第5代移動通信技術及發展趨勢

董愛先，王學軍

(解放軍91635部隊，北京102249)

0 引言

隨著信息和網絡技術的快速發展，無線移動通信網絡的數據流量正以每年接近100%的速度增長，預計未來10年，無線網絡的數據流量將增加1 000倍，聯網設備將高達500億臺(部)，新興智能業務將層出不窮，迫切需要更加高速、更加高效、更加智能化的新一代無線移動通信技術來支撐。因此，在全球第4代移動通信(4G)網絡的部署方興未艾之時，第5代移動通信技術(5G，fifth－generation)的研發已拉開大幕［1］，成為整個學術界和信息產業界最熱門的課題之一，掀起全球移動通信領域新一輪的技術競爭。5G是繼4G之后，為了滿足智能終端的快速普及和移動互聯網的高速發展而正在研發的新一代移動通信技術，是面向2020年以后人類信息社會需求的第5代移動通信網絡。

1 5G概念及應用場景

由于5G技術過于新穎，學術界和產業界還沒有對其進行定義;相關諸如國際電信聯盟(ITU)等國際通信標準機構及全球3GPP、WiMAX等移動通信論壇也沒有給出正式的技術定義，使得5G技術至今還沒有一個清晰的概念。

目前，國內外專家學者沿用傳統的對移動通信技術的劃代方式，對5G進行初步定義。常見的說法是，5G就是傳輸速率達到10 Gb/s的下一代移動通信技術［2］，美國著名的《時代》雜志，在報道5G時也沿用這種說法。

歐盟關于5G技術研發的“構建2020年信息社會的無線移動通信領域關鍵技術”(METIS)項目總體負責人，兼愛立信全球研究院大師級研究員Afif Osseriran指出［2］，5G是通過現有無線技術演進和開發補充性的新技術來構建長期的網絡社會;通過集成多種無線接入技術提供極限體驗來滿足用戶不同的需求，是多種新型無線接入技術和現有無線接入技術集成后的解決方案總稱，是一個真正意義上的融合網絡。5G是以用戶體驗為中心，而不是傳統的以技術為中心的新型智能化自主網絡。歐盟METIS項目描繪的5G目標是［2］，使數據流量增長1 000倍;用戶數據速率提升100倍，速率提升至10 Gb/s以上;入網設備數量增加100倍;低功率設備的電池續航時間增加10倍;端到端時延縮短5倍。在頻率分配上，從2～6 GHz的頻段中選取2G頻譜供5G使用，同時選擇超高頻段的頻譜用于室內覆蓋的場景;所有功能以低成本和可持續發展的方式完成。5G關鍵目的是用來構建網絡社會，除了要滿足超高速的傳輸需求外，還需要滿足超高容量、超可靠性、隨時隨地接入等要求。

韓國信息技術融合研究所認為，未來5G技術需同時達到“無線傳輸容量大、低功率化、萬物互聯”等三大條件，并以此作為韓國5G技術發展的主要目標。

我國863計劃5G專家組組長尤肖虎認為，5G應該具有超高的頻譜利用率和超低的功耗，將與3G、4G無線移動通信技術密切融合，構成新一代無所不在的移動信息網絡，滿足未來10年移動互聯網流量增加1 000倍的發展需求。

華為公司技術專家表示，5G是在4G技術的基礎上，在吞吐率、時延、連接數量、能耗等方面進一步提升通信系統的性能。

綜合上述各方對5G的描述，筆者認為，5G應是一個繼第4代移動通信技術之后、面向2020年以后人類信息社會需求的新一代移動通信系統，是一個通過技術演進和創新，綜合集成多業務多技術的融合網絡，能滿足未來各種業務快速發展的需求，極大地提升用戶體驗。

目前，國際電信聯盟 (ITU)下屬的無線電通信部門正在起草關于2020年移動通信的愿景和技術兩個文件，將對5G技術形成一個基本的全球共識。業界預測，5G標準化的正式進程將在2015～2016年間在ITU－RWRC－15上正式啟動。

