5G架構(gòu)、技術(shù)與發(fā)展方式探析

王志勤 余泉 潘振崗 Francis Chow張朝陽(yáng) 范平志

摘要：部分5G領(lǐng)軍人物探討了5G框架、技術(shù)、發(fā)展時(shí)間表與發(fā)展方式等熱點(diǎn)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：5G；架構(gòu)；空口；算法

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2016.1.002

5G的愿景與需求

工信部電信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所所長(zhǎng)王志勤稱，5G是面向2020年商業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)。對(duì)5G到底是一個(gè)什么樣的系統(tǒng)，到底能滿足哪些需求，今年國(guó)際電信聯(lián)盟已經(jīng)發(fā)布了5G的愿景和需求。在國(guó)內(nèi)有IMT-2020 （5G）推進(jìn)組，提出了我們國(guó)家對(duì)5G的理解。

5G架構(gòu)

5G-方面在現(xiàn)有的4G進(jìn)一步提升，滿足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的需求、另外SG向各行各業(yè)拓展，因此說(shuō)5G是未來(lái)社會(huì)生活的基礎(chǔ)設(shè)施。圖1展現(xiàn)的是一個(gè)非常有名的、我國(guó)提出來(lái)的5G之花，其中六片花瓣代表了5G的性能指標(biāo)，下面三個(gè)葉子是它的能效指標(biāo)。從它的關(guān)鍵性能來(lái)看、和4G相比，也能夠體現(xiàn)對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的支持。一個(gè)在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域提出了用戶體驗(yàn)速率，另外針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)提出來(lái)每平方公里達(dá)到百萬(wàn)級(jí)的連接密度、毫秒級(jí)的時(shí)延。

可以簡(jiǎn)單地將5G的主要場(chǎng)景劃分為兩大類：移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景和4G網(wǎng)比較相象，所以也包括了廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量。針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)多樣化場(chǎng)景、簡(jiǎn)單的來(lái)看，或者說(shuō)從非常具有挑戰(zhàn)意義的關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)看又劃分為兩個(gè)：1.低時(shí)延高可靠性場(chǎng)景，車聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)場(chǎng)所在的環(huán)境；2.低功耗、大連接場(chǎng)景，如智能電網(wǎng)，抄表等，在此條件下連接和低功耗的要求挑戰(zhàn)最大。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)多樣化的場(chǎng)景，如何通過(guò)一個(gè)無(wú)線接口實(shí)現(xiàn)，對(duì)我們來(lái)說(shuō)是非常大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)首先提出來(lái)5G軟空口或叫做靈活空口?？湛谑墙y(tǒng)一框架，能夠滿足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)各種場(chǎng)景的需要，同時(shí)又是一個(gè)靈活可配制的，它包括很多關(guān)鍵參數(shù)，比如幀結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式、信道編碼等等，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景可以做不同的參數(shù)，我們可以形成一個(gè)最優(yōu)的解決方案滿足這個(gè)場(chǎng)景。

5G關(guān)鍵技術(shù)

在整個(gè)架構(gòu)確定之后，5G的關(guān)鍵技術(shù)也是非常重要的一個(gè)元素。什么是5G關(guān)鍵技術(shù)？大家還在討論。因?yàn)閺拿髂觊_(kāi)始會(huì)在全球開(kāi)始5G標(biāo)準(zhǔn)的一些研究工作，所以哪些關(guān)鍵技術(shù)能夠進(jìn)入到標(biāo)準(zhǔn)中，其中除了它的先進(jìn)性以外，這種技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性和產(chǎn)業(yè)的成熟度也是評(píng)估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要素，從這兩個(gè)角度來(lái)說(shuō)也是本次大賽所特別驗(yàn)證的，也是對(duì)我們的標(biāo)準(zhǔn)化工作給予有力支撐的一個(gè)方面。

