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【Update】
1. What exactly is 5G 2016.8.18 10:23
2. Self-contained frame structure
2-1. Self-contained frame structure- 1 2016.8.18 23:07
2-2. Self-contained sub Frame - 2 2016.8.19 23:10
2-3. Self-Contained Subframe - 3 2016.8.20 17:35
3. Multiple Access
3-1 Multiple Access - Primer 2016.8.26 16:14
3-2 Multiple Access - 2 2016.9 .6 22:04
3-3 Multiple Access - 3 2016.9.10 22:46
3-4 Multiple Access - 4 2016.9.11 9:58
3-5 Multiple Access - SCMA 2016.11.24 22:16 4. mmWave 4- 0 mmWave 2016.9.17 20:20
4-1 mmWave key technologies2016.9.25 19:37
4-2 Other applications of mmWave2016.9.25 20:35
4-3 mmWave channel measurement and modeling2016.9.28 9:33 5Low
latency and high reliability technology
5-0 Low Latency and High Reliability Technology 2016.10.11 19:30
5-1 Resource Allocation - Reservation or Sharing 2016.10.22 13:59
1. What exactly is 5G
? 5G is serious 5G, but unfortunately it was broken. Now it is said that 5G technology, such as full-duplex, has been explicitly excluded from the candidate technology of 5G. There are also some technologies ( the hardest hit area is multi-access ) that are destined to be eliminated in large numbers. It is said that there are eight multi-access technologies in the proposal. The landlord estimates that NR will eventually accept three at most: eMBB two (DL, UL), IoT accepts one species (UL). There are a few other alternative technologies that are also a bit dangling, such as encoding.
The formal definition of 5G comes from the ITU. ITU's technical report gives clear three scenarios, requirements (KPI), and timetable (standard formulation, submission, verification).
Any standard organization (including 3GPP, IEEE, and even CCSA) can submit a complete solution according to the required time (Q3, 2020). After verification by a third-party organization designated by ITU, the solution that can meet the needs of ITU will be identified. for the 5G standard.
In the 3G stage, through verification, there are several standards (CDMA 2000, WCDMA, TD-SCDMA, WiMAX) that meet the requirements, so it is called the IMT-2000 family.
When it comes to 4G (IMT-Advanced), although 3GPP2 and IEEE have their own plans, they have not been implemented due to lack of operator support. The actual 4G standard is only LTE-Advanced (Release 10 and forward) from 3GPP.
The official name of 5G is IMT-2020. It is worth mentioning that this name was first proposed in China. The 5G promotion group led by CAICT (Institute of Information and Communications Technology) wisely created the name IMT-2020 (it is said to have also registered a trademark), which was eventually adopted by the ITU.
In June 2015, the ITU defined the requirements of IMT-2020, and it has entered the evaluation preparation stage. An evaluation working group has been established under the ITU-R WP5D working group and is developing an evaluation method and reporting template. It is worth mentioning again that the co-chair of the evaluation team is Peng Ying, the representative of China.
ITU has formulated plans and requirements, and 5G still needs specific standards organizations (SDOs) to be implemented. Currently, only 3GPP has published a complete 5G standard-setting plan. It is planned to complete all standards in 2019 and meet all KPIs of ITU's three scenarios (eMBB, Massive IoT and URLLC). In other standards organizations, IEEE has recently proposed 5G plans (two solutions): using dual connections (or multiple connections) to access the 3GPP 5G NR air interface and providing a combination of IEEE802.1 multiple access methods (11ax, 11ay) etc.) independent access network.
Corresponding to LTE, 3GPP's 5G air interface technology is called New Radio (NR). If there is no accident, the future 5G air interface technology will be called 5G NR.
2 - 1. 自包含（Self-contained）帧结构 - 1
想来想去，还是先写帧结构吧，毕竟这个对中国标准界和我都有特殊的含义。
不得不从LTE TDD的帧结构说起。
LTE项目在3GPP启动之后，国内也开始了研究工作。主要思路之一就是延续TD-SCDMA的思路，设计LTE TDD方式的技术方案。由于LTE TDD比较拗口，同时也为了和TD-S统一，改称为TD-LTE。开始老外不太明白TD-LTE是啥，后来慢慢也就认可了，现在还有一个全球性的TD-LTE推进论坛，就叫Global TD-LTE Initiatives，简称GTI。
当时的设计思路是与TD-S共享频谱，需要考虑邻频共存。由于TDD最大的干扰是交叉干扰（干扰源BS发送干扰受害BS接收），所以邻频共存就得到了一个必然的结果：TD-L的帧结构必须与TD-S完全一致 - 即0.625ms的子帧。这个设计在3GPP研究报告存在了很长时间，直到欧洲公司为了保证LTE FDD和TD-LTE设计的最大一致性，强行revise结论。TD-L的子帧被设计为和LTE FDD一致的1ms，相应的符号长度和CP长度也用了完全一样的设计。期间还有个小插曲，国内的某些领导不太满意TD-L帧结构被称为Alternative Frame structure，认为Alternative显得TD-L和LTE FDD似乎不对等，要求3GPP改为type 2 Frame Structure.
