第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)展望

沈 潔

（中國(guó)普天信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司 北京 100080）

1 引言

隨著3G網(wǎng)絡(luò)商用的逐步成熟以及4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作的逐漸展開，5G無線網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)也提上了議事日程。為此，歐盟將開展“面向2020年信息社會(huì)的移動(dòng)和無線通信助推器（METIS）”項(xiàng)目，預(yù)算為2 700萬歐元。另有iJOIN、TROPIC、COMBO和 MOTO等項(xiàng)目也將獲得 5G資金補(bǔ)貼。其目標(biāo)是為建立下一代（5G）移動(dòng)和無線通信系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，并在需求、特性和指標(biāo)上達(dá)成共識(shí)，取得在概念、雛形、關(guān)鍵技術(shù)組成上的統(tǒng)一意見。據(jù)悉，相較之前的通信技術(shù)，5G增加了一些新的概念和課題，如多設(shè)備智能互聯(lián)、超密度網(wǎng)絡(luò)、超可靠通信等。

近日，韓國(guó)三星宣布首次成功開發(fā)了第5代移動(dòng)通信(5G)的核心技術(shù)，這一技術(shù)預(yù)計(jì)將于2020年開始部署。在測(cè)試中，三星5G技術(shù)在28 GHz的頻段下下載速率達(dá)到1 Gbit/s，最大傳輸距離可達(dá)2 km，用戶只需要不到1 s的時(shí)間即可下載一部完整的電影。而在中國(guó)，盡管3G還未普及、4G剛剛起步，但5G的研究也已啟動(dòng)。2013年3月有消息稱，工業(yè)和信息化部牽頭成立了MG2020推進(jìn)組，正式啟動(dòng)中國(guó)5G標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，搶占5G產(chǎn)業(yè)先機(jī)。

那么5G會(huì)有什么新的技術(shù)，其組網(wǎng)方式又是如何以及5G會(huì)給用戶帶來哪些新的應(yīng)用？對(duì)于這幾個(gè)問題，以下簡(jiǎn)要談?wù)劰P者的淺見。

2 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

以下先描述業(yè)界對(duì)5G提出的技術(shù)指標(biāo)要求，再?gòu)膶W(xué)術(shù)界的觀點(diǎn)分析多址方式、分集復(fù)用等與無線通信理論相關(guān)問題，最后針對(duì)工業(yè)界和產(chǎn)品研發(fā)探討技術(shù)趨勢(shì)。

2.1 技術(shù)要求

隨著網(wǎng)絡(luò)社會(huì)的發(fā)展將帶來移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的激增，預(yù)計(jì)在未來10年中數(shù)據(jù)流量將增加1 000倍；與此同時(shí)，互聯(lián)設(shè)備將呈現(xiàn)巨量增長(zhǎng)，物聯(lián)網(wǎng)和其他新型創(chuàng)新應(yīng)用的出現(xiàn)將催生數(shù)百億個(gè)互聯(lián)設(shè)備出現(xiàn)，到2020年將有500億的設(shè)備連接，并產(chǎn)生前所未有的多樣性要求和與無線連接性相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景。

此外，由于設(shè)備數(shù)量的增加，應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性和需求的多樣性將必然要求下一代移動(dòng)通信技術(shù)具有更多、更先進(jìn)的功能，需要更有效、舒適和安全的接入和共享信息，并通過提高容量、能效、頻譜使用效率等方面來進(jìn)行。

愛立信的Afif Osseiran博士認(rèn)為：5G應(yīng)該是通過現(xiàn)有無線技術(shù)演進(jìn)和開發(fā)補(bǔ)充性的新技術(shù)，來構(gòu)建長(zhǎng)期的網(wǎng)絡(luò)社會(huì)。5G不是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也不是幾個(gè)完全新的無線接入技術(shù)，它不是以往以技術(shù)為中心的方式，而是采用以體驗(yàn)為中心的方式，通過集成多種無線接入技術(shù)提供極限體驗(yàn)來滿足用戶不同的需求。5G時(shí)代移動(dòng)數(shù)據(jù)量將有1 000倍的增長(zhǎng)，用戶數(shù)據(jù)速率將達(dá)到今天100倍，同一時(shí)刻的設(shè)備互聯(lián)的數(shù)量可達(dá)現(xiàn)在的100倍，而且所有這些都是以低成本和可持續(xù)發(fā)展的方式來完成。

