5G移動通信系統(tǒng)發(fā)展綜述

楊文東，魏 琛，錢玉峰

（1.陸軍工程大學(xué)通信工程學(xué)院，南京 210007；2.解放軍第31131部隊，南京 210042）

1 引言

隨著通信技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種新型應(yīng)用（如虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、人工智能、3D媒體、超高清視頻等）不斷涌現(xiàn)，使得無線網(wǎng)絡(luò)所承載的數(shù)據(jù)量陡增。與此同時，移動網(wǎng)絡(luò)已成為現(xiàn)代生活的必需，購物、娛樂、社交等等無一不需要移動網(wǎng)絡(luò)。而現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)（4G）難以滿足這樣的需求，亟需研發(fā)新一代移動通信系統(tǒng)（5G）。5G 最顯著的一個特征是空前的業(yè)務(wù)量、巨大的單位面積頻譜效率（數(shù)百b/s/Hz/km2）、超高的單設(shè)備吞吐量（Gb/s量級）。據(jù)估計，到2021年每個月智能手機所產(chǎn)生的業(yè)務(wù)量將達到50拍它（1015）字節(jié)，而這是2016年全年的業(yè)務(wù)量[1]。

為了滿足這樣的要求，全球范圍內(nèi)關(guān)于未來移動通信系統(tǒng)的研究和開發(fā)如火如荼。2013年以來，包括歐盟5GPP/METIS、中國IMT-2020（5G）推進組、韓國5G論壇、日本ARIB在內(nèi)的各個國家層面的5G研究機構(gòu)和計劃先后成立。2015年，國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）正式將5G命名為IMT-2020。圖1給出了5G潛在的應(yīng)用場景、關(guān)鍵能力及其與4G的對比[2]，從中我們注意到，5G不僅能支持當前系統(tǒng)所能支持的多種應(yīng)用場景，還能支持很多新的應(yīng)用場景，包括：增強型移動寬帶（Enhanced Mobile BroadBand，eMBB）；大規(guī)模機器類通信（Massive Machine Type Communications，mMTC）；超可靠低延時通信（Ultra Reliable Low Latency Communication，URLLC）。 人們期望5G能提供如下8 個關(guān)鍵性能指標（Key Per formance Indicators，KPIs）[3]：超過10Gb/s的峰值數(shù)據(jù)速率、100Mb/s的用戶體驗數(shù)據(jù)速率、3倍的頻譜效率、10Mb/s/km2的單位面積業(yè)務(wù)能力、100倍的網(wǎng)絡(luò)能量效率、1ms的空中延時、支持500km/h的移動速度、106/km2的連接密度（上文中的倍數(shù)提法是相對于4G系統(tǒng)而言的）。

2 標準化情況

標準化工作是5G發(fā)展過程中一個最為重要的環(huán)節(jié)，其組織形式是由國際電信聯(lián)盟牽頭，工業(yè)界、各個研究組織和運營商共同協(xié)作制定，最后提交至國際電信聯(lián)盟，經(jīng)國際電信聯(lián)盟遴選確定后成為5G的國際標準。

2012年，國際電信聯(lián)盟就開始了5G的標準化工作，其5G標準計劃，大致可以分為3個階段：第一階段進行預(yù)標準化的研究，即通過用戶需求的分析，獲得未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重點發(fā)展方向和基本架構(gòu)；第二階段是針對關(guān)鍵技術(shù)的研究以及相應(yīng)的可行性評估，主要是分析特定場景下的網(wǎng)絡(luò)運行情況是否達到預(yù)期效果；第三階段是候選關(guān)鍵技術(shù)的遴選、驗證和標準化工作。計劃預(yù)計在2020年底完成標準的制定。

