第五代移動通信（5G）關鍵技術之空口技術綜述

丁麗萍 杜文俊

摘 要： 隨著全球范圍內第五代移動通信（5G）的逐步發展，5G的各種應用場景和關鍵能力使得現有的通信網絡面臨的問題日益凸顯，而空口技術為通信網絡帶來體制性變革的技術可行性的同時也提供了全新的運營觀念和模式。

1概述

1.1 第5代移動通信基本要求

從目前來看，移動互聯網和物聯網（internet of things，IoT）將成為未來移動通信發展的主要驅動力，并給移動通信帶來新的技術挑戰。5G將滿足人們在生活、工作和交通等各種區域的多樣化業務需求，與此同時，5G還將滲透到物聯網及各種行業領域，與工業設施、醫療儀器、交通工具等深度融合，有效滿足工業、醫療、交通等垂直行業的多樣化業務需求，實現真正的“萬物互聯”。為此，各界達成共識的5G基本要求如下：1）傳輸速率要求：a. 10Gbit/s峰值速率；b. 10-100Mbit/s的用戶體驗速率。2）連接與流量器件數：a. 100倍的連接器件數；b. 1000倍的流量增長。3）時延和可靠性要求：a. 用戶面和控制面時延相對4G縮短為1/5-1/10；b. 更高的安全可靠性。4）能耗和成本要求：a. 網絡綜合能效提升1000倍；b. 綜合成本持續下降。

1.2 全球5G研發推進概況

目前，世界上主要標準化組織、國家和公司都在大力研發和發展5G技術、標準與試驗系統。我國5G技術研發試驗在政府的領導下，依托國家科技重大專項，由IMT-2020（5G）推進組負責實施。在5G即將進入國際標準研究的關鍵時期，我國啟動5G研發技術試驗，搭建開放的研發試驗平臺，將有力推動全球5G統一標準的形成，促進5G技術研發與產業發展，為我國2020年啟動5G商用奠定良好基礎。歐洲在5G研發方面與日本、中國、美國等地區的相關組織簽訂了相關協議，目標是形成全球統一的標準和協調全球的頻率，這一工作將使全球的互操作最大化、經濟規模最大化；據估計歐盟的5G網絡將在2020年～2025年之間投入運營。美國方面，由美國通信運營商和移動通信設備制造商組成的業內團體-4G Americas于2016年2月12日宣布更名為“5G Americas”。開展的活動包括支持向5G演進的第三代合作伙伴計劃，在美洲開展LTE通信及5G推廣活動。日本成立5G移動推進論壇（5GMF）、韓國成立5G論壇來推動5G的研究。

1.3 5G空口技術框架

5G空中接口技術框架應當具有統一、靈活、可配置的技術特性。面對不同場景差異化的性能需求，客觀上需要專門設計優化的技術方案。然而，從標準和產業化角度考慮，結合5G新空口和4G演進兩條技術線路的特點，5G應盡可能基于統一的技術框架進行設計。針對不同場景的技術需求，通過關鍵技術和參數的靈活配置形成相應的優化技術方案。

根據移動通信系統的功能模塊劃分，5G空中接口技術框架包括幀結構、雙工、波形、多址、調制編碼、天線、協議等基礎技術模塊，通過最大可能地整合共性技術內容，從而達到“靈活但不復雜”的目的，各模塊之間可相互銜接，協同工作。根據不同場景的技術需求，對各技術模塊進行優化配置，形成相應的空中接口技術方案。

5G空中接口技術框架可針對具體場景、性能需求、可用頻段、設備能力和成本等情況，按需選取最優化技術組合并優化參數配置，形成相應的空中接口技術方案，實現對場景及業務的“量體裁衣”，并能夠有效應對未來可能出現的新場景和新業務需求，從而實現“前向兼容”。

25G專利情況分析

2.1國內外申請量

在空口多址技術中，非正交多址接入技術NOMA的申請量最大，NOMA雖然在某些方面依然采用了4G的技術，如NOMA的子信道傳輸依然采用OFDM技術。但同時也引入了一些新的技術，如：SIC技術，功率域復用技術，并且提高了系統的魯棒性。這些技術都使得NOMA在保證移動業務速率的前提下，極大的提高了頻譜的利用率。

在多載波技術中，濾波器組多載波技術FBMC的申請量最大，作為通用濾波OFDM的UFMC技術和廣義頻分復用傳輸GFDM技術的申請量都不是很大。FBMC在1960s被首次研究，使用濾波器組對多載波信號進行綜合和分析。盡管FBMC的技術復雜度高于OFDM，但隨著人們對高可靠、高速度通信需求的增加，以及頻譜資源受限和傳輸環境復雜等通信瓶頸問題日益凸顯，以及信號處理和電子設備的顯著進步，FBMC再次引起了研究者們的關注。

2.2重點申請人

關于空口多址技術中，NTT DOCOMO公司的申請量最多，因為非正交多址接入（NOMA）技術在2014年9月由日本著名通信營研發商NTT DOCOMO正式提出，因此，該公司的申請量大是很正常的。關于多載波技術，華為公司獨樹一幟，申請量最大。作為在中國的通信領域發展最快的廠家，華為公司也在新型多址多載波技術領域做出了極大的貢獻。對于在5G面向2020年以后移動通信需求和發展的新一代移動通信系統中，對多址多載波傳輸技術提出了更加苛刻的要求。

3結語

通過對多址多載波技術的專利申請情況的反響，從總體的專利申請情況來看，中國申請量不論是在多址技術還是多載波技術中都是遙遙領先，結合重點申請人的分布可以看出，華為公司在5G系統中的空口技術中的研究仍然處于前沿位置。提高多址接入效率的多址技術受到香農定理的限制，所以5G提高多址接入效率或提高萬物接入的高多址接入率，不僅可以多址接入技術，還可以考慮更高的頻譜、更大的傳輸帶寬等條件。

最后，通過本文的分析，可知多址多載波技術作為5G通信系統中最基礎也最核心的技術，使用何種特點的技術，是本領域的通信運營商所要考慮和決定的事情。要滿足5G通信系統中傳輸速率要求、連接與流量器件數、時延和可靠性要求以及能耗和成本要求，則需要結合多址多載波技術的各自的特點來考量和決定。

參考文獻

[1] IMT-2020， 5G概念白皮書，2015年12月.

[2] IMT-2020， 5G網絡技術架構白皮書，2015年5月.

[3] 謝顯中，第5代移動通信基本要求與新型多址復用技術，自然科學報，2015年8月.