5G技術發展脈絡分析

張弛

5G技術發展脈絡分析

張弛

（中國人民解放軍軍械工程學院，河北 石家莊 050003）

編 者 按

近年來無線寬帶的發展為信息社會轉型發展注入了前所未有的活力，這一切都源于通信技術的不斷更新與滾動發展，人們的生活已離不開網絡。隨著TD-LTE和LTE FDD牌照的發放，4G蓬勃發展，與此同時，5G的研發也已啟動，全世界范圍內都在為創造更快、覆蓋更廣的無線網絡而努力。5G的實現需要哪些更先進的傳播技術，未來的頻譜資源如何分配，代表下一代無線寬帶網絡性能的指標如何設定，這些都是面向5G的無線寬帶必須面對的重要問題。為此，本期專題將著眼當前，展望5G。

根據國際電信聯盟專家的預測，描述了5G時代移動互聯網的新形態，從信息論基本原理得出了更大帶寬是5G提速的核心手段的結論，以此為起點推演出5G時代將采用的毫米波、微基站、大規模MIMO、波束賦形等技術，并對中國引領全球5G市場的前景進行了分析。

5G毫米波微基站大規模MIMO波束賦形

互聯網改變了世界，移動互聯網重新塑造了生活，“在家不能沒有網絡，出門不能忘帶手機”已成為很多人的共同感受。人們對移動互聯網的要求是更高速、更便捷、更強大、更便宜，這種沒有止境的需求促使著移動互聯網技術突飛猛進，技術體制的更新換代也隨之越來越快。很多用戶才剛剛踏入4G的門檻，按照國際電信聯盟關于2020年的規劃，5G時代很快就要來到了[1]。

1　5G時代的展望

4G雖然比3G更快，但現階段的速率提升不過10倍左右，應用模式也沒有發生根本性的變化，其實并沒有給用戶帶來太深刻的感受。但是，5G的綜合性能將會比4G提升千倍[2]，在這種超高速移動網絡的支撐下，將會誕生出許多全新的應用，會徹底改變移動互聯網的生態，那將是移動通信的一場革命。

責任編輯：劉文竹liuwenzhu@mbcom.cn

5G速率將高達10Gbps，由于速率極快，高清視頻即點即播，“緩沖等待”將成為歷史。遠程互動的3D虛擬現實游戲將興起，畫質精美操控順暢，會帶給用戶身臨其境的全新感受。人均月流量大約有36TB，用戶不必擔心資費問題，雖然流量增加了上千倍，但總體資費并不會提高[3]。

5G的入網設備將大幅度增加，“萬物互聯”會成為5G的時代特征，鏡框、花盆、腰帶、冰箱、魚缸、飯碗、茶杯、沙發……所有能提供服務的設備都會入網，并可按需求進行智能控制[4]。智能樓宇、智能家居、智能汽車、智能交通……智能移動互聯網將徹底改變你的生活方式。

健康領域也會發生革命性變化，手環將不再只是測心律血壓和跑步計數，而會成為身體健康指標的全面監控儀，實時動態的監測數據將會自動上傳匯集，不僅可用于病情診斷，還可以利用大數據技術對身體狀態進行分析和預測，提供精準的醫學建議。除了能進行信息采集和處理外，手環還可以進行介入式治療，甚至包括治療癌癥。

5G的最大特點并不是網速的進步，而是移動互聯網、智能傳感器、大數據技術三者結合產生的爆炸效應，這將是對傳統工業和互聯網業的一次顛覆性革命。

2　5G的技術路線

5G的核心技術并沒有被國際電信機構所確定，尚處在研究和探索階段，但移動通信的發展有其內在的規律性，其核心是以信息論為基礎的無線通信理論，從理論出發并結合需求進行分析，并不難探尋出5G技術的發展方向。

高速是5G的首要特征，根據香農的信道理論，提速最根本的方法就是增加帶寬，特別是成百上千倍的提速必須依賴更大的帶寬。提高頻率利用率雖然也是個辦法，但其潛力是很有限的，而伴隨著帶寬提高而帶來的等比例提速則是立竿見影的，大幅度增加帶寬才是提速的王道。