2-2. 自包含子帧 - 2
在3G、4G时代，TDD系统虽然是主流标准之一，但由于TDD频段偏高，网络覆盖较差、运营商投资高，除了中国的特殊国情以外，其他地区主流运营商采用TDD系统独立组网、运营的并不多。
话说到了5G时代，情况不太一样了。首先是新的FDD频率实在太难找了，唯一的可能就是二次数字红利（DD，Digital Dividend）广播业务退出的频段（600MHz），但这个频段涉及到广电清频这种多个行业协调问题，推动缓慢，目前只有美国进入了拍卖阶段。其次，1.8GHz – 2.6GHz之间这段频率基本都处于3G或4G的现网运营状态，何时重耕需要看政府的策略和运营商的商业计划。但是5G需要的频率量之大前所未遇，DD和重耕都不能解决实质问题，更多新频率只能在3.5GHz以上发挥了。从3.5GHz到70GHz，几乎所有的IMT备选频率都是TDD划分。
总结成一句话：5G时代真的要看TDD了。
吸取4G时代TD-LTE的设计经验，结合被广泛看好的Massive MIMO技术，5G时代TDD系统设计主要有两个目标：
1. 更快的系统反馈：为了提供更低的端到端传输时延，5G系统需要更低的RTT （消息往返时间，Round Trip Time）。在TD-LTE帧结构的七种配置中，最快的反馈大约是1ms；如果不幸的配置成了8:1的配置，最慢的系统反馈将是9ms。
2. 更快的信道测量：MIMO在TDD频段使用最大的优点是利用信道互易性，通过测量上行导频获得下行信道部分信息（波束方向）。考虑到毫米波频段的信道快速变化，5G的 TDD系统需要提供更多的上行导频发送时机。
从快速反馈的需求出发，最直接的设计就是同一个子帧里同时包含DL、UL和GP。下图是RAN1 #85会议提案中的示意图。
图（a）是自包含子帧，具备三个特点 ：
• 同一子帧内包含DL、UL和GP
• 同一子帧内包含对DL数据和相应的HARQ反馈
• 同一子帧内传输UL的调度信息和对应的数据信息
考虑到自包含子帧对硬件处理能力的要求很高，低端手机可能不具备相应的硬件能力，提案中也包含了图（b）中的较低要求方案。这种方案中HARQ反馈和调度都有更多的时间余量，对终端硬件的处理能力要求较低。而且，自包含子帧很容易通过信令指示终端支持这种配置。
在Verizon的V5G方案中关注到了MIMO信道测量这个问题。通过在同一个子帧内同时包含DL、UL和GP，利用UL发送RS进行信道测量。但是V5G对HARQ反馈时延要求不高，不必在同一子帧内反馈。
TD-LTE帧结构设计主要考虑了两个问题：当相邻小区UL/DL不能对齐时相邻小区的交叉干扰和GP对于小区覆盖的影响。相比于传统TDD帧结构设计，自包含子帧提供了更大的灵活性，但它是否会面临TD-LTE设计时同样的挑战呢？
• 首先是相邻小区的交叉干扰。如果相邻小区采用不能完全对齐的UL/DL配置，会有一个时间片段存在交叉部分。自包含子帧在设计时考虑了一些措施：首先将DL控制部分完全对齐，避免最重要的控制部分受到干扰；其次在数据部分通过纠错编码、HARQ等技术对抗干扰带来的影响。
• 其次是较小的GP限制了小区覆盖范围。小区的覆盖范围取决于GP的大小，即小区半径R=C（电磁波速度，即光速）* GP/2。但高频率无线电波在空气中传播损耗大，本身覆盖范围有限，相应的GP长度很小。也就是说，这个问题在载频变高后就不再是主要矛盾了。
在5月的南京RAN1会议，自包含子帧的基本设计在E、Q、Z、D几家公司共同的推动下获得了通过。可以预测，自包含子帧对5G物理层的设计会起到支柱性作用，3GPP将以此为基础，结合sub-carrier spacing等参数，尽快完成帧结构设计。
2-3. 自包含子帧 - 3
直面自包含子帧时延挑战 – Scaled Symbol Control Design
ITU的IMT-2020.VISION对5G（IMT-2020）空中信号传输时延提出了1ms要求：
“IMT-2020 would be able to provide 1 ms over-the-air latency, capable of supporting services with very low latency requirements.”