第三代合作伙伴計劃（The 3rd Gener at ion Par tner Project，3GPP）作為最重要的5G標準制定機構(gòu)，也在2016 年年初啟動了5G的標準化工作。2016年6月，3GPP技術(shù)規(guī)范組（TSG＃72）就Release 15的詳細工作計劃達成一致，該計劃包括一系列中間任務(wù)和檢查重點，以指導(dǎo)工作組正在進行的研究，同時明確了相關(guān)規(guī)范將于2018年6月確定。在討論相關(guān)工作計劃時，TSG#72強調(diào)了無線和協(xié)議兩方面設(shè)計前向兼容性的重要性，因為這將直接影響到分步功能的導(dǎo)入和實現(xiàn)，對后續(xù)5G版本的發(fā)展和應(yīng)用至關(guān)重要。在2017年3月召開的3GPP RAN第75次全體大會上，首個5G終端標準測試項目üü 5G新空口測試方法正式立項，同時大會還通過了5G加速的提案，這標志著5G標準化取得了實質(zhì)性的進展，標準化時間節(jié)點也前移了半年。在這份提案里，3GPP將5G NR（新空口）非獨立組網(wǎng)（選項3）特性提前至2017年12月完成，相比原計劃提前半年，加速了5G新空口（NR）的標準化進程。此次3GPP正式通過的5G加速的提案以及即將完成的5G新空口標準，加速了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使設(shè)備制造商、芯片商和終端廠商能夠更早地開始開發(fā)，運營商能夠更快地向客戶提供標準化的5G服務(wù)。

2017年下半年，3GPP開始將其工作重心轉(zhuǎn)移到Release 15的制定上，包括對新標準的制定和LTE-Advanced Pro的進一步完善；預(yù)計2018年9月完成Release 15的制定，2020年完成5G標準的制定工作。

3 若干關(guān)鍵技術(shù)

為了實現(xiàn)5G所設(shè)想的宏大目標，人們提出了毫米波通信、大規(guī)模MIMO、超密集網(wǎng)絡(luò)、全雙工通信、D2D通信等一系列關(guān)鍵技術(shù)，下面我們對這些技術(shù)逐一進行簡要的介紹。

3.1 毫米波通信

圖2 毫米波波段的頻率利用情況

如圖2所示，毫米波波段具有大量的可用頻率，而增加帶寬是提高系統(tǒng)容量的一種最為直接的方法，因此，毫米波通信被視作實現(xiàn)10Gb/s峰值數(shù)據(jù)速率最為關(guān)鍵的技術(shù)。具體而言，香農(nóng)容量公式表明系統(tǒng)容量與信道帶寬呈線性關(guān)系，因此，增加帶寬自然就可以提高系統(tǒng)容量。可以變得相當可觀，還能簡化信號處理，實現(xiàn) 信道硬化（Channel Hardening），從而可以消除小尺度衰落。此外，大規(guī)模MIMO由于具備較大的波束賦形增益，還能降低能量消耗。大規(guī)模MIMO對于分米波波段非常有利，對于毫米波波段則更為必要，因為毫米波波段的自由空間傳播損耗非常嚴重，即便在100米的傳輸距離上也需要較高的陣列增益來獲得足夠的信噪比。

然而，大規(guī)模MIMO所采用的大量天線單元也帶來了不少問題：一是大量的射頻鏈路增加了實現(xiàn)成本和能量消耗；二是確定每個收發(fā)天線對之間的信道狀態(tài)信息需要消耗大量的頻譜資源。解決這兩個問題的一種較為可行的方案是采用如圖3（A全復(fù)雜度結(jié)構(gòu)；B低復(fù)雜度結(jié)構(gòu)；C虛擬扇區(qū)化結(jié)構(gòu)）所示的混合波束賦形[6]，即在射頻采用模擬波束賦形，同時在基帶采用數(shù)字波束賦形，而基帶和射頻之間通過較少的上/下變頻器相連。