要大幅度增加帶寬則必須使用更高的頻段，4G的頻率在2GHz左右，5G頻率會更高。例如韓國積極推動使6GHz以上頻段作為未來IMT頻段，開發高頻段系統[5]，俄羅斯專家甚至提出了80GHz頻段的設想[6]。

5G的頻譜范圍正處于討論之中，這是世界無電線大會（WRC）的議題，雖然具體的數據還沒有確定下來，但頻譜更高帶寬更大的趨勢是明確的。頻率高了則波長變短，這就帶來了毫米波技術。

2.1毫米波技術

毫米波常用在雷達和衛星領域，一般不用于移動通信領域，主要原因是隨著波長變短，無線電波傳播的直線性會增強。例如軍隊使用的無線電接力通信就是毫米波，它并不支持“動中通”，只能駐車后工作，而且必須精細調整天線的角度，使其電波的輻射方向正對著對方，否則就無法通信，直線傳播是毫米波通信必須解決的問題。

手機是移動使用的，不能打電話時還舉著手機對準基站的方向，雖然非正對方向也有信號，但強度會明顯衰弱，如果不做處理的話，使用體驗就會下降。

毫米波的繞射和穿透也是問題，在基站信號不能直達的樓房陰影處和大樓內部，信號就會非常微弱，這些問題都必須解決。

2.2微基站技術

5G時代的入網設備數量會呈爆炸性的增長，單位面積內的入網設備可能會增至千倍，若延續以往的宏基站覆蓋模式，即使基站的帶寬再大也無力支撐，再加上前述的穿透和繞射能力下降的原因，導致基站微型化的趨勢成為了必然。

基站微型化則設置密度加大，為避免基站之間的頻譜互擾，基站的輻射功率譜就會降低，這使手機的遠近效應不再明顯，手機開機時的功率控制步驟將簡化，而且手機的輻射功率也會降低，在相同能量的情況下待機時間會增加。

微基站數量大幅度增加后，傳統的鐵塔和樓頂架設方式將會擴展，路燈桿、廣告燈箱、樓宇內部的天花板，都將是微基站架設的理想地點[7]。

2.3大規模MIMO

根據天線理論，天線長度應與波長成正比，大約在1/10～1/4之間，當前手機的天線長度大約在幾厘米左右。而5G頻率在提升幾十倍后，相應的手機天線長度也會降低到以前的幾十分之一，會變成毫米級的微型天線。

多天線陣列要求天線之間的距離保持在半個波長以上，手機的面積很小，如果是傳統的幾厘米長的天線，那么多天線陣列是難以設置的。而隨著天線長度的降低，特別是5G時代的毫米尺寸天線，給大規模MIMO技術的實現帶來了可能。

以往的多天線技術更多地應用在抗干擾通信方面，使用多部天線接收同一信號，利用不同路徑干擾的非相關性，在接收端進行合并處理，通過提高信噪比的方法來實現抗干擾通信。而手機多天線所接收信號的路徑差異性不大，干擾的非相關性也不強，因此不太會用于抗干擾方面，而是會用在提高傳輸速率方面。

大規模MIMO其實就是基站與手機之間有很多對的信道并行通信，每一對天線都獨立傳送一路信息，經匯集后可成倍提高速率。5G更高頻率帶來天線尺寸縮短和更大帶寬帶來頻率復用，這兩點的變化為大規模MIMO的實現提供了技術實現的前提[8]。

2.4波束賦形技術

中國主導的3G國際標準TD-SCDMA有六大技術特點，其中有一項就是智能天線，在基站上布設天線陣列，通過對射頻信號相位的控制，使得相互作用后的電磁波的波瓣變得非常狹窄，并指向它所提供服務的手機，而且能根據手機的移動而轉變方向。

