1.2 5G新空口及无线关键技术

1.2.1 5G新空口

eMBB、mMTC和uRLLC 是5G的三大类应用场景，各自有着非常广泛的应用案例。而这些应用案例的需求是复杂甚至有时是相互矛盾的，因此，如果要全部予以满足，5G无线网络就将包含两大部分：一是现有4G 长期演进（Long Term Evolution,LTE）网络的后续演进；二是研发全新的5G无线接入技术—5G新空口（New Radio,NR），并对其进行标准化。

5G新空口的工作频率的范围极广，分布于1GHz～100GHz频段，既有低频段也有高/超高频段，从而就有了多种无线网络的部署模式。其中，5G宏基站将部署于较低的频段以覆盖更广的地理区域；5G微基站与5G皮基站则将被部署于覆盖范围有限的移动数据流量热点区域以提供大/超大的系统容量。此外，为了使5G网络具有较好的服务质量及高可靠性能，“授权频段”仍将是5G无线网络的主要方式，而用于非授权频段内的数据传输则将仅作为授权频段5G系统的补充以提高系统容量、增大数据传输速率。5G在应用案例、工作频段及网络部署的愿景如图1-3所示。

2016年4月，第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project,3GPP）正式启动5G新空口的标准化工作，目标是实现5G新空口在2020年的商用部署。与此前制定3G和4G国际标准不同的是，3GPP对于5G国际标准的制定采取的是分阶段的方式：第一阶段于2018年6月冻结3GPP Release 15，其中仅对部分5G新空口的功能进行标准化；第二阶段于2019年冻结3GPP Release 16，其中的5G新空口功能将可全部满足国际电信联盟无线电通信组（International Telecommunication Union - Radio Communication Sector,ITU-R）所提出的国际移动通信－2000[International Mobile Telecommunications 2000,IMT-2020（5G）]需求。此外，3GPP的5G技术标准可能还将在2020年之后作进一步的后续演进，在3GPP Release 17/18等中增加5G系统新的特性及功能。

虽然5G新空口与4G LTE后向不兼容，但是其未来的后续演进版本则需要与5G新空口的最初版本后向兼容。此外，由于5G新空口必须支持范围很广的应用案例，而且其中还有很多的应用案例尚未得到明确定义，因此，确保3GPP Release 15、3GPP Release 16这两版5G早期国际标准的前向兼容就具有极为重要的意义。

物理层是任何一种无线通信技术的核心。为了支撑众多应用案例的极高需求（纵向上看）与差异化很大的需求（横向上看）、大量的工作频段及不同的无线接入网络部署模式，5G新空口物理层的设计必须具备两个特性：灵活性和可扩展性。因此，5G新空口物理层的关键技术包括调制方式、波形、帧结构、多天线传输、信道绑定。

1.调制方式

现有4G LTE具有二相相移键控（Quadrature Phase Shift Keying,QPSK）、16正交幅相调制（16 Quadrature Amplitude Modulation,16QAM）、64正交幅相调制（64 Quadrature Amplitude Modulation,64QAM）和256正交幅相调制（256 Quadrature Amplitude Modulation，256QAM）4种调制方式。5G新空口也支持这4种调制方式。此外，面向mMTC等类型的业务，3GPP对5G新空口的上行调制新增了π/2-BPSK（二进制相移键控），以进一步降低峰均功率比，并提高低数据率信号的功放效率。而且，由于5G新空口可为范围很广的用例提供服务，就需要新增更高阶的调制技术，如果固定的点到点回程已经采取比256QAM阶数更高的调制技术，从而就需要在5G新空口标准中新增1024QAM。另外，在5G新空口标准中，需要为不同类/级别的用户终端分配不同的信号调制方式。

2.波形

3GPP已经在5G新空口的上行与下行（直到52.6GHz）方向均采取具有可扩展特性（在子载波间隔及循环前缀方面）的循环前缀—正交频分复用（Cyclic Prefixed Orthogonal Frequency Division Multiplexing,CP-OFDM）技术，这样，上行与下行就有着相同的波形，从而就可以简化5G新空口的整体设计，尤其是无线回程以及设备间直接通信（Device to Device D2D）的设计。此外，3GPP的5G新空口在上行方向还可以通过采取离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform,DFT）扩展的正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM）以单流传输（即不需要空间复用）来支持覆盖有限的场景。除了CP-OFDM之外，诸如加窗、滤波等任何对5G新空口接收机透明的操作均可应用于发送端。

