5G關(guān)鍵技術(shù)及其對(duì)4G的影響研究

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

1 概述

隨著無(wú)線通信技術(shù)的高速發(fā)展，無(wú)線應(yīng)用越來(lái)越豐富，帶動(dòng)了無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速增長(zhǎng)。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)10年間，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將以每年1.6～2倍的速率增長(zhǎng)，這將給無(wú)線接入網(wǎng)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的需要，移動(dòng)通信技術(shù)也加速了升級(jí)換代，5G 技術(shù)的研究已經(jīng)提上日程。

未來(lái)的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)中，超高清、3D 和浸入式視頻的流行將會(huì)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)速率需求大幅提升。無(wú)論是在體育場(chǎng)、露天集會(huì)、演唱會(huì)等高話務(wù)場(chǎng)景，還是在高鐵、車載、地鐵等高速移動(dòng)環(huán)境下，人們都希望獲得一致的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)正在快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類型豐富多樣，業(yè)務(wù)特征也差異巨大。在不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，不僅需要支持海量設(shè)備連接和大量小數(shù)據(jù)包頻發(fā)；也需要保證傳輸速率或者毫秒級(jí)的時(shí)延和接近100%的可靠性。同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)要求移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步增強(qiáng)覆蓋能力。除此之外，5G 需要提供更高和更多層次的安全機(jī)制，并能夠支持更低功耗，以實(shí)現(xiàn)更加綠色環(huán)保的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，并大幅提升終端電池續(xù)航時(shí)間。

為了達(dá)到這些目標(biāo)，5G 定義了不同于4G 的新的性能指標(biāo)。本文以5G的性能指標(biāo)要求為基礎(chǔ)，研究了達(dá)到該指標(biāo)要求的關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，并針對(duì)5G混合網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出如何在4G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中綜合考慮5G 技術(shù)應(yīng)用的方案，從而更好地適應(yīng)未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)4G到5G的平滑升級(jí)，降低網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的成本和改造難度。

2 5G 性能指標(biāo)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求以及對(duì)于安全機(jī)制及設(shè)備性能的要求，使得4G技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足新形勢(shì)下基于業(yè)務(wù)、用戶需求以及應(yīng)用場(chǎng)景的要求。特別是在用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)目、流量密度、時(shí)延等方面。因此5G 需要定義不同于4G 的新的性能指標(biāo)，包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清視頻、云存儲(chǔ)、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、OTT 消息等在內(nèi)的5G 典型業(yè)務(wù)，以及預(yù)計(jì)的用戶分布、各類業(yè)務(wù)占比及速率、時(shí)延等要求。5G關(guān)鍵性能指標(biāo)主要包括用戶體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、端到端時(shí)延、流量密度、移動(dòng)性和用戶峰值速率等。具體的性能指標(biāo)見表1。

表1 5G性能指標(biāo)要求

綜上所述，5G 將滿足2020 年及未來(lái)超千倍的移動(dòng)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)需求，為用戶提供光纖般的接入速率、“零”時(shí)延的使用體驗(yàn)、千億設(shè)備的連接能力、超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動(dòng)性等多場(chǎng)景的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，業(yè)務(wù)及用戶感知得到很好的優(yōu)化。

3 5G 關(guān)鍵技術(shù)

5G為了滿足其定義的指標(biāo)要求，需要加快相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用。

3.1 高級(jí)M IM O 技術(shù)

MIMO是應(yīng)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)爆發(fā)式增長(zhǎng)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)，目前4G僅僅支持最大8端口MIMO技術(shù)，還有較大的潛力進(jìn)一步地大幅提升系統(tǒng)容量。

