5G关键技术Massive MIMO及NOMA技术综述

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＷＯＲＬＤ·攘暑　冒　察　５Ｇ关键技术Ｍａｓｓｉｖｅ　Ｍ　Ｉ　ＭＯ及ＮＯＭＡ技术综述　中国通信建设集团设计院有限公司第一分公司　邢金柱　上海邮电设计咨询研究院有限公司北京分公司　芦　翔　【摘要】随着移动通信的快速发展，移动互联网对网络性能提出了新的要求，４Ｇ网络已经无法满足移动通信网络业务发展需求，制定统一　的５Ｇ标准已经成为共识，５Ｇ关键技术已经成为全球研发的焦点。本文总结了５Ｇ网络的性能指标和标；住制定进展，介绍了国内外５Ｇ网络的商　用计划，重点分析了富有前景的大规模Ｍ１ＭＯ；Ｔ￣线、非正交多址技术（ＮＯＭＡ）两项潜在的５Ｇ关键技术的优势及目前所面临的挑战　【关键词】５（　网络；Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯ技术；非正交多址技术（ＮＯＭＡ）　１．ｉｆｇ发展概述　移动通信每卜年出现新一代技术，通过火键技术的引入，实现　频谱效率和容最的成倍提升，推动新的、　务类　不断涌现。５Ｇ致　力于应对２０２０后彩样化差异化业务的巨人挑战，满足超高速率、超　低时延、高速移动、高能效和超高流量　ｊ连接数密度等能力指　标，目前已经成为Ｆ一代移动网络的演进日标。　ＩＴＵ往２０１７年底启动了５Ｇ技术方案征集，将会在２０２０年完成５Ｇ　标准制定。为Ｊ，响应ＩＴＵ的号召，并在５Ｇ时代　现技术的主导，全　球相关组织部存积极布局５Ｇ研发。其中３ＧＰＰ集合了全球莆要的通　信、ＩＴ］一商，足４Ｇ时代标准制定的权威，其５Ｇ疗案也将是最为全　而和完整的。２０ｌ　７年３月３ＧＰＰ已经完成５Ｇ的初步研究并有阶段性讨　论结果，以Ｒｅｌ一１４的形式体现。２０ｌ　８年中的Ｒｅｌ—ｌ５将是第一版可商　用的５Ｇ标准，２０ｌ９年底冻结Ｒｅ１　１６，将足满足ＩＴＵ要求的５Ｇ标准的　完整版本。　图１　５Ｇ标准总体计划及进展　全球　要　Ｉ家和地区纷纷提出５Ｇ试验汁划和商用时间表，力　争引领伞球５Ｇ标准　ｊ产业发展，口本计划住２０２０年东京奥运会之　前实现５Ｇ商刖，支持东京奥运会；当前ＮＴＴ　ＤｏＣｏＭｏ正在组织卜多　家主流企业验证５Ｇ关键技术，进行关键技术及频段筛选，韩国将　ｒ２Ｏ１　８年＿卡』Ｊ升展５Ｇ预商用试验，支持甲昌冬奥会：欧盟５Ｇ　ＰＰＰ预　ｉｔ－１＃于２０ｌ　８；Ｆ启动５Ｇ技术试验；美国运营商Ｖｅｒｉｚｏｎ成立５Ｇ技术论　坛，并训　划于２０ｌ６年启动５Ｇ　／Ｚ［－场试验：我国高度重视５Ｇ的应　用与发展，２０ｌ３年初就成立了面向５Ｇ移动通信研究　发展的ＩＭＴ－　２０２０推进组，ｆ２０ｌ６年１月７口正式启动了５Ｇ技术研发试验，分关　键技术验证、技术方案验证和系统方案验证　个阶段推进实施，最　终￣ｆＪ２０ｌ８５完成５Ｇ系统的组网技术　ｒｅ．能测试和５Ｇ典型业务演示，　目前已经进入国家二阶段的技术方案验证测试，各厂家将在北京怀　柔外场搭建ｉ！Ｊ！ｌＪ试环境。　¨盯向２０２０年及末柬，移动甄联　务将成为移动通信发展的　主受　动力，为Ｊ，满足移动通信　络、　务发展需求，相比于规有的　ＬＴＥ　络未来５Ｇ网络需要实现数　流量密度提升ｌ０００倍、设备连接　数Ｆ１增加ｌ０～１００倍、用户体验速率改善ｌ０～１００倍、ＭＴＣ终端待机　时长延长１０倍、端到端时延缩短５倍等｜１标（具体５Ｇ性能指标如农　、１．