圖4中列出了部分5G的關(guān)鍵技術(shù)、有一些其實(shí)是在4G中有很多積累。包括大規(guī)模天線陣列，新型多址技術(shù)和超密集組網(wǎng)等。此外，針對(duì)新型的多載波和先進(jìn)的調(diào)制編碼技術(shù)，業(yè)界現(xiàn)在正在做很多研究，看它們到底在哪些方面是否可適用于5G。其中三大新空口算法就是重要的5G候選技術(shù)：

F-OFDM（Filter-OFDM），它能夠?qū)崿F(xiàn)空口物理層切片后向兼容LTE 4G系統(tǒng)、又能滿足未來(lái)5G發(fā)展的需求。它能將OFDM載波帶寬劃分成多個(gè)不同參數(shù)的子帶，并對(duì)子帶進(jìn)行濾波，而在子帶間盡量留出較少的隔離頻帶；可以將整個(gè)頻段按照未來(lái)不同種類的業(yè)務(wù)精細(xì)分割，對(duì)空口實(shí)現(xiàn)靈活切片更好支持不同業(yè)務(wù)的帶寬時(shí)延、可靠性需要，同時(shí)帶來(lái)頻譜資源利用率提升。

極化碼Polar Code， -個(gè)能達(dá)到香農(nóng)極限信道容量的特殊碼系，近年得到了5G標(biāo)準(zhǔn)化研發(fā)機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)界的強(qiáng)烈關(guān)注。

SCMA（稀疏碼多址接入），是應(yīng)5G需求設(shè)計(jì)產(chǎn)生的一種菲正交多址技術(shù)。其非正交疊加的碼字個(gè)數(shù)可以成幾倍大于使用的資源塊個(gè)數(shù)，從而成幾倍的提高頻譜利用率。

5G關(guān)鍵技術(shù)在為期7個(gè)月的“第一屆5G算法大賽“中得到很好的驗(yàn)證，此次大賽最大的感受就是驚喜！成功！這和華為提供算法培訓(xùn)，ALtera提供FPGA平臺(tái)支持以及高校學(xué)生的努力是分不開(kāi)的，這是高校和產(chǎn)業(yè)界合作的典范，也剛好為2016年即將開(kāi)啟的5G標(biāo)準(zhǔn)研究奠定了很好的基礎(chǔ)！

5G需要開(kāi)放、共贏

華為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)首席戰(zhàn)略官余泉稱，5G有一個(gè)非常美好的萬(wàn)物互聯(lián)的遠(yuǎn)景，相比以前的技術(shù)會(huì)有很大的差異。我們從第一代模擬移動(dòng)通信技術(shù)到現(xiàn)在正在使用的4G通信技術(shù)，主要解決的就是人的通信問(wèn)題和聯(lián)接需求問(wèn)題。5G將會(huì)把物的需求也納入進(jìn)來(lái)，這里面肯定會(huì)有很多技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、商業(yè)方面的改變?，F(xiàn)在的移動(dòng)通信是由移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)的，未來(lái)5G產(chǎn)業(yè)有很多垂直行業(yè)的參與者，我們的消費(fèi)者，也就是移動(dòng)通信的使用者都會(huì)參與到5G產(chǎn)業(yè)當(dāng)中去。有人說(shuō)，移動(dòng)通信發(fā)展到現(xiàn)在，是一個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)，而5G，有可能又將移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)重新變成一個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。

萬(wàn)物互聯(lián)的世界對(duì)每個(gè)人都是激動(dòng)人心的事情。面向這樣的一個(gè)時(shí)代，華為認(rèn)為一個(gè)很重要的改變，就是要更加開(kāi)放。5G時(shí)代需要一個(gè)更加開(kāi)放，更加創(chuàng)新的環(huán)境。所以華為從投入5G第一天開(kāi)始，就抱著開(kāi)放的心態(tài)。華為在全球有9個(gè)重量級(jí)研究中心、超過(guò)500名專家參與到5G的研發(fā)、根據(jù)不同國(guó)家的科學(xué)家擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，不同研究中心覆蓋不同的方面，比如：華為俄羅斯研究所主要領(lǐng)域在算法，因?yàn)槎砹_斯的數(shù)學(xué)很強(qiáng)，有很多很強(qiáng)的數(shù)學(xué)家。

