作者：赵绍刚
出版社：电子工业出版社
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5G：开启未来无线通信创新之路试读：
前言
IMT—2020（5G）推进组于2015年发布《5G概念白皮书》，明确了未来移动互联网和物联网的业务需求，提出5G将重点支持连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠4个主要技术场景，为实现上述业务需求就必须采用崭新的无线空口技术。这些关键无线技术包括：大规模天线阵列、新型多址、新型波形、全频谱接入和基于轨道角动量无线传输等，通过新空口来实现几十甚至上百吉位每秒（Gb/s）用户体验速率及万用户量级的小区用户数。
本书写作的目的是为了让从事移动通信的专业技术人员和相关专业的高校学生对5G无线网络的关键技术有一个比较详细、全面的了解。本书首先对5G网络进行简要的介绍，让读者对5G系统的需求有个基本了解。之后重点、详细介绍5G无线网络中关键的技术：大规模天线阵列、新型多址、新型波形、全频谱接入和基于轨道角动量的无线传输技术。内容不仅包括各种无线关键技术的基本原理和技术特征，同时还对这些技术的性能进行了仿真和对比分析。
这些内容不仅对从事TD-LTE网络维护的工程技术人员有积极的指导意义，同时对高校的师生、设计研发人员有很好的参考意义。
全书共12章。
第1章简要对5G系统进行介绍，包括5G的基本需求、挑战、5G无线关键技术等。
第2章对大MIMO系统进行总体介绍，包括大MIMO的机遇、大维度下的信道硬化、实现的技术挑战和解决方法。
第3章对大MIMO系统的编码与检测进行详细介绍，包括空间复用、空时编码、MIMO检测等。
第4章对大MIMO信道模型进行详细介绍，包括分析信道模型、空间相关对大MIMO性能的影响、信道模型标准化、早期对大MIMO的测量等，最后还对紧凑大天线阵列进行了介绍。
第5章对非正交多用户叠加与共享多址技术进行介绍，包括非正交多用户多址技术的基本原理和特征、下行非正交多用户传输、上行非正交多址技术等。
第6章对非正交多址的概念和设计进行介绍，包括NOMA概念、上/下行NOMA与OAM的比较、NOMA的优势、NOMA的设计原则，最后对上/下行NOMA的性能进行评估。
第7章对5G新波形技术进行了介绍，包括5G中的新波形：FBMC、UFMC、GFDM和f-OFDM、FTN和新调制技术等。
第8章对灵活支持5G物理层的新波形GFDM进行介绍，包括5G应用场景对灵活波形的需求、GFDM原理和性能、GFDM的偏置QAM调制、预编码对灵活性的支持、GFDM的发射分集、支持LTE资源栅格的GFDM参数化等。
第9章对基于毫米波通信的网络架构、模型和性能进行介绍，包括无线频谱、波束跟踪、具有角度变量的信道模型、UAB网络架构、系统容量等。
第10章对毫米波无线传播特征进行介绍，包括其无线传播特征、传播模型和参数、链路预算分析等。
第11章对室外环境下的毫米波通信特征进行介绍，包括毫米波信道特征、毫米波传播模型等。
第12章对基于轨道角动量OAM的无线通信进行介绍，包括承载OAM的EM波、OAM在通信中的应用、OAM波束的产生、复用和检测、OAM复用在无线通信中的应用等。
本书由赵绍刚、李岳梦编著，参与本书编写工作的还有田盛泰、金文研、庄浩、王粟、肖巍、周兴围，在此表示感谢！
希望本书能够对从事移动通信特别是从事5G网络维护、研发和设计的人员有一定的借鉴作用，由于作者水平有限，加上时间仓促，书中不妥之处请各位专家、同仁批评指正。在此深表感谢。编著者2017年3月于北京第1章5G简介：无线网关键技术1.1 为什么需要5G
在探讨第五代移动通信架构和特征之前，首先需要澄清设计这样一张网络的必要性。为此需要对之前的移动通信网络进行简单的介绍。1G是第一代移动通信系统，其最高速率为2.4kb/s。该网络提供语音呼叫仅限于国内，并且该网络基于模拟信号。1G网络有很多缺点，如较差的语音质量、较差的待机续航能力、终端尺寸过大、容量受限、较差的切换可靠性等。第二代移动通信系统2G是基于GSM的蜂窝系统。该网络使用数字信号，其数据速率最高可达64kb/s。该网络除了支持语音业务外，还支持短信、图片消息和彩信（Multimedia Message Service, MMS）。网络的质量和容量较1G有了很大的改善。但该网络的缺点是网络质量取决于较强的数字信号，并且该网络不支持复杂的数据处理，如图像等。随后网络演进到2.5G，即通用分组无线网络（General Packet Radio Service, GPRS）。该网络的特征是既可以提供语音呼叫，还可以支持电子邮件消息的收发，可以支持Web浏览，其支持的数据为64～144kb/s。随着2000年3G时代的来临，数据传输速率大大提升，从144kb/s增加到2Mb/s。3G的突出特征是可以支持更快速的通信，可以发送和接收较大的邮件，并提供更快的Web浏览，支持视频会议、TV媒体流和移动TV。但3G的牌照非常昂贵，并且建设非常具有挑战性。需要较高的带宽、较大的蜂窝电话，其昂贵的终端是3G的缺点。4G作为下一代通信网络，可以提供更快的数据速率和更高质量的视频流，并把WiFi和Wimax融合在一起。4G网络可以提供100Mb/s到1Gb/s的速率。5G希望能够较前几代网络有更大的优势，尤其是较4G有较大的改善。4G中已经大大改善了业务质量（Quality of Service, QoS）和安全性，同时每比特成本也在下降。与前几代网络相比，4G也存在一些问题，如较大的功耗（电池待机时长），难以部署、硬件过于复杂、设备成本过高等，所以上述问题急需通过下一代网络进行解决。5G总体而言就是要提供完备的无受限的无线通信系统。5G可以提供Gb/s量级的数据速率，可以支持多媒体报纸和具有高保真质量的TV，更快的接通速度和更清楚的音/视频，支持交互多媒体业务。表1.1给出了各代移动通信系统的区别。图1.1给出了5G系统通过各种不同网络来构成一个完整网络。表1.1 不同移动通信系统之间的区别图1.1 未来网络：多种无线/接入方案的融合