数值（Numerology）可扩展的OFDM可使能部署于各种（范围很大）频段上采取不同模式所部属5G网络的差异化较大甚至很大的业务。其中，子载波间隔的可扩展性体现为数值是15×2nkHz（n为正整数，LTE网络中OFDM的子载波间隔为15kHz），即30kHz、60kHz、90kHz等。这一扩展因数/倍数可确保不同数值的槽及符号在时域对齐，这对于时分复用（Time Division Multiplexing,TDM）网络的高效使能具有重要意义。与5G新空口OFDM数值相关的细节参照系统参数如图1-4所示以及见表1-1。其中，参数“n”的选择取决于不同的因素，包括5G新空口网络部署选项类型、载波频率、业务需求（时延/可靠性/吞吐量）、硬件减损（振荡器相位噪声）、移动性及实施复杂度。例如，面向对时延极为敏感的uRLLC、小覆盖区域以及更高的载波频率，可以把子载波间隔调大；对于更低载波频率、网络覆盖范围大、窄带终端以及增强型多媒体广播/多播服务，可以把子载波间隔调小。此外，还可以通过复用两种不同的数值（例如，用于uRLLC的更宽子载波间隔以及用于eMBB/mMTC的更窄子载波间隔），以相同的载波来同时承载具有不同需求的不同业务。

● 子载波间隔 VS 符号长度/CP长度/Slot长度。

●（数据部分）OFDM符号长度：T_data=1/SCS。

● CP长度：T_cp= 144/2048×T_data。

●（数据+CP）符号长度：T_symbol= T_data+T_cp。

● Slot长度：T_slot= 1/2^（u）。

OFDM信号的频谱在传输带宽之外衰减极慢，为了限制带外辐射，LTE的频谱利用率约为90%，即在20MHz的带宽内，111个物理资源块（Physical Resource Block,PRB）中得到有效利用（承载数据）的资源块高达100个RB。对于5G新空口，3GPP已经提出其频谱利用率要达到高于90%的水平。对此，加窗、滤波都是在频域内限制OFDM信号的可行方式，需要注意的是，由于“频谱限制（Spectrum Confinement）”可引发自干扰，“频谱效率”与“频谱限制”之间的关系并非线性的。

3.帧结构

5G新空口的帧结构既可在授权频段也可在非授权频段支持频分双工（Frequency Division Duplex,FDD）与时分双工（Time Division Duplex,TDD）,5G新空口帧结构的设计需要遵循以下三大原则。

第一个原则：传输是自包含的。时隙中的数据及波束中的数据可自主解码而无须依赖其他的时隙及波束。这就意味着，一个特定时隙及一个特定波束中的数据的解调需要有参考信号的辅助。

第二个原则：传输要在时域与频域得到良好的定义。这样可以使在未来各种新兴类型的传输与传统的传输同时工作。5G新空口的帧结构避免在跨全系统带宽内映射控制信道。

第三个原则：避免跨槽以及跨不同传输方向的静态或严格的时间关系。例如，不宜使用预定义的传输时间而宜采取异步混合自动重传请求[Hybrid Automatic Repeat Request（常写作reQuest）,HARQ]。

SCS建议应用如图1-5所示，5G新空口中的一个时隙由7个或14个长度的OFDM符号组成。而且，时隙所选择的数值不同，时隙的周期也随之变化。这是由于OFDM的符号周期与其子载波间隔之间是反比例的关系。

为了支持具有灵活起点及短于常规时隙周期的传输，可以把一个时隙划分为若干个微时隙。其中，一个微时隙的长度可以与一个OFDM符号相当，从而可实现在任何时间点启动。由此，微时隙就可适用于各种应用场景，包括低时延传输、非授权频段内的传输、毫米波（Millimeter Waves,mm Waves）频段内的传输。

在低时延的应用场景（例如，uRLLC）中，传输需要快速启动而无须等待一个时隙边界的启动，当在非授权频段内传输数据时，最好在执行完会话前侦听（Listen Before Talk,LBT）后立刻启动传输。此外，在毫米波频段内传输数据，大量可用的频谱资源意味着由少数OFDM符号支持的负载对于很多数据包而言足够大，大的传输周期可以增强5G新空口网络的覆盖，并减小负载，这是由于其可进行上行/下行切换（TDD网络）、传输参考信号以及控制信息。

通过使能同时接收与传输，即在时域内叠加上行与下行，可面向FDD制式的5G新空口网络采取相同的帧结构，这种帧结构也同样适用于D2D通信，发起或者调度传输的终端设备可以采取下行时隙的帧结构，响应传输的终端设备可以采取上行时隙的帧结构。