由全向的信號覆蓋變為了精準指向性服務，這種新形式的無線電波束不會干擾到其它方向的波束，從而可以在相同的空間中提供更多的通信鏈路，這種充分利用空間的無線電波束技術是一種空間復用技術，這種技術可以極大地提高基站的服務容量[9]。

遺憾的是這項技術并沒在3G時代得到應用，但在5G入網設備數量成百上千倍增加的情況下，這種波束賦形技術所能帶來的容量增加就顯得非常有價值，波束賦形技術很可能成為5G的關鍵性技術之一[10]。

因為新增了移動用戶位置的方向角參數，波束賦形技術不僅能大幅度增加容量，還可大幅度提高基站定位精度，并因此而擴展出非常多的定位增值服務。

2.5同時同頻全雙工

手機是典型的雙工通信設備，常用的有頻分、時分和碼分等信道復用方式，而同時同頻全雙工技術與這些傳統的方式都不同，它是通過對收發信號的處理，使得雙工通信建立在同時同頻的基礎上，理論上可以提高一倍的信道容量[11]。

前面已經分析過，通過提高帶寬的方式可等比例地提高信道容量，是最直接最有效的提速方式，但這是用大量的帶寬資源換來的，在技術上并沒有創新。而通過對發射信號的抵消處理，可在相同頻率同時接收更加微弱的信號，雖然這種方式只能提速一倍，但卻是意義重大的原始創新。

同時同頻全雙工技術若要實用化，對發射信號的衰減要達到120dB，而現在實驗室的記錄是90dB，這30dB的差距就是1 000倍的衰減量，而且越往后做難度就越大。這項技術雖然理論成立，但距離實用化還尚有距離，估計在5G時代前期應用不上。但不可否認的是，這是一項具有突破性的很有潛力的技術，非常值得研究和期待。

2.6綜合分析

任何更新換代的關鍵性技術，都必須經過多年的研究，按規劃還有5年就要進入5G時代了，不太可能突然出現一個全新的技術并被吸納在5G的國際標準中，考察5G的技術發展脈絡還得從成熟技術中尋找答案。

在傳統的宏基站大覆蓋的情況下提速是非常困難的，20%的頻譜利用率的提升都是了不起的成就，而在5G時代的千倍提速要求面前，這種內部挖潛的方法是行不通的，只有通過大幅度的加大帶寬才有可能。

加大帶寬是起點，由此而產生的毫米波、微基站、大規模MIMO等都是順理成章的技術趨勢，只要把基站做得足夠小，其服務范圍變窄了，單個用戶獲得的資源就能足夠大，速度就可以提高到足夠快。

所以5G的任何一項關鍵技術都不會有革命性的突破，其上千倍綜合能力的提升，更多地是來自移動網絡的重新布局

3　中國試圖引領世界

1997年4月，國際電信聯盟向世界各國發出征集函，征集第三代移動通信技術標準。中國為了打破在國際電信標準上沒有話語權，只能做世界工廠的困局，遞交了TD-SCDMA標準，經過舉國的努力，TDSCDMA最終被國際電信聯盟吸納為3G技術標準之一，實現了歷史性突破，從此走上了力爭主導國際標準的道路。

進入4G時代后，分別有LTE FDD和TD-LTE兩個國際技術標準，中國政府選定了TD-LTE，并早于LTE FDD一年發放了牌照，目的就是為了發揮相對優勢，在引領國際電信業方面占據更大的主動。如果不采取這種策略，而是在歐洲相對更有優勢的LTE FDD標準后面跟跑，就會越追越追不上。

中國的電信業實力很強大，在全球四大電信設備商中中國企業就占了2家，華為第一中興第四，互聯網商也在飛速進步，聯想、小米等實力不容小覷，同時中國還是全球第一大消費市場。

掌控著全球最龐大的企業集團和最巨大的消費市場，這是中國政府具備的引領世界的硬實力，原來的TDD和FDD的份額之比是8:2，自從中國政府布局支持TD-LTE后，兩者的份額差距快速縮小。