自包含子帧的设计目标之一就是在同一子帧内通过反馈UL ACK，保证低时延。可是，问题来了，手机是否真的能那么快的处理信号、并生成反馈呢？
自包含子帧示意图（DL Centric）
在示意图中，为了通过快速反馈降低时延，UE会在同一个子帧内的UL符号传输针对DL数据的ACK。假设DL数据占用T0 -> T1的全部符号（蓝色），一个能够充分利用流水处理接收信号的UE会在接收到每一个DL符号之后，马上开始开始解调，解码等处理（充分流水处理也即是自包含子帧的设计理念之一）。UE将在T1 + TLatency （BS到UE的空口传输时延）时刻接收全部DL数据，在这之后大致还需要一个符号的时间来处理最后一个DL符号的数据。
为了保证小区内各个UE信号同时到达BS，UE需要在T2 - TLatency时刻发送UL ACK。也就是说，留给UE处理数据的时间大约是T2 – T1 – 2×TLatency。为保证UE有足够的处理时间，似乎必须得在帧结构里预留一个额外的符号作为数据处理时间。
举个例子：假设UE处理DL数据的时间TD较大（即TD > T2 – T1 – 2× TLatency），在帧结构设计时需要预留灰色部分来保证UE有足够的时间处理DL数据，即T22 – T1 – TLatency ≥ TD。假设小区半径1公里，空口往返延时大约6us，数据处理时间大致为一个符号35us，数据处理时间远远大于空口往返延时。
很自然的想到，难道大部分灰色部分只能空着吗？能不能传点有用的数据呢？能想到这个，就必须给你点赞了。
仔细分析控制信道设计会发现，控制信道总可以归纳为两部分，一部分没有数据依赖性，另一部分则具有数据依赖性。UE可以在这个灰色时间区间发送与DL数据接收无关的信息，例如导频。把UL ACK分成两个较短的符号传输。第一个符号传输与DL数据接收无关的导频可以在数据处理的同时发送，第二个符号传输ACK在数据处理完成后再发送。这时，只要保证缩短符号（Scaled Symbol）的长度小于TD就可以了，既给UE留了足够的时间接收DL数据、生成ACK，又充分利用了时间资源。不仅如此，Ack到下一个子帧之间又留出了时间，这样不仅自包含同帧Ack实现了，子帧间无间断的HARQ处理也成为了可能！
再看复杂度，缩短符号相应的FFT size 变小了，也更便于基站接收UL ACK的流水作业（即在原本只收到半个符号的时间点就可以开始处理导频信号了），总的复杂度不增反降，真可谓两全其美。
那么，这样做有什么代价吗？会不会影响UL传输性能呢？
假设缩短符号是按比例缩短，即CP也缩短一半，这时对抗（多径造成的）时延扩展能力会相应下降。对于UL控制信道（导频和ACK），这个影响有多大呢？
30KHz符号和60KHz符号的设计参数
下图是信道时延扩展为300ns时的Geometry分布。可以看到：在Geometry较大的区域（大于22dB），Scaled CP性能开始下降。但是，采用UL缩短符号传输控制信道需要传输的仅仅是1个比特，码率非常低，Geometry工作点远远低于22dB。因此，缩短符号对控制信道的影响可以基本忽略。
3-1 多址 - 引子
5G多址有两个特点：
第一是从来没有这么公司观点如此统一：5G需要新的多址；
第二是从来没有一个技术有这么多竞争方案。
先卖个关子，说一下现有的多址技术。
教科书上写了不少，就不多说TDMA了。
到了3G时代，作为主要的技术创新点，多址技术被提到了前所未有重要程度，甚至系统都用多址技术来命名 - CDMA、TD-SCDMA、WCDMA。这三种技术本质都是使用不同的码字来区分用户地址，最初的来源都是一位美女发明家海蒂.拉玛（Hedy Lamarr）的一个想法。民用CDMA技术最大的贡献者是Qualcomm，主要解决了组网问题。关键的技术包括功率控制、软切换、Rake接收等等。在CDMA IS-95出现后，欧洲的ETSI也意识到了下一代技术的趋势会是CDMA。但是，作为后来者的ETSI面临着技术先行者Qualcomm设置的巨大专利池。为了尽量绕开专利，WCDMA采用了不同的码字设计，但是并不能避开基本的CDMA组网专利（功率控制、软切换、Rake接收等），这也是Qualcomm在3G时代声称具有核心专利的原因。
在2007年，WiMAX赶上了3G时代的尾巴，进入了IMT-2000 family。它最大的贡献就是将OFDMA技术引入了蜂窝通信系统。相比于CDMA这种窄带多址技术，OFDMA对于可扩展的宽带系统支持更好。同时，相比于传统的FDMA，OFDMA通过完全正交的相邻子载波1/2重叠，提供更高的频谱效率。OFDMA很快引起了业界的极大关注，俨然成为4G的重要备选方案。换句话说，OFDMA此时已经成为最大的移动通信技术“网红”。
