5G網絡向無縫融合邁進

特約撰稿人|侯曉靜 康宇 郭慶 劉媛媛

根據5G技術的發展走向，未來的5G技術應該可以兼容2G、3G、4G中所有的通信協議，并且還要在現有接入技術的基礎上，集成多種新型接入技術，形成真正的無縫融合網絡。

追溯通信系統的發展，從1G到目前商用的4G，接入網的數據傳輸速率提升了近一萬倍，其演進過程有跡可循。4G的異構蜂窩網絡基于IP可以支持不同的接入技術，如OFDM、MIMO、軟件無線電、智能天線等核心業務保證了4G用戶在各種網絡場景下的數據速率、可靠性和節能等要求。移動通信技術更快的速度和更高的安全性給用戶帶來了優質的通信體驗，而隨著用戶需求飛速膨脹，移動通信技術也在不斷地更新換代。

1000倍！振奮行業上下

近幾年，全球4G建設部署方興未艾，5G便隨著接入網在不同通信系統下的數據傳輸速率新型技術和網絡架構的研究開發在全球開啟大幕。IMT-Advanced（international mobiletelecommunicationsadvanced）提出，5G在提高接入速率和連接能力、降低時延等方面會提升不止一個臺階，其網絡承載力將是4G的1000倍。

1000倍的數字振奮行業上下。三星提出未來5G系統的上下行峰值速率能夠達到50 Gbit/s和25 Gbit/s，小區頻譜效率提升到10 bit/s/Hz，端到端時延降低到1 ms，而且用戶速率、移動性、能量效率和業務流量等性能指標也會比4G時期更加優化。

華為也指出，在速率方面，5G依賴超容量的帶寬，短距離傳輸速率將達到10 Gbit/s，是4G的100倍；在應用方面，要構建1000億海量連接世界。5G技術可以拓展到90 GHz的頻譜，大大釋放頻譜資源。

另外，中興提出，5G能實現“人與人”、“人與物”及“物與物”之間無縫高速連接。5G網絡不僅要提升速度，更應該著重建設一個網絡社會，這些網絡應該能夠以低成本、多樣化的服務來支持龐大的數據流量。不斷發展的通信技術是擁有更高速率和更好用戶體驗的5G系統的核心支撐力，為其奠定了堅實基礎。

5G設計框架復雜愿景是“柔性、綠色、極速”

5G設計框架包含了愿景、場景、能力、設計理念、核心技術、測試評估和5G方案等多個要素。網絡愿景是“柔性、綠色、極速”，目標場景是eMBB、mMTC和uRLLC，包括移動互聯網、工業互聯網和車聯網以及其他具體場景。

為實現愿景和場景目標，5G設計理念從香農理論再思考、蜂窩再思考、信令控制再思考、天線再思考、頻譜空口再思考，到前傳再思考和協議棧再思考，全面定義5G設計原則。

基于這些理念，UCN和SDAI兩個核心概念被明確作為5G系統解決方案的基礎，這里UCN通過RAN架構和功能重定義，嘗試提供一個擁有公共的高層協議的統一的無線接入架構，而SDAI通過空口不同功能模塊的重定義，提供一個具備面向各種差異化業務和場景的定制能力的統一空口。

UCN和SDAI中關鍵使能技術的性能將被評估和測試，同時考慮頻譜策略和測試測量技術，以驗證技術UCN和SDAI的5G解決方案是否能達到5G能力目標，這是一個閉環設計過程。5G設計框架如圖所示。

5G擁有六大關鍵技術

●高頻段傳輸

移動通信傳統工作頻段主要集中在3GHz以下，這使得頻譜資源十分擁擠，而在高頻段（如毫米波、厘米波頻段）可用頻譜資源豐富，能夠有效緩解頻譜資源緊張的現狀，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。

高頻段在移動通信中的應用是未來的發展趨勢，業界對此高度關注。足夠量的可用帶寬、小型化的天線和設備、較高的天線增益是高頻段毫米波移動通信的主要優點，但也存在傳輸距離短、穿透和繞射能力差、容易受氣候環境影響等缺點。射頻器件、系統設計等方面的問題也有待進一步研究和解決。

監測中心目前正在積極開展高頻段需求研究以及潛在候選頻段的遴選工作。高頻段資源雖然目前較為豐富，但是仍需要進行科學規劃，統籌兼顧，從而使寶貴的頻譜資源得到最優配置。