MIMO 的演進(jìn)主要圍繞著以下幾個(gè)目標(biāo)：更大的波束賦形/預(yù)編碼增益；更多的空間復(fù)用層數(shù)（MU/SU）及更小的層間干擾；更全面的覆蓋；更小的站點(diǎn)間干擾。Massive MIMO 和3D MIMO 是MIMO 演進(jìn)的最主要的2種候選技術(shù)。Massive MIMO的主要特征是天線數(shù)目的大量增加，3D MIMO將波束賦型從原來(lái)的水平維度擴(kuò)展到了垂直維度，對(duì)這一維度的信道信息加以有效利用，可以有效地抑制小區(qū)間同頻用戶的干擾，從而提升邊緣用戶的性能乃至整個(gè)小區(qū)的平均吞吐量。雖然這2 種研究側(cè)重點(diǎn)不一樣，但在實(shí)際的場(chǎng)景中往往會(huì)結(jié)合使用，在3GPP 中稱之為全維度MIMO（FDMIMO）。

仿真結(jié)果表明，相對(duì)于4G系統(tǒng)中2天線的基站系統(tǒng)，采用32 個(gè)天線端口的FD-MIMO 系統(tǒng)可以取得2～3.6倍的小區(qū)平均速率增益和1.5～5倍的小區(qū)邊緣速率增益。

3.2 高級(jí)多址技術(shù)

移動(dòng)通信從1G 發(fā)展到4G，多址方式都是正交或者準(zhǔn)正交的方式。多址方式也是向著提高頻譜效率的方向發(fā)展。特別是非正交多址（NOMA）方式，用戶的數(shù)據(jù)在同樣的時(shí)頻資源上并行發(fā)送，利用串行干擾消除（SIC）技術(shù)分別將用戶的數(shù)據(jù)解調(diào)出來(lái)。除了傳統(tǒng)的基于SIC 的NOMA 技術(shù)之外，還有其他的改進(jìn)型的NOMA 技術(shù)。如模式劃分多址技術(shù)（PDMA）、稀疏碼多址技術(shù)（SCMA）等。以PDMA多址技術(shù)為例，其允許不同用戶在功率域、空域、碼域的重疊以提高頻譜效率。不同用戶的區(qū)分通過(guò)用戶的模式進(jìn)行區(qū)分。在不同的功率域、空域、碼域利用不同的用戶特征模式來(lái)識(shí)別不同的用戶。

3.3 同時(shí)同頻全雙工技術(shù)

同時(shí)同頻全雙工技術(shù)就是在相同的頻譜上，近端設(shè)備或遠(yuǎn)端設(shè)備同時(shí)發(fā)射、同時(shí)接收電磁波信號(hào)，利用干擾消除技術(shù)消除來(lái)自于發(fā)送天線的干擾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻全雙工通信。與當(dāng)前傳統(tǒng)的TDD 和FDD 傳輸模式相比，可用的頻譜資源增加1倍。

實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻全雙工，需要依靠多級(jí)干擾自消除技術(shù)，而且對(duì)器件的要求很高。

3.4 高級(jí)多載波技術(shù)

OFDM 已經(jīng)是主流無(wú)線通信如LTE 和Wi-Fi 所采用的信號(hào)形式，它可以采用簡(jiǎn)單自然的方式克服頻率選擇性衰落；通過(guò)簡(jiǎn)單的頻域均衡方法即可與MIMO結(jié)合，但是頻率偏移校正和同步對(duì)OFDM 至關(guān)重要。同時(shí)，OFDM 由于具有較高的峰均比（PAPR），限制了其在上行的應(yīng)用。

5G 提出了不同應(yīng)用場(chǎng)景使用不同波形的技術(shù)即通用多載波頻分復(fù)用技術(shù)（GMFDM），另外還有一些備選的多載波技術(shù)，如基于濾波器組的多載波（FBMC——Filter-Bank Multi-Carrier）、通用的濾波多載波（UFMC——Universal Filtered Multi-Carrier）等。這些多載波技術(shù)，對(duì)物理頻譜的利用效率更高，從而更適用于頻譜共享的應(yīng)用場(chǎng)景，并且對(duì)于時(shí)間同步的依賴性（主要用于保證各個(gè)子載波之間相互正交，以減小子載波間干擾）要比傳統(tǒng)OFDM技術(shù)低，從而可以大大地改善上行信道傳輸?shù)男阅?。正因?yàn)椴辉傩枰M(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)間同步，可減小甚至消除這部分的處理時(shí)延，進(jìn)而減小整個(gè)上行鏈路的接入時(shí)延。

