第 1 章 背景介绍
| 1.1 前几代蜂窝通信的演进 |
| 1.2 第五代蜂窝通信的系统要求 |
与前四代不同的是，5G 的应用十分多样化。峰值速率和平均小区频谱效率 不再是唯一的要求。除此之外，体验速率、连接数、低时延、高可靠、高能效都将成为系统设计的重要考量因素。应用场景也不只是广域覆盖，还包括密集 热点、机器间通信、车联网、大型露天集会、地铁等。这也决定了 5G 中的技 术是多元的，不会像前几代那样，每一代都有唯一一个标志性技术。就多址技 术而言，5G 的一大特点是采用非正交资源[1-2]。
1.2.1 主要场景
对于移动互联网用户，未来 5G 的目标是达到类似光纤速度的用户体验。 而对于物联网，5G 系统应该支持多种应用，如交通、医疗、农业、金融、建筑、 电网、环境保护等，特点都是海量接入。图 1-1 是 5G 在移动互联网和物联网 上的一些主要应用[3]。
在物联网中，有关数据采集的服务包括低速率业务，如读表，还有高速率 应用，如视频监控。读表业务的特点是海量连接、低成本终端、低功耗和小数 据分组；而视频监控不仅要求高速率，其部署密度也会很高。控制类的服务有 时延敏感和非时延敏感的，前者如车联网，后者包括家居生活中的各种应用。
5G 的这些应用大致可以归为三大场景：增强的宽带移动（eMBB）、低时 延高可靠（URLLC）、海量物联网（mMTC）。数据流业务的特点是高速率， 时延可以在 50～100 ms；交互业务的时延在 5～10 ms；现实增强和在线游戏需 要高清视频和几十毫秒的时延。到 2020 年，云存储将会汇集 30%的数字信息 量，意味着云与终端的无线互联网速率达到光纤级别。低时延高可靠业务，如 对时延十分敏感的控制类物联网应用。海量物联网则代表着众多应用，包括低 速采集、高速采集，非时延敏感的控制类物联网等。
宽带移动有多种部署场景，比较主要的有室内热点（Indoor Hotspot），密集 城市（Dense Urban），农村（Rural）和城市宏站（Urban Macro）[4]。室内热点部 署主要关心的是建筑物内高密度分布的用户的高速率体验，追求高的系统吞吐、 一致性的用户体验，每个节点的覆盖范围较小。密集城市部署可以是同构网或者 异构网，对象是城市中心和十分密集的街区。特点是高的业务负载，较好的室内 外的覆盖。这几种部署场景的特点可以用量化的形式列成表格，如表 1-2 所示。
1.2.2 关键性能指标
5G 系统的关键性能指标（KPI）包括峰值速率、峰值频谱效率、带宽、控制面时延、用户面时延、非频发小包的时延、移动中断时间、系统间的移动性、 可靠性、覆盖、电池寿命、终端能效、每个扇区/节点的频谱效率、单位面积的 业务容量、用户体验速率、连接密度等。其中与多址技术比较相关的有如下几 点[5]。
• 控制面的时延是指从空闲态到连接态传输连续数据这一过程所需的时 间，指标是 10 ms。用户面时延是假设没有非连续接收（DRX）的限制下，协 议层 2/3 的数据分组（SDU）从发送侧到接收侧正确传输所需时间。对于低时 延高可靠场景，用户面时延的指标是上行 0.5 ms，下行 0.5 ms。对于无线宽带 场景，用户面时延的指标是上行 4 ms，下行 4 ms。第四代 OFDM 系统是需要 严格的资源调度和完整的一套随机接入过程，才能进行数据的通信。5G 的非正 交免调度多址技术有望大大简化随机接入的过程，无须严格的动态资源信令， 缩短控制面和用户面时延。
• 电池寿命指在没有充电的情形下系统能维持的时间。对于海量物联网， 电池寿命需要考虑极端覆盖条件、每天上行传输的比特数、下行传输的比特数 和电池的容量。电池寿命的一个影响因素是每次随机接入和数据传输总共花的 时间。如果仍然采用 4G 严格正交的多址方式，整个接入流程很长，不利于降 低终端的能耗，而非正交多址在这方面有优势。
• 对于无线宽带场景，在 Full Buffer 业务条件下，每个扇区/节点的频谱效 率要求是 4G 系统的 3 倍左右，边缘频谱效率要求是 4G 系统的 3 倍。正交多址 的系统并不能逼近系统的容量界。要进一步提升系统的吞吐，需要采用非正交 的多址方式。
• 连接数密度的定义是在单位面积里，如每平方千米范围内，能保证一定 QoS 条件下的总的终端机器设备数量。QoS 需要考虑业务的到达频度、所需传输 时间，以及误码率等。在城市部署场景，连接数密度的指标是每平方千米 100 万 个终端机器设备。4G 正交系统的设计主要是服务高速数据业务，其特点是同时 服务有限的用户，而每个用户有较高的吞吐。这样的设计并不适合大的连接数密 度的场景，而非正交多址技术有潜力支持大量低速率的用户/设备同时接入系统。
###1.2.3 性能评估方法
用户面时延和控制面时延、偶发小包的时延，以及电池寿命等指标一般采 用分析计算的方法进行评估。而系统的频谱效率和连接数密度等指标需要系统 仿真。对于非正交多址，比较合适的部署场景是城市宏站和郊区宏站。原因如 下：① 城市/郊区宏站是单层网络，无法通过密集部署低功率节点来大幅提高系统容量，在这种情况下，非正交多址成为增加系统吞吐的重要手段，尤其当 宏站的收发天线数目有限，不能利用多天线技术时；② 宏站同构网下，每个基 站的激活用户数目较大，有利于非正交用户的配对调度，提高性能增益；③ 由 于宏网的覆盖较大，用户之间较有可能存在远近效应，这无论对提高吞吐，还 是降低接收器复杂度，都很有利。
除了不可缺少的系统仿真，非正交多址的研究还需要大量的链路级仿真。 传统的链路级仿真一般是单用户的，因为系统仿真的资源多半在一个小区内是 正交的。但在非正交情形下，多用户链路仿真有助于细致刻画各个用户间的干 扰以及干扰消除/抑制所起的效果。这样才能建立一个较为精确的链路到系统的 映射模型，使系统仿真能够更加准确地反映每一条链路的性能。