在這樣的研究布局基礎(chǔ)之上，華為跟全球頂尖高校都有合作，也包括國(guó)內(nèi)的西電、成電、清華和東南大學(xué)等。華為還和全球近10家頂級(jí)運(yùn)營(yíng)商在SG方面開(kāi)展合作，還參加了全球主要的SG產(chǎn)業(yè)組織。我們希望以這樣一種方式，整合全球的資源，來(lái)共創(chuàng)5G更美好的未來(lái)。

展望未來(lái)，5G會(huì)在2020年商用（如圖5和6）。中國(guó)政府宣布了2020年5G商用的目標(biāo)，韓國(guó)、日本、美國(guó)也宣布了類似的時(shí)間表。我相信中國(guó)的5G產(chǎn)業(yè)會(huì)在前幾代人的基礎(chǔ)之上，站在更加領(lǐng)先的位置。我們可以看到在全球的標(biāo)準(zhǔn)組織和頻譜組織已經(jīng)制訂相應(yīng)的時(shí)間表，為5G的到來(lái)做好準(zhǔn)備，服務(wù)于2020年的商用目標(biāo)。

華為從2009年開(kāi)始投入5G，目前約有500位以上的科學(xué)家和頂級(jí)專家專注于在5G研究。截止到目前基本上完成了大部分可能的SG技術(shù)篩選和技術(shù)研究，也在實(shí)驗(yàn)室完成了這些技術(shù)的驗(yàn)證，并且在成都建立了全球第一個(gè)基于5G候選技術(shù)的多用戶的外場(chǎng)。這個(gè)外場(chǎng)取得了菲常好的、超出業(yè)界預(yù)期的結(jié)果。未來(lái)3-5年，華為會(huì)在全球主要5G的市場(chǎng)上和全球其他合作伙伴開(kāi)展外場(chǎng)和預(yù)商用測(cè)試，積極為5G產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)自己的力量。

堅(jiān)守5G物理層創(chuàng)新

展訊通信5G研發(fā)高級(jí)總監(jiān)潘振崗稱，四年前，幾個(gè)學(xué)術(shù)界大牛撰寫過(guò)一篇非常著名的文章，對(duì)無(wú)線通信的物理層技術(shù)進(jìn)行了一次自我拷問(wèn)：“Is the phy layer dead？”雖然文章的結(jié)論還是比較正面的。但這個(gè)自我拷問(wèn)的出現(xiàn)就已經(jīng)表明無(wú)線通信界對(duì)物理層技術(shù)繼續(xù)往前發(fā)展的一種悲觀氣氛。因?yàn)槲锢韺拥募夹g(shù)在高速發(fā)展過(guò)程中，未來(lái)給我們的空間是有限的。這從業(yè)界的動(dòng)態(tài)也有所體現(xiàn)，在這個(gè)領(lǐng)域的研究人員越來(lái)越少。原因如下。

1.在前幾代相對(duì)單一的需求和評(píng)估準(zhǔn)則下，我們的物理層技術(shù)看上去離理論極限已經(jīng)很近。大家很難接受花幾倍甚至更多的復(fù)雜度去爭(zhēng)取O.xdB BER/BLER性能的提高。

然而5G的情況發(fā)生根本的變化。

一方面需求變得非常多樣化，除了傳統(tǒng)移動(dòng)寬帶，更多的需求來(lái)自垂直行業(yè)的物聯(lián)需求，以至于現(xiàn)在IMT-2020已經(jīng)不能使用單一雷達(dá)圖來(lái)表達(dá)5GKPI，需要在此基礎(chǔ)上定義幾個(gè)子集來(lái)表示。評(píng)估準(zhǔn)則發(fā)生了變化，也就出現(xiàn)了對(duì)Shannon公式的再解釋，綠色通信理論的出現(xiàn)等，拓展了新的理論空間。另外，業(yè)務(wù)狀況：SN小包業(yè)務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)突發(fā)規(guī)則/非規(guī)則業(yè)務(wù)等。