根據METIS的研究，5G技術的未來應用場景主要有［3］:一是超高速傳輸，為未來移動寬帶用戶提供超高速數據網絡接入;二是超大規模的用戶，為人口高密度地區或場合提供高質量移動寬帶服務;三是永遠在線，隨時隨地最佳應用，確保用戶在移動狀態仍享有高品質服務;四是超可靠的實時連接，確保新應用和用戶在時延和可靠性方面符合安全標準;五是無處不在的物物通信，確保高效處理多樣化的大規模設備通信，包括機器類設備和傳感器聯接等。在具體應用方面主要有［4］:機器間通信，如車聯網，對車輛自動定位、導航，甚至有自動駕駛功能;人機交互類型，如自動生物識別、帶傳感器的遠程醫療;人與人交互類型，如高速多媒體通信，終端有投影功能，能顯示3D圖像。

2 5G技術特征

對于5G的未來愿景和應用，學術界和產業界都進行了相關描述，從這些描述中可以總結出人們對未來5G的技術需求，相對于傳統的移動通信網絡，5G應具有如下的基本特征［5］。

2.1 數據流量增長1 000倍

業界預測10年后，全球移動數據流量將達到2010年的1 000倍。因此，5G的單位面積的吞吐量能力，特別是忙時吞吐量能力也要求提升1000倍，至少達到100 Gb/s/km2以上。

2.2 聯網設備數目擴大100倍

隨著物聯網和智能終端的快速發展，預計2020年后，聯網的設備數目將達到500～1000億部(個)。未來的5G網絡單位覆蓋面積內支持的設備數目將大大增加，相對于目前的4G網絡將增長100倍，一些特殊應用，單位面積內通過5G聯網的設備數目將達到100萬/km2。

2.3 峰值速率至少10 Gb/s

面向2020年的5G網絡，相對于4G網絡的峰值速率，其峰值速率需要提升 10倍，即達到10 Gb/s，特殊場景下，用戶的單鏈路速率要求達到10 Gb/s。

2.4 用戶可獲得速率達到10 M b/s，特殊用戶需求達到100 M b/s

未來5G網絡，在絕大多數的條件下，任何用戶一般都能夠獲得10 Mb/s以上的速率，對于諸如急救車內高清醫療圖像傳輸服務等特殊需求用戶和業務，獲得速率將高達100 Mb/s。

2.5 時延短和可靠性高

2020年的5G網絡，要滿足用戶隨時隨地的在線體驗服務，并滿足諸如應急通信、工業信息系統等更多高價值場景需求。因此，要求進一步降低用戶時延和控制時延，相對于4G網絡要縮短5～10倍。對于關系人類生命、重大財產安全的業務，端到端服務可靠性需提升到99.999%以上。

2.6 頻譜利用率高

由于5G網絡的用戶規模大、業務量大、流量高，對頻率的需求量大，要通過演進及頻率倍增或壓縮等創新技術的應用，提升頻率利用率。相對于4G網絡，5G的平均頻譜效率需要5～10倍的提升，解決大流量帶來的頻譜資源短缺問題。

2.7 網絡耗能低

綠色低碳、節省能源是未來通信技術的發展趨勢，未來的5G網絡，要利用端到端的節能設計，使網絡綜合能耗效率提高1 000倍，滿足1 000倍流量要求，但能耗與現有網絡相當的水平。

3 5G關鍵技術

目前，關于5G的關鍵技術仍處于研究和發展階段，但業界和學術界認為，5G的關鍵技術應該包括如下幾個方面［6］:一是5G無線網絡構架與關鍵技術。5G的核心技術是異構網的融合，相較于之前的3G、4G移動通信技術，需要考慮的是多技術的融合與多業務的應用。因此，5G的網絡構架更加復雜，需要對支持高速移動互聯的新型網絡架構、高密度新型分布式協作與自組織組網、異構系統無線資源聯合調配技術等進行研究。二是5G無線傳輸關鍵技術。5G融合了傳統的移動通信技術，速率要求達到10 Gb/s以上。因此，要想在現有4G技術基礎上提高速率，必須研發新型的無線傳輸技術，尤其是需要突破大規模業務所涉及的技術瓶頸，包括大規模協作配置情況下的無線傳輸、陣列天線、低功率可配置射頻等新型關鍵技術。另外，也要關注新型信號處理技術，如:更先進的干擾消除信號處理技術;新型多載波技術;協同無線通信技術，例如:小基站(Small Cell)的優化技術等。三是5G移動通信系統總體技術。5G網絡的數據流量大，有關5G業務應用技術、商業發展模式、用戶體驗模式、網絡演進技術、空間接口技術、面向5G頻譜應用的信號傳播技術、測量與建模等技術也都是重要研究方向。另外，新型多天線技術，例如:有源天線陣列、三維波束賦形、大規模天線等。新的頻譜使用方式，例如:TDD/FDD的融合使用;實現頻譜共享的認知無線電技術等。高頻段的使用，例如:6 GHz以上高頻段通信技術等，也要多加關注。四是5G移動通信測試驗證技術。通信技術進步和發展離不開通信測試技術進步，5G網絡相對于4G而言，是一個新興的技術，對其進行測試的參數、精度、方式等也都發生了變化。因此，要研究5G移動通信網絡的評估與測試技術，建立仿真測試評估平臺和傳輸技術仿真測試評估平臺。下面對業界目前十分關注的5G關鍵技術進行簡要介紹［5，7］。