5G新空口的帧结构也能容许进行快速HARQ，解码是在下行数据的接收期间进行的，而且HARQ是在保护周期内由用户终端在从下行接收转换为上行传输时发出的。

为了获得低时延的效果，一个时隙或一组聚合的时隙在其起始时就与控制信号及参考信号前置。

4.5G物理信道和参考信号设计

为了提高网络的能效（能量利用效率），并保证后向兼容，5G新空口通过超精益的设计（Ultra-Lean Design）来最小化“永远在线的传输”：与LTE中的相关设置相比，5G新空口灵活的物理信道和信号设计，一切皆可调度/可配置。

下行物理信道与信号名称主要有以下几类。

同步信号（Synchronization Signal,SS）用于时频同步和小区搜索。

物理广播信道（Physical Broadcast Channel,PBCH）用于承载系统广播消息。

物理下行控制信道（Physical Downlink Control Channel,PDCCH）用于上下行调度、功控等控制信令的传输。

物理下行共享数据信道（Physical Downlink Shared Channel,PDSCH）用于承载下行用户数据。

解调参考信号（Demodulation Reference Signal,DMRS）用于下行数据解调、时频同步等。

相位跟踪参考信号（Phase Tracking-Reference Signal,PT-RS）用于相位噪声跟踪和补偿，同时，PT-RS既可用于下行物理信道，也可用于上行物理信道。

信道状态信息参考信号（Channel State Information-Reference Signal,CSI-RS）用于信道测量、波束管理、无线资源测量（Radio Resource Measurement,RRM）/无线链路测量（Radio Link Measurement,RLM）和精细化时频跟踪等；同时，CSI-RS既可用于下行物理信道，也可用于上行物理信道。

上行物理信道与信号名称主要有以下几类。

物理随机接入信道（Physical Random Access Channel,PRACH）用于用户随机接入请求信息。

物理上行控制信道（Physical Uplink Control Channel,PUCCH）用于HARQ反馈、信道质量指示（Channel Quality Indication,CQI）反馈、调度请求指示等L1/L2控制信令。

物理上行共享信道（Physical Uplink Shared Channel,PUSCH）用于承载上行用户数据。

DMRS用于上行数据解调、时频同步等。

5G物理信道和参考信号设计如图1-6所示。

5.多天线传输

根据不同的工作频段，5G新空口将采取不同的天线解决方案与技术。对于较低的频段，可以采用少量或中度数量的有源天线（最高约32副发射天线），并通常采用频分双工（FDD）的频谱配置。在此种配置下，信道状态信息（Channel State Information,CSI）的获取，需要在下行方向传输CSI-RS，并需要在上行方向上报CSI。此外，由于低频段的可用带宽有限，在5G新空口网络中，就需要通过多用户MIMO（MU-MIMO）以及更高阶的空间复用（以相比于LTE更高精度的CSI报告）来提高频谱效率。

对于较高的频段，可以在给定空间内部署大量的天线，从而可增大波束赋型以及MUMIMO的能力。此处假设采取时分双工（TDD）的频谱配置以及基于互易的运行模式。于是，通过上行信道测量可以明确信道估计的形式获得高精度的CSI。这种高精度的CSI可使5G新空口基站采用复杂的预编码算法，从而可以增大对于多用户干扰的抑制，但如果互易性不佳，就可能需要用户终端对小区间干扰或者校准信息进行反馈。

对于更高频段（处于毫米波范围），目前对于5G新空口的研究一般采取模拟的波束赋型，但该解决方案容易限制每个单波束在每个时间单位及无线链路之内的传输。该频段的波长很小，从而就需要采用大量的天线单元来保证覆盖效果。为了补偿数值很大的路径损耗，需要同时在发射端以及接收端部署波束赋型（对控制信道传输也是如此）。另外，还需要面向信道状态信息（CSI）的获取研发一种新类型的波束管理流程，其中，5G毫米波新空口基站及时按顺序扫描无线发射机波束，而且用户终端需要通过维持一个适当的无线接收机波束以使能对于所选定发射机波束的接收。