另一方面，可利用的資源/條件不一樣了。過(guò)去多年無(wú)線通信的發(fā)展已經(jīng)把無(wú)線頻譜的優(yōu)質(zhì)資源都用的差不多了。未來(lái)我們需要：1）開(kāi)墾蠻荒地帶如高頻段。2）充分利用邊角料如Gap band；因此物理層的技術(shù)有了新的用武之地。

2.物理層的研究對(duì)人員的要求非常高。知識(shí)技能要求多：最優(yōu)化理論、概率論與隨機(jī)過(guò)程、統(tǒng)計(jì)估計(jì)理論、代數(shù)、多項(xiàng)式、矩陣/線性代數(shù)、實(shí)分析/復(fù)分析、微積分、微分幾何等。很多知識(shí)都是非常抽象的，對(duì)這些知識(shí)的把握，需要一個(gè)人能夠忍受孤獨(dú)，去靜思，去理解，去長(zhǎng)期一點(diǎn)一滴地積累。這好像跟我們現(xiàn)在各類互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的敏捷開(kāi)發(fā)、快速迭代是截然不同的兩個(gè)世界。

其實(shí)不僅是物理層技術(shù)，整個(gè)通信系統(tǒng)越來(lái)越成為一個(gè)幕后英雄了。大家可以看到現(xiàn)在的智能手機(jī)評(píng)測(cè)，看CPU的處理速度，看GPU的能力，看屏幕的分辨率，看音質(zhì)，…。好像跟通信沒(méi)有關(guān)系了。仿佛回到十多年前，各種電腦雜志對(duì)臺(tái)式機(jī)/筆記本、對(duì)最新一代的CPU、顯卡的評(píng)測(cè)一樣。

我希望未來(lái)對(duì)手機(jī)的評(píng)測(cè)中（注：當(dāng)然，未來(lái)的終端是不是還是以“手機(jī)”這個(gè)形態(tài)存在還值得探討），可以看到在戈壁灘上的信號(hào)還很好，大型演出會(huì)現(xiàn)場(chǎng)也可以，高鐵/飛機(jī)上可以，能隨時(shí)連接家里的各種傳感器/攝像頭，以了解家里的情況，等等。這些才是體現(xiàn)移動(dòng)通信本質(zhì)的。

因此，無(wú)論你今天預(yù)測(cè)了如何新奇的各類5G應(yīng)用，無(wú)線通信是根本。

展訊是隨著中國(guó)的通信標(biāo)準(zhǔn)自主戰(zhàn)略一起成長(zhǎng)起來(lái)的公司，見(jiàn)證、也全程參與了中國(guó)的通信標(biāo)準(zhǔn)從空白到跟隨、到并進(jìn)的過(guò)程；產(chǎn)業(yè)上，也全力支撐了中國(guó)的TD標(biāo)準(zhǔn)走向成熟，并為世界所接受的歷程。未來(lái)，展訊將繼續(xù)在中國(guó)5G標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)引領(lǐng)而貢獻(xiàn)自己的力量。

展訊已經(jīng)成立了專門的5G研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在北京、上海、芬蘭，在核心技術(shù)、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方案都進(jìn)行了精心的布點(diǎn)。專利戰(zhàn)略、標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)、技術(shù)原型驗(yàn)證都制定了詳細(xì)的里程碑計(jì)劃。目標(biāo)是成為5G時(shí)代tier 1的終端芯片提供商。

5G物理層空間很大

浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院教授張朝陽(yáng)稱，所謂物理層傳輸技術(shù)在提升容量上的空間不大，主要是因?yàn)椴煌幋a調(diào)制技術(shù)離香農(nóng)界限很近了，這是指在物理層編碼調(diào)制方面，新的技術(shù)帶來(lái)的增益不大，但是這些新的5G技術(shù)有一些特殊的特點(diǎn)。這些新的特點(diǎn)不僅僅是為了提升容量和速率所需要的，這些特點(diǎn)是為了支持SG未來(lái)大規(guī)模接入等等一些新需求所必需的。