3.1 高頻段傳輸技術

目前的移動通信系統工作頻段主要在3 GHz以下，隨著用戶的增加，使得頻譜資源十分擁擠，而在高頻段，如毫米波頻率范圍為26.5～300 GHz，帶寬高達273.5 GHz，超過從直流到微波全部帶寬的10倍。與微波相比毫米波元器件的尺寸要小得多，毫米波系統更容易小型化，可以實現極高速短距離通信，支持5G容量和傳輸速率等方面的需求。韓國在28 GHz頻段，利用64根天線，采用自適應波束賦形技術，在2公里的距離內實現了1 Gb/s的峰值下載速率。

3.2 新型多天線傳輸技術

多天線技術經歷了從無源到有源，從二維(2D)到三維(3D)，從高階多輸入多輸出(MIMO)到大規模陣列的發展，能將頻譜利用率提升數十倍甚至更高，是目前5G技術重要的研究方向之一。引入有源天線陣列，基站可支持128個協作天線。將2D天線陣列拓展成為3D天線陣列，形成新穎的3DMIMO技術，支持多用戶波束智能賦型，減少用戶間干擾，加上毫米波技術優勢，將進一步改善無線信號的覆蓋性能。目前研究人員正在針對大規模天線信道測量與建模、陣列設計與校準、導頻信道、用戶空分多址(SDMA)、碼本及反饋機制等技術問題進行研究，實現綠色節能和提升覆蓋能力。

3.3 同時同頻全雙工技術

同時同頻全雙工技術被認為一項有效提高頻譜效率的技術，該技術是在同一個物理信道上實現兩個方向信號的傳輸，即通過在通信雙工節點的接收機處消除自身發射機信號的干擾，在發射機信號同時，接收來自另一節點的同頻信號。對比傳統的時分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)而言，同時同頻全雙工可以將頻譜效率提高一倍。同時，全雙工技術能夠突破FDD和TDD方式的頻譜資源使用限制，使得頻譜資源的使用更加靈活。因此，該技術可有效解決5G對頻譜的需求。然而，全雙工技術需要具備極高的干擾消除能力，這對干擾消除技術提出了極大的挑戰，同時，還存在著鄰小區同頻干擾問題。

3.4 設備間直接通信技術(D2D)

傳統的移動通信系統組網方式，是以基站為中心實現小區覆蓋，中繼站及基站不能移動，網絡結構的靈活度有限制。未來5G網絡，數據流量大，用戶規模大，傳統的以基站為中心的業務組網方式，無法滿足業務需求。D2D直接通信技術能夠在沒有基站的中轉下，實現通信設備之間的直接通信，拓展了網絡連接和接入方式。D2D技術是短距離直接通信，信道質量高，具有較高的數據速率、較低的時延和較低的功耗;通過廣泛分布的終端設備，能夠改善覆蓋，實現頻譜資源的高效利用;支持更靈活的網絡架構和連接方法，提升鏈路靈活性和網絡可靠性。目前，D2D正在發展更強的中繼技術、多天線技術和聯合編碼技術等，提高通信效率和質量，將是5G采用的關鍵技術之一。

