【5G】5G关键技术领域发展状况

5G关键技术领域发展状况

当前 ，5G已成为全球业界研发的焦点。5G移动通信系统不是简单的以某个单一技术或某些业务能力来定义的。5G将是一系列无线技术的深度融合。它不但关注更高效率、更大带宽、更强能力的无线空口技术，而且更关注新的无线网络架构。5G将是融合多业务、多技术，聚焦于业务应用和用户体验的新一代移动通信网络。

主要内容：

• 无线技术
• 网络技术

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一、无线技术

1．大规模天线（Massive MIMO）

多天线（MIMO）技术由贝尔实验室在20世纪90年代提出，早在3G时代就被引入无线通信领域，后来也是4G的关键技术之一。传统MIMO技术到5G时代已不能满足呈指数增长的无线数据需求。2010年底，贝尔实验室的科学家又提出了大规模MIMO（Massive MIMO）的概念。Massive MIMO技术指基站天线数目庞大，而用户终端采用单天线接收的通信方式，作为目前移动通信系统一种平滑的过渡方式，通过对基站的改造，提高系统的频谱利用率。

面对5G在传输速率和系统容量等方面存在的挑战，天线数目增加将是MIMO继续演进的方向。根据概率统计学原理，当基站侧天线数量远大于用户天线数量时，基站各个用户的信道将趋于正交。这种情况下用户间干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益能够有效提升每个用户的信噪比，从而能够在相同的时频资源上支持更多的用户。

大规模天线技术是3GPP中研究的最重要议题之一。虽然标准仍在争论，但是这一技术目前已经可以应用。日本软银已在全国43城市的100个基站中使用相关技术，东京城区4个位置的测试表明大规模天线技术可以实现约6.7倍的通信速度提升。中兴通讯的大规模天线产品已在国际屡屡获奖，而大唐电信的大规模天线也已集成了256个天线。上海也已经有了大规模天线的试点。

2．新型多址技术

多址技术是指通信用户地址识别的技术，即如何识别用户的身份，在3G中使用的是CDMA技术（码分多址），4G使用OFDMA技术（正交频分多址），而5G不仅要提升频谱效率还要支持海量终端连接，降低信令开销，缩短接入时延，节省终端功耗等，因此需要新型多址技术。

多址技术主要目的在于提高基站接入用户的数量。为达到此目的，5G使用的多址技术将会在原有多址技术的基础上继续增加用户。然而用户的增加会造成用户之间信号的干扰。目前，华为的基于多维调制和稀疏码扩频的稀疏码分多址技术（SCMA）、大唐的基于非正交特征图样的图样分割多址技术（PDMA）、中兴的基于复数多元码及增强叠加编码的多用户共享接入技术（MUSA）都已经完成了新型多址技术重点针对上行用户连接能力、下行吞吐量性能以及上行免调度能力的性能测试。相比于LTE，华为、中兴下行吞吐量性能增益超过86%；华为、中兴、大唐上行用户连接能力均可提升3倍；中兴还实现了上行免调度性能测试。

3．超密集组网技术（UDN）

随着终端数量的增多，现有的基站在办公室、住宅、校园、大型集会、体育场、地铁等场景中将会面临流量的进一步提升。同时，通信频率的升高也表明新建站对应蜂窝尺寸的降低和密度的提升。超密集组网通过增加单位面积内小基站的密度，并通过在异构网络中引入超大规模低功率节点实现热点增强、消除盲点、改善网络覆盖、提高系统容量。

异构网络（HetNet）将是应对未来数据流量陡增，满足容量增长需求的主要途径。在宏蜂窝网络层中，运营商可通过布放大量低功率的微蜂窝（Microcell）、微微蜂窝（Picocell）、毫微微蜂窝（Femtocell）等非标准六边形蜂窝接入点，形成低功率节点层，大量重用系统已有频谱资源，增强总的等效功率资源，并有针对性地按需部署、就近接入，来满足热点地区对容量的需求。

根据中国移动公布的数据，2015 年底公司基站数达到260 万个，近5 年的复合增长率为24.78%。根据市场研究机构ABI Research 最新调查显示，2021 年全球室内小型基站市场规模将达到18 亿美元。目前，大唐电信已完成超密集组网第一阶段的测试。

4．信道编码技术

信道编码，也叫差错控制编码，是所有现代通信系统的基石，通过在发送端对原数据添加相关性冗余信息，接收端根据这种相关性来检测和纠正传输过程产生的差错。信道编码技术在历史上出现了Hamming码、Golay码、Viterbi码、Turbo码、LDPC码等方案。Turbo 码与LDPC 码具有逼近香农极限的性能，能很好满足3G、4G通信的需求，但由于两者各有优缺点，满足全部5G应用并不现实。Polar码是2007年由土耳其比尔肯大学教授E.Arikan基于信道极化理论提出的一种线性信道编码方法，能达到香农极限，并且具有较低的编译码复杂度，但由于出现较晚，在实际场景中没有Turbo码和LDPC码应用广泛，产业链也不是很成熟。2016年11月，3GPP RAN1 87次会议确定了5G eMBB（增强移动宽带）场景下的信道编码方案：数据通道为LDPC 码，控制通道为Polar极化码。

表：各类信道编码方式比较

编码方式	Hamming 码	Golay 码	Viterbi码	Turbo 码	LDPC 码	Polar 码
特点	低效，最早	Hamming码改进	第一个长信号编码	迭代码，计算量大	速度快，计算量大	高增益、高可靠
应用	没有大规模应用	旅行者号土星木星回传	GSM、CDMA	3G、4G、4.5G	WiFi、数字电视、5G数据通道	5G控制通道
推动方	/	/	/	爱立信、Orange	高通、诺基亚、Intel、三星	华为
专利	到期	到期	到期	到期	到期	未到期

资料来源：樊昌信, 曹丽娜. 通信原理[M].北京：国防工业出版社，2015.1.