为了支撑众多不同的使用案例，5G新空口采取了高度灵活且统一的CSI框架，其中，与LTE相比，CSI测量、CSI上报以及实际的下行传输之间的耦合有所减少。可以把CSI框架看成一个工具箱，其中，面向信道及干扰测量的不同CSI上报设置及CSI-RS资源设置可以混合并匹配起来，以与天线部署及在用的传输机制相对应，而且其中不同波束的CSI报告可以得到动态触发。此外，CSI框架也支持多点传输及协调等更为先进的技术。同时，控制信息与数据的传输遵循自包含原则，对传输（例如，伴随DMRS参考信号）进行解码所需的所有信息均包含于传输自身之中。从而，随着用户终端在5G新空口网络中移动，网络就可以无缝地改变传输点或波束。

多天线的最大好处是可以形成多流输入输出，形成高效的MASSIVE MIMO功能。为了使读者更好地理解多流的形成过程，我们对各概念做了详细阐述，具体如下。

（1）码字

一个传输块（Transport Block,TB）对应包含一个移动接入码（Mobile Access Code,MAC）协议分组数据单元（Protocol Data Unit,PDU）的数据块，这个数据块在一个发送时间间隔（Transmission Time Interval,TTI）内发送。一个码字是对在一个TTI上发送的一个TB进行循环冗余码校验（Cyclic Redundancy Check,CRC）插入、码块分割并为每个码块插入CRC、信道编码、速率匹配之后得到的数据码流。

（2）TB块

每个TTI最多有两个，误块率（Block Error Rate,BLER）、调制和编码方案（Modulation and Coding Scheme,MCS）等都是基于TB块调度的。

（3）层

层就是通常说的流，码字通过层映射，然后映射到各个流上，这有点像串行到并行的变换，因此层数越多，速率就会越高。

（4）Port

Port就是通常说的逻辑端口号，每个端口号上有自己独立的DMRS参考信号，供用户设备（User Equipment,UE）解调出各个端口上的信号。

（5）波束

各流上的数据通过波束加权（Beam Forming,BF）后，映射到64根天线上发送，在权值的作用下（改变信号的幅度和相位），各天线上的信号将进行赋形，集中打向UE。

UE每根物理天线上都能接收到所有波束上的信号，UE的天线数决定了调度的最大流数，因此，有多少个流，就有多少个波束打向这个UE。多流形成过程如图1-7所示。

（6）信道编码

5G新空口的数据信道采取低密度奇偶校验（Low Density Parity Check,LDPC）编码，控制信道采取极化编码（Polar Code）。LDPC编码由其奇偶校验矩阵定义，每一行代表一个编码位（bit），每一列代表一个奇偶校验方程。5G新空口中的LDPC编码采用准循环结构，其中的奇偶校验矩阵由更小的基矩阵定义，基矩阵的每个输入代表一个Z×Z零矩阵或者一个平移的Z×Z单位矩阵。

Polar码构造的核心是通过“信道极化”处理，在编码侧，采用编码的方法使各个子信道呈现不同的可靠性，当码长持续增加时，一部分信道将趋于容量接近于1的完美信道（无误码），另一部分信道趋于容量接近于0的纯噪声信道，选择在容量接近于1的信道上直接传输信息以逼近信道容量。

Polar码之所以被认为是5G uRLLC和mMTC用例有希望的竞争者，主要是因为它通过简单的删除和代码缩短机制提供了优异的性能，代码率和代码长度各不相同，由于没有误码率，极低编码可以支持99.999%的可靠性，这对于5G应用的超高可靠性要求是必需的，使用简单的编码和低复杂度的基于连续删除（Successive Cancellation,SC）的解码算法，降低Polar码中的终端功耗。因此，对于需要超低功耗的物联网应用而言，对电池使用寿命的要求比较高，对于等效误码率，Polar码比其他码具有更低的信噪比要求，可提供更高的编码增益和更高的频谱效率，多路径、灵活性和多功能性（对于多终端场景）等特点，使Polar码成为5G标准控制信道功能的主要编码。

LDPC编码是一种线性分组码，它是一种校验矩阵密度非常低的分组码，核心思想是用一个稀疏的向量空间把信息分散到整个码字中。普通的分组码校验矩阵密度大，在采用最大似然法在译码器中解码时，错误信息会在局部的校验节点之间反复迭代并被加强，造成译码性能下降。

反之，LDPC编码的校验矩阵非常稀疏，错误信息会在译码器的迭代中被分散到整个译码器中，正确解码的可能性会被相应提高。简单地说，普通的分组码的缺点是错误集中并被扩散，而LDPC编码的优点是错误分散并被纠正。