3.5 高級(jí)調(diào)制編碼技術(shù)

目前基于比特交織編碼調(diào)制（BICM）的MIMOOFDM 技術(shù)已經(jīng)成為4G 的核心技術(shù)之一。為了更高效地利用有限的通信資源來(lái)實(shí)現(xiàn)高吞吐率、高頻譜效率和高服務(wù)質(zhì)量的無(wú)線傳輸，5G時(shí)代需要更高頻譜效率的調(diào)制編碼技術(shù)。

5G備選的調(diào)制編碼技術(shù)主要利用FSK和QAM相結(jié)合設(shè)計(jì)信號(hào)，使得星座點(diǎn)成倍增加，同時(shí)可以改變干擾的統(tǒng)計(jì)分布以達(dá)到對(duì)干擾進(jìn)行設(shè)計(jì)的目的。以其中的一種波分編碼傳輸技術(shù)（OVTDM）為例，其基本思想是通過(guò)使用1 組不同的波形來(lái)表達(dá)不同的信息，它是利用符號(hào)的數(shù)據(jù)加權(quán)移位重疊產(chǎn)生編碼約束關(guān)系，使編碼輸出自然呈現(xiàn)與信道匹配的復(fù)高斯分布，不需要調(diào)制映射。目前的仿真結(jié)果表明，采用OVTDM 可大幅提高頻譜效率并降低對(duì)信噪比的要求，具有分集增益，而且對(duì)HPA 的線性度要求很低，甚至可以工作在飽和狀態(tài)。

4 5G 技術(shù)對(duì)4G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的影響

5G 網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多網(wǎng)絡(luò)、多頻段、多制式的混合網(wǎng)絡(luò)，特別是網(wǎng)絡(luò)側(cè)將實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化功能。一方面4G與5G必然會(huì)長(zhǎng)期共存，另一方面4G可能會(huì)是5G網(wǎng)絡(luò)的重要子集，實(shí)現(xiàn)宏網(wǎng)絡(luò)覆蓋的功能。因此，為了能夠更好地適應(yīng)未來(lái)5G 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)4G 到5G 的平滑升級(jí)，降低網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的成本和改造難度，在4G建設(shè)中有必要適當(dāng)考慮未來(lái)5G的技術(shù)要求。

4.1 C-R A N技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)于5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)想包括2個(gè)方面：接入網(wǎng)采用異構(gòu)接入混合組網(wǎng)方式和轉(zhuǎn)發(fā)面扁平化；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流從接入側(cè)就近轉(zhuǎn)發(fā)。該架構(gòu)突出了控制的集中化和無(wú)線接入網(wǎng)的集中化。因此，傳統(tǒng)的BBU+RRU，各個(gè)站點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立的接入核心網(wǎng)的方式已經(jīng)不能適應(yīng)未來(lái)5G 的發(fā)展。未來(lái)升級(jí)5G 會(huì)面臨較高的升級(jí)改造成本。

為實(shí)現(xiàn)集中化的控制，一方面是接入網(wǎng)的集中化，一方面是資源管理的集中化。當(dāng)前4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署，應(yīng)重點(diǎn)考慮C-RAN（見圖1）的建設(shè)。并加強(qiáng)C-RAN通信接口的標(biāo)準(zhǔn)化和開放化。

圖1 C-RAN架構(gòu)分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 密集站點(diǎn)布局

5G網(wǎng)絡(luò)為了提高用戶體驗(yàn)速率和流量密度，網(wǎng)絡(luò)密度會(huì)非常高。站點(diǎn)建設(shè)方式可能不限于運(yùn)營(yíng)商建設(shè)，社會(huì)其他組織、甚至個(gè)人都可以參與到網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中來(lái)。因此在目前的4G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時(shí)有必要為這些新的需求預(yù)留足夠的資源和接口。目前已經(jīng)成立國(guó)家鐵塔公司，以租代建、共建共享等新的建站模式正在逐步推動(dòng)，為站點(diǎn)密集建設(shè)的實(shí)現(xiàn)提供了良好的契機(jī)和發(fā)展方向。