２所示），这给５Ｇ的ｌ尢线接入州带来了极大的挑战。　表１．１　５Ｇ网络性能指标　性能指标　取值　用户体验速率　０．１　ｌ（；ｂｐｓ　连接数擀度　１（１（】７　／Ｋｍ　时延　数ｉｌｌｓ　移动性　、５００Ｋｍ／ｈ　峰值速率　数｛－（；ｈｐｓ　流量密度　数十　Ｉ　ｆ１Ｉ］　／ＫⅢ　表１．２　５Ｇ网络效率指标　效率指标　相比４（　改善倍敬　频　效率　５　ｌ５倍　能效　＞ｌ［）（】倍　成本效苹　＞１００倍　为ｒ满足以上的性能要求，达到５Ｇ极致的体验和效率，５Ｇ　网络需要引入了一系列先进的无线移动通信核心关键技术。｝１前　５Ｇ研宄的关键技术主要有大规模Ｍ　ＪＭ０天线及非正交多址技术　（ＮＯＭＡ）等。本丈将未来５Ｇ网络具有前景的此两项＿灭键技术的　优翦以及目前所面临的挑战进行分析。　２．５Ｇ无线网络核心关键技术　５Ｇ通信性能的提升不是单靠一种技术，需要多种技术相互　合八刖实现。根据香农公式２—１看Ｌ｝『５Ｇ提升系统容量所需的要素，　通过增加覆盖、信道、带宽、信噪比川个因子可提升系统　量。通　过人规模天线（Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯ）平ｌｌ非正交多址技术（ＮＯＭＡ）等　频效提升技术可增加信道，大幅提升系统容量，下面我们对此两项　的５Ｇ火键技术的优势及面临挑战进行分析。　ｍ　Ｅ　（　）　（２．一　其，Ｐｃ表示容量，Ｃｅｌｌｓ表示小　，Ｃｈａｎｎｅｌｓ表示信道，Ｂ表示带　宽，Ｐ表示信号功率，Ｉ表示干扰功率，Ｎ表示噪声功率。　２．１　Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭｌＭＯ技术　人规模ＭＩＭＯ技术是指基站端采｝｝ｊ大规模天线阵列，天线数超　过　根钛至上百根，并且住同‘时频资源内服务多个用，　的彩天线　电子世界　·３１·　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＷＯＲＬＤ·探索与观察　技术。大规模ＭＩＭＯ技术将传统的时域、频域、码域三维扩展为了　时域、频域、码域、空域四维，新增维度极大的提高了数据传输速　率。大规模ＭＩＭＯ天线技术提供ｒ更强的定向能力和赋形能力如图　２，大规模ＭＩＭＯ的空间分辨率与现有ＭＩＭＯ相比显著增强，能深度　挖掘空间维度资源，使得网络中的多个用户可以在同一时频资源上　利用大规模ＭＩＭＯ提供的空间自由度与基站同时进行通信，从而在　不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率。大规模　ＭｌＭ０可将波束集中往很窄的范围内，从而大幅度降低干扰，大幅　降低发射功率，从而提高功率效率，减少用户间干扰，显著提高频　谱效率。　图２大规模ＭＩＭＯ天线技术方向图　基站侧天线数远大于用户天线数时，各个用户的信道将趋于　正交，小区内同道干扰及加性噪声趋于消失，系统性能仅受限于邻　区导频的复用，这使得系统的很多性能都只与大尺度相关，与小尺　度无关。大规模ＭＩＭＯ的无线传输技术将有可能使频谱效率和功率　效率住４Ｇ的基础上再提升一个量级。　