夠在保持系統(tǒng)控制功能的同時不斷演進。