4.3 多頻段混合組網(wǎng)

5G網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是建設(shè)一個(gè)多頻段的網(wǎng)絡(luò)，不同的頻段完成不同的功能。4G 網(wǎng)絡(luò)也可能成為其中的一個(gè)子集，完成宏網(wǎng)絡(luò)的功能。4G網(wǎng)絡(luò)并不需要提供超高速率，因此其定位目標(biāo)并不需要滿足5G 的需求，可能只是提供控制功能。類似于以往2G的分層網(wǎng)絡(luò)，采用4G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)廣覆蓋，5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)及高話務(wù)區(qū)域等覆蓋。目前各家運(yùn)營(yíng)商都已經(jīng)開始嘗試混合組網(wǎng)。中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了FDD+TDD 混合組網(wǎng)的方式，實(shí)現(xiàn)FDD 為主、TDD 完成熱點(diǎn)覆蓋的混合組網(wǎng)，中國(guó)移動(dòng)也提出申請(qǐng)F(tuán)DD牌照。4G混合組網(wǎng)方案的實(shí)施都將為5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)，并在保護(hù)4G 投資、降低升級(jí)成本等方面提供有力的支持。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在研究5G性能指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，比較了目前5G的各種關(guān)鍵技術(shù)，并針對(duì)5G混合網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出了如何在4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中綜合考慮5G技術(shù)應(yīng)用的方案，為以后4G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中如何更好地適應(yīng)技術(shù)發(fā)展、較好地保護(hù)投資和降低網(wǎng)絡(luò)升級(jí)成本提供了一個(gè)新的方向。

［1］ 4G Americas’Recommendations on 5G Requirements and Solutions［EB/OL］. ［2015- 07- 24］. http://wenku.baidu.com/link?url=7kl0kgxZkOSzUST1g7iHLSbCSxSkXEnGQsPKZ1Ytm-BSwvOZ-LS?Ddux_NL2fdSpC2TLxdtxeoTMMUV-rRkCL-qZ6SRKC61sOCwUaS?fx6-4i.

［2］ Gerhard Fettweis，SiavashAlamouti.5G:Personal Mobile Internet be?yond What Cellular Did to Telephony［J］.IEEE Communication Mag?azine，2014（2）.

［3］ Y Saito，Y Kishiyama，A Benjebbourd，et al. Non-orthogonal Multi?ple Access（NOMA）for Cellular Future Radio Access［J］.Vehicular Technology Conference（VTC Spring），2013（77）：1-5.

［4］ Scenarios，requirements and KPIs for 5G mobile and wireless system［EB/OL］.［2015-07-24］. https://www.metis2020.com/wp-content/uploads/deliverables/METIS_D1.1_v1.pdf.

［5］ S. Chen，M. Beach，J. McGeehan. Division-free duplex for wireless applications［J］.IEEE Electronics Letters，1998（34）：147–148.

［6］ 董愛先.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（3）:235-240.

［7］ 姚岳. 第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展望［J］. 電信技術(shù)，2015（1）:18-21.

［8］ 王景堯. 5G 無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展跟蹤與分析［J］. 現(xiàn)代電信科技，2015（1）：1-4.

［9］ 尤肖虎，潘志文，高西奇，等.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)：信息科學(xué)，2014（5）：551-563.

［10］余莉，張治中，程方，等.第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（4）：427-433.

［11］翟冠楠，李昭勇.5G無(wú)線通信技術(shù)概念及相關(guān)應(yīng)用［J］.電信網(wǎng)技術(shù)，2013（9）：1-6.

［12］段曉東，孫滔，陳煒，等.5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)的5個(gè)重要問(wèn)題［J］.電信科學(xué)，2014（10）：129-133.

［13］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（3）：2-4.

［14］竇笠，孫震強(qiáng)，李艷芬.5G 愿景和需求［J］.電信技術(shù)，2013（12）：8-11.

［15］中國(guó)移動(dòng)通信研究院. C-RAN 白皮書中文版_V1.5.0［EB/OL］.［2015-07-24］.http://www.docin.com/p-568486850.htm l.