5G研發(fā)，爭分奪秒

馮 巖

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

2013年12月4日，我國第四代移動通信（4G）牌照發(fā)放，4G技術正式走向商用。與此同時，面向下一代移動通信需求的第五代移動通信（5G）的研發(fā)也早已在世界范圍內如火如荼地展開。

在移動通信的演進歷程中，我國不斷轉變角色，依次經(jīng)歷了“2G跟蹤，3G突破，4G同步”的各個階段。在5G時代，我國將立志于占據(jù)技術制高點，引領世界產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為此，國內通過建立多種機制，力求全面發(fā)力5G相關工作，包括組織成立IMT-2020（5G）推進組、繼續(xù)推動重大專項“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”向5G轉變、啟動國家863計劃“5G系統(tǒng)前期研究開發(fā)”等，從5G業(yè)務、頻率、無線傳輸與組網(wǎng)技術、評估測試驗證技術、標準化及知識產(chǎn)權等各個方面，探究5G的發(fā)展愿景。

未來5G的需求，對包括傳輸技術和網(wǎng)絡技術在內的5G關鍵技術提出了極大的挑戰(zhàn)。5G將通過更高的頻譜效率、更多的頻譜資源，以及更密集的小區(qū)部署等，共同滿足移動業(yè)務流量增長的需求。在網(wǎng)絡容量方面，5G通信技術將比4G實現(xiàn)單位面積移動數(shù)據(jù)流量增長1 000倍；在傳輸速率方面，典型用戶數(shù)據(jù)速率將提升10到100倍，峰值傳輸速率可達10Gb/s（4G為100Mb/s）；同時，端到端時延縮短5～10倍，頻譜效率提升5～10倍，網(wǎng)絡綜合能效提升1 000倍。

為支持5G的發(fā)展需求，實現(xiàn)5G無時無地不在的空中信息“高速公路”的構建，包括高頻段傳輸、新型多天線傳輸、同時同頻全雙工、終端直通技術、密集網(wǎng)絡、新型網(wǎng)絡架構在內的傳輸和網(wǎng)絡關鍵技術的解決方案層出不窮，呈現(xiàn)出了百家爭鳴，百花齊放的局面。

在5G研發(fā)剛剛起步的情況下，如何建立一套全面的5G關鍵技術評估指標體系和評估方法，實現(xiàn)客觀有效的第三方評估，服務技術與資源管理的發(fā)展需要，同樣是當前5G技術發(fā)展所面臨的重要問題。

作為國家無線電管理技術機構，國家無線電監(jiān)測中心（以下簡稱監(jiān)測中心）長期致力于頻譜研究、頻譜監(jiān)測、移動通信關鍵技術研發(fā)，以及相關評估、測試與驗證等工作，并已深入?yún)⑴c到5G相關的組織與研究項目當中。

目前，監(jiān)測中心頻譜工程實驗室正在大力建設基于面向服務的架構（SOA）的開放式電磁兼容分析測試平臺，實現(xiàn)大規(guī)模軟件、硬件及高性能測試儀器儀表的集成與應用，將為無線電管理機構、科研院所及業(yè)界相關單位等提供良好的無線電系統(tǒng)研究、開發(fā)與驗證實驗環(huán)境。面向5G關鍵技術評估工作，監(jiān)測中心計劃利用該平臺對5G系統(tǒng)測試與驗證環(huán)境進行搭建，從而實現(xiàn)對5G各項關鍵技術客觀高效的評估。

為充分把握5G技術命脈，確保與時俱進，監(jiān)測中心積極投入到5G關鍵技術的跟蹤梳理與研究工作當中，為5G頻率規(guī)劃、監(jiān)測以及關鍵技術評估測試驗證等工作，提前進行技術儲備。下面，就對其中的一些關鍵技術進行簡要的剖析和解讀。

關鍵技術1：高頻段傳輸

移動通信傳統(tǒng)工作頻段主要集中在3GHz以下的頻段，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(xiàn)狀，可以實現(xiàn)極高速短距離通信，支持5G容量和傳輸速率等方面的需求。目前，韓國三星在28GHz高頻段，利用64根天線，采用自適應波束賦形技術，在2公里的距離內實現(xiàn)了1Gb/s的峰值下載速率，用戶只需要不到一秒鐘的時間可下載一部完整的電影。

高頻段在移動通信中的應用是未來的發(fā)展趨勢，業(yè)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(yōu)點。但是，它也存在著傳輸距離短，穿透和繞射能力差，容易受到氣候環(huán)境影響等缺點。同時，射頻器件、系統(tǒng)設計等方面的問題也有待進一步研究和解決。

監(jiān)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。高頻段資源目前雖然較為豐富，但是仍需要進行科學規(guī)劃，統(tǒng)籌兼顧，從而使寶貴的頻譜資源得到最優(yōu)配置。