技術(shù)目標(biāo)：速率提升百倍，高于10 Gbit/s[1]。

歐洲的METIS（構(gòu)建2020年信息社會(huì)的無線移動(dòng)通信領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)）項(xiàng)目于2012年11月正式啟動(dòng)，第一階段計(jì)劃運(yùn)行30個(gè)月。METIS目前劃分了8個(gè)工作組（WP），每個(gè)工作組內(nèi)會(huì)劃分成多個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都有相應(yīng)的技術(shù)研究。其中，WP1由DoCoMo負(fù)責(zé)，主要側(cè)重于場(chǎng)景、要求與KPI；WP2由華為技術(shù)負(fù)責(zé)，主要側(cè)重于無線鏈路概念；WP3由阿朗負(fù)責(zé)，主要側(cè)重于多節(jié)點(diǎn)/多天線傳輸；WP4由諾基亞西門子負(fù)責(zé)，主要側(cè)重于多無線接入和多層次網(wǎng)絡(luò)；WP5由諾基亞負(fù)責(zé)，主要側(cè)重于頻譜；WP6由愛立信負(fù)責(zé)，主要側(cè)重于系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能指標(biāo)；WP7由愛立信負(fù)責(zé)，主要側(cè)重于標(biāo)準(zhǔn)制定與發(fā)布；WP8由愛立信負(fù)責(zé)，主要側(cè)重于項(xiàng)目管理和監(jiān)管。

而METIS所研究的5G技術(shù)將面向未來的5個(gè)主要應(yīng)用場(chǎng)景：

綜上所述，我國(guó)的中小企業(yè)由于自身特點(diǎn)，建立合適的內(nèi)部控制制度對(duì)于企業(yè)的發(fā)展非常重要。本文通過對(duì)中小企業(yè)內(nèi)部控制的現(xiàn)狀與特點(diǎn)分析，發(fā)現(xiàn)了中小企業(yè)存在的問題，并結(jié)合其企業(yè)特點(diǎn)，給出了更適合小企業(yè)的解決方案，同時(shí)也提出了在規(guī)范中小企業(yè)內(nèi)部控制制度需要注意的問題，力求最大程度地規(guī)范內(nèi)部控制制度，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

· 超高速場(chǎng)景，為未來移動(dòng)寬帶用戶提供高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入；

· 支持大規(guī)模人群，為高人群密度地區(qū)或場(chǎng)合提供高質(zhì)量移動(dòng)寬帶體驗(yàn)；

· 隨時(shí)隨地最佳體驗(yàn)，確保用戶在移動(dòng)狀態(tài)仍享有高質(zhì)量服務(wù)；

· 超可靠的實(shí)時(shí)連接，確保新應(yīng)用和用戶實(shí)例在時(shí)延和可靠性方面符合嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)；

· 無處不在的物物通信，確保高效處理多樣化的大量設(shè)備通信，包括機(jī)器類設(shè)備和傳感器等。

METIS研究5G的技術(shù)目標(biāo)是使移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)1 000倍；典型用戶數(shù)據(jù)速率提升100倍，速率高于10Gbit/s；聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量增加100倍；低功率MMC（機(jī)器型設(shè)備）的電池續(xù)航時(shí)間增加10倍；端到端時(shí)延縮短5倍。5G可能需要從2～6 GHz的頻段中選取2 000 Mbit/s的頻譜資源，超高頻段的頻譜可能更加適合于室內(nèi)覆蓋的場(chǎng)景，具體的頻段選擇還需要進(jìn)一步研究。