對毫米波的研究可以追溯到100多年前，而其在無線通信中的應(yīng)用始于20世紀80年代[4]。近年來，由于6GHz以下頻帶中的頻譜資源日益緊張，而毫米波波段的頻譜資源卻比較豐富，人們對毫米波通信進行了大量研究，并且取得了不少研究成果。例如，工作于60GHz的IEEE 802.11ad技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)。與此同時，更具挑戰(zhàn)性的關(guān)于毫米波移動通信的研究開發(fā)也在進行中。三星在2013年最先實現(xiàn)了28GHz頻率上1Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸。谷歌也在毫米波通信上投入了很大的研發(fā)精力。威瑞森（Verizon）也已經(jīng)向美國聯(lián)邦通信委員會提交了申請，以進行28GHz和39GHz頻率上的毫米波通信試驗。諾基亞聯(lián)合美國國家儀器公司（NI）在2015年4月利用他們的概念樣機實現(xiàn)了73GHz頻率上15Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸。為了進一步推動毫米波移動通信的發(fā)展，歐盟啟動了MiWEBA、MiWaves、mmMAGIC等研究計劃。為了籌備2020年的奧運會，日本的都科摩（DOCOMO）和愛立信測試了室外15GHz頻率上4.5Gb/s和室內(nèi)70GHz頻率上2Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸。在毫米波通信的研發(fā)上，中國也不遑多讓。中國科技部資助了多項毫米波移動通信方面的863項目；中國已能生產(chǎn)42-48GHz和60GHz頻段上的射頻芯片；華為和中國移動在2017年的世界移動通信大會（Mobile World Congress）上展示了Ka波段（26.5-40GHz）上20Gb/s的移動接入。

雖然毫米波通信有其顯著的優(yōu)點，并且業(yè)界在毫米波通信方面已經(jīng)取得了不少可喜的研究成果，但毫米波通信因為其與生俱來的路徑損耗、穿透損耗、功率消耗、窄波束寬度和旁瓣等問題，離真正的大規(guī)模商用仍有不少距離，還需要進行大量深入細致的研究。

3.2 大規(guī)模MIMO

收發(fā)兩端同時采用多天線的MIMO技術(shù)從提出之初就被認為是提高頻譜效率的一種有效手段。在多用戶MIMO系統(tǒng)中，系統(tǒng)的頻譜效率可以通過兩種方式來提高：一個基站可以在相同的時頻域內(nèi)同時與多個用戶設(shè)備進行通信；基站與每個用戶設(shè)備之間都可以同時發(fā)送多個數(shù)據(jù)流。在多用戶MIMO 系統(tǒng)中，一個小區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)流的總數(shù)受限于基站的天線數(shù)與所有用戶設(shè)備天線數(shù)之和的較小者。

在人們研究多用戶MIMO十余年之后，有學(xué)者提出了大規(guī)模MIMO的概念[5]。在大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)中，基站可以配置數(shù)十甚至數(shù)百根天線，這不僅使得小區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)流的數(shù)量

圖3 三種混合波束賦形結(jié)構(gòu)框圖

3.3 超密集網(wǎng)絡(luò)

為了支持越來越多的用戶和設(shè)備，一種自然而然的做法就是盡可能多地進行頻率復(fù)用，亦即提高基站的密度，采用小蜂窩（Small Cells，SCs）的組網(wǎng)方式。實際上，從2G、3G一直到4G，我們一直在做縮小蜂窩的工作。但考慮到未來更為苛刻的用戶需求，我們還需要進一步提高基站的密度，尤其是在市中心地區(qū)和室內(nèi)環(huán)境。但是大規(guī)模的部署小蜂窩帶來的一個必然問題就是其經(jīng)濟上的可行性。目前的小蜂窩方案主要依賴于分布式天線系統(tǒng)、非授權(quán)頻段以及用戶布設(shè)小基站等技術(shù)來降低布設(shè)成本。當然，我們也可以采用移動中繼或者游牧基站等方式。種種因素顯示如圖4所示的超密集網(wǎng)絡(luò)是大勢所趨，而這種趨勢對于未來的網(wǎng)絡(luò)運營影響深遠。小區(qū)半徑變小使得單位面積上同時服務(wù)的用戶數(shù)減少，因而資源可以被較少的用戶共享。此外，用戶到接入點之間距離變短也使得出現(xiàn)陰影衰落的概率降低。這一因素在具有較大帶寬的高端頻譜電波傳播中將產(chǎn)生重大的作用，高端頻譜的自由空間傳播損耗很大，這反而使得相鄰小區(qū)和用戶之間的干擾降低了，因而超密集網(wǎng)絡(luò)最適合于采用高端頻譜。另一方面，單一小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)的減少會使得業(yè)務(wù)更多地以突發(fā)的形式呈現(xiàn)。因為時分雙工（Time Division Duplexing，TDD）技術(shù)對動態(tài)業(yè)務(wù)的支持更好，5G系統(tǒng)中預(yù)計將會大規(guī)模采用?？紤]到如上兩個因素，未來5G系統(tǒng)中的資源分配將面臨較大的挑戰(zhàn)。另外，如何設(shè)計傳輸和接收方案以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)中的動態(tài)干擾也是一個重要的挑戰(zhàn)[7]。超密集網(wǎng)絡(luò)的另一個挑戰(zhàn)在于其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的異構(gòu)性。可以預(yù)見的是5G系統(tǒng)不僅會引入新的接入技術(shù)，并且還會沿用3GPP的系統(tǒng)以及IEEE的一些技術(shù)，如此復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)會給移動性管理帶來很大的挑戰(zhàn)，但機遇往往與挑戰(zhàn)并存，未來的設(shè)備因而也可以按需選擇特定的技術(shù)。如何高效地檢測并利用這一異構(gòu)環(huán)境將是超密集網(wǎng)絡(luò)最為重要的挑戰(zhàn)之一。

