5G概述及關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介

夏 威 劉冰華

（重慶郵電大學(xué)通信新技術(shù)應(yīng)用研究所，重慶 400065）

5G概述及關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介

夏 威 劉冰華

（重慶郵電大學(xué)通信新技術(shù)應(yīng)用研究所，重慶 400065）

第五代通信系統(tǒng)是面向2020年以后人類信息社會(huì)需求的無線移動(dòng)通信系統(tǒng)，它是一個(gè)多業(yè)務(wù)技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)，通過技術(shù)的演進(jìn)和創(chuàng)新，滿足未來廣泛的數(shù)據(jù)、連接的各種業(yè)務(wù)不斷發(fā)展的需要，提升用戶體驗(yàn)。本文首先介紹5G的概念，然后闡述了5G的性能指標(biāo)，重點(diǎn)對(duì)5G的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述，這些關(guān)鍵技術(shù)包括新型多天線技術(shù)、高頻段的使用、同時(shí)同頻全雙工、設(shè)備間直接通信技術(shù)、自組織網(wǎng)絡(luò)。

5G；無線通信；關(guān)鍵技術(shù)；移動(dòng)通信技術(shù)

1．引言

4G網(wǎng)絡(luò)部署正在如火如荼地進(jìn)行時(shí)，關(guān)于5G的研究也拉開了序幕。2012年，由歐盟出資2700億歐元支持的5G研究項(xiàng)目METIS（Mobile and Wireless Communications Enablers for the 2020 Information Society）[1]正式啟動(dòng)，項(xiàng)目分為八個(gè)組分別對(duì)場(chǎng)景需求、空口技術(shù)、多天線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、頻譜分析、仿真及測(cè)試平臺(tái)等方面進(jìn)行深入研究；英國(guó)政府聯(lián)合多家企業(yè)，創(chuàng)立5G創(chuàng)新中心，致力于未來用戶需求、5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵性能指標(biāo)、核心技術(shù)的研究與評(píng)估驗(yàn)證；韓國(guó)由韓國(guó)科技部、ICT和未來計(jì)劃部共同推動(dòng)成立了韓國(guó)“5G Forum”，專門推動(dòng)其國(guó)內(nèi)5G進(jìn)展；中國(guó)，工業(yè)和信息化部、發(fā)改委和科技部共同成立IMT-2020推進(jìn)組，作為5G工作的平臺(tái)，旨在推動(dòng)國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的5G技術(shù)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)?？梢?，對(duì)于5G的研究，許多國(guó)家或組織都在積極地進(jìn)行中，未來5G技術(shù)將使人們的通信生活發(fā)展到一個(gè)全新的階段。

2．5G概念

5G指的是第五代移動(dòng)通信技術(shù)。與前四代不同，5G并不是一個(gè)單一的無線技術(shù)，而是現(xiàn)有的無線通信技術(shù)的一個(gè)融合。目前，LTE峰值速率可以達(dá)到100Mbps，5G的峰值速率將達(dá)到10Gbps，比4G提升了100倍?，F(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)處理自發(fā)能力有限，無法支持部分高清視頻、高質(zhì)量語音、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)等業(yè)務(wù)。5G將引入更加先進(jìn)的技術(shù)，通過更加高的頻譜效率、更多的頻譜資源以及更加密集的小區(qū)等共同滿足移動(dòng)業(yè)務(wù)流量增長(zhǎng)的需求，解決4G網(wǎng)絡(luò)面臨的問題，構(gòu)建一個(gè)高速的傳輸速率、高容量、低時(shí)延、高可靠性、優(yōu)秀的用戶體驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)社會(huì)[2，3]。

3．5G性能指標(biāo)

對(duì)于5G需要滿足一些什么樣的指標(biāo)，工信部電信研究院選擇了體育場(chǎng)、辦公室、密集住宅區(qū)等場(chǎng)景，結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)、視頻點(diǎn)播等應(yīng)用進(jìn)行實(shí)例分析。對(duì)每一種場(chǎng)景下的不同應(yīng)用進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)無線技術(shù)成為應(yīng)用發(fā)展的制約因素。要在不同的場(chǎng)景下使用戶獲得良好的應(yīng)用體驗(yàn)，需要滿足以下指標(biāo)[4]：

(1)5G的傳輸速率在4G的基礎(chǔ)上提高10-100倍，體驗(yàn)速率能夠達(dá)到0.1～1Gbps，峰值速率能夠達(dá)到10Gbps；

(2)時(shí)延降低到4G的1/10或1/5，達(dá)到毫秒級(jí)水平；

(3)設(shè)備密集度能夠達(dá)到600萬個(gè)/平方公里；

(4)流量密度能夠在20Tbps/平方公里以上；

(5)移動(dòng)性達(dá)到500km/h，實(shí)現(xiàn)高鐵環(huán)境下的良好用戶體驗(yàn)。

為了滿足上述性能指標(biāo)的要求，使用戶獲得良好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，除了以上的這些指標(biāo)外，能耗效率、頻譜效率及峰值速率等指標(biāo)也是重要的5G技術(shù)指標(biāo)，需要在5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮。