2.2 多址方式的選擇

從無線通信發(fā)展的歷程看，第一代移動(dòng)通信設(shè)備是基于頻分復(fù)用（FDM）的模擬通信，到采用時(shí)分復(fù)用（TDM）第2代移動(dòng)通信的GSM，采用碼分復(fù)用多址（CDMA）的第3代移動(dòng)通信系統(tǒng)，再到以正交頻分復(fù)用多址（OFDMA）的第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)。可以看到，每一代移動(dòng)通信系統(tǒng)都對(duì)應(yīng)一種復(fù)用多址的范式轉(zhuǎn)換（paradigm shift），也就是說，采用的多址方式是具有革新性的。因?yàn)榈孛婷裼脽o線通信系統(tǒng)是一個(gè)多用戶系統(tǒng)，多址方式實(shí)際是尋找更多的資源來擴(kuò)大系統(tǒng)容量。一種方式就是尋找更多的自由度，除了時(shí)域、頻域資源外，在CDMA中引入了碼域資源，還有一個(gè)可以引入的資源就是波分，即波形資源。筆者曾研究過基于小波的時(shí)頻域快速算法[2]，在時(shí)頻平面不要求正交的情況下，單位帶寬下數(shù)據(jù)速率能達(dá)到現(xiàn)有OFDM系統(tǒng)的3～9倍，大大提升了頻譜效率。此外，研究下面多用戶條件下信道容量的香農(nóng)公式：

其中，T和F是單位時(shí)隙和帶寬，E表示數(shù)學(xué)期望，矩陣H表示信道條件，RA表示用戶信息相關(guān)矩陣，Re表示差錯(cuò)信息相關(guān)矩陣，I為單位矩陣。式（1）的矩陣在編碼和衰落信道下，非對(duì)角線元素并不都為零，不滿足正交條件。因?yàn)樾诺廊萘渴峭购瘮?shù)，根據(jù)Jensen不等式，有不等號(hào)。有意思的是，式(1)左邊表示的獨(dú)立并聯(lián)信道容量，小于右邊表示的共享信道。那么可以通過資源共享的方式，提升信道容量。理論上，到用戶信道容量的上確界無法確定。

盡管4G條件下單用戶的容量已經(jīng)接近香農(nóng)限，但是通過分析，在多用戶條件下無線系統(tǒng)容量還有提升的空間。引入小波等方式雖然在學(xué)術(shù)界有一定的研究和實(shí)驗(yàn)，但是技術(shù)還不成熟，產(chǎn)業(yè)界似乎希望保留現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)采用完全革新性的技術(shù)還持保留態(tài)度。

2.3 分集與復(fù)用

無線通信的增益通過分集和復(fù)用達(dá)到，但是兩者是負(fù)相關(guān)的，即提升分集增益會(huì)降低復(fù)用增益。分集技術(shù)有多載波、多天線、協(xié)同通信（CoMP），增加分集的數(shù)目可以提升分集增益。例如，增加載波的密度（小波也是一種增加載波密度的方法）；增加天線數(shù)，引入極化天線；采用中繼或終端協(xié)同收發(fā)的情況。其中韓國(guó)三星最近宣稱的5G技術(shù)NoLA（nomadic local areawireless access），就是采用 64 根天線的多天線分集。估計(jì)這種技術(shù)采用了微帶天線，使用較高、較寬的頻帶（5 GHz），但較適合室內(nèi)環(huán)境，對(duì)于室外高速移動(dòng)的環(huán)境，如何在終端上實(shí)現(xiàn)64根天線還是個(gè)問題。

復(fù)用技術(shù)包括：時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用、碼分復(fù)用等。在3G階段，我國(guó)提出TD-SCDMA，后續(xù)4G階段又提出TD-LTE兩項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，而歐洲采用的是FDD的WCDMA，4G演進(jìn)為L(zhǎng)TE FDD。3G的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，我國(guó)采用了3種制式。從技術(shù)層面講，TDD方式適合數(shù)據(jù)通信，F(xiàn)DD在廣覆蓋方面更有優(yōu)勢(shì)。LTA-Advanced采用的載波聚合，是一種充分利用系統(tǒng)資源的頻域復(fù)用技術(shù)。其將時(shí)頻域看作一個(gè)整體，在技術(shù)上，兩者將逐步融合，而且在LTE-Advanced的發(fā)展中，這種趨勢(shì)也是顯而易見的。在碼分復(fù)用方面，采用非正交的靈活的擴(kuò)頻因子方式，能提升頻譜效率。有國(guó)外學(xué)者提出了OV-CDMA系統(tǒng)[3]，結(jié)合時(shí)頻域同時(shí)擴(kuò)頻和高層信令的跨層優(yōu)化，該技術(shù)有望在未來移動(dòng)通信的發(fā)展中占有一席之地。此外，從學(xué)術(shù)研究講，在編碼領(lǐng)域引入多進(jìn)制編碼，并將時(shí)頻平面從歐式空間擴(kuò)張到一般流形，以微分幾何和代數(shù)幾何為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)建立新的信息論。在技術(shù)層面，這是擴(kuò)大了復(fù)用的資源，也形成一些新的共享模式，從而提升系統(tǒng)容量。