大规模ＭＩＭＯ技术目前还面临较多问题挑战。在ＴＤＤ大规模　ＭＩＭｏ多小区中的各用户向基站发送相互正交的导频信号，基站利　用接收到的导频信号，获得上行链路信道参数的估计值，再利用　ＴＤＤ系统ｊ二下行信道的互易性，获得下行链路信道参数的估计值，　由此实施上行检测和Ｆ行预编码传输。随着用户数目的增加，用于　信道参数估计的导频开销随之线性增加，特别是在中高速移动通信　场景，导频开销将会消耗掉大部分的时频资源，导频污染是大规模　ＭＩＭＯ的瓶颈问题。　此，为Ｊ，充分挖掘大规模ＭＩＭ０的潜在技术　优势，需要深入研究符合实际应用场景的信道模型，分析其对信道　容量的影响，并在实际信道模型、适度的导频开销、可接受的实现　复杂度下，分析其可达的频谱效率、功率效率，并研究最优的无线　传输方法、信道信息获取方法、多用户共享空间无线资源的联合资　源调配方法。　此项技术尚存住诸多的挑战，随着研究的深入，大规模ＭＩＭＯ　在５Ｇ中的应用被寄予Ｊ，厚望，可以预计，大规模ＭＩＭＯ技术将成　为５Ｇ区别于现有系统的核心技术之一。　２－２非正交多址技术（ＮＯＭＡ）　移动通信技术发展到今天，频谱资源也变得越来越紧张，５Ｇ　定位于频谱效率更高、速率更快、容量更大的无线网络。ＮＯＭＡ可　以很好地提高系统吞吐量和频谱效率，而且还可以成倍地提升系统　设备接入量，在‘些５Ｇ场景，比如上行密集场景和广覆盖多节点　接入的场景中，采用ＮＯＭＡ多址技术会有明显性能优势。　ＮＯＭＡ基本思想足在发送端采用分配用户发射功率的非正交发　－３２·电子世界　送，主动引入干扰信息，在接收端通过ＳＩＣ（串行１二扰消除）接收　机消除干扰，实现正交解调。ＮＯＭＡ的子信道传输依然采用正交频　分复用（ＯＦＤＭ）技术，子信道之间是正交的，互不干扰，但是　个子信道上不再只分配给一个用户，而是多个用户共享。Ｉ司一子信　道上不同用户之间是非正交传输，这样就会产生用户间干扰问题，　这也就是在接收端要采用ＳＩＣ技术进行多用户检测的目的。在发送　端，对同一子信道上的不同用户采用功率复用技术进行发送，不同　的用户的信号功率按照相关的算法进行分配，这样到达接收端每个　用户的信号功率都不一样。ＳＩＣ接收机再根据不同户用信号功率大　小按照一定的顺序进行干扰消除，实现正确解调，同时也达到了区　分用户的目的。　ＳＩＣ技术是非正交多址接入方式接收端必备的技术，是一种针对　多用户接收机的低复杂度算法，该技术可以顺次地从多片ｊ户接收信号　中恢复出用户数据。在常规匹配滤波器（ＭＦ，Ｍａｔｃｈｅｄ　ＦｉＬｔｅｒ）中，每　一级都提供一个用于再生接收到的来自用户信号的用户源估计，适　当地选择延迟、幅度和相位，并使用相应的扩频序列对检测到的数　据比特进行重新调制，从原始接收信号中减去蘑新调制的信号（即　干扰消除），将得到的差值作为下一级输入，在这种多级结构中，　这一过程重复进行，直到将所有用户全部解调出来，ＳＩＣ接收机利　用串联方法可以方便地消除同频同时用户间的干扰。　ＮＯＭＡ技术用到了４Ｇ的ＯＦＤＭ技术，ＮＯＭＡ与ＯＦＤＭ（４Ｇ）　相比由于可以不依赖用户反馈的ＣＳＩ信息，在采用ＡＭＣ和功率复用　技术后，应对各种多变的链路状态更加自如。即使在高速移动的环　境下，依然可以提供很好地速率表现；同一子信道上可以由多个用　户共享，跟０ＦＤＭ（４Ｇ）相比，在保证传输速度的同时，可以提高　频谱效率。　