4．5G關(guān)鍵技術(shù)

LTE-A的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要由3GPP國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定。業(yè)界初步認(rèn)為在3GPP R14階段（2016年）將啟動(dòng)5G技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)研究工作。5G無線關(guān)鍵技術(shù)的主要方向包括[3]：

4．1 新型多天線技術(shù)

隨著無線通信的高速發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)流量的需求越來越大，而可用頻譜資源是有限的。因此，提高頻譜利用效率顯得尤為重要。多天線技術(shù)是一種提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和頻譜效率的有效手段，目前正被應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域的各個(gè)方面，如3G，LTE，LTE-A等，天線數(shù)量的增加，可以保證傳輸?shù)目煽啃砸约邦l譜效率。

新型大規(guī)模天線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有的MIMO技術(shù)更加高的空間分辨率，使得多個(gè)用戶可以利用同一時(shí)頻資源進(jìn)行通信，從而在不增加基站密度的情況下大幅度提高頻率效率；新型多天線技術(shù)可以降低發(fā)送功率；可以將波束集中在很窄的范圍內(nèi)，可以降低干擾?？傊滦投嗵炀€技術(shù)無論在頻譜效率、網(wǎng)絡(luò)可靠性還是能耗方面都具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此在5G時(shí)代會(huì)普遍使用。限于多天線技術(shù)所占用空間大、系統(tǒng)復(fù)雜度提升、對(duì)設(shè)備的外觀設(shè)計(jì)、系統(tǒng)部署能力都帶來了極大挑戰(zhàn)，因此未來這方面也是研究熱點(diǎn)[5，6]。

4．2 高頻段的使用

對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，在3GHz以下的頻段可以很好地支持移動(dòng)性，有良好的覆蓋范圍，但目前在這一區(qū)間的頻譜資源十分緊張。而在3GHz以上的頻譜資源非常豐富，如果能夠有效利用這一區(qū)間的頻譜資源，將會(huì)極大地緩解頻譜資源緊張的問題。因此，高頻段的使用將會(huì)成為未來發(fā)展的趨勢(shì)，高頻段具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如：可用帶寬非常充足，設(shè)備和天線小型化，天線增益較高。不過高頻段也存在著一些不足之處，例如：穿透和繞射能力弱，傳輸距離短，傳播特性不佳等，同時(shí)高頻器件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)成熟度、成本等因素也需要得到解決[7]。

4．3 同時(shí)同頻全雙工

傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)由于其局限性，并不能實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻的雙向通信，這造成了極大的資源浪費(fèi)，而全雙工同時(shí)同頻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)上行鏈路和下行鏈路同時(shí)利用相同的頻率資源進(jìn)行雙向通信，理論上可以令資源利用率提升一倍。不過全雙工同時(shí)同頻技術(shù)也面臨一個(gè)技術(shù)難題，就是在發(fā)送和接收信號(hào)的過程中，由于功率差距非常大，會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的自干擾，因此首要解決的問題就是干擾消除。另外，還存在著鄰小區(qū)同頻干擾問題，全雙工同時(shí)同頻在多天線的環(huán)境下應(yīng)用難度會(huì)更大，需要深入研究[7]。

4．4 設(shè)備間直接通信技術(shù)

現(xiàn)有的無線通信技術(shù)是以基站作為中心，存在著一定的局限性，如系統(tǒng)在覆蓋和容量等方面的問題。盡管中繼技術(shù)及多點(diǎn)協(xié)作技術(shù)能夠提高小區(qū)的覆蓋性能，增加小區(qū)邊緣用戶的吞吐量，但是基站和中繼節(jié)點(diǎn)位置固定，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)也不夠靈活，系統(tǒng)的整體覆蓋和小區(qū)邊緣用戶的體驗(yàn)仍然存在較大的提升空間。

設(shè)備間直接通信技術(shù)，即D2D，能夠在相鄰的終端之間在近距離范圍內(nèi)通過直接鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而不需要經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)。短距離直通技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：可實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)速率、較低的延遲和較低的功耗；可以實(shí)現(xiàn)頻譜資源的有效利用，獲得資源空分復(fù)用增益；能夠適應(yīng)如無線P2P等業(yè)務(wù)的本地?cái)?shù)據(jù)共享需求，提供靈活的數(shù)據(jù)服務(wù)；能夠利用網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量龐大且分布廣泛的通信終端以拓展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。D2D對(duì)于提高頻譜利用率和系統(tǒng)質(zhì)量有著重要意義，將是5G重點(diǎn)研究的技術(shù)之一[8]。

4．5 自組織網(wǎng)絡(luò)

在傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)部署、配置、運(yùn)維等都是人工完成，不僅占用大量的人力資源，而且效率十分低下，并且隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，僅僅依靠人力更加難以實(shí)現(xiàn)良好的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。為了解決運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)部署、優(yōu)化問題，同時(shí)降低運(yùn)營(yíng)商在運(yùn)維方面投入對(duì)總投入的占比，使運(yùn)營(yíng)商能夠在滿足客戶需求的條件下快速便捷地部署網(wǎng)絡(luò)，提出了自組織網(wǎng)絡(luò)（SON）的概念。自組織網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思路是在網(wǎng)絡(luò)中引入自組織能力，包括自配置、自由化、自愈合等，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、部署、維護(hù)、優(yōu)化和排障等各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)進(jìn)行，盡量減少人工干預(yù)[8，9]。

5G將會(huì)是一個(gè)多制式的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)有多層、多種無線接入技術(shù)共存，使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得十分復(fù)雜，各種無線接入技術(shù)內(nèi)部和各種覆蓋能力的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)的部署、維護(hù)、運(yùn)營(yíng)將成為一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的工作。為了降低網(wǎng)絡(luò)部署、運(yùn)營(yíng)維護(hù)復(fù)雜度和成本，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維質(zhì)量。未來5G將會(huì)支持更智能的、統(tǒng)一的SON功能，統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)多種無線接入技術(shù)、覆蓋層次的聯(lián)合自配置、自由化、自愈合。

5．結(jié)束語

5G是基于第四代移動(dòng)通信的演進(jìn)，其未來的發(fā)展方向必定以“人的體驗(yàn)”為中心，在終端、無線、業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域進(jìn)行融合以及創(chuàng)新。同時(shí)，5G在用戶感知、獲取、參與和控制信息的能力上帶來革命性的影響。5G網(wǎng)未來將會(huì)結(jié)合蜂窩網(wǎng)和局域網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，形成一個(gè)更加智能、友好的環(huán)境。

在另一方面，5G也是以物為基礎(chǔ)的通信，如車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、新型智能終端，這些應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求和以人為基礎(chǔ)的通信要求有很大區(qū)別，如M2M在消息交換的應(yīng)用中對(duì)速率要求不高，時(shí)延也不敏感，而不同的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能要求也盡不相同，這就要求5G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)更加具有“智慧”。

隨著時(shí)間的推進(jìn)，5G技術(shù)將會(huì)在2020年以后實(shí)現(xiàn)商用，將能滿足未來移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展的需求，為用戶帶來全新體驗(yàn)。隨著研究的不斷深入，5G的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)將逐步明確，并且在未來的幾年會(huì)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化的研究與制定階段。

[1]METIS．Mobile and wireless communications enablers for the 2020 information society．In：EU 7th FrameworkProgramme Project，https：// www．metis2020．com

[2]秦飛，康紹麗．融合、演進(jìn)與創(chuàng)新的5G技術(shù)路線[J]．電信網(wǎng)技術(shù)．，2013，9：11-15

[3]Chae-Sub Lee，Knight D．Realization of the next-generation network[J]．Communications Magazine，IEEE．2005，43，10：34-41

[4]王志勤，羅振東，魏克軍．5G業(yè)務(wù)需求分析及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)程[J]．中興通訊技術(shù)．2014，20，02：2-4

[5]Frederick W．Vook，Amitava Ghosh，Timothy A．Thomas．MIMO and Beamforming Solutions for 5G Technology[J]．Microwave Symposium(IMS)，2014 IEEE MTT-S International：1-4

[6]董愛先，王學(xué)軍．第5代移動(dòng)通信技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J]．通信技術(shù)．2014，47，3：235-240．

[7]尤肖虎，潘志文，高西奇，曹淑敏，鄔賀銓．5G移動(dòng)通信發(fā)展趨勢(shì)與若干關(guān)鍵技術(shù)[J]．中國(guó)科學(xué)．2014，44，5：551-563．

[8]IMT-Advanced推進(jìn)組，3GPP項(xiàng)目組．IMT-A D2D技術(shù)白皮書1．9．1：2-4．

[9]NGMN．NGMN Recommendation on SON and O&MRequirements，2008．http：//www．ngmn．org/uploads/media/NGMN_Recommendation_on_SON_and_O_M_Requirements．pdf．

Overview and Introduction of the Key Technologies of 5G

Xia WeiLiu Binghua
(Chongqing University of Posts and Telecommunication,Chongqing 400065)

tract】 The fifth generation communication system is a wireless mobile communication system that is adapt to the need of human information society.It is a multi technology and business fusion network,meeting the development needs of future extensive data and connected various businesses with the evolution of technology and innovation,improving the user experience.This paper firstly introduces the concept of 5G,and then expounds the performance index of 5G.The paper points out the key technologies of 5G which including the new multi-antenna technology,the use of high frequency,co-frequency co-time full duplex,D2D technology, self-organizing network.

words】 5G；wireless communication；key technology；mobile communication technology

夏威，男，四川夾江人，碩士研究生，研究方向：無線通信。