5G与现在通信网络相比有以下期望。首先，5G网络的主要目的是为更多用户提供更高数据速率业务。对于众多传感器应用而言，需要支持大量的同时连接。与4G相比，5G网络的频谱效率应大大增强。该网络也需要与4G LTE和WiFi兼容，以提供高速率覆盖和具有低延时的平滑通信。图1.2给出了每月IP业务量的变化情况（单位petabit）。从图1.2中可以清楚地看到，数据传输有非常大的需求，同时我们还希望新一代网络具有更高的灵活性。图1.2 IP业务量传输需求
为了实现该目标，5G网络必须支持以下特征：（1）具有更高的灵活性和更高的智能。（2）具有更强的频谱管理机制。（3）改善频谱效率同时降低成本。（4）支持物联网（Internet of Things, IoT）应用，包括各种不同的设备。（5）基于用户需求可以支持灵活的带宽分配机制（根据用户的支付需求）。（6）能够将之前和当代蜂窝系统及WiFi标准进行融合，从而构成一个高速率低时延网络。总之，对于5G技术而言还有一些待讨论的问题，如密集网络、毫米波（mmWave, Millimeter Wave）蜂窝系统、大规模MIMO。
5G网络需要处理多种技术，包括WiFi和LTE，需要支持更多频段，支持更多用户数。通过研究，可视网络索引（Visual Network Index, VNI）已经很清楚地说明依靠4G无法满足更大的网络容量需求和更多的用户数。在最近10年，智能终端、平板电脑、视频流和在线游戏的发展非常惊人，因此必须建立新的网络来提供更好的性能。除了增加的数据容量外，终端数和数据速率也与信道容量相关，并且在急剧增加。由于个人通信的应用会吸引不同年龄段的用户，且很多公司都在设计不同的应用，所以5G必须能够支持所有相关需求。对于这些需求已经有很多工程师负责研究新技术来满足不同的应用。目前已有很多项目（METIS、5GNOW）开始研究能满足上述需求的新网络。同样，业界也早已开始对5G标准进行深入研究。
5G系统的需求可以通过不同的术语进行描述。表1.2给出了当前的描述和对5G网络的需求。尽管所有内容都是非常重要的，但同时满足所有内容是不可能的，并且这些需求取决于不同的应用。例如，对于HD视频流，延时和可靠性在某些程度上可以被忽略。但对于无线车载或公共安全应用中，这些参数必须保证。表1.2第1个参数是数据速率，这决定了网络支持移动数据业务的程度。表1.2从多个方面来对5G和4G的区别进行说明：（1）区域容量（聚合数据速率），即该区域网络服务的总数据速率。（2）边界速率，即其用户在该网络中所能享受的最差数据速率。（3）峰值速率，即用户可以体验的最高速率。总之，5G的目标是增加聚合速率和边界速率，其增加倍数较4G分别是1000倍和100倍。（4）延时是网络的另一个重要属性。尽管当前4G网络的环回延时可以满足一些业务需求，但5G网络希望能够支持一些创新的网络应用，如谷歌眼镜盒或其他穿戴设备应用等。要实现该目标，5G网络就需要提供小于1ms的环回延时，该值远小于4G 15ms的要求。（5）减少成本和功耗是5G的另一个重要目标。在5G中，数据速率将增加100倍，因此其每比特成本将降低10000%。这意味着5G需要使用更加廉价的毫米波段。表1.2 5G网络较4G网络的提升1.2 什么是5G
5G也称为第五代移动通信网络，或者第五代无线系统，是下一代移动通信标准。我们将对5G网络中改善电信网络质量的主要需求进行介绍。第一，5G网络主要目标是为更多用户提供更高的数据速率。第二，为众多传感器或者物联网设备提供多条同时连接（即海量连接）。与4G相比，5G在频谱效率上有显著的提升。通信领域基本是每10年就会出现新一代通信系统。任何新一代移动通信的引入，都是要分配新的频段并且具有更宽的频谱带宽。表1.3给出了不同通信系统的情况及其相应的频谱带宽。表1.3 不同移动通信系统及其相应带宽网络出现年代带宽1G1981<30kHz2G1991<200kHz3G2001<20MHz4G2012<100MHz
5G还希望对其他一些重要网络参数进行增强，包括更高的峰值数据速率，同时处理更多的连接设备、更高的频谱效率、更低的功耗、更低的中断概率（更好的覆盖），在较大覆盖区域提供更高的比特速率、更低的延时、更低的部署成本、更可靠的通信。5G系统希望的商用时间是2020年。
目前的移动通信网络无法满足上述不断增强的需求，因为这需要扁平化、分布式的网络。此外，对于共享和传输的文件格式的需求也不断增加，如视频、音频、图像、数据等，这意味着需要新的编解码机制，例如，H.264。另外需要考虑的事情是使用高级无线接入网（Radio Access Network, RAN），如异构（Heterogeneous Network, HetNets），更高的无线接入技术（Radio Access Technology, RAT），如新无线广域网（Wireless Wide Area Network, WWAN）。此外，还需要考虑未来5G所需改进的技术，如与网络传输速度相关的传输技术及其互操作等。总之，该优化涉及网络、终端和应用。5G网络技术通过使用无线小应用来提供更高带宽。5G的另一功能就是通过智能技术与整个世界无限制连接。基于多径数据通路机制新概念来提供真实的世界无线Web（World Wide Wireless Web, WWWW）。为了设计该无线世界，网络整合是必需的。研究者希望实现一个多带宽数据通路，该网络设计包括当前网络和未来网络，并引入5G新网络架构。图1.3给出了该架构，是当前和未来网络的融合。图1.3 基于当前和未来网络的5G架构