圖4 超密集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型

3.4 全雙工通信

為了滿足日益增長的傳輸速率要求，頻譜效率需要得到進一步的提升，然而，無線通信通常采用半雙工通信，這就導(dǎo)致了頻譜資源的浪費。全雙工通信能夠?qū)崿F(xiàn)同一頻帶上的同時收發(fā)，因而可以提高頻譜效率。圖5描述了半雙工和全雙工的工作模式。

圖5 半雙工和全雙工工作模式

全雙工通信最大的優(yōu)勢就是其近乎兩倍于半雙工通信的信道容量。近年來，人們開展了一系列關(guān)于全雙工通信理論和實現(xiàn)方面的研究，以定量分析全雙工通信的性能優(yōu)勢[8]。這些研究表明雖然全雙工通信會增加系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度，但其無論是在吞吐量方面還是中斷概率方面均優(yōu)于半雙工通信。此外，全雙工通信最新的研究進展使得其吞吐量和分集度也都得到了進一步的增加。如果能夠容忍復(fù)雜信號處理所帶來的硬件和軟件復(fù)雜度問題，全雙工通信的誤比特率也能得到降低。并且，如果全雙工設(shè)備具有足夠大的緩存容量，系統(tǒng)的丟包率也可以降低。當然，凡事有利必有弊，全雙工通信由于設(shè)備接收信號和發(fā)送信號的功率懸殊，會受到嚴重的自干擾影響。如果自干擾嚴重到一定程度，全雙工通信的容量甚至?xí)蝗绨腚p工通信。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一致認為對于全雙工通信而言，進行有效的自干擾抑制和抵消是非常必要的。除了上述的物理層問題，實現(xiàn)全雙工通信也需要在MAC層進行更進一步的研究。實驗表明，全雙工方案的性能并不總是優(yōu)于半雙工方案，因此能在全雙工和半雙工之間切換，以自適應(yīng)利用無線資源來最大化頻譜效率的混合方案也許更為有效。

3.5 D2D通信

在過去的十年中，有兩個因素使得移動數(shù)據(jù)需求的密度發(fā)生了顯著的變化。一方面，智能手機的大量增加使得對移動多媒體業(yè)務(wù)的需求迅猛增長。另一方面，隨著城市化進程的深入，越來越多的人到城市生活，這就大大增加了移動用戶的密度并縮短了設(shè)備之間的距離，從而產(chǎn)生了新的通信機會。近年來，與蜂窩網(wǎng)絡(luò)同頻共存的D2D通信受到了廣泛關(guān)注[9]。如圖6所示，D2D通信讓設(shè)備不用接入無線基礎(chǔ)設(shè)施就可以直接通信。當然，這需要設(shè)備的密度足夠大，并且允許時延可容忍的數(shù)據(jù)在設(shè)備之間進行多跳傳輸。D2D通信的潛在優(yōu)勢包括提高吞吐量、節(jié)約設(shè)備能耗、擴大覆蓋和基站負荷卸載[10]。從移動運營商的角度來看，D2D通信在經(jīng)濟方面的吸引力是巨大的，因為這意味著運營商無需在網(wǎng)絡(luò)硬件升級或者新的基站部署上投入就可以獲得顯著的容量和覆蓋增益。

