中兴通讯B5G技术白皮书 愿景及技术趋势概述

目录 2.1Massive MIMO增强2.2基于MetaCell元小区的全频段融合组网2.3平滑虚拟小区2.4全双工及子带全双工2.5多UE虚拟聚合2.6智能超表面2.7无连接传输技术/eMUSA2.8无源物联网 3.1深度融合的新型信息基础设施3.2通感一体化3.3空天地一体3.4内生智能3.5内生安全可信3.6新业务赋能212829323436 4.1能源效率4.2空口AI提效4.3网络效率384041 范式的迁移（Paradigm Shift）43 愿景及技术趋势概述01 5G 经过两年发展已经体现出了显著的经济和社会价值，正在不断进行技术和应用上的创新。5G-Advanced 旨在进一步拓展 5G 应用场景，弥补早期 5G 技术上的不足之处，5G-Advanced 相关技术已经标准化或正在标准化过程中。在 5G 不断增强的同时，6G相关的讨论也非常活跃，目前主要聚焦在 6G 的愿景，场景，以及一些关键技术的讨论，一些涉及关键技术的原型样机也在开发。 本 B5G（Beyond 5G）技术白皮书，包括了 5G-Advanced 阶段的增强技术以及部分 6G 关键技术。从各项技术的技术特征着手，逐项分析其优点，局限，应用前景和将来可能适用的场景，其中对于一些可能不依赖于标准、或者与标准化关联较弱的，能够提前在 5G 后期实用的 6G 技术，进行了重点发掘和分析。 B5G 将打破 eMBB、uRLLC、mMTC 单一业务模型的局限进行跨场景多维度融合，业界对应用场景的分类有很多种，典型的是按照 ToC 和 ToB，但无论如何分类，本质上都是以“人”，“物”和“整体”为主的场景： “人”： 像 5G+XR，云游戏等应用在个人娱乐、家庭健康、以及工业领域等都是以人为主导，因此这类场景要求不仅从现实延伸到虚拟，未来还会从视觉到触觉 , 实现强交互，实现真正的“天涯比邻身临其境”。 “物”： 这类场景关注让各企业的运转能够降本、增效、提质、安全，从而真正服务于兴业、惠民、善政。 “整体”： 创新能够随时关注高效有序。因为事物发展的自然倾向总是无序混乱的状态不断熵增，而要对抗熵增，就需要 5G 技术助力各组织之间实现更好的协同，促成社会资源整体效率最大化，实现人类社会的可持续发展。 因此 B5G 的愿景是通过创新技术集在能力增强（Enhancement）、边界延伸（Extension）和效率提升（Efficiency）三个方面进行创新迭代，使得每个人，每个物，每个组织和社会都能各自舒展和谐共生构建数智融生世界： 增强型技术 Enhancement 此类技术在原有基础上作性能极致增强，包括 MetaCell 元小区技术、 SVC（平滑虚拟小区）、RIS（智能超表面）技术、全双工 / 子带全双工技术和基于 eMUSA 的海量物联技术，以及基于后向散射的无源物联网技术等； 边界扩展 Extension 此类技术在原有技术基础上，对边界进行扩展，多项技术进行融合：深度融合的信息基础设施，通感算融合，空天地一体化，内生智能，内生安全，及基于以上技术的一些新业务等等； 效率提升 Efficiency 此类技术目标在于提升效率，包括运营效率和设备硬件效率。此类技术有：能源效率提升技术，基于 AI 的高效率技术，以运维高效率为目标的自主进化网络。 在上述技术中，包含一些基本的技术趋势，即：用越来越强的计算能力，尤其是底层的计算能力，去换取资源利用效率的提升。这是因为，随着 4G、5G 及后续 6G 的发展和普及，频谱资源越来越紧张，尤其是“好的”频谱资源非常匮乏，单链路的香农限，噪声极限也被逐步逼近，使各种各样的空分复用技术，双工技术，非正交技术成为进一步提升资源利用率的必经途径。加之碳，低能耗的要求，上述技术无一不对硬件能力，芯片能力提出了更高要求。因此，更高集成度的硬件，更高工艺，更强计算能力更低功耗的芯片是下一代移动通讯的关键所在。 