2013年初，在政府部門的大力支持下，成立了面向5G移動通信研究與發展的IMT-2020推進組，明確了5G發展遠景、業務、頻譜與技術需求，研究5G主要技術發展方向及使能技術，形成5G移動通信技術框架，協同產學研用各方力量，積極融入國際5G發展進程，為2015年后全面參與5G移動通信技術標準制定打下堅實的技術基礎[8]，中國是全球公認的推進5G最積極的國家之一。

中國在5G事業中的提前布局，使之有望在未來的信息社會中更加深入地引領世界，而引領者會得到更多的市場回報，從而惠及到所有的本國公民，這個前景非常值得我們期待。

[1] Sudhir Dixit. Future of IMT Systems: Wireless World Vision 2020[EB/OL]. [2015-04-25]. http://www.itu. int/en/ITU-D/Technology/Documents/Events2013/ RegionalForumIMT_ARB_Tunis_May2013/ Presentations/RegForumIMT_2013_ARB_Tunis_ May13_Presentation_SDixit_2.pdf#0-sqq-1-52135-9737f6f9e09dfaf5d3fd14d775bfee85.

[2] Yongwan Park. 5G Vision and Requirements Of 5G Forum[EB/OL]. [2015-04-26]. http://www.itu.int/dms_ pub/itu-r/oth/0a/06/R0A0600005F0001PDFE.pdf#0-sqq-1-76884-9737f6f9e09dfaf5d3fd14d775bfee85.

[3] Afif Osseiran. Mobile and Wireless Communications system for 2020 and beyond (5G)[Z]. 2014.

[4] IMT-2020(5G) Promotion Group. IMT Vision towards 2020 and Beyond[EB/OL]. [2015-04-26]. http://www.itu. int/dms_pub/itu-r/oth/0a/06/R0A0600005D0001PDFE. pdf#0-sqq-1-14215-9737f6f9e09dfaf5d3fd14d775bfee85.

[5] 李路鵬. 5G技術展望[C]. 2013全國無線及移動通信學術大會論文集（上）, 2013.

[6] G Bochechka, Valery Tikhvinskiy. Spectrum occupation and perspectives millimeter band utilization for 5G networds[EB/OL]. [2015-04-26]. http://ieeexplore.ieee. org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=6858482.

[7] Panagiotis Demestichas. Next Generation Communication Architectures and Technologies[Z]. 2013.

[8] 尤肖虎,潘志文,高西奇,等. 5G移動通信發展趨勢與若干關鍵技術[J]. 中國科學, 2014,44(5): 551-563.

[9] 月球,王曉周,楊小樂. 5G網絡新技術及核心網架構探討[J]. 現代電信科技, 2014(12): 27-31.

[10] 軍王景堯,白巖,孟祥嬌,等. 5G無線通信技術發展跟蹤與分析[J]. 現代電信科技, 2014(12): 1-4.

[11] 肖亞楠,滕穎蕾,宋梅. 從4G通信技術發展看5G[J]. 互聯網天地, 2014(10): 66-69. ★

張弛：博士畢業于國防信息學院，中國人民解放軍軍械工程學院信息工程系副教授，研究方向為抗干擾通信。

Developmental Venation of 5G Technology

ZHANG Chi
(Ordnance Engineering College of PLA, Shijiazhuang 050003, China)

According to the forecast of ITU (International Telecommunication Union) experts, new situation of mobile Internet in 5G era was described in this paper. The conclusion that greater bandwidth is the core of 5G was presented on the basis of fundamental information theory. Millimeter-wave, micro base station, high-order MIMO and beam forming techniques would be adopted in 5G era. In addition, 5G market perspective led by China was analyzed in-depth.

5Gmillimeter-wavemicro BSmassive MIMObeam forming

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.09.001

TN92

A

1006-1010(2015)09-0005-04

引用格式：張弛. 5G技術發展脈絡分析[J]. 移動通信, 2015,39(9): 5-8.

2015-04-29