2.4 集成電路及天線技術(shù)

大規(guī)模集成電路的發(fā)展已達(dá)到納米級(jí)，從而基帶ASIC的數(shù)字信號(hào)處理能力更強(qiáng)。芯片的集成度也更高，在終端中已經(jīng)有集成4核、8核的處理器，可以預(yù)見的是，5G中基帶處理芯片的集成度可能會(huì)達(dá)到64～256核。此外，為了獲取更多的信息，并且保持信號(hào)完整性，抽樣頻率需要更高，這也需要處理器的處理能力更高。在技術(shù)發(fā)展中，5G與計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合更深入，從而也提出采用通用CPU替代傳統(tǒng)DSP的方案。采用CPU（GPU），其計(jì)算和圖像處理能力更強(qiáng)，配置也更靈活、方便，但是在無線信號(hào)處理方面性能不如DSP或ASIC。

在射頻方面，5G會(huì)融合無線傳感器技術(shù)，具備認(rèn)知無線電的功能。按技術(shù)要求，5G的頻帶寬度達(dá)到了2 000Mbit/s，需要采用軟件無線電的方式進(jìn)行靈活的頻譜配置。參考文獻(xiàn)[4]提出了一種采用軟件無線電的方式，可配置接收機(jī)的框架。其中 ADC，DAC是數(shù)模轉(zhuǎn)換器，DUC、DDC是數(shù)字上、下變頻單元。

圖1為可重配置的接收機(jī)高層結(jié)構(gòu)。

在5G中，會(huì)支持多種無線技術(shù)，芯片需支持可配置的多模方式。多模方式在模式切換中，將消耗大量的電能，軟件無線電需支持智能耗能識(shí)別，關(guān)閉不常用的無線模式，節(jié)約電能。

天線技術(shù)上，5G將采用更多空間分集方式，天線根數(shù)和種類也更多。3G/4G天線的波束賦形性能會(huì)結(jié)合空時(shí)編碼，提升效能。天線的定位功能、高速波束跟蹤等技術(shù)也會(huì)有所應(yīng)用。不同應(yīng)用的天線類型不同，例如室內(nèi)采用微帶天線，車聯(lián)網(wǎng)上可以采用陣列天線等形式，接收機(jī)需能自動(dòng)識(shí)別天線類型和頻段。

2.5 智能化技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線技術(shù)的結(jié)合，在4G中已經(jīng)引入了云基站的概念，在5G中，中心網(wǎng)絡(luò)會(huì)是一個(gè)大型服務(wù)器組成的云計(jì)算平臺(tái)，與基站相連的是具有數(shù)據(jù)交換功能的路由器及交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)。宏基站側(cè)會(huì)有云計(jì)算功能和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，對(duì)于不能及時(shí)處理的計(jì)算將提交網(wǎng)絡(luò)云計(jì)算中心?；净蚪K端的形態(tài)會(huì)更多，有支持物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器間通信、人與人的多媒體通信、人與機(jī)器間通信，并且具有遠(yuǎn)程無線控制功能。不同的業(yè)務(wù)采用不同的頻段，天線和連接方式。對(duì)于不同方式，需要具有智能配置、智能識(shí)別、自動(dòng)模式切換的功能，形成自組織網(wǎng)的框架。

圖1 可重配置的接收機(jī)高層結(jié)構(gòu)