為什么要做物理層新的空口？為什么要做新的傳輸體制？是因?yàn)槌巳萘亢退俣戎?，還有一些特殊的要求，比如大規(guī)模接入、低時(shí)延，這些在過(guò)去和現(xiàn)有的傳輸體制里面是無(wú)法解決的，所以實(shí)際上不是5G物理層的空間不大，恰恰相反是空間很大。因?yàn)?G、2G、3G、4G中，目前還沒(méi)有一個(gè)物理層體制能夠真正支持大規(guī)模的接入和互聯(lián)。未來(lái)剛好也是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，現(xiàn)有體制是無(wú)法支撐的，所以這就是5G為什么在很大程度上被視作革命性的技術(shù)，相對(duì)2G和3G、4G來(lái)說(shuō)改變是很大的。所以，所謂空間不大是指一些物理層傳輸技術(shù)在傳輸速率方面提升空間不大，但是在其他方面空間還是很大的，而且是必須要的，如果沒(méi)有這些技術(shù)很多新的應(yīng)用需求是無(wú)法支撐的。

產(chǎn)學(xué)聯(lián)合，用FPGA共創(chuàng)5G未來(lái)

Altera公司副總裁兼通信業(yè)務(wù)總經(jīng)理Francis Chow稱，5G可將數(shù)據(jù)速率提升千倍，所連接的設(shè)備也將增加成百上千倍。要真正實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)，我們必須解決很多技術(shù)上和商業(yè)上的挑戰(zhàn)。僅僅靠半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)解決不了這些挑戰(zhàn)。因此，我們必須充分挖掘同學(xué)們的天賦和潛力。這就是我們聯(lián)合西安電子科技大學(xué)、友晶舉辦2015年首次5G大賽的原因。這次競(jìng)賽，共有來(lái)自76所大學(xué)的184個(gè)團(tuán)隊(duì)參加大賽，最后30個(gè)團(tuán)隊(duì)用不到7個(gè)周的時(shí)間，基于Altera的FPGA平臺(tái)完成了整個(gè)系統(tǒng)的部署，結(jié)果非常出色。

關(guān)于這次大賽，西南交通大學(xué)范平志教授稱：大賽分為兩個(gè)階段，初賽和決賽。初賽側(cè)重對(duì)算法的考察，大賽組委會(huì)提供了一套算法的基礎(chǔ)方案，看同學(xué)們是否能夠仿真設(shè)計(jì)出來(lái)。復(fù)賽側(cè)重在硬件實(shí)現(xiàn)。評(píng)選是綜合性的，首先看最基本的鏈路功能是否已經(jīng)實(shí)現(xiàn)；另外就要看學(xué)生們實(shí)現(xiàn)的性能及優(yōu)化創(chuàng)新的地方。比如說(shuō)我負(fù)責(zé)的SCMA組，一些團(tuán)隊(duì)提出了跟參考方案不一樣的更具新穎性的低復(fù)雜度譯碼算法，通過(guò)仿真驗(yàn)證了其可行性，并在硬件上實(shí)現(xiàn)出來(lái)。Altera這個(gè)板子總體反映應(yīng)用不錯(cuò)非常給力，有團(tuán)隊(duì)在做完了算法鏈路的基礎(chǔ)上，還用視頻數(shù)據(jù)看看傳輸效果，帶來(lái)更加直觀的演示。

Francis Chow在談到FPGA作用時(shí)稱，長(zhǎng)期以來(lái)，F(xiàn)PGA一直在為通信系統(tǒng)架構(gòu)做出卓越的貢獻(xiàn)。例如，今天如果你拿起電話跟你海外的朋友通話，你的電話有95%以上的可能性是通過(guò)Altera的FPGA實(shí)現(xiàn)的。FPGA具有極大的靈活性并可驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新。我們希望我們的FPGA能夠像過(guò)去一樣為未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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