增强型技术 (Enhancement)02 2.1Massive MIMO 增强 MIMO 未来仍将围绕着天线规模增大的趋势演进，由大规模演变为极大规模。一些新兴的 IIoT 应用对上行业务提出了更高的需求。例如现代工厂中的机器视觉类应用，或是密集热点地区如体育场中的海量用户同时上传高清视频业务。为了提供更好的通信服务和以及额外增值服务 , 采用极大规模 MIMO 可以显著地提升系统性能，包括：更广的网络覆盖，更大的吞吐量，更高的空间自由度，更多的连接数，以及超高的感知和定位精度等。尤其是对于上行链路，极大规模接收天线会显著增加上行覆盖范围和提升传输层数与吞吐量，对满足上行需求有非常重要的作用。即将举行的 WRC-23 将对 6Ghz-10Ghz 做分配，这些频段具有波长短，传播损耗高，可用带宽大特点。为了利用有限的功率，满足高于 1GHz 带宽的上下行覆盖及吞吐量性能需求，新的设计需要考虑增加天线规模，提升天线增益，以降低发送功耗和网络成本。 极大规模可以通过分布式或者集中式实现，对于分布式 MIMO，节点数目的成倍增加意味着天线数目的对应增长，天线数目 M 与终端数目 K 的比值会不断增大，可能达到 10、100。对于集中式，为了实现极大规模，除了适当扩展天线孔径，同时也可以寻求更密集的天线部署，阵子数目也可以明显增加。此外，伴随着毫米波通信的成熟和太赫兹技术的兴起，在同等的孔径下，天线阵元数目会急剧的增多，天线数目甚至达到目前的100~1000 倍。 不管是分布式还是集中式的极大规模 MIMO，都可以带来极致的空间分辨率和传输效率，同时产生信道硬化的效果简化系统设计和节约开销，比如在资源分配和调度方面的复杂度下降，并且频域上的导频的密度也可以降低。但极大的规模同时也带来了极大的挑战。完全发挥极大规模MIMO 潜力需要使用极窄的发送和接收波束，这非常依赖于高精度的实时 CSI 信息。高精度的实时 CSI 信息则需要大量的导频和反馈开销，需要更充分地利用信道的稀疏特性信道降维和采用更优的分层测量反馈设计。不仅仅是针对集中式的极大规模，分布式的情况同样面临巨大的开销问题，多节点的联合测量反馈也需要利用信道特征实现高效的开销压缩。 极大规模 MIMO 对 Time Alignment Error(TAE) 比较敏感。纳秒级的 琅禾费区）, 辐射近场区（菲涅尔区）和感应近场区 , 其中近远场的分界为 2L2/λ，L 为天线长度、λ 为波长。4G 和 5G 均以远场平面波传播假设作为基础进行系统设计 , 这在较长的时间内一直被认为是一种合理的近似假设。但随着通信技术向前演进，更高频率与极大规模 MIMO 的联合使用，基于远场电磁传播假设的传统模型将会有较大的概率失效。当天线孔径扩大 1 倍时，近场会扩大 4 倍，当通信频率增大 1 倍时，近场范围会扩大 2 倍。接收端有很大概率会位于辐射近场区域，而近场和远场具有明显的特性差异。 TAE 对波束赋形及预编码的增益都存在影响，集中式的情况TAE 可以通过基站内部校准来优化，使得天线间差异比较小。但对于分布式的情况，受到不同环境因素的影响，TAE 会快速发送变化，使得其一直保持稳定比较困难。这可能需要 UE辅助的校准技术来解决这一问题。即使是较小的 TAE 残留，对于多用户复用来说仍然会使得性能下降，尤其是在机场、火车站、体育场馆等场景中，复用的用户数目非常多且位置比较靠近时，对这些场景下实现极高的吞吐量造成了挑战。 极大的规模也意味着极大的成本和功耗。目前的天线一般需要大量的分路器、合路器、移相器等一系列硬件，如果仍然采用这种架构其成本将会显著增长，导致其无法商用。极大规模MIMO 需要采用新的低成本架构，移相器需要被更低成本的方式替代，比如智能超表面中的一些低成本硬件架构可以考虑在发射天线中使用。此外电磁透镜也可以实现低成本的支持极大规模 MIMO，但是在性能方面还需要继续优化，并且只适合高频的场景。 