与其他无线技术中所采用的LDPC编码不同的是，考虑到用于5G新空口的LDPC编码采取的是速率兼容结构，基矩阵由系统位、奇偶校验位、额外奇偶校验位组成。基矩阵如图1-8所示，图1-8中左上角部分（基矩阵）可进行高速率编码，编码率为2/3或8/9，还可以通过扩展基矩阵并加入图1-8中左下角部分标示的行与列来生成额外的奇偶校验位，从而就可以用更低的编码率来传输。由于用于更高编码率的奇偶校验矩阵更小，相关的解码时延以及复杂度就得到降低，加之由准循环结构可达到高平行度，所以可获得非常高的峰值吞吐与低时延。此外，5G新空口的奇偶校验矩阵可以扩展至相比LTE的Turbo码更低的编码率，LDPC编码可以在低编码的情况下率先获得更高的编码增益，从而适用于需要高可靠性的那些5G应用案例。

极化码将被用于5G新空口的层1及层2控制信令，但非常短的消息除外。极化码于2008年提出，是一种较新的编码方式，也是以合适的解码（面向多种信道）复杂度达到香农极限的第一批编码技术。

通过把极化码编码器与外部编码器串联起来，并跟踪解码器此前解码比特位（表单）的最可能的数值，可以用更短的块长度（例如，层1及层2控制信令长度的典型数值）获得良好的性能。此外，如果上述表单的尺寸更大，纠错性能就会更好，但解码器的实现复杂度会更大、成本会更高。

1.2.2 无线关键技术

1.关键技术一 ——非正交多址接入技术

在非正交多址接入技术（Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA）mMTC上采用，NOMA不同于传统的正交传输，在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除技术实现正确解调。与正交传输相比，接收机的复杂度有所提升，但可以获得更高的频谱效率。非正交传输的基本思想是利用复杂的接收机设计来获得更高的频谱效率，随着芯片处理能力的增强，将使非正交传输技术在实际系统中的应用成为可能。NOMA的思想是，重拾3G时代的非正交多用户复用原理，并将之融合于现在的4G OFDM技术之中。

从2G、3G到4G，多用户复用技术无非在时域、频域、码域上做文章，而NOMA在OFDM的基础上增加了一个维度—功率域。新增这个功率域的目的是，利用每个用户不同的路径损耗来实现多用户复用。非正交多址接入技术比较见表1-2（包含与3G/4G接入技术的比较）。

在NOMA中的关键技术有串行干扰删除（Successive Interference Cancellation,SIC）和功率复用。

2.关键技术二——串行干扰删除

在发送端，类似于码分多址接入（Code Division Multiple Access,CDMA）系统，引入干扰信息可以获得更高的频谱效率，但是同样也会遇到多址干扰（Multiple Access Interference,MAI）的问题。关于消除多址干扰的问题，在研究3G的过程中已经取得了很多成果，SIC也是其中之一。NOMA在接收端采用SIC接收机来实现多用户检测。SIC技术的基本思想是采用逐级消除干扰策略，在接收信号中对用户逐个判决，进行幅度恢复后，将该用户信号产生的多址干扰从接收信号中减去，并对剩下的用户再次进行判决，如此循环操作，直至消除所有的多址干扰。串行干扰删除（SIC）技术如图1-9所示。

3.关键技术三——功率复用

SIC在接收端消除MAI，需要在接收信号中对用户进行判决来排出消除干扰用户的先后顺序，而判决的依据就是用户信号功率大小。基站在发送端会对不同的用户分配不同的信号功率来获取系统最大的性能增益，同时达到区分用户的目的，这就是功率复用技术。发送端采用功率复用技术。不同于其他的多址方案，NOMA 首次采用了功率复用技术。功率复用技术在其他几种传统的多址方案中没有被充分利用，其不同于简单的功率控制，而是由基站遵循相关的算法来进行功率分配。在发送端对不同的用户分配不同的发射功率，从而提高系统的吞吐率。另外，NOMA 在功率域叠加了多个用户，在接收端，SIC 接收机可以根据不同的功率区分不同的用户，也可以通过信道编码来进行区分，例如，Turbo码和LDPC编码的信道编码。这样，NOMA 能够充分利用功率域，而功率域在4G系统中没有被充分利用。与OFDM 相比，NOMA 具有更好的性能增益。

NOMA可以利用不同的路径损耗差异来对多路发射信号进行叠加，从而提高信号增益。它能够让同一小区覆盖范围的所有移动设备都能获得最大的可接入带宽，以解决由于大规模连接带来的网络挑战。