假设单基站、两用户场景，下行链路，基站采用叠加编码同时同　频发送两个用户信号，但为不同信号分配不同的发射功率如式２—２：　Ｘ－√　＋√ＩＹ　（２—２）　式中Ｐ为发射功率，ｘ为发送信号。　用户接受信号表示如式２—３：　’ｌ＿Ｉ　（２－３）　用户ｌ靠近基站，其接收信噪比高，执行ＳＩＣ算法检测出用户２的　信号并从接收信号中减去，而用户ｌ远离基站，接收信噪比低，不执　行ＳＩＣ算法，将用户１的信号看成背景噪声，此时，信道容量为式２．４：　县　ｏｇ　【　‘　Ⅳ。，ｕ，　：＝Ｉ。ｇ：ｆｌ＋　ｒ，（　ｒ＋Ｎｏ　）】　（２—４）　ｆａｌｓｅ而在ＯＦＤＭＡ中，可用带宽正交分配给两个用户，如果功　率和带宽都等分配，其信道容量为：　焉＝ａｌｏｇ　【１＋　ｆ／ａＮｏＪ１，Ｊ　＝［Ｉ—ａ）ｌｏｇ】【ｌ十　ｆ，（１一ａ）Ｎ０　３Ｉ　（２－５）　采用ＯＦＤＭＡ技术信道容量ＲＩ＝３．３３ｂｐｓ／Ｈｚ．Ｒ２＝０．５０ｂｐｓ／Ｈｚ；采用　ＮＯＭＡ技术信道容量Ｒｌ＝４．３９ｂｐｓ／Ｈｚ，Ｒ２＝０．７４ｂｐｓ／Ｈｚ；可见ＮＯＭＡ比　ＯＦＤＭＡ多址技术的频谱效率可提升３０．４０％。　虽然ＮＯＭＡ多址技术存在众多优点，但是也存在着众多问题挑战。　（１）系统复杂度。ＮＯＭＡ接收端采用ＳＩＣ接收机进行信号检测，　由于发送端主动引入ｒ干扰信息，要在接收端对用户信号进行正确　（下转第３５页）　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＷＯＲＬＤ·攘露与联是我们被人工智能操纵的表现。而且，这种操纵，是在我们无意识　的情况下发牛的。人的天性是懒惰的，　此，我们不会对人工智能　　科技成果，成为了一个普及化的科学概念。人工智能技术的日益成　熟，实实在在地提升了我们的生活质量，也使人类科技向前迈了一　大步。　经过数百万年，人类才从一种弱小的动物进化为这个星球的主　宰者，而人］：智能，可能仅需数百年，甚至数十年就会拥有类似的能　力。只要人工智能技术超过了技术奇点（Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ），　人工智能的智力便会大爆发，自我意识也将觉醒，我们将彻底失去对　底层的算法、数据追根宄底，也更不会去理清人工智能得出某一决　策的思维路径。那时的人上智能，便成为ｒ…个黑箱，作为发明者　的我们，实际Ｌ并不了解人工智能的所思所想。这是一件可怕的事　情。如果有｝ｊ』Ｊ有用心的人篡改ｒ世界关键部门采用的人工智能的核　心数据，其他人将束手无策一～他们根本不会发现这些问题，因为　他们太信赖人工智能了。正如电影《机器人总动员》（＜Ｗａｌｌ—Ｅ＞）　所描述的那样：未来的人们在宇宙飞船中，被人工智能系统养得白　ｆＩ胖胖的，“幸福快乐”地生活，完全没有意识到人工智能的野　心，差点被其毁灭。人类不能无条件地信任人工智能，那样会丧失　人类身为高等智慧生物的价值。人工智能看似帮我们做了许多事，　实则是让人类退化了，这种退化，既包含身体上的（体力劳动被人　智能机器人取代），也包含心智上的（人类不假思索地采取人工　智能的决策）。因此，侄人工智能发展的任何阶段，我们都要保持　清醒的头脑，要客观地认识到人工智能的两面性，并制定针对性的　规章制度，规范人工智能的行为，防Ｊｆ＝其对人类产生危害。　