5G移动通信技术：发展历程、系统要求与非正交多址接入

# 5G 移动通信技术：发展历程、系统要求与非正交多址接入 ## 1. 移动通信的演进 ### 1.1 移动通信的发展背景 无线电资源有限，特别是适合个人通信的频段。移动通信的目标一直是提高频谱利用率。1968 年，AT&T 贝尔实验室提出了蜂窝通信概念，将多个类似蜂巢的六边形小区连接起来形成大网络，实现了频率资源在小区间的复用，大幅增加了系统容量。 ### 1.2 各代移动通信技术特点 #### 1.2.1 第一代（1G） - **多址接入方式**：频分多址（FDMA）。 - **服务类型**：仅支持语音服务。 - **存在问题**：采用模拟调制，无法进行信源编码和信道编码，发射功率控制不佳，资源利用率低。例如，广泛部署的高级移动电话系统（AMPS）中，每个用户分配 30kHz 带宽，1MHz 系统带宽下每个小区支持不超过 30 个用户。此外，第一代移动手机体积庞大、耗电高且价格昂贵，普通民众难以承受。 #### 1.2.2 第二代（2G） - **主导多址接入方式**：时分多址（TDMA），基本服务为语音服务。 - **代表标准**：全球移动通信系统（GSM），由欧洲公司主导开发。在 GSM 中，先将频段划分为多个 200kHz 带宽的窄带，用户在每个窄带的不同时隙以循环方式分配。为减少邻区干扰、保证小区边缘语音质量，7 或 11 个相邻小区组成一个簇，簇内不允许频率复用。2G 蜂窝网络的空中接口数字化，对模拟语音进行采样、量化，通过语音编码器压缩，并应用信道编码纠正无线环境中的比特错误。后期，高通公司开发的 IS - 95 系统在北美部分地区开始部署，它是一种直接扩频的码分多址（CDMA）技术，可视为 3G 的先驱。 #### 1.2.3 第三代（3G） - **多址接入方式**：广泛使用 CDMA。3G 系统的干扰缓解能力显著增强，相邻小区可充分复用频率，大幅提升系统容量。 - **主要标准**： - **CDMA2000**：主要部署在北美、韩国、中国等地，每个载波系统带宽为 1.2MHz，标准制定机构为 3GPP2。 - **通用移动通信系统（UMTS）**：由全球最具影响力的无线标准制定机构 3GPP 开发，欧洲运营商和系统供应商发挥了重要作用，已在全球部署。其每个载波系统带宽为 5MHz，也称为宽带 CDMA（WCDMA）。为支持更高的数据服务速率，CDMA 和 UMTS 各自独立演进，分别产生了演进数据优化（EV - DO）和高速分组接入（HSPA），二者都将 TDMA 融入 CDMA，采用更短的时隙以实现更快的链路自适应。此外，还有由中国和部分欧洲公司开发的时分同步 CDMA（TD - SCDMA），它是 3GPP 标准的一部分，在中国广泛部署。 #### 1.2.4 第四代（4G） - **多址接入方式**：正交频分多址（OFDMA）。选择 OFDMA 的原因在于 4G 系统带宽至少为 20MHz，远大于 3G。更宽的带宽意味着更快的时域采样率和更多可分辨的多径。若使用 CDMA，接收机将遭受严重的多径干扰，尽管可通过先进接收机抑制干扰，但处理复杂度过高。而将系统带宽划分为多个相互正交的子载波，且每个子载波足够窄可视为平坦衰落时，无需复杂的均衡或干扰抑制，大幅降低了接收机的实现成本，这对多输入多输出天线（MIMO）接收机尤为关键。在一定程度上，正交频分复用（OFDM）推动了 MIMO 在 4G 中的广泛应用，提高了链路和系统容量。需要指出的是，4G 也采用了 TDMA 的思想，时隙时长比 3G 更短，且 4G 并非纯粹的 OFDM，部分控制信道和参考信号仍依赖 CDMA 进行区分。 - **标准发展**：4G 标准发展初期有三个主要标准：超移动宽带（UMB）、全球微波互联接入（WiMAX）和长期演进（LTE）。UMB 核心技术源于高通在 IEEE 802.20 的研究，后因缺乏 Verizon 等大型运营商的兴趣，于 2008 年后暂停工作。