圖2 5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線通信網(wǎng)絡(luò)分為接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)以及核心網(wǎng)。從3G和4G的發(fā)展看，核心網(wǎng)從層級(jí)結(jié)構(gòu)變得更為扁平化，LTE的核心網(wǎng)可以由一臺(tái)集成的EPC構(gòu)成。5G的核心網(wǎng)將會(huì)延續(xù)這一趨勢(shì)。另外，隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，核心網(wǎng)與運(yùn)營(yíng)商的云計(jì)算中心相連，核心網(wǎng)設(shè)備將計(jì)算分發(fā)給分布式的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，合并計(jì)算結(jié)果。即核心網(wǎng)設(shè)備具有云計(jì)算的MapReduce功能，此外，核心網(wǎng)還有虛擬化功能，無線接入網(wǎng)提交邏輯需求，核心網(wǎng)將邏輯需求轉(zhuǎn)換到物理單元執(zhí)行。另外，IPv6技術(shù)逐步成熟以及開展商用，核心網(wǎng)也需支持IPv6。傳輸網(wǎng)方面，隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，目前采用多波混頻的多模光通信技術(shù)，單芯片傳輸能力能達(dá)到10～100 Gbit/s。傳輸網(wǎng)絡(luò)上，會(huì)對(duì)現(xiàn)有的PTN升級(jí)，并逐步實(shí)現(xiàn)全光傳輸。

接入網(wǎng)方面，由于5G規(guī)劃可用的帶寬有2 000Mbit/s，這樣大范圍的帶寬內(nèi)可以運(yùn)行不同的業(yè)務(wù)和技術(shù)。接入網(wǎng)能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求，選擇承載的技術(shù)，并動(dòng)態(tài)分配帶寬?？紤]到5G時(shí)代，承載語(yǔ)音的GSM，承載數(shù)據(jù)的CDMA，承載多媒體的OFDM技術(shù)仍然運(yùn)行，這些技術(shù)還繼續(xù)占有一定頻段；新的技術(shù)有物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程識(shí)別、人機(jī)交互等，可以說5G接入網(wǎng)會(huì)成為一個(gè)具有層次結(jié)構(gòu)的異構(gòu)網(wǎng)。

圖2是筆者提出的一種5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最底層是一個(gè)類似神經(jīng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)；上一層是5G接入網(wǎng)，它可以在室內(nèi)構(gòu)成5G的高速無線邏輯，通過2G/3G/4G的接入網(wǎng)關(guān)，與以前的無線網(wǎng)絡(luò)兼容。承載由全光網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成高速傳輸。核心網(wǎng)設(shè)置電信資源管理網(wǎng)關(guān)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)資源管理網(wǎng)關(guān)，分布接入到核心網(wǎng)主機(jī)和云計(jì)算服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)。

4 應(yīng)用場(chǎng)景

從以上分析看，5G是個(gè)異構(gòu)的、自組織、自適應(yīng)、自配置的智能化網(wǎng)絡(luò)，可以承載多種不同的應(yīng)用。5G的終端也是多種多樣的，有嵌入在機(jī)器中的，有人隨身攜帶的，也有放置于室內(nèi)或車內(nèi)，由室內(nèi)小基站作為中繼再接入5G網(wǎng)絡(luò)中。最近有機(jī)半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，使得5G的手持終端有新的選項(xiàng)，可能的形態(tài)是由OLED制作的可折疊有機(jī)塑料半導(dǎo)體。

應(yīng)用方面：機(jī)器間通信，如車聯(lián)網(wǎng)，對(duì)車輛自動(dòng)定位、導(dǎo)航，甚至有自動(dòng)駕駛功能；人機(jī)交互類型，如自動(dòng)生物識(shí)別、帶傳感器的遠(yuǎn)程醫(yī)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。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)國(guó)際會(huì)議提出的第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)目標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、研究路線，分析了第5代移動(dòng)通信可能采用的技術(shù)、組網(wǎng)方式和應(yīng)用場(chǎng)景，分析了可能采用的多址方式、分集復(fù)用方式、射頻和天線技術(shù)、智能化技術(shù)等新的技術(shù)領(lǐng)域，并提出一種異構(gòu)、自組織的分層5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。最后，展望了5G的幾種典型應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，5G移動(dòng)通信網(wǎng)將有更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，也將為我國(guó)移動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、升級(jí)提供新的機(jī)遇。

1 李明.5G演進(jìn)路標(biāo)初定：預(yù)計(jì)2020年實(shí)現(xiàn)商用速率高于10Gbit/s.http://www.C114.neto/news/16/a767949.htm l

2 Shen J,Wang H.Complex reducing detection algorithm for OVTFDM system.Proceedingsof ICWAPR’07,Beijing,China,2007

3 Inaty E, Ayoubi R. OV-CDMA system: concept and implementation.EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,2008(1):1～10

4 Mousa A M. Prospective of fifth generation mobile communications.IJNGN,2012,4(3)