圖6 D2D通信系統(tǒng)模型

然而，我們應(yīng)該注意到，蜂窩網(wǎng)絡(luò)并非第一個引入D2D通信的技術(shù)，事實上，產(chǎn)生動機大致相同的類似技術(shù)，例如IEEE802.11中的AD Hoc模式已經(jīng)存在了幾十年了，但從未成為主流。技術(shù)和非技術(shù)的因素，從運營商的支持到安全性的考慮，等等，都或多或少地阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，我們有兩個重要的問題需要回答：一是將D2D引入蜂窩網(wǎng)絡(luò)一定能獲得成功嗎？實際上蜂窩通信已經(jīng)以基礎(chǔ)設(shè)施為中心的模式成功運行數(shù)十年了，在這種模式中，用戶發(fā)送數(shù)據(jù)給基站，基站再發(fā)送數(shù)據(jù)給用戶，而非用戶之間直接通信。我們是否應(yīng)該放棄現(xiàn)有的可靠且經(jīng)過檢驗的工作模式，轉(zhuǎn)而尋求有一定性能改善，但面臨較大技術(shù)挑戰(zhàn)的D2D模式還需要進行深入研究。二是小蜂窩技術(shù)不是也可以獲得跟D2D通信同樣的效果嗎？而且小蜂窩技術(shù)還保留了運營商熟悉的以基礎(chǔ)設(shè)施為中心的模式。這是不是意味著我們可以直接采用小蜂窩技術(shù)，而放棄D2D？更為有趣的是，我們需要在小蜂窩和D2D之間二選一還是讓二者共存？如果共存，我們需要付出怎樣的復(fù)雜度和開銷代價？

4 結(jié)束語

當前，全球范圍內(nèi)對5G的研發(fā)工作正如火如荼地進行，為了實現(xiàn)5G所設(shè)想的宏大目標，人們提出了毫米波通信、大規(guī)模MIMO等一系列關(guān)鍵技術(shù)，但這些技術(shù)是不是能真正地在5G系統(tǒng)中成功運用都還有待進一步的研究。

[1] Ericsson AB.Traffic exploration tool，interactive online tool.[Online].Available：https：//www.ericsson.com/TET/trafficView/loadBasicEditor.ericsson.

[2] M.Xiao et al.， Millimeter wave communications for future mobile networks，IEEE Journal on Selected Areas in Communications，vol.35，no.9，pp.1909-1935，Sep.2017.

[3] J.G.Andrews et al.，What will 5G be? IEEE Journal on Selected Areas in Communications，vol.32，no.6，pp.1065-1082，Jun.2014.

[4] R.E.Ziemer， An overview of millimeter wave communications， in Proceedings of European Microwave Conference，pp.3–8，1984.

[5] T.L.Marzetta，Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas， IEEE Transactions on Wireless Communications，vol.9，no.11，pp.3590-3600，Nov.2010.

[6] X.Zhang，A.Molisch，and S.-Y.Kung， Variable-phase-shift-based RF-baseband Codesign for MIMO antenna selection， IEEE Transactions on Signal Processing，vol.53，no.11，pp.4091-4103，Nov.2005.

[7] B.Soret et al.， Interference coordination for dense wireless networks， IEEE Communications Magazine，vol.53，no.1，pp.102-109，Jan.2015.

[8] T.Riihonen，S.Werner，and R.Wichman， Optimized gain control for singlefrequency relaying with loop interference， IEEE Transactions on Wireless Communications，vol.8，no.6，pp.2801-2806，June 2009.

[9] L.Wei et al.，Enable device-to-device communications underlaying cellular networks：challenges and research aspects， IEEE Communications Magazine，vol.52，no.6，pp.90-96，June 2014.

[10] Z.Zhou et al.，Energy efficiency and spectral efficiency tradeoff in deviceto-device communications， IEEE Wireless Communications Letters，vol.3，no.5，pp.485-488，July 2014.