IEEE力推WiMAX进入IMT-2000 family有两层含义：首先是为了使用ITU为3G划分的频率；更深一层的含义是在4G时代与3GPP正面竞争。IEEE推出的4G技术是WiMAX（802.16e）的演进版本 – 802.16m。出身较晚的WiMAX标准由于采用了OFDMA等技术，在物理层设计显示出了强大的竞争力。3GPP再次感受到了来自WiMAX的挑战和4G时代的危机。为了迎接来自16m的挑战，3GPP在LTE系统中引入OFDMA和MIMO技术，显著的提升了系统的频谱效率。同时，3GPP在自己擅长的电信网络架构方面提出了“扁平化”的低时延设计。故事的结果相信各位读者已经很熟悉了，16m由于缺少运营商的支持，最终被终止了。
虽然IEEE的802.16m失败了，但是WiMAX和16m带来的多址技术 – OFDMA取得了巨大的成功。这也是迄今为止，我们能找到的最好的移动宽带系统多址方式。
那么，为什么还会有那么多5G的备选多址技术出现呢？且听下回分解。
3-2 多址 - 2
真心后悔没有及时写完多址技术，最近三次RAN1的会议的多址技术居然呈现线性增长，搞得越写越多了。
到了八月下旬的RAN1#86，居然出现了十五种多址提案。上次会议（RAN1#85）还只有不到10种，再上次会议才几种...
这些多址技术有一个共同点，都是非正交多址，目前简称NOMA。
先分辨一个小概念 - NOMA。截止目前为止，出现过两次NOMA，分别是rel-13的LTE和rel-14的5G NR。
在Rel-13的时候，日本的NTT DoCoMo推动了一种功率域的非正交多址技术，叫NOMA。主要思路是把信道质量（SNR）相差很大的两个用户（UE1、UE2）配对，在同一个时频资源块上发送。假设UE1离基站很近，UE2离基站很远。UE2需要做串行干扰消除（SIC），把另一个UE的信号减去，得到本身的信号。好处很明显，资源利用率提高了，缺点就是UE需要引入SIC接收机，复杂度提高了。这种NOMA其实还有个学术的名字叫superposition coding，后来3GPP立项就用了这个名字叫MUST - Multi-User Superposition Transmission。根据理论分析，功率域的superposition可以把信道容量提升一些，画成图形就是直线被上拉成了抛物线。
另一个就是rel-14 5G的NOMA了。这次是一类技术的名称，就是指Non-Orthgnal MA。为什么要在5G提NOMA呢？主要是针对物联网（IoT/MTC）场景提出的。对于IoT来说，每次传输的数据量非常小，按照传统的UL资源请求、传输方式非常不划算。就是说建立连接需要的控制信令数据量已经超过payload本身了，划不来啊。而且时延也挺大，更关键的是IoT重要指标之一是省电，NB-IoT提出的指标是5W/H的电池用10年。传统的资源请求、传输的流程增加了耗电。很自然的提出一个问题：能不能减少两个步骤，变成直接竞争传输呢？这就是Grant Free或者叫Contention Based概念 - UE不请求资源，直接在UL发送。这样碰撞的概率就会增加，需要设计一种方法，在碰撞的情况下也能正确解出信号，这就需要NOMA技术了。因为NOMA可以提供非常大（比正交多址大很多）的地址空间，这样随机选择地址并碰撞的概率就大大降低了。
华为的SCMA、ZTE的MUSA、大唐的PDMA都是这类技术。其实本质都是构造一个非正交向量空间，供UE选择并传输。国内很看重多址的创新，也作为主要技术创新点大力推动。但是这种非正交多址技术其实并不是第一次提出，最早在移动通信系统中应用是CDMA2000时代，当时也是为了解决地址不够的问题，高通提出了非正交CDMA技术。这次，高通提出的RSMA技术就是非正交CDMA技术的升级技术。区别只是在于构造非正交向量的空间方法不同。
3-3 多址 - 3
如果问主席：问君能有几多愁。主席肯定说看看多址方案就知道了。
在今年四月的RAN1#84bis上，主席报告归纳了所有的NOMA方案，一共是八种。
- For UL, Multi-user shared access (MUSA) (e.g., R1-162226)
- Resource spread multiple access (RSMA) (e.g., R1-163510)
- Sparse code multiple access (SCMA) (e.g., R1-162153)
- Pattern defined multiple access (PDMA) (e.g., R1-163383)
- Non-orthogonal coded multiple access (NCMA) (e.g., R1-162517)
- Low code rate spreading (e.g., R1-162385)