關鍵技術2：新型多天線傳輸

作為近年來備受關注的技術之一，多天線技術經(jīng)歷了從無源到有源，從二維（2D）到三維（3D），從高階MIMO到大規(guī)模陣列的發(fā)展，將有望實現(xiàn)頻譜效率提升數(shù)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，基站側可支持的天線協(xié)作數(shù)將達到128。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，結合高頻段毫米波的技術，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(guī)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(fā)射功率，實現(xiàn)綠色節(jié)能和提升覆蓋能力。

關鍵技術3：同時同頻全雙工

最近幾年，同時同頻全雙工技術吸引了業(yè)界的注意。該技術在相同的頻譜上，通信的收發(fā)雙方同時發(fā)射和接收信號，與傳統(tǒng)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(zhàn)，同時，還存在著鄰小區(qū)同頻干擾問題。在多天線及組網(wǎng)場景下，全雙工技術的應用難度更大。

關鍵技術4：終端直通技術（D2D）

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

D2D技術能夠無需借助于基站的幫助實現(xiàn)通信終端之間直接通信，拓展網(wǎng)絡連接和接入方式。由于短距離直接通信，信道質量高，能夠實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)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(xiàn)頻譜資源的高效利用；支持更靈活的網(wǎng)絡架構和連接方法，提升鏈路靈活性和網(wǎng)絡可靠性。目前，D2D采用廣播、組播和單播技術方案，未來將發(fā)展其增強技術，包括基于D2D的中繼技術、多天線技術和聯(lián)合編碼技術等。

關鍵技術5：密集網(wǎng)絡

在未來的5G通信中，無線通信網(wǎng)絡正朝著網(wǎng)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(shù)據(jù)流量將發(fā)生井噴式的增長。未來數(shù)據(jù)業(yè)務將主要分布在室內和熱點地區(qū)，這使得超密集網(wǎng)絡成為了實現(xiàn)未來5G的1 000倍流量需求的主要手段之一。超密集網(wǎng)絡將能夠改善網(wǎng)絡覆蓋，大幅度提升系統(tǒng)容量，并且對業(yè)務進行分流，具有更靈活的網(wǎng)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(wǎng)絡方案，部署高達100個以上小小區(qū)/扇區(qū)。

與此同時，愈發(fā)密集的網(wǎng)絡部署，也使得網(wǎng)絡拓撲更加復雜，小區(qū)間干擾已經(jīng)成為制約系統(tǒng)容量增長的主要因素，極大地降低了網(wǎng)絡能效。干擾消除、小區(qū)快速發(fā)現(xiàn)、密集小區(qū)間協(xié)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(wǎng)絡方面的研究熱點。

關鍵技術6：新型網(wǎng)絡架構

目前，LTE接入網(wǎng)采用網(wǎng)絡扁平化架構，減小了系統(tǒng)時延，降低了建網(wǎng)成本和維護成本。未來5G可能采用C-RAN接入網(wǎng)架構。C-RAN是基于集中化處理（Centralized Processing），協(xié)作式無線電（Collaborative Radio）和實時云計算構架（Realtime Cloud Infrastructure）的綠色無線接入網(wǎng)構架（Clean system）。C-RAN的基本思想是通過充分利用低成本高速光傳輸網(wǎng)絡，直接在遠端天線和集中化的中心節(jié)點間傳送無線信號，以構建覆蓋上百個基站服務區(qū)域，甚至上百平方公里的無線接入系統(tǒng)。C-RAN架構適于采用協(xié)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(xiàn)動態(tài)使用的智能化組網(wǎng)，集中處理有利于降低成本，便于維護，減少運營支出。目前，研究的內容包括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(xié)作，如基站簇、虛擬小區(qū)等。

2013年全國工業(yè)和信息化工作會議，提出了加快結構調整和轉型升級、推進兩化深度融合等六點意見，包括繼續(xù)實施“兩化融合”、“寬帶中國”等專項行動。5G網(wǎng)絡應向著“創(chuàng)新驅動、集約高效、綠色低碳、智能發(fā)展、惠及民生”的方向發(fā)展。作為社會基礎設施，5G移動通信網(wǎng)絡將對促進產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，保障信息化發(fā)展起到非常重要的支撐作用。目前，5G關鍵技術仍處于爭分奪秒的研究階段，到底何種關鍵技術在未來能夠適應5G的需求，從眾多技術中脫穎而出，仍是一個未知數(shù)。全面完善地建立面向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(chǎn)業(yè)化的進程。同時，5G測試評估平臺將在現(xiàn)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(chǎn)業(yè)化，有利于我國參與未來國際5G認證體系，為5G技術未來的發(fā)展搭建騰飛的橋梁。