因此，在该无线世界（5G）中，码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）、正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）、多载波码分多址（Multi Carrier CDMA, MCCDMA）、超宽带（Ultra Wide Band, UWB）和IPv6等新技术将用于支持网络。通过这个系统架构，5G可以提供惊人的数据能力和巨大的呼叫连接。该能力也要求5G网络中的路由器可以提供更高的连接性。5G技术的特征还具有支持远端诊断的能力。通过远程管理，用户将体验到更好和更快的网络。1.3 5G的应用
面向2020年及未来，移动互联网和物联网业务将成为移动通信发展的主要驱动力。5G将满足人们在居住、工作、休闲和交通等各种领域的多样化业务需求，即便在密集住宅区、办公室、体育场、露天集会、地铁、快速路、高铁和广域覆盖等具有超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性特征的场景，也可以为用户提供超高清视频、虚拟现实、增强现实、云桌面、在线游戏等高级业务体验。与此同时，5G还将渗透到物联网及各种行业领域，与工业设施、医疗仪器、交通工具等深度融合，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的多样化业务需求，实现真正的“万物互连”。
5G将解决多样化应用场景下差异化性能指标带来的挑战，不同应用场景面临的性能挑战有所不同，用户体验速率、流量密度、时延、能效和连接数都可能成为不同场景的挑战性指标。从移动互联网和物联网主要应用场景、业务需求及挑战出发，可归纳出连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠4个5G主要技术场景，如表1.4所示。表1.4 5G主要场景与关键性能挑战场景关键挑战连续广域覆100Mb/s用户体验速率盖· 用户体验速率：1Gb/s热点高容量· 峰值速率：数十Gb/s· 流量密度：数十Tb/s/km2低功耗大连· 连接数密度：106/km2接· 超低功耗，超低成本· 空口时延： 1ms低时延高可· 端到端时延： ms量级靠· 可靠性：接近100%
连续广域覆盖和热点高容量场景主要满足2020年及未来的移动互联网业务需求，也是传统的4G主要技术场景。 连续广域覆盖场景是移动通信最基本的覆盖方式，以保证用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供无缝的高速业务体验。该场景的主要挑战在于随时随地（包括小区边缘、高速移动等恶劣环境）为用户提供100Mb/s以上的用户体验速率。 热点高容量场景主要面向局部热点区域，为用户提供极高的数据传输速率，满足网络极高的流量密度需求。1Gb/s用户体验速率、数十Gb/s峰值速率和数十Tb/s/km2的流量密度需求是该场景面临的主要挑战。
低功耗大连接和低时延高可靠场景主要面向物联网业务，是5G新拓展的场景，重点解决传统移动通信无法很好地支持物联网及垂直行业应用。 低功耗大连接场景主要面向智慧城市、环境监测、智能农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景，具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足100万/km2连接数密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。 低时延高可靠场景主要面向车联网、工业控制等垂直行业的特殊应用需求，这类应用对时延和可靠性具有极高的指标要求，需要为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。1.4 5G标准化
当前，制定全球统一的5G标准已成为业界共同的呼声，国际电信联盟（ITU）已启动了面向5G标准的研究工作，并明确了IMT-2020（5G）工作计划：2015年完成IMT-2020国际标准前期研究，2016年开展5G技术性能需求和评估方法研究，2017年年底启动5G候选方案征集，2020年年底完成标准制定。
3GPP作为国际移动通信行业的主要标准组织，将承担5G国际标准技术内容的制定工作。3GPP R14阶段被认为是启动5G标准研究的最佳时机，R15阶段可启动5G标准工作项目，R16及以后将对5G标准进行完善增强。5G标准化工作计划如图1.4所示。图1.4 5G标准化工作计划1.5 5G的挑战
将各种标准进行集成并提供一个公共平台，且通过一个合适的架构来进行支撑，这是设计5G网络最具挑战的工作。在建立5G无线网络中，需求可以分成三类来解决：第一，5G网络的需求，即提供巨大的容量和巨大的连接数；第二，5G网络需要支持各种不同的业务、应用及不同领域的用户；第三，5G网络需要灵活、高效地利用所有有效频谱来支持不同的网络场景。移动网络已经覆盖日常通信的各个方面。因此，这些网络应该可以支持适当QoS的连接，并提供高可靠性和相对的安全性。为了达到该目标，5G设计技术就是要实现对超高智力和媒体交互能力的灵活支持。