3.5 密集網絡技術

5G是一個多元化、寬帶化、綜合化、智能化的網絡，數據流量將是4G的1 000倍。要實現這個目標有兩種技術:一是在宏基站處部署大規模天線來獲取更高的室外空間增益，二是部署更多的密集網絡來滿足室內和室外的數據需求。針對未來5G網絡的數據業務將主要分布在室內和熱點地區，并且，在相對等的條件下，密集網絡提升的信噪比增益不低于大規模天線帶來的信噪比增益的特點，人們將超密集網絡做為提高數據流量的關鍵技術進行研究。超密集網絡縮短發送端和接收端的物理距離，從而提升終端用戶的性能，改善網絡覆蓋，大幅度提升系統容量，并能對業務進行分流，具有更靈活的網絡部署和更高效的頻率復用。未來，面向高頻段大寬帶，將采用更加密集的網絡方案，部署高達100個以上小小區/扇區。

3.6 新型網絡架構技術

為了滿足未來大規模、高容量的業務需求，未來的5G網絡架構將具有扁平化、低時延、低成本、易維護特點。目前的業界主要集中在C－RAN和云架構的研究。

C－RAN是根據現有網絡條件和技術進步的趨勢，提出的新型無線接入網構架，是基于集中化處理(Centralized Processing)，協作式無線電(Collaborative Radio)和實時云計算構架(Real－time Cloud Infrastructure)的綠色無線接入網構架(Clean system)。其本質是通過充分利用低成本高速光傳輸網絡，直接在遠端天線和集中化的中心節點間傳送無線信號，以構建覆蓋上百個基站服務區域，甚至上百平方公里的無線接入系統。C－RAN架構適于采用協同技術，能夠減小干擾，降低功耗，提升頻譜效率，同時便于實現動態使用的智能化組網，集中處理有利于降低成本，便于維護，減少運營支出，能滿足未來5G網絡的需求。

另外，基于云計算大規模協作的無線網絡架構也是5G網絡的架構選項［7］。云架構無線接入網絡利用光纖分配網絡連接云機房的基帶處理單元(BBU)和室外的遠端射頻頭(RRH)，可以通過BBU“云”方式減少基站機房數量，減少設備特別是空調的能耗;減少小區覆蓋以及大規模天線協作，大幅提高射頻功率效率;網絡動態資源協同調度避免負載時段潮汐效應造成的大量發射功率浪費;集中化大規模協作，變小區間干擾為增益，大幅度提高頻譜效率;軟件定義無線電技術靈活支持多標準，降低運營成本。

3.7 智能化技術

5G的中心網絡將是一個大型服務器組成的云計算平臺，通過具有數據交換功能的路由器及交換機網絡與基站相連，宏基站具有云計算和大數據存儲功能，特別大或時效性強的數據將提交云計算中心網絡處理，基站或終端的形態、數量多，不同的業務采用不同的頻段 ，天線和連接方式多樣。因此，需要具有智能配置、智能識別、自動模式切換的功能，實現智能自主組網，未來，智能化技術將是5G網絡的關鍵技術之一。

4 5G技術面臨的問題

全面滿足2020年及以后信息社會對無線移動通信系統的需求，5G網絡的發展面臨著頻率、運營和技術上的挑戰。目前，在技術上還需要解決如下的問題:技術與系統融合、頻譜效率和容量提升、物聯網和業務靈活性、降低網絡能耗、終端設備、產業生態這6 個方面［3］。

4.1 技術與系統融合問題

隨著芯片技術的更新換代和智能終端的快速發展，無線移動通信業務和技術不斷拓展和相互融合。未來的5G網絡將是一個集成多業務、多技術的融合網絡，是一個多層次覆蓋的通信系統。要將多種接入技術、多種業務網絡以及多層次覆蓋的系統進行綜合集成、有機融合，高效利用等，就目前技術而言，還有許多需要解決的問題。

4.2 頻譜效率和容量問題

要實現5G網絡數據流量大、用戶規模大、數據速率高、永遠在線的需求目標，必須研發擴展頻率、提高容量和空間效率、提升系統覆蓋層次和站點密度等各種通信技術。例如，超密集網絡技術、多天線技術和多址技術、多輸入多輸出(MIMO)空間傳輸技術等新型通信技術，將成為未來5G技術的重要研究方向。新型傳輸技術的啟用和組網方式的創新，將增加設備的復雜度和研發成本，對網絡建設和運營維護帶來重大挑戰。