NOMA的另一个优点是，无须知道每个信道的CSI，从而有望在高速移动场景下获得更好的性能，并能组建更好的移动节点回程链路。

4.关键技术四——滤波组多载波技术

在OFDM系统中，各个子载波在时域相互正交，它们的频谱相互重叠，因而具有较高的频谱利用率。OFDM技术一般应用在无线系统的数据传输中，在OFDM系统中，由于无线信道的多径效应，从而使符号间产生干扰。为了消除符号间干扰（Inter Symbol Interference,ISI），在符号间插入保护间隔。插入保护间隔的一般方法是符号间置零，即发送第一个符号后停留一段时间（不发送任何信息），接下来再发送第二个符号。在OFDM系统中，这样虽然减弱或消除了符号间干扰，由于破坏了子载波间的正交性，从而导致了子载波之间的干扰（Inter Carrier Interference,ICI）。因此，这种方法在OFDM系统中不能采用。在OFDM系统中，为了既可以消除ISI，又可以消除ICI，通常保护间隔是由循环前缀（Cycle Prefix,CP）来充当。CP是系统开销，不传输有效数据，从而降低了频谱效率。

而滤波组多载波技术（Filter Bank Multi Carrier,FBMC）利用一组不交叠的带限子载波实现多载波传输，FBMC对于频偏引起的载波间干扰非常小，不需要CP，较大地提高了频率效率。正交频分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access,OFDMA）和FBMC实现结果对比如图1-10所示。

5.关键技术五——毫米波

毫米波（mmWaves）的频率为30GHz～300GHz，波长为1mm～10mm。

由于足够大的可用带宽，较高的天线增益，毫米波技术可以支持超高速的传输速率，且波束窄，灵活可控，可以连接大量设备。毫米波支持大连接如图1-11所示。

图1-11中的左侧终端处于4G小区覆盖边缘，信号较差，且有建筑物（例如，房子）阻挡，此时，就可以通过毫米波传输，绕过阻挡的建筑物，实现高速传输。

同样，图1-11中下方多个终端同样可以使用毫米波实现与4G小区的连接，且不会产生干扰。当然，由于图1-11中的右侧无线终端距离4G小区较近，可以直接和4G小区连接。

高频段（毫米波）在5G时代的多种无线接入技术中有以下两种应用场景。

（1）毫米波小基站：增强高速环境下移动通信的使用体验

传统多种无线接入技术叠加型网络如图1-12所示。在传统的多种无线接入技术叠加型网络中，宏基站与小基站均工作于低频段，这就带来了频繁切换的问题，用户体验较差。为了解决这一问题，在未来的叠加型网络中，宏基站工作于低频段并作为移动通信的控制平面，毫米波小基站工作于高频段并作为移动通信的用户数据平面。

（2）基于毫米波的移动通信回程

基于毫米波的移动通信回程如图1-13所示。在采用毫米波信道作为移动通信的回程后，叠加型网络的组网具有很大的灵活性，因为在5G时代，小/微基站的数目将非常庞大，基于毫米波的移动通信回程技术可以随时随地根据数据流量增长的需求部署新的小基站，并可以在空闲时段或轻流量时段灵活、实时地关闭某些小基站，从而可以收到节能降耗之效。

6.关键技术六——大规模MIMO技术（3D/Massive MIMO）

大规模MIMO技术已经被广泛应用于Wi-Fi、LTE等场景。从理论上看，天线越多，频谱效率和传输的可靠性就越高。

具体而言，当前LTE 基站的多天线只在水平方向排列，只能形成水平方向的波束，并且当天线数目较多时，水平排列会使天线总尺寸过大，从而导致安装困难。而5G 的天线设计参考了相控阵雷达的思路，其目标是更大地提升系统的空间自由度。基于这一思想的大规模天线系统（Large Scale Antenna System,LSAS）技术，通过在水平和垂直方向同时放置天线，增加了垂直方向的波束维度，并提高了不同用户间的隔离。大规模MIMO技术如图1-14所示。

有源天线技术的引入还将更好地提升天线性能，降低天线耦合造成能耗损失，使LSAS 技术的商用化成为可能。

LSAS可以动态地调整水平和垂直方向的波束，因此可以形成针对用户的特定波束，并利用不同的波束方向区分用户。基于LSAS的3D波束成形可以提供更细的空域粒度，提高单用户MIMO和多用户MIMO的性能。基于LSAS的3D波束如图1-15所示。

同时，LSAS技术的使用为提升系统容量带来了新的思路。LSAS技术提升系统容量如图1-16所示，可以通过半静态地调整垂直方向波束，在垂直方向上通过垂直小区分裂区分不同的小区，实现更大的资源复用。