5G的另一个目标就是网络需要支持车载和可穿戴设备的应用。这样广泛的网络性能可以认为是无限的，所以其数据速率可达Gb/s量级。5G网络的一个主要目标就是建设智能城市从而提供所需的基础设施。这些智能城市将提供移动工业自动化、车辆的连接性及其他IoT应用，要求网络提供的连接具有较低延时和较高的可靠性。
由于移动业务逐渐变得更加多样，因此就需要不同的性能。图1.5给出了5G网络涉及的需求，如网络吞吐量、延时和连接数等。图1.5 5G业务和场景的基本需求
根据图1.5，要满足上述所有需求，5G网络设计充满了挑战。为了支持超HD时频和VR应用，5G应至少支持1Gb/s的数据速率。图1.5清楚地显示了5G希望满足在数据速率、延时、切换时延、功耗等各方面的所有需求。总之，5G网络潜在需求包括增加容量近1000倍，峰值数据速率为5～10Gb/s，频谱效率为10b/s/Hz，用户面延时为1ms，控制面延时为50ms。还需要考虑毫米波和非许可频段的使用。另一个需要就是对超高速350km/h的移动性需求，并且要求切换时间小于10ms。此外，5G网络对可靠性的要求也非常高。1.6 5G网络关键技术
为了满足5G业务需求，其架构必须具有高度灵活性。为此，需要使用上下文感知网络（Context Aware Network, CAN），CAN可以为数字网络提供最大的稳定性和灵活性。实际上，该网络是将两种不同网络与两种不同功能进行了组合：哑网络和智能网络。5G网络需要使用动态无线资源管理技术，这将基于软件定义无线电来实现。动态无线资源管理基于认知无线技术，即不同的无线技术可以共享相同的频谱，这可以通过主动方式在未使用的频谱上进行搜索和根据共享频谱的传输技术来调整传输机制来实现。网络功能虚拟化（Network Function Virtual, NFV）可以使5G网络变得更灵活。通过NFV功能，我们可以将网络功能与专用设备解耦，从而允许网络业务在虚拟机上运行。通过NFV,5G网络将导致私有硬件的大幅降低，并可以快速实现业务的部署。
在5G网络中，基于类似的移动性模式，可以大规模部署机器类通信（Machine Type Communication, MTC）设备。因此，5G需要支持更多的工作模式，例如，设备到设备通信（Device-to-Device, D2D）、具有更低的功耗，支持多RAT技术和管理，支持更高级的多址机制，在低频段支持优化操作。
5G网络还需要高密度网络，使用高级小区、高级节点互操作和自组织网络来实现。5G网络中的另一个优势就是通过考虑载波聚合来实现更高的频谱，这可以通过在许可或非许可频段上实现，可以工作在毫米波段，也可以通过认知无线电技术来实现。
在所有的5G技术中，最关键的技术之一是无线接入网技术。图1.6给出了实现5G需求所需的无线网络关键技术，在5G网络中需要可以提供几Gb/s的数据速率，这需要通过使用大MIMO、毫米波、新波形及轨道角动量复用来实现。不同的蜂窝和无线网络对于容量和带宽的需求是非常大的。在未来5G网络的数据速率必须增加到Gb/s量级。较高的数据速率可以通过使用毫米波频谱来实现，较小的毫米波长度可以与定向天线组合从而支持更高吞吐量，因为大MIMO作为空间处理技术可以提供正交极化和波束赋形。此外，5G用户大连接需求需要采用新型多址技术，即非正交多址技术（Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA）。图1.6 5G无线网络的关键技术
图1.7给出了无线接入网有效的毫米波。通过载波聚合可以支持更高的数据速率，即通过频谱组合技术产生一个更大的虚拟带宽。其中一个策略就是使用许可或非许可频段进行载波聚合以改善带宽。图1.7 适用于5G无线接入网的毫米波
MIMO技术是一种基于多输入和多输出的天线阵列技术，是将多根发射天线和接收天线进行组合来实现的，可以看作一个智能天线阵列。由于其优于部分多用户MIMO，所以在5G中必须使用该技术。大MIMO技术需要基于上百阵元，通常工作在超过10GHz的高频，从而大大增加容量。应用大MIMO会带来一些挑战，如天线的互耦合、RF硬件设计、信道估计等。1.6.1 大规模天线阵列（Massive MIMO）技术
MIMO技术已经在4G系统中得以广泛应用。面对5G在传输速率和系统容量等方面的性能挑战，天线数目的进一步增加仍将是MIMO技术继续演进的重要方向。根据概率统计学原理，当基站侧天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交。在这种情况下，用户间干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益将能够有效地提升每个用户的信噪比，从而能够在相同的时频资源上支持更多的用户传输。
在实际应用中，通过大规模天线，基站可以在三维空间形成具有高空间分辨能力的高增益窄细波束，能够提供更灵活的空间复用能力，改善接收信号强度，并更好地抑制用户间干扰，从而实现更高的系统容量和频谱效率。
大规模天线技术的研究内容主要包括以下几点。（1）应用场景与信道建模
大规模天线技术的潜在应用场景主要包括：宏覆盖、高层建筑、异构网络、室内外热点及无线回传链路等。此外，以分布式天线的形式构建大规模天线系统也可能成为该技术的应用场景之一。在需要广域覆盖的场景，大规模天线技术可以利用现有频段；在热点覆盖或回传链路等场景，则可以考虑使用更高频段。针对上述典型应用场景，需要根据大规模天线信道的实测结果，对一系列信道参数的分布特征及其相关性进行建模，从而反映出信号在三维空间中的传播特性。（2）编码传输与检测技术