人工智能的把控能力。那时，世界秩序将会被扣　乱，也许，人类将会　被我们一手打造的人工智能所统治，这绝非危言耸听。总而言之，　我们需要理性地发展人工智能，并保证技术的透明性，这样才能使　人工智能更好地为我们服务，真正成为我们的得力助手。　参考文献　【１１陈真诚，蒋勇，胥明玉，等．Ａ．Ｓ－智能技术及其在医学诊断中的应　用及发展Ｕ１．生物医学工程学杂志，２（１《）２，１９（３）：５（ｔ５—５（１９．　【２】刘敏．人工智能对物流业的影响研究Ｕ１商业经济，２（）１７，（１１）：４０—４１．　杨晓帆，陈延槐．人工神经网络固有的优点和缺点Ｕ】．计算机科　学，１９９４，２１（２）：２３—２６　４．结束语　ｆ４】程东亮．人工智能在金融领域应用现状及安全风险探析Ｕ　Ｊ．金　融科技时代，２０１６（９）：４７—４９　从人ｊ二智能这一概念被提出到现住，已经过去丫５０余年。人工　『５１孙晔，吴飞扬．人工智能的研究现状及发展趋势…．价值工　程．２０１３（２８）：５－７．　智能也从极少数尖端人才头脑中的构想，变成了走入寻常百姓家的　（上接第３２页）　斛调，需要先消除干扰信号，因此系统的复杂度比较高。　（２）信号检测处理时延。ＳＩＣ接收机进行信号检测是分多级来进　行的，每‘级都会产生时延，当干扰用户数量较多时，总时延也将　会很大。要尽町能减少时延，就需要提高硬件处理能力。　快促进５Ｇ技术的成熟，力争５Ｇ技术在２０２０年实现商用，满足未来　移动互联网业务飞速增长的需求。富有潜力的５Ｇ关键技术Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭｏ和ＮｏＭＡ相结合会使频谱效率成倍提升，大幅提高系统容　量，虽然日前尚存在一些问题尚待解决，但随着研究的ｊ＿；ｌ｛入和微电　子技术的发展将会逐渐得以解决，未来５Ｇ的关键技术指标将会加　快明确，促进５Ｇ网络标准和产业的蓬勃发展。　（３）多用户调度和功率分配。ＮＯＭＡ系统一个子频带资源将是由　多个用广一进行共享，同一波束内的多个用户要在功率域进行复用，要　对每个用户分配不同的功率，也需要对功率分配算法来进行研究。　（４）与其他技术的兼容问题。在５Ｇ网络中，大规模ＭＩＭＯ会带　来更严最的波束问干扰，而ＡＭＣ会给ｓＩｃ信号检测带来干扰，因　此，如何　ｊ其他技术进行完荚结合依然有待于研究。　５Ｇ的标准尚未最终确定，虽然非正交多址技术（ＮＯＭＡ）尚存　在一些问题和挑战，随着技术的不断提升和研究的逐渐深入，相信这　参考文献　【１］ＩＭＴ一２Ｉ　）（５Ｇ）推进组发布．ＳＧ４￣术［１１中国无线电，２ｏ１５（ｏ５）．　【２１袁周阳，李超杰５Ｇ通信技术应用场景及关键技术探ｉ￣ＩＪ１．信息　通信，２０１　７（（）７）．　１３】刘影帆狲斌５Ｇ移动通信技术及发展探究ＵＪ＿通信技术，２（｝１７（０２）．　些问题将会很快迎刃而解，既能满足移动业务速率需求又能提高频谱　效率的非正交多址技术（ＮＯＭＡ）极有可能成为５Ｇ的多址技术。　ｆ４１杨峰义，谢伟良，张建敏．５Ｇ无线网络及关键技术Ｕ１．ｔ￣ｇ＠４ｔＬ２｛ｔ１７（｛｝３）．　【５】刀学龙．５Ｇ移动通信发展趋势与若干关键技术Ｕ１中国新通信，２［Ｊ１７　３．总结　日前巾围已经正式往国际上率先发布了５Ｇ频率使用规划，加　申｛．－｜界　·３　·