- Frequency domain spreading (e.g., R1-162385)
- Non-orthogonal multiple access (NOMA) (e.g., R1-163111)
到了八月的RAN1#86会议上，主席报告再次归纳了所有的NOMA方案，就变成15种了。
- Sparsecode multiple access (SCMA) (e.g., R1-162153)
- Multi-usershared access (MUSA) (e.g., R1-162226)
- Lowcode rate spreading (e.g., R1-162385)
- Frequencydomain spreading (e.g., R1-162385)
- Non-orthogonalcoded multiple access (NCMA) (e.g., R1-162517)
- Non-orthogonalmultiple access (NOMA) (e.g., R1-163111)
- Patterndivision multiple access (PDMA) (e.g., R1-163383)
- Resourcespread multiple access (RSMA) (e.g., R1-163510)
- Interleave-GridMultiple Access (IGMA), (e.g., R1-163992)
- Lowdensity spreading with signature vector extension (LDS-SVE) (e.g., R1-164329)
- Lowcode rate and signature based shared access (LSSA), (e.g., R1-164869)
- Non-orthogonalcoded access (NOCA), (e.g., R1-165019)
- InterleaveDivision Multiple Access (IDMA), (e.g., R1-165021)
- Repetitiondivision multiple access (RDMA), (e.g., R1-167535)
- GroupOrthogonal Coded Access (GOCA), (e.g., R1-167535)
主席哭了，不带你们这样的。不但没有按说好的down selection，还增加了7种。于是，主席生气了，在会场说，下次会议（RAN1#86bis）是最后一次讨论多址了，必须得有结论。大家听到后也凌乱了。
这么多多址技术既然都是CDMA扩展技术，怎么分析、比较呢？
R1-166358给出了一些分析方法。按照扩频序列来区分：伪随机长扩频码和固定码本短扩频码。
伪随机长扩频码的代表是RSMA；
固定码本短扩频码的代表是：
- Sparse code multiple access (SCMA) (e.g., R1-162153)
- Pattern defined multiple access (PDMA) (e.g., R1-163383)
- Non-orthogonal coded multiple access (NCMA) (e.g., R1-162517)
- Low code rate spreading (e.g., R1-162385)
对于NOMA技术来说，长码空间更大，碰撞概率更低，同时伪随机特性也更好，但短码可以简化多用户检测，简化接收端接收机设计。从缺点角度看，短码首先需要预先设计和优化，在传输中可能需要进行额外的功率回退避免码字不够随机而造成的PAPR，影响链路预算。
很多文献都进行了仿真比较，篇幅所限，这里就不放了。
但通过分析后结论是类似的：
1. 伪随机扩频性能更好一些，这个在CDMA时代就证明了；
2. 固定码本的扩频方法由于码字短，需要预先搜索定义优化码本。
3-4 多址 - 4
说了这么久，都是NOMA技术，难道OFDMA和SC-FDMA就不用了吗？
恰恰相反，NR正是要在eMBB场景继续用OFDMA和SC-FDMA。
下行OFDMA没什么悬念，唯一的悬念在于上行是用SC-FDMA还是OFDMA。
用OFDMA的好处在做LTE D2D的时候就讨论过，如果上行也用OFDMA，那么手机在发送D2D信号时就比较简单，可以和宏蜂窝的上行信号完全正交，并同时FTT发送。
但是缺点也比较明显，就是为了避免PAPR带来的功率回退（Power Backoff）会导致上行的覆盖（链路预算）减小。据当前分析，大概会有1-2dB的链路预算损失。
因此，预计上行采用SC-FDMA的可能性较大，毕竟已经被LTE验证过了。