4.3 物聯網和業務靈活性問題

物聯網是一個基于互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡，實現萬物互聯將是物聯網的發展目標，未來5G技術將與物聯網相互滲透，為人類提供更加廣泛的智能服務。但物聯網的應用還面臨著系統容量、服務質量(QoS)、傳輸瓶頸、安全隱患等挑戰。5G的用戶應用更加廣泛，業務范圍和業務靈活性也將極大提升。在信息速率上，5G既要滿足幾十個小時甚至更長時間才突發一些小數據包的抄表業務，也要滿足3D全息實時會議寬帶業務。在延遲上，既要滿足對延遲不敏感的下載，也要滿足延遲5 ms以下的即時控制業務。就應用上，既要滿足靜止和低速需求，也要滿足高鐵、航空器等的高速和超高速應用。因此，要想制定統一的通信協議，滿足業務靈活性，還面臨諸多挑戰。

4.4 網絡能耗與成本降低問題

5G目標是提供1 000倍數據流量，并且運營成本和用戶成本不能增加，這就意味網絡總體能耗和整體成本基本不能提升。因此，5G網絡的端到端比特能耗效率就要提升1 000倍，并且降低單位比特開銷1 000倍，這對網絡架構、空間傳輸、內容分發、交換路由、網絡管理和優化等技術帶來挑戰。

4.5 終端設備問題

5G是一個多技術的集成網絡，融合了目前2G、3G、4G的技術，并將啟用和開發多種新興技術。5G終端設備將支持5～10個甚至更多不同的無線通信技術，并且要支持1 Gb/s以上空間速率，待機時間達到現有的4～5倍。因此，要實現低成本多模終端的研發，對終端設備的芯片和工藝、射頻技術以及器件、電池壽命等技術研發帶來了挑戰。

4.6 產業生態問題

傳統的3G、4G通信系統是以網絡運營商和技術為主體，未來5G網絡是以用戶體驗和業務應用為主體，當前的網絡架構、管控理念并不適用未來5G的產業生態結構和潛在的新興運營模式。因此，需要發展諸如軟件定義網絡(SDN)新技術來滿足未來業務應用需求，解決產業生態結構問題。

5 5G發展趨勢

當前，全球關于5G的技術研究，還處于早期階段，將來還要經過技術研究、標準化、外場試驗等階段，并最終實現商用部署。不過，盡管對于5G概念和技術仍在探討，但對于5G標準融合的大方向，現在學術界和產業界基本形成了共識。在2G、3G時代，不同的通信協議標準之間存在較大的差異。而在4G時代，TD－LTE和LTE－FDD在核心網方面已擁有95%的相似性，在無線傳輸方面也有90%的相似性。面向2020年的5G時代，在頻譜的使用上將更加高效和靈活，核心技術和系統架構將進一步融合，全球共用一套通信標準將成為5G技術的發展趨勢。

6 結語

總之，5G是面向2020年信息社會需求的新一代移動通信系統，學術界和產業界正在對其概念和技術進行廣泛探討，盡管尚未形成統一的標準，但隨著信息和網絡技術的快速發展，5G的關鍵技術將取得實質性的突破，具有更廣闊的應用前景，全面提升全球信息化程度和經濟發展。

［1］王鵬.4G未來5G已來:傳輸速率較4G高百倍網絡容量高千倍［EB/OL］.(2013－05－22)［2014－02－20］.http://tech.ifeng.com/telecom/detail_2013_05/22/25570093_0.shtml.WANG Peng.4G Not Coming but 5G Coming:Transmission Speed Is Hundred Times and Network Capacity Is Thousands Times of 4G［EB/OL］.(2013－05－22)［2014 －02 －20］.http://tech.ifeng.com/telecom/detail_2013_05/22/25570093_0.shtml.

［2］李明.5G演進路標初定:預計2020年實現商用速率高于10Gbit/s［EB/OL］.(2013－05－22)［2014－02－20］.http://www.c114.net/news/16/a767949.html.LIMing.5G Devolvement Roadmap Has Been Decided:Intending Commercial Velocity Is More than 10bit/s in 2020［EB/OL］.(2013－05－22)［2014－02－20］.http://www.c114.net/news/16/a767949.html.

［3］翟冠楠，李昭勇.5G無線通信技術概念及相關應用［J］.電信網技術，2013，9(09):1 －6.ZHAIGuan－nan，LIZhao－yong.The Concepts and Related Applications of 5GWireless Communication Technology［J］.Telecommunications Network Technology，2013，9(09):1 －6.

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