WiMAX 可视为 Wi - Fi 的扩展，支持更广泛区域和移动场景，但由于 Sprint 业务运营恶化、行业联盟松散和缺乏具体商业案例，很少有国家或地区在 4G 网络中广泛采用。2008 年冻结的 3GPP LTE Release 8 版本，随着 UMB 的暂停和 WiMAX 的边缘化，LTE 成为全球主流 4G 移动标准。2009 年起，3GPP 开始制定 LTE - Advanced，其 Release 10 版本能完全满足 IMT - Advanced 的关键性能要求。此外，LTE - Advanced 引入了载波聚合、小区间干扰消除、无线中继、增强下行控制信道和设备到设备通信等新特性，有助于提高平均频谱效率、峰值速率、网络吞吐量和覆盖范围等，适用于宏小区和由宏节点与低功率节点组成的异构网络。 各代移动通信网络的多址接入方案总结如下表： | 移动网络代际 | 多址接入方案 | | ---- | ---- | | 第一代（1G） | FDMA，固定分配 | | 第二代（2G） | TDMA 主导，如 GSM；CDMA，如 IS - 95 | | 第三代（3G） | CDMA，3.5G 主要结合 TDMA 用于数据服务 | | 第四代（4G） | 主要为 OFDMA | ### 1.3 移动通信演进流程图 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(1G - FDMA):::process --> B(2G - TDMA):::process B --> C(2G - CDMA: IS - 95):::process C --> D(3G - CDMA):::process D --> E(3G - CDMA2000):::process D --> F(3G - UMTS/HSPA):::process D --> G(3G - TD - SCDMA):::process F --> F1(3G - EV - DO):::process F --> F2(3G - HSPA):::process E --> H(4G - OFDMA):::process F --> H G --> H H --> H1(4G - UMB):::process H --> H2(4G - WiMAX):::process H --> H3(4G - LTE):::process H3 --> H4(4G - LTE - Advanced):::process ``` ## 2. 5G 移动通信系统要求 ### 2.1 5G 应用的多样性 与前几代不同，5G 应用非常多样化。小区的峰值数据速率和平均频谱效率不再是唯一的关键性能指标（KPI），还引入了用户体验速率、连接数量、超低延迟、高可靠性和功率效率等众多 KPI。5G 部署场景除了广泛覆盖场景外，还扩展到密集热点、机器类型通信（MTC）、车对车（V2V）通信、大型户外活动、地铁等，这表明 5G 技术将多样化，而非像前几代那样以单一技术为特征。其中，非正交多址接入（NOMA）被认为是非常有前景的技术。 ### 2.2 5G 主要使用场景和部署场景 #### 2.2.1 主要使用场景 - **增强移动宽带（eMBB）**：对于移动宽带用户，5G 通信的目标是实现类似于光纤通信的高速数据体验。数据流式应用可容忍 50 - 100ms 延迟，交互式应用延迟要求约为 5 - 10ms，虚拟现实和在线游戏延迟要求为几十毫秒。预计 2020 年后，云内存将存储 30%的数字信息，这意味着连接云与终端的移动网络数据速率应与光纤通信相当。 - **超可靠低延迟通信（uRLLC）**：对时间敏感的控制系统而言，延迟要求极具挑战性。 - **大规模机器类型通信（mMTC）**：涵盖低速数据收集、高速数据收集、非时间敏感控制等服务。 #### 2.2.2 主要部署场景 eMBB 有多种部署场景，主要包括室内热点（InH）、密集城市、农村和城市宏站等。 | 部署场景 | 载波频率 | 总带宽（载波聚合后） | 部署方式 | 站间距 | 基站天线元素数量 | 终端天线元素数量 | 用户分布和移动速度 | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | 室内热点 | 30、70 或 4GHz | 70GHz 最高 1GHz；30GHz 最高 1GHz；4GHz 最高 200MHz（上下行） | 单层、室内、开放空间办公区域 | 20m | 最高 256 Tx 或 Rx；700MHz 最高 64 Tx 或 Rx | 30GHz 或 70GHz 最高 32 Tx 或 Rx；4GHz 最高 8 Tx 或 Rx | 100%室内，3km/h，每节点 10 个用户 | | 密集城市 | 4GHz + 30GHz（两层） | 4GHz 最高 200MHz；30GHz 最高 1GHz（上下行） | 两层。宏层为六边形网格，随机分布低功率节点为第二层 | 宏层 20m；每个宏小区 3 个低功率节点（室外） | 最高 256 Tx 或 Rx | 30GHz 最高 32 Tx 或 Rx；4GHz 最高 8 Tx 或 Rx | 宏层均匀分布，80%室内用户 3km/h；20%室外用户 30km/h，每宏小区 10 个用户 | | 农村 | 700MHz、4GHz 或 2GHz | 700MHz 最高 20MHz；4GHz 最高 200MHz（上下行） | 单层六边形网格 | 1732m 或 5000m | 4GHz 最高 256 Tx 或 Rx | 4GHz 最高 8 Tx 或 Rx；700MHz 最高 4 Tx 或 Rx | 50%室外车辆 120km/h，50%室内用户 3km/h，每基站 10 辆车/用户 | | 城市宏站 | 2、4 或 30GHz | 4GHz 最高 200MHz；30GHz 最高 1GHz（上下行） | 单层六边形网格 | 500m | 最高 256 Tx 或 Rx | 30GHz 最高 32 Tx 或 Rx；4GHz 最高 8 Tx 或 Rx | 20%室外车辆 30km/h；80%室内用户 3km/h，每基站 10 辆车/用户 | ### 2.3 5G 关键性能指标 5G KPIs 包括峰值数据速率、峰值频谱效率、系统带宽、控制平面延迟、用户平面延迟、不频繁小数据包传输延迟、移动中断时间、系统间互操作性、可靠性、覆盖范围、电池寿命、终端设备能源效率、每小区/节点频谱效率、单位面积业务容量、用户体验速率和连接密度等。其中与多址接入相关的 KPIs 如下： - **控制平面延迟**：指从空闲状态切换到连接状态开始数据传输的时间，要求延迟为 10ms。对于 uRLLC，用户平面延迟上下行均不超过 0.5ms；对于 eMBB，上下行要求为 4ms。在 4G 系统中，基于授权的传输前需进行多步随机接入过程，预计 5G 中 NOMA 可显著简化随机接入过程，无需严格控制信令，从而降低控制平面和用户平面延迟。 - **电池寿命**：定义为无需充电的开机时间。对于大规模物联网，电池寿命取决于覆盖情况、每日上传和下载的比特数以及电池容量，最重要的因素是每次随机接入和后续数据传输所需的时间。正交多址系统（如 4G）的整个随机接入过程耗时较长，功耗高，因此在降低终端功耗方面，NOMA 相比正交多址具有优势。 - **频谱效率**：在 eMBB 场景下，假设全缓冲业务，5G 系统每小区所需的频谱效率约为 4G 系统的 3 倍，包括平均频谱效率和小区边缘频谱效率。正交多址系统难以达到系统性能边界，NOMA 可进一步提高系统吞吐量。 - **连接密度**：指在一定区域内，在一定服务质量（QoS）要求下可支持的机器类型设备总数。QoS 需结合业务到达率、传输时长、误比特率等因素考虑。城市部署中，所需连接密度为每平方公里 100 万台终端设备。基于正交多址的 4G 设计主要针对 eMBB，同时传输用户数量有限且数据吞吐量高，不适合大规模连接场景，而 NOMA 有潜力有效支持大量低数据速率设备。 ### 2.4 5G 性能评估方法 对于用户平面延迟、控制平面延迟、不频繁小数据包传输延迟和电池寿命等 KPIs，可采用分析方法进行性能评估；对于系统频谱效率和连接密度等 KPIs，通常需要进行系统级仿真。对于 NOMA，城市宏站是合适的部署场景，原因如下： - 宏基站通常为单层网络，无低功率节点提升系统容量，因此 NOMA 是增加吞吐量的重要技术，特别是在宏站天线数量有限时。 - 宏小区部署中，每个小区的活跃用户数量相对较多，便于进行用户配对和调度以提高性能。 - 宏小区覆盖范围大，存在显著的远近效应，有利于提高系统吞吐量和降低接收机复杂度。 除了必不可少的系统级仿真，NOMA 研究还涉及大量链路级仿真。传统链路级仿真假设单用户，多址接入方案主要为正交，而 NOMA 情况下，多用户链路级仿真对于精确建模用户间干扰以及干扰消除或抑制效果至关重要。通过这种方式，可以开发更准确的链路到系统映射（或物理层抽象），以便在系统级仿真中更精确地建模每个链路的行为。 ### 2.5 5G 相关流程与技术关系图 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(5G 应用多样性):::process --> B(主要使用场景):::process B --> B1(eMBB):::process B --> B2(uRLLC):::process B --> B3(mMTC):::process A --> C(主要部署场景):::process C --> C1(室内热点):::process C --> C2(密集城市):::process C --> C3(农村):::process C --> C4(城市宏站):::process A --> D(关键性能指标):::process D --> D1(控制平面延迟):::process D --> D2(电池寿命):::process D --> D3(频谱效率):::process D --> D4(连接密度):::process D --> D5(其他 KPIs):::process A --> E(性能评估方法):::process E --> E1(分析方法):::process E --> E2(系统级仿真):::process E --> E3(链路级仿真):::process E3 --> E31(多用户链路级仿真):::process B1 --> D3 B3 --> D4 D1 --> E1 D2 --> E1 D3 --> E2 D4 --> E2 E31 --> E2 ``` ## 3. 下行和上行 NOMA 主要方案类型 ### 3.1 下行 NOMA 下行非正交多址的主要用途是 eMBB，目标是提高系统容量，有多种下行 NOMA 方案。 ### 3.2 上行 NOMA 虽然 NOMA 也可用于 eMBB 上行，但相关问题通常与实现细节有关，对空中接口标准透明。因此，本书关注的上行 NOMA 场景是 mMTC，主要目标是支持大规模连接，也有多种主要方案类型。 ## 4. 5G 非正交多址接入（NOMA）的优势分析 ### 4.1 与正交多址接入的对比 正交多址接入（如 4G 中的 OFDMA）在过去的移动通信中发挥了重要作用，但随着 5G 应用场景的多样化，其局限性逐渐显现。正交多址接入通过将资源在时间、频率或码域上进行正交划分，保证用户之间的无干扰传输，但这种方式在资源利用效率上存在一定的瓶颈。 而 NOMA 允许用户在相同的时间、频率和码域上复用资源，通过功率分配和干扰消除技术，在保证一定服务质量的前提下，提高了系统的频谱效率和连接密度。例如，在连接密度方面，基于正交多址的 4G 设计难以满足大规模物联网设备的连接需求，而 NOMA 有潜力有效支持大量低数据速率设备。 ### 4.2 NOMA 在不同场景下的优势体现 #### 4.2.1 eMBB 场景 在 eMBB 场景下，NOMA 能够显著提高系统的频谱效率。在全缓冲业务假设下，5G 系统每小区所需的频谱效率约为 4G 系统的 3 倍，正交多址系统难以达到系统性能边界，而 NOMA 可进一步提高系统吞吐量，满足用户对高速数据传输的需求。 #### 4.2.2 mMTC 场景 对于 mMTC 场景，NOMA 的主要优势在于支持大规模连接。大规模物联网设备通常具有低数据速率、低功耗的特点，NOMA 可以通过合理的功率分配和用户配对，在有限的资源下支持更多的设备连接，解决了正交多址系统在大规模连接场景下的不足。 #### 4.2.3 uRLLC 场景 在 uRLLC 场景中，NOMA 有助于降低控制平面和用户平面延迟。在 4G 系统中，基于授权的传输前需进行多步随机接入过程，耗时较长。而 5G 中 NOMA 可显著简化随机接入过程，无需严格控制信令，从而降低延迟，满足时间敏感型应用的需求。 ### 4.3 NOMA 优势总结表格 | 场景 | 正交多址接入局限性 | NOMA 优势 | | ---- | ---- | ---- | | eMBB | 难以达到系统性能边界，频谱效率提升有限 | 提高系统吞吐量，约为 4G 系统频谱效率的 3 倍 | | mMTC | 不适合大规模连接，同时传输用户数量有限 | 支持大量低数据速率设备，提高连接密度 | | uRLLC | 随机接入过程复杂，延迟高 | 简化随机接入过程，降低控制平面和用户平面延迟 | ## 5. 5G 移动通信技术发展趋势展望 ### 5.1 技术融合趋势 未来，5G 移动通信技术将与其他技术进行深度融合。例如，与人工智能技术的融合，通过人工智能算法实现更智能的资源分配、干扰管理和用户调度，提高系统的性能和效率。与区块链技术的融合，可以增强通信网络的安全性和可信度，保障用户数据的隐私和安全。 ### 5.2 应用拓展趋势 随着 5G 技术的不断发展，其应用场景将进一步拓展。除了现有的 eMBB、uRLLC 和 mMTC 场景，5G 还将在智能交通、智能医疗、智能能源等领域发挥重要作用。例如，在智能交通领域，实现车路协同、自动驾驶等应用，提高交通效率和安全性；在智能医疗领域，支持远程医疗、实时健康监测等服务，改善医疗资源分配和服务质量。 ### 5.3 标准演进趋势 5G 标准将不断演进和完善。3GPP 等标准组织将继续推动 5G 技术的发展，引入更多的新特性和功能。例如，进一步提高系统的频谱效率、降低延迟、增强可靠性等，以满足不断增长的用户需求和市场变化。 ### 5.4 5G 发展趋势流程图 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A(5G 移动通信技术):::process --> B(技术融合):::process A --> C(应用拓展):::process A --> D(标准演进):::process B --> B1(人工智能融合):::process B --> B2(区块链融合):::process C --> C1(智能交通):::process C --> C2(智能医疗):::process C --> C3(智能能源):::process D --> D1(提高频谱效率):::process D --> D2(降低延迟):::process D --> D3(增强可靠性):::process ``` ## 6. 总结 5G 移动通信技术是在 1G - 4G 技术演进的基础上发展起来的，具有应用多样化、技术多元化的特点。其主要使用场景包括 eMBB、uRLLC 和 mMTC，每种场景都有特定的需求和挑战。通过引入 NOMA 等技术，5G 能够更好地满足不同场景的需求，提高系统的频谱效率、连接密度、降低延迟等关键性能指标。 在性能评估方面，需要综合运用分析方法、系统级仿真和链路级仿真等手段，确保系统的性能和可靠性。未来，5G 技术将与其他技术深度融合，拓展应用场景，不断完善标准体系，为人们的生活和社会的发展带来更多的便利和机遇。 同时，我们也应该看到，5G 技术的发展仍面临一些挑战，如技术实现的复杂性、网络安全问题等。但随着技术的不断进步和创新，这些挑战将逐步得到解决，5G 移动通信技术将迎来更加广阔的发展前景。