大规模MIMO技术可以由一些并不昂贵的低功耗的天线组件来实现，为实现在高频段上进行移动通信提供了广阔前景，它可以成倍地提升无线频谱效率，增强网络覆盖和系统容量，帮助运营商最大限度地利用已有站址和频谱资源。

我们以一个20cm2的天线物理平面为例，这些天线以半波长的间距排列在一个个方格中，如果工作频段为3.5GHz，就可部署16副天线；如果工作频段为10GHz，就可部署169副天线。天线物理平面与天线单元间距示例如图1-17所示。

3D-MIMO技术在原有的MIMO基础上增加了垂直维度，使波束在空间上三维赋型，可避免相互之间干扰，配合大规模MIMO，可实现多方向波束赋型。

7.关键技术七——认知无线电技术

认知无线电技术（Cognitive Radio Spectrum Sensing Techniques,CRSST）最大的特点就是能够动态地选择无线信道。认知无线电技术如图1-18所示，在不产生干扰的前提下，手机通过不断感知频率，选择并使用可用的无线频谱。

8.关键技术八——超密度异构网络

超密度异构网络（Ultra-Dense Heterogeneous Networks,UD-HetNets）是指，在宏蜂窝网络层中布放大量微蜂窝（Microcell）、微微蜂窝（Picocell）、毫微微蜂窝（Femtocell）等接入点，满足数据容量增长要求。

为应对未来持续增长的数据业务需求，采用更加密集的小区部署将成为5G 提升网络总体性能的一种方法。通过在网络中引入更多的低功率节点可以实现热点增强、消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量的目的。但是，随着小区密度的增加，整个网络的拓扑也会变得更复杂，会带来更加严重的干扰问题。因此，超密度异构网络（UD-HetNets）技术的一个主要难点就是要进行有效的干扰管理，提高网络的抗干扰性能，特别是提高小区边缘用户的性能。

UHN技术增强了网络的灵活性，可以针对用户的临时性需求和季节性需求快速部署新小区。在这个技术背景下，未来网络架构将形成“宏蜂窝+ 长期微蜂窝+ 临时微蜂窝”的网络架构。“宏蜂窝+长期微蜂窝+临时微蜂窝”的网络架构如图1-19所示。这一结构将大大降低网络性能对于网络前期规划的依赖，为5G 时代实现更加灵活自适应的网络提供保障。

在5G时代，更多的是物—物连接接入网络，HetNets（异构网络）的密度将大大增加。

与此同时，小区密度的增加也会带来网络容量和无线资源利用率的大幅提升。仿真表明，当宏小区用户数为200时，如果将微蜂窝的渗透率提高到20%，就可能带来理论上1000倍的小区容量提升。同时，这一性能的提升会随着用户数量的增加而更加明显。考虑到5G主要的服务区域是城市中心等人员密度较大的区域，这一技术将会给5G的发展带来巨大潜力。

当然，密集小区所带来的小区间干扰也将成为5G 面临的重要技术难题，目前，在这一领域的研究中，除了传统的基于时域、频域、功率域的干扰协调机制之外，3GPP Rel11提出了进一步增强小区干扰协调技术（Enhanced Inter-Cell Interference Cancellation,eICIC），包括小区参考信号（Cell Reference Signal,CRS）抵消技术、网络侧的小区检测、干扰消除技术等。这些eICIC技术均在不同的自由度上，通过调度使相互干扰的信号互相正交，从而消除干扰。除此之外，还有一些新技术的引入也为干扰管理提供了新的手段，例如，认知技术、干扰消除、干扰对齐技术等。随着相关技术难题被逐一解决，在5G 中，UHN技术将得到更加广泛的应用。小区容量仿真结果如图1-20所示。

9.关键技术九——多技术载波聚合

3GPP R12已经提到了多技术载波聚合（Multi-Technology Carrier Aggregation,MTCA）技术标准。未来的网络是一个融合的网络，MTCA技术不仅要实现LTE内载波间的聚合，还要扩展到与3G、5G、Wi-Fi等网络的融合。

多技术载波聚合如图1-21所示，MTCA技术与HetNets一起，将为实现万物之间的无缝连接提供支撑。

1.2.3 无线传播基本原理

在规划和建设一个移动通信网时，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰，到最终确定无线设备的参数，都必须依靠对电波传播特性的研究、了解和据此进行的场强预测。它是进行系统工程设计与研究频谱有效利用、电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论。