大规模天线的性能增益主要是通过大量天线阵元形成的多用户信道间的准正交特性保证的。然而，在实际的信道条件中，由于设备与传播环境中存在诸多非理想因素，为了获得稳定的多用户传输增益，仍然需要依赖下行发送与上行接收算法的设计来有效地抑制用户间乃至小区间的同道干扰，而传输与检测算法的计算复杂度则直接与天线阵列规模和用户数相关。此外，基于大规模天线的预编码/波束赋形算法与阵列结构设计、设备成本、功率效率和系统性能都有直接的联系。基于Kronecker运算的水平垂直分离算法、数/模混合波束赋形技术，或者分级波束赋型技术等可以较为有效地降低大规模天线系统计算复杂度。（3）大规模有源阵列天线技术
大规模天线前端系统从结构上可分为数字阵和数/模混合阵两大类。出于复杂度、功耗和成本的考虑，数/模混合的阵列架构在高频段将具有很大的应用潜力。大规模有源阵列天线的构架、高效/高可靠/小型化/低成本/模块化收发组件、高精度监测与校准方案等关键技术将直接影响大规模天线技术在实际应用环境中的性能与效率，并将成为直接关系到大规模天线技术能否最终进入实用化阶段的关键环节。大规模天线技术为系统频谱效率、用户体验、传输可靠性的提升提供了重要保证，同时也为异构化、密集化的网络部署环境提供了灵活的干扰控制与协调手段。随着一系列关键技术的突破以及器件、天线等技术的进一步发展，大规模天线技术必将在5G系统中发挥重大作用。1.6.2 新型多址技术
面向2020年及未来，移动互联网和物联网将成为未来移动通信发展的主要驱动力，5G不仅需要大幅度提升系统频谱效率，而且还要具备支持海量设备连接的能力，此外，在简化系统设计及信令流程方面也提出了很高的要求，这些都将对现有的正交多址技术形成严峻挑战。
以稀疏码分多址（Sparse Code Multiple Access, SCMA）、模分多址（Pattern Division Multiple Access, PDMA）和多用户共享多址（Multiple User Share Access, MUSA）为代表的新型多址技术通过多用户信息在相同资源上的叠加传输，在接收侧利用先进的接收算法分离多用户信息，这不仅可以有效提升系统频谱效率，还可成倍增加系统的接入容量。此外，通过免调度传输，也可有效简化信令流程，并降低空口传输时延。（1）SCMA
SCMA是一种基于码域叠加的新型多址技术，它将低密度码和调制技术相结合，通过共轭、置换及相位旋转等方式选择最优的码本集合，不同用户基于分配的码本进行信息传输。在接收端，通过MPA（Message Passing Algorithm）算法进行解码。由于采用非正交稀疏编码叠加技术，在同样资源条件下，SCMA技术可以支持更多的用户连接，同时，利用多维调制和扩频技术，单用户链路质量将大幅度提升。此外，还可以利用盲检测技术及SCMA对码字碰撞不敏感的特性，实现免调度随机竞争接入，有效降低实现复杂度和时延，更适合用于小数据包、低功耗、低成本的物联网业务应用。（2）PDMA
PDMA以多用户信息理论为基础，在发送端利用模式分割技术对用户信号进行合理分割，在接收端进行相应的串行干扰删除（SIC），可以逼近多址接入信道的容量界。用户模式的设计可以在空域、码域和功率域独立进行，也可以在多个信号域联合进行。模式分割技术通过在发送端利用用户特征模式进行相应的优化，加大不同用户间的区分度，从而有利于改善接收端串行干扰删除的检测性能。（3）MUSA
MUSA是一种基于码域叠加的多址接入方案，对于上行链路，将不同用户的已调符号经过特定的扩展序列扩展后在相同资源上发送，接收端采用SIC接收机对用户数据进行译码。扩展序列的设计是影响MUSA方案性能的关键，要求在码长很短的条件下（4个或8个）具有较好的互相关特性。对于下行链路，基于传统的功率叠加方案，利用镜像星座图对配对用户的符号映射进行优化，提升下行链路性能。
通过仿真分析，相对于LTE系统，采用上述新型多址技术不但可以获得30%左右的下行频谱效率提升，还可以将系统的上行用户连接能力提升3倍以上。同时，通过免调度传输方式，可以简化信令流程，大幅度降低数据传输时延。
用户体验速率、连接数密度及时延是5G的3个最关键的性能指标，上述新型多址技术相比于OFDMA，不但可以提供更高的频谱效率，支持更多的用户连接数，还可以有效降低时延，可以作为未来5G系统的基础性核心技术之一。1.6.3 新型波形技术
作为多载波技术的典型代表，正交频分复用（OFDM）技术在4G中得到了广泛应用。在未来的5G中，OFDM仍然是基本波形的重要选择。但是，面对5G更加多样化的业务类型、更高的频谱效率和更多的连接数等需求，OFDM将面临挑战，新型多载波技术可以作为有效的补充，更好地满足5G的总体需求。
OFDM可以有效地对抗信道的多径衰落，支持灵活的频率选择性调度，这些特性使它能够高效支持移动宽带业务。但是，OFDM也存在一些缺点，例如，较高的带外泄漏、对时频同步偏差比较敏感及要求全频带统一的波形参数等。
为了更好地支撑5G的各种应用场景，新型多载波技术的研究需要关注多种需求。首先，新型多载波需要能更好地支持新业务。和4G主要关注移动宽带业务不同，5G的业务类型更加丰富，尤其是大量的物联网业务，例如，低成本大连接的机器通信业务，低时延高可靠的V2V业务等，这些业务对基础波形提出了新的要求。新型多载波技术除兼顾传统的移动宽带业务之外，也需要对这些物联网业务具有良好的支持能力。其次，由于新技术和新业务的不断涌现，为了避免“一出现就落后”的局面，新的多载波技术需要具有良好的可扩展性，以便通过增加参数配置或简单修改就可以支撑未来可能出现的新业务。此外，新型多载波技术还需要和其他技术实现良好兼容。5G的多样化需求需要通过融合新型调制编码、新型多址、大规模天线和新型多载波等新技术来共同满足，作为基础波形，新型多载波技术需要和这些技术能够很好结合。