这将会引起一系列重大的技术变革，原有的多天线相关设计，包括天线拓扑、空间资源划分方式、预编码、信道信息反馈等多个方面都需要重新考虑如何才能匹配近场的信道特性。此外，一些基于极大规模 MIMO 的非通信的应用，比如感知、定位、无线传能一些非传统通信应用也需要在近场中工作。需要特别指出的是，分布式极大规模 MIMO，也可以理解为一个孔径非常大的巨型阵列，因此 UE 均处于近场之中。目前近场的研究一般仅仅是将距离的近似处理进行了还原，但实际上如果把近场作为矢量场研究，其特性远比想象中复杂，这也是未来面临的一个较大的挑战，需要基于底层电磁特征重新审视和优化目前通信中的设计。 电磁场是一个矢量场，但在现有的无线通信系统中为了简化设计，电场一直被视为一个复值标量场。传统天线理论以及多天线通信系统中进一步的又进行了近似处理，划分了远场区（夫 2.2基于 MetaCell 元小区的全频段融合组网 随着 5G 和 6G 业务需求的不断多样化，使得频谱要不断扩展到高频，太赫兹，网络要不断满足多元化、时变化，现有紧耦合的烟囱式结构难以满足需求。MetaCell 元小区是一种全新的组网架构，它以服务为中心的全频谱整体使用，最大化频谱价值，同时提升频谱使用效率，为用户打造极致体验，通过提升能效达成节能低碳目标，通过多网融合简化运维，通过行业定制和按需编排打造 ToB 和 ToC 混合运营的丰富生态。 MetaCell 元小区支持上下行链路的解耦和服务为中心的全频段融合组网，可以在 ToB 等大上行场景下，通过将更多的上行载波聚合服务提升上行性能。也支持在全频组网场景下，将不同频段范围的载波聚合或者按需服务，通过上行载波组的池化和下行载波组的池化，支持多载波的联合资源管理和调度，提升全频段组网的谱效和能效，更有效的发挥有限而珍贵的低频段特别是零散的重耕频段的价值，降低在部分热点地区引入新的更高频段的门槛，同时提供更强的鲁棒性。 对于多频段融合组网。MetaCell 将多个载波的系统信息（SI）汇聚到一个系统信息组（SI Group），并通过其中一个载波进行广播。利用跨频段的公共信道来获取当前频段的信息 , 可以有效减低公共信道带来的开销 ,比如说不需要每个频段都有 SSB 和 SIB, 这样可以在降低基站能耗的同时简化网络运维和降低（配置、调度和消息）开销。对终端来说，终端通过一个载波接收到多个载波的系统信息后，可以根据业务或网络的策略灵活选择一个或多个接入信道和载波进行接入，这意味着上行载波的操作不一定要基于同一个频段的下行载波 , 可以达到上下行解耦的效果。 2.3平滑虚拟小区 多节点协作传输 (CoMP)，是通过规避、协调、甚至利用的方法，解决基站之间干扰的技术。 5G 当前的版本已经支持一些 CoMP 的功能 , 例如非相干联合传输，动态小区选择 , 后续协议也在不断增强。 SVC(Smooth Virtual Cell 平滑虚拟小区 ) 本质上是一种极致的，以用户为中心的多点协作技术，相对于传统的基于地理位置的小区来说，取消了物理小区的束缚，而是通过动态地加入或删除部分 AP，从而形成用户特有的一个小区。由于没有固定物理小区边界的影响，所以 SVC 能使用户体验具有较好的一致性。同时由于随时根据需求选择合适的 AP 作为特定用户的服务节点，因此 SVC 的架构对干扰的处理具有更多的自由度，从而能提升用户的无线性能。 SVC 中涉及到协作集选取、功率控制、用户调度、波束训练等关键技术点，可将其建模成一个优化问题。根据优化的变量是连续还是离散的，可分为连续优化和组合优化。其中协作集选取、用户调度、波束训练的过程都是从有限个集合中选出最优的或者较优的组合属于组合优化，功率控制是在已知协作集和调度用户前提下确定相应的功率参数属于连续优化。对于组合优化难点在实现复杂度与性能之前的平衡，工程上可行的方案是加一些约束或者采用特别策略，经过有限次组合的比较，获得相对较优的结果，而不是最优的结果。连续优化需要考