众所周知，无线电波可以通过多种方式从发射天线传播到接收天线。无线电波传播的方式有直达波或自由空间波、地波或表面波、对流层反射波、电离层波。

就电波传播而言，发射机同接收机间最简单的方式是直达波或自由空间波，即俗称的第一种方式。自由空间波指的是该区域是各向同性（沿各个轴特性一样）且同类（均匀结构）的波。自由空间波的其他名字有直达波或视距波。无线电波传播中的直达波如图1-22（a）所示，直达波沿直线传播，直达波或自由空间波可用于卫星和外部空间通信。另外，这个定义也可用于陆地上视距传播（两个微波塔之间）。无线电波传播中的视距波如图1-22（b）所示。

第二种方式是地波或表面波。地波传播可看作三种情况（即直达波、反射波和表面波）的综合。表面波沿地球表面传播。从发射天线发出的一些能量直接到达接收机；有些能量经从地球表面反射后到达接收机；有些通过表面波到达接收机。表面波在地表面上传播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。当能量进入地面，它建立地面电流。无线电波传播中的地波如图1-22（c）所示。

第三种方式即对流层反射波，对流层反射波产生于对流层，对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化，它的反射系数随高度增加而减少，这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。无线电波传播中的散射体如图1-22（d）所示。对流层方式应用于波长小于10m（即频率大于30MHz）的无线通信中。

第四种方式是电离层波。当电波波长小于1m（频率大于300MHz）时，电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃。无线电波传播中的电离层波如图1-22（e）所示。这种传播用于长距离通信。除了反射，由于折射率的不均匀，电离层可产生电波散射。另外，电离层中的流星也能散射电波。同对流层一样，电离层也具有连续波动的特性，在这种波动上是随机的快速波动。蜂窝系统的无线传播利用了第二种电波传播方式。

在设计蜂窝系统时研究传播有两个原因：第一，它对于计算覆盖不同小区的场强提供必要的工具，因为在大多数情况下覆盖区域从几百米到几十千米，地波传播可以在这种情况下应用；第二，它可计算邻信道和同信道干扰。

预测场强有三种方法：第一，纯理论方法，这种方法适用于分离的物体，例如，山和其他固体物体，但这种预测忽略了地球的不规则性；第二，基于在各种环境的测量，包括不规则地形及人为障碍，尤其是在移动通信中普遍存在的较高的频率和较低的移动天线；第三，结合上述两种方法的改进模型，基于测量和使用折射定律考虑山和其他障碍物的影响。

1.2.4 5G天线的特点

5G协议在上行DMRS导频、上行预编码、下行广播扫描、下行DMRS导频、下行CSI-RS导频等方面进行了大幅优化设计，可显著提升5G协议下的多天线性能。各类技术方案见表1-3。

LTE与NR PBCH波束对比如图1-23所示，在4G网络中使用单个宽波束，无扫描机制使覆盖能力受限；而5G NR波束扫描机制在窄波束轮询扫描的前提下，n个广播波束组合不同覆盖范围，其最大增益相同，覆盖能力提升，可以较好地兼顾覆盖深度与覆盖范围。

以64TR 3.5GHz默认场景为例，在时隙配比7 :3下支持发送7个同步信号模块（Synchronization Signal Block,SSB）窄波束，波束索引号（Beam Index,Beam ID）从0～6逆时针排列，SSB整体外包络由7个窄载波叠加得到。5G SSB 波束如图1-24所示。

5G通过波束扫描可提供高达9dB广播信道覆盖增益以及更灵活的场景化波束设计，可以更好地控制波束覆盖到需要的位置。灵活波束示意如图1-25所示。

5G波束场景见表1-4，当前广播波束场景化的一些设置参考表1-4，可以根据实际场景进行选择，相较于4G天线，5G具备更多的灵活性。

5G NR协议支持基于CSI-RS的参考信号接收功率（Reference Signal Receiving Power,RSRP）测量，使基于CSI-RS的用户级波束管理机制与基于信道探测参考信号（Sounding Reference Signal,SRS）的波束管理互补。

基于SRS的波束管理：在gNB（generation NobeB,5G基站）通过SRS测量获得用户的最优窄波束，适用于SRS信号质量较好的近点用户。基于SRS的波束管理如图1-26所示。

基于CSI-RS的波束管理：适用于SRS信号质量较好的近点用户，上行SRS发送通过UE基于CSI-RS的测量上报，gNB获得用户的最优窄波束，适合SRS信号质量较差的远点用户。基于CSI-RS的波束管理如图1-27所示。