围绕着这些需求，业界已提出了多种新型多载波技术，例如，滤波OFDM （F-OFDM, Filtered OFDM）技术、滤波器组多载波（Filter Bank Multi Carrier，FBMC）技术、通用滤波多载波（Universal Filtered Multi Carrier, UFMC）技术和通用频分复用（Generalized Frequency-Division Multiplexing, GFDM）技术等。这些技术的共同特征是都使用了滤波机制，通过滤波减小子带或子载波的频谱泄漏，从而放松对时频同步的要求，避免了OFDM的主要缺点。在这些技术中，F-OFDM和UFMC都使用了子带滤波器，其中，F-OFDM使用了时域冲击响应较长的滤波器，并且子带内部采用了和OFDM一致的信号处理方法，因此可以更好地兼容OFDM。而UFMC则使用了冲击响应较短的滤波器，并且没有采用OFDM中的CP方案。FBMC则是基于子载波的滤波，它放弃了复数域的正交，换取了波形时频局域性上的设计自由度，这种自由度使FBMC可以更灵活地适配信道的变化，同时，FBMC不需要CP，因此，系统开销也得以减小。
通过这几种新型多载波技术，5G的一些关键需求可以得到满足，包括以下几点。（1）通过新型多载波支撑灵活可配的新空口。F-OFDM和UFMC都可以通过子带滤波实现子带之间参数配置的解耦，因此系统带宽可以根据业务的不同，划分成不同的子带，并在每个子带上配置不同的TTI、子载波间隔和CP长度等，从而实现灵活自适应的空口，增强系统对各种业务的支持能力，提高系统的灵活性和可扩展性。（2）通过新型多载波支持特定的场景和业务类型。例如，在V2V或高铁场景下，由于较高的相对速度及车与车之间复杂的散射环境，信道可能呈现明显的双色散特性，并且不同设备的信道可能具有较大差异。这种场景下需要新型多载波进行支持。例如，FBMC技术可以根据实时的信道状态对原型滤波器进行优化，从而更好地匹配信道双色散特征，获得更好的性能。（3）通过新型多载波支持异步信号传输，减小信令开销。UFMC、F-OFDM和FBMC均采用了滤波的机制，它们都具有较低的带外泄漏，因此可以减小保护带开销。同时，由于子带间能量的隔离，子带之间不再需要严格的同步，有利于支持异步信号传输，减小同步信令开销。
总之，由于未来5G应用场景和业务类型的巨大差异，单一的波形很难满足所有需求，多种波形技术将共存，在不同的场景下发挥着各自的作用。新型多载波应当从场景和业务的根本需求出发，以最适合的波形和参数，为特定业务达到最佳性能发挥基础性的作用。1.6.4 全频谱接入：毫米波技术
全频谱接入涉及6GHz以下低频段和6GHz以上高频段，其中低频段是5G的核心频段，用于无缝覆盖；高频段作为辅助频段，用于热点区域的速率提升。全频谱接入采用低频和高频混合组网，充分挖掘低频和高频的优势，共同满足无缝覆盖、高速率、大容量等5G需求。考虑高频段传播特性与6GHz以下频段有明显不同，全频谱接入重点研究高频段在移动通信中应用的关键技术，目前业界统一的认识是研究6～100GHz频段，该频段拥有丰富的空闲频谱资源，可有效满足未来5G对更高容量和速率的需求，可支持10Gb/s以上的用户传输速率。
高频通信在军事通信和无线局域网（WLAN）等领域已经获得应用，但在蜂窝通信领域的研究尚处于起步阶段。高频信号在移动条件下，易受到障碍物、反射物、散射体及大气吸收等环境因素的影响，高频信道与传统蜂窝频段信道有着明显的差异，如传播损耗大、信道变化快、绕射能力差等，因此需要对高频信道测量与建模、高频新空口、组网技术及器件等内容开展深入研究。（1）高频候选频段及信道特性研究
当前高频段研究范围涵盖6～100GHz频段，包括许可频谱和非许可频谱、对称频谱和非对称频谱、连续频谱和离散频谱等。面向未来5G可能的候选频点，结合业界信道测量成果，研究高频候选频点的信道传播特性，构建适用于高频频段的信道模型，分析和评估高频频点的适用场景，选择适合5G的高频频段。目前业界开展研究的5G典型候选频段主要包括6GHz、15GHz、18GHz、28GHz、38GHz、45GHz、60GHz和72GHz等，测量场景涵盖室外热点和室内热点。初步的信道测量表明，频段越高，信道传播路损越大。高频信道表现出来的一个新特性是信道特性比较依赖所采用的天线形态，如传输损耗、时延扩展和接收功率角度谱等参数随着天线形态的不同将发生较大的变化，因此信道测量如何与天线形态解耦是高频信道建模的研究重点。
信道传输损耗方面，可采用业界公认的Close-in Reference和Floating Intercept两种不同的路损模型分别提取参数。比较而言，测量数据不足的情况下Close-in Reference模型更加稳健，当有足够的测量数据情况下，采用Floating Intercept模型更加合理。（2）低频与高频混合组网
作为低频蜂窝空口的补充，高频空口将主要部署在室内、外热点区域，用于提供高速率的数据业务。由于高频信号的传播特性，采用高、低频混合组网，结合数据面与控制面分离的架构，利用超密集网络和高频自适应回传技术，可以有效地解决热点场景下的高容量和高速率需求，并能够保持较低的布网成本。利用高频通信的窄波束和小覆盖的特点，可用于D2D、车载雷达等新型无线应用通信场景。