●新型多天線傳輸

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MIMO到大規模陣列的發展，將有望實現頻譜效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。

由于引入了有源天線陣列，基站側可支持的協作天線數量將達到128根。此外，原來的2D天線陣列拓展成為3D天線陣列，形成新穎的3D-MIMO技術，支持多用戶波束智能賦型，減少用戶間干擾，結合高頻段毫米波技術，將進一步改善無線信號覆蓋性能。

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、碼本及反饋機制等問題進行研究，未來將支持更多的用戶空分多址（SDMA），顯著降低發射功率，實現綠色節能，提升覆蓋能力。

●同時同頻全雙工

最近幾年，同時同頻全雙工技術吸引了業界的注意力。利用該技術，在相同的頻譜上，通信的收發雙方同時發射和接收信號，與傳統的TDD和FDD雙工方式相比，從理論上可使空口頻譜效率提高1倍。

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。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，同時還存在相鄰小區同頻干擾問題。在多天線及組網場景下，全雙工技術的應用難度更大。

●D2D

傳統的蜂窩通信系統的組網方式是以基站為中心實現小區覆蓋，而基站及中繼站無法移動，其網絡結構在靈活度上有一定的限制。隨著無線多媒體業務不斷增多，傳統的以基站為中心的業務提供方式已無法滿足海量用戶在不同環境下的業務需求。

D2D技術無需借助基站的幫助就能夠實現通信終端之間的直接通信，拓展網絡連接和接入方式。由于短距離直接通信，信道質量高，D2D能夠實現較高的數據速率、較低的時延和較低的功耗；通過廣泛分布的終端，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采用廣播、組播和單播技術方案，未來將發展其增強技術，包括基于D2D的中繼技術、多天線技術和聯合編碼技術等。

●密集網絡

圖 5G設計框架

在未來的5G通信中，無線通信網絡正朝著網絡多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向演進。隨著各種智能終端的普及，數據流量將出現井噴式的增長。未來數據業務將主要分布在室內和熱點地區，這使得超密集網絡成為實現未來5G的1000倍流量需求的主要手段之一。

超密集網絡能夠改善網絡覆蓋，大幅度提升系統容量，并且對業務進行分流，具有更靈活的網絡部署和更高效的頻率復用。未來，面向高頻段大帶寬，將采用更加密集的網絡方案，部署小小區/扇區將高達100個以上。

與此同時，愈發密集的網絡部署也使得網絡拓撲更加復雜，小區間干擾已經成為制約系統容量增長的主要因素，極大地降低了網絡能效。干擾消除、小區快速發現、密集小區間協作、基于終端能力提升的移動性增強方案等，都是目前密集網絡方面的研究熱點。

●新型網絡架構

目前，LTE接入網采用網絡扁平化架構，減小了系統時延，降低了建網成本和維護成本。未來5G可能采用C-RAN接入網架構。C-RAN是基于集中化處理、協作式無線電和實時云計算構架的綠色無線接入網構架。

C-RAN的基本思想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。

目前的研究內容包括C-RAN的架構和功能，如集中控制、基帶池RRU接口定義、基于C-RAN的更緊密協作，如基站簇、虛擬小區等。全面建設面向5G的技術測試評估平臺能夠為5G技術提供高效客觀的評估機制，有利于加速5G研究和產業化進程。5G測試評估平臺將在現有認證體系要求的基礎上平滑演進，從而加速測試平臺的標準化及產業化，有利于我國參與未來國際5G認證體系，為5G技術的發展搭建騰飛的橋梁。

5G有望實現無縫融合

5G作為未來通信發展的趨勢，要應對不斷增長的需求，不僅要創新，還要有極強的兼容性。根據5G技術的發展走向，未來的5G技術應該可以兼容2G、3G、4G中所有的通信協議，并且在現有接入技術的基礎上，集成多種新型接入技術，形成真正的無縫融合網絡。

因此，在5G時代，全球將有望共用一個標準。針對未來復雜網絡架構的運營維護，這種統一的標準無疑是錦上添花。5G系統的演進和技術的創新，將會促使它逐漸走向智能化和虛擬化，從而帶給公眾一個更加人性化和方便的高速通信時代。