综上所述，高频段通信能够利用高频丰富的频谱资源，大幅度提升数据传输速率和系统容量，是突破传统蜂窝通信的革命性技术。1.6.5 基于轨道角动量的传输技术
作为物理学一个重要物理量，轨道角动量（Orbit Angular Momentum, OAM）自1992年被Allen等人证实后迅速推动了非线性光学、量子光学、原子光学和天文学等多个学科的新发展。与自旋角动量不同，轨道角动量与螺旋形相位波前联系在一起，理论上可取值无穷且彼此正交。目前已有研究人员将轨道角动量视为一个新自由度并作为数据信息载体，开展了利用轨道角动量进行光通信的基础理论和关键技术研究。其中在光传输的研究中，利用轨道角动量“信息复用/解复用”实现了Tb/s级传输容量，获得了95.7b/s/Hz的高光谱效率。在光处理和交换的研究中，利用轨道角动量实现了100Gb/s先进高级调制格式（DQPSK）信号光的“信息交换”。
基于轨道角动量复用技术也可以应用到无线领域。美国和以色列的研究团队利用OAM开发出了一种新型无线数据传输方式，传输速度达到了惊人的2.5Tb/s。然而实现这种传输的传输距离只有几米左右，而且是在视距的情况下才能实现。虽然这项新的传输技术应用到无线领域还有很多问题有待解决，但是毋庸置疑该项技术的成熟必将带来移动通信传输技术的革命。1.7 小结
具备上述特征的5G网络将为未来无线系统带来革命。通过5G会实现超级核心网，它可以使所有网络运营商通过单一核心网互连，并且具有一个基础网络架构，该架构与接入技术无关。5G网络通过使用多种创新技术的组合来满足各种需求并提供更大容量、更高QoS和更低功耗。参考文献
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[5] J. Andrews. The seven ways HetNets are a paradigm shift. IEEE Comm Mag 51(3), 2013.
[6] Y. Kishiyama, A. Benjebbour, T. Nakamura, and H. Ishii. Future steps of LTE-A: Evolution towards integration of local area and wide area systems. IEEE Wireless Comm 20(1), 2013.第2章大规模天线阵列系统
大规模天线阵列系统，也被称为大MIMO（Massive MIMO或Large MIMO或Large Scale MIMO）系统。大MIMO系统是指通信收发机均使用数十根到数百根天线的通信系统。根据实际不同的应用场景，可以对其进行不同的MIMO系统配置。包括点到点MIMO系统和多用户MIMO系统配置。在多用户MIMO场景中，点到多点（如蜂窝系统的下行）和多点到点（如蜂窝系统的上行）配置都是非常常见的。在点到点通信场景中（见图2.1），发射机有nt根天线，接收机有nr根天线。点到点大MIMO配置的通常场景是提供BS之间通过在每个BS使用多天线来提供高速数据的无线回传。由于BS的空间约束不是主要问题，所以在BS的发射机和接收机都可以部署大量天线。图2.1 点到点MIMO系统
在多用户MIMO（Multiple User MIMO, MU-MIMO）场景中（见图2.2），BS和多个用户终端之间进行通信。这些用户终端可以是较小的智能终端或者中等大小的笔记本电脑或平板电脑等。对于较小终端，由于其尺寸受限，所以其部署的天线数是有限的。但是，对于较大终端，如笔记本电脑、平板电脑，可以配置相对较多数量的天线。不管终端可以配置多少天线，对于多用户MIMO场景，在BS侧配置几十到上百根天线并不困难。在该情况下，BS侧天线数越多，在下行执行预编码、在上行执行检测的空间自由度就越高。图2.2 多用户MIMO（MU-MIMO）系统2.1 大MIMO系统的优势
众所周知，使用多天线可以获得多种增益。首先，使用更多天线可以在空域有更多自由度，如可以在不增加带宽的前提下增加数据速率，提高通信的有效性，即提高系统容量。此外，通过空间分集可以大大增加无线链路传输的可靠性。更准确地说，在点到点MIMO系统中，如果发射天线数为nt，接收天线数为nr，那么无线链路中断概率为（2.1）
这意味着通过使用多天线可以获得的潜在分集增益阶数为ntnr。也就是说，对于较大的发射天线数nt和接收天线数nr, MIMO链路性能就差错率而言，随着SNR的增加，差错率呈指数下降。而可以获得的数据速率为
C=min(nt, nr)log2(1+SNR)（2.2）
这意味着在不增加带宽的前提下，可以通过使用较大的nt和nr来获得较高的数据传输速率。在多用户MIMO情况下，具有较大天线数也可以获得较高的数据速率增益。例如，当BS使用大量接收天线时，多用户上行的空分复用（Space Division Multiple Access, SDMA）就是一种非常有优势的技术。BS接收天线数越多，系统支持的上行用户数就越多。同样，在多用户下行场景中，如果BS发射天线数很多，那么就可以支持一定复杂度的预编码和灵活的用户选择与调度策略。2.2 大维度下的信道硬化
尽管大MIMO系统的最明显优势是增加数据速率和分集增益，但是其大维度也带来其他小系统所不具备的优势。当nr×nt信道矩阵H变得维度更大时，即nr和nt保持固定比例同时增加，其奇异值的分布对于信道矩阵元素的实际分布变得越来越不敏感（只要保持独立同分布便可）。这就会导致Marcenko-Pastur定律，即如果一个nr×nt矩阵H是零均值独立同分布矩阵，方差为1/nr，当nr,nt→∞，且nt/nr→β，那么HHH的特征值的经验分布收敛于（2.3）
式中，(z)+=max(z,0)；；。同理，HHH特征值的经验分布收敛于（2.4）
式（2.3）和式（2.4）所示的函数图形分别如图2.3（a）和图2.3（b）所示，图中给出了不同β值对应的结果。需要注意的是，在x为0时的超大值没有绘出。图2.3 Marcenko-Pastur密度函数
Marcenko-Pastur定律的一个重要影响是对于较高和较宽的信道矩阵而言，这种信道是具备良好条件的矩阵。这可以从图2.3（a）和图2.3（b）的β=0.2和β=10看出，因为HHH和HHH支持的非零特征值远离零值。Marcenko-Pastur定律还意味着信道“硬化（Hardens）”，这意味着单次实现的特征值柱状图收敛于平均渐进特征值分布。在该意义下，随着天线数量的增加，信道变得越来越确定。在大维度情况下，信道硬化行为可以通过nt=nr分别为8、32、96、256时HHH的密度图看出，如图2.4所示，其中H的要素是独立同分布的高斯变量，均值为零，单位方差。图2.4表明，随着矩阵H大小的增加，HHH的对角元素幅值较非对角元素变得越来越大。图2.4 HHH矩阵的密度图
在大维度信号处理情况下，信道硬化会带来很多优势。例如，像迫零算法（Zero Forcing, ZF）和最小均方误差（Maximum Mean Square Error, MMSE）这样的线性检测器需要执行信道求逆。通过使用级数扩展技术，大随机矩阵的逆会快速完成。因为信道硬化，在大维度情况下，使用级数扩展的近似矩阵求逆和根据有限分布的确定性近似都将变得非常高效。同样，大维度下的信道硬化也可以支持简单的检测方法/算法并获得较高的性能。这样低的复杂性检测算法非常适合大维度场景。2.3 技术挑战和解决方法
当前很多无线标准都引入了MIMO技术（非大MIMO技术）以增加频谱效率和无线链路可靠性，如IEEE 802.11n/11ac（WiFi）、3GPP LTE等。这些标准可以利用MIMO系统的潜在优势，因为当前MIMO技术使用的天线数都很小，如2～8根天线，并且可以获得的频谱效率也只有15b/s/Hz或更低。但是，如果使用更多天线数，便可以获得更大的优势，如通过使用几十根甚至上百根天线的大MIMO便可以实现Gb/s量级的数据传输速率，并且频谱效率可达几十到上百b/s/Hz。但是，在实现大MIMO技术之前，需要解决多种技术挑战，主要的挑战如下。 现实信道中独立空间维度的有效性。 设备中大量天线和RF链路的放置。 以较低复杂度实现大MIMO信号处理。 多小区间操作问题。2.3.1 独立空间维度的有效性
现实信道中独立的空间维度数会受无线通信节点间散射体的丰富程度的限制。即使在有富散射的情况下，也可以出现类似针孔效应的问题，所谓针孔效应就是从发射机端到接收机端所有路径都经过相同的针孔。该效应会导致独立的空间维度数大大减小，即会导致该MIMO信道矩阵是一个低秩信道矩阵。同理，通信终端之间的空间间隔也是决定独立空间维度数的关键。天线阵元间不充足的空间间隔会导致空间相关性，从而导致MIMO信道容量的劣化。尽管中等/大尺寸通信终端可以安装多天线以提供天线阵元之间的足够间隔，但对于空间受限的用户终端而言要配置足够数量的天线阵元就需要紧凑天线阵列设计。
富散射通常是典型的室内环境或者室外都市环境。大MIMO系统信道的秩结构和其他统计特征的确定需要在不同物理环境（室内、室外、都市、效区、乡村等）和不同频段（如2.5GHz、5GHz、11GHz等）上进行大量的信道探测来获得。令人感兴趣的是，一些大MIMO信道探测（128天线阵列）研究已经表明尽管理论满秩信道模型和实际测量的信道有一定区别，但在实际中，大天线阵列的大部分理论性能增益都可以获得。2.3.2 大量天线和RF链路的放置
在通信终端上放置大量的天线阵元是一个很大的挑战，尤其是当终端很小时。对于给定的天线孔径约束，增加天线阵元数量会减少阵元间空间间隔，从而导致空间相关性增加。因此会导致MIMO容量的劣化。理论上，空间间隔大于半波长，即λ/2，这是两根天线间获得非相关性的必要条件。以下方法有助于缓解天线和RF链路放置问题。 使用更高的载频。对于给定的天线孔径，解决更多天线方式问题的一种方法就是使用更高的载频频率。因为频率越高，波长越短，如5GHz频率使用，半波长为3cm，所以3cm的间隔可以放置更多的天线。同样，如果频率为11GHz、30GHz、60GHz，那么可以放置的天线数就更多，此时这些频率对应的波长已经是毫米量级，这也是5G创新启用毫米波通信的众多原因之一。 有效利用体积。放置更多天线的另一种方法就是不再仅依赖一维或二维（即线性阵列和面阵列），而以紧凑体积方式来实现。在立方结构中（被称为MIMO立方）放置多天线阵元是一种非常有效的方法。 紧凑天线阵列。紧凑天线阵列是指天线阵元间隔小于半波长的天线阵列。阵列设计是紧凑的，但结果表明具有可接受的互耦合和辐射效率，它是解决大MIMO系统放置更多天线的一种有效解决方案。 空间调制（Spatial Modulation, SM）。在MIMO发射机侧发射RF链路数可以通过SM方式来减少，但不会牺牲频谱效率，相对新的调制机制适用于多天线通信。它可以减少RF硬件复杂度、大小和成本。2.3.3 低复杂度的大MIMO信号处理
为了实现大MIMO系统，对于同步、信号检测、预编码、信道估
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