5．新型多载波技术

正交频分复用技术（OFDM）是4G重要的多载波技术，在5G中也是基本波形的重要选择，但OFDM仍然存在对时频同步要求高、需要全频带配置统一的波形参数等问题。5G除了传统的移动互联网场景，还定义了大规模物联网场景和低时延高可靠场景，不同的场景对载波也提出了不同的要求。同时，由于新业务和新技术层出不穷，为了避免一出现就落后的局面，多载波技术要具有良好的可扩展性和可配置性，实现向后兼容，并且可以和新型调制编码、新型多址和大规模天线等技术实现很好的结合。目前业界提出的新型多载波技术包括F-OFDM、UFMC以及FBMC技术等，能够克服OFDM目前所存在的时频同步敏感性。

6．全频谱接入技术

5G的无线技术可由5G新空口（包括6GHz以下低频技术和6GHz以上高频技术）和4G演进空口两部分组成。其中5G低频新技术用于增强移动宽带场景，高频新技术联合低频技术组网用于热点地区；4G演进技术作为补充。所以高频技术仅用于人与人之间的高速通信；低频技术用于人与人的通信和物联网场景。

不同于4G，5G频谱并没有提前确定，这也是由于5G面临高频段通信技术的加入，而此技术尚未在全球达成共识。为了统一全球的毫米波频率标准，ITU在WRC-15会上通过了2019年WRC-19 1.13议题：审议国际移动通信未来发展的频谱需求和候选频段。同时公布了24GHz到86GHz之间的全球可用频率的建议列表：24.25～27.5GHz，31.8～33.4GHz，37～40.5GHz，40.5～42.5GHz，45.5～50.2GHz，50.4～52.6GHz，66～76GHz，81～86GHz。

美国联邦通信委员会（FCC）已于2015年10月21日发布了拟议规范公告（NPRM），针对28GHz （27.5～28.35GHz）、37GHz（37～38.6 GHz）、39GHz（38.6～40 GHz）和64～71GHz频带提出全新且灵活的服务规则。2016年7月，FCC又立法确定了这些频率的应用。而日本NTT 也已提议将3.5GHz、4.5GHz和28GHz频段作为5G服务的潜在备选频段，并已将3.5GHz用于4G服务。

7. 终端直连技术（D2D）

与物联网中的M2M（Machine to Machine）概念类似，D2D旨在使一定距离范围内的用户通信设备直接通信，以降低对服务基站的负荷。D2D 通信模式下能有效提升网络容量。用户数据直接在终端之间传输，避免了蜂窝通信中用户数据经过网络中转传输，由此产生链路增益；其次，D2D用户之间以及D2D与蜂窝之间的资源可以复用，由此可产生资源复用增益；通过链路增益和资源复用增益则可提高无线频谱资源的效率，进而提高网络吞吐量。

针对物联网增强的D2D通信的典型场景之一是车联网中的短距离、低时延和高可靠性的V2X（车车V2V、车路V2I、车人V2P 等，统称V2X）通信。例如，在高速行车时，车辆的变道、减速等操作动作，可通过D2D通信的方式发出预警，车辆周围的其他车辆基于接收到的预警对驾驶员提出警示，甚至紧急情况下对车辆进行自主操控，以缩短行车中面临紧急状况时驾驶员的反应时间，降低交通事故发生率。

在低成本的D2D场景中，低成本、低功耗的D2D连接模式能够代替物联网蜂窝通信，从而实现对物联网终端可管可控可计费以及安全需求，从而满足物联网超标、可穿戴等应用的普及推广。

二、网络技术

1.网络切片技术

传统蜂窝网采用“一刀切”的网络架构明确面向移动手机用户。5G时代单一物理网络似乎难以满足不同用户的要求，除了上文提到的信号域多载波技术，网络侧网络切片技术将不同业务划分在不同通道，优化了任务的开展实施，为典型的业务场景分配独立的网络切片。网络切片基于网络功能虚拟化（NFV）展开，面向不同的业务提供不同的服务。通过切片技术，云端和终端形成了分业务的直连通路，业务效率实现了最优化。不同分片的网络功能、拥塞、过载、配置调整都不对其他分片形成影响。

当前ETSI NFV、ITU、3GPP、CCSA等标准组织正在制定或即将开始相关技术标准工作，产业界也在积极投入移动网络切片的研究和试验。爱立信作为概念的提出者，与SK 电讯于2015年10月23日成功演示了5G网络切片技术。该演示在韩国SK电讯企业研发中心进行，演示创建了专为超多视点、增强现实、虚拟现实、大规模物联网以及企业解决方案等业务优化的虚拟网络切片。而2016年2月，华为也分别联合中国移动、德国电信等演示了5G端到端网络切片技术。

2.SDN/NFV技术

5G为了应对大带宽、低时延和高可靠性等需求，需要解决网络资源和计算资源不匹配的矛盾，引入SDN/NFV技术搭建基于通用硬件的基础平台，支持5G 的高性能转发要求和电信级的管理需求。

SDN即软件定义网络，是网络虚拟化的一种实现方式，通过将网络设备控制面与数据面分离开来，实现网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能。SDN 在2006年诞生于美国GENI项目资助的斯坦福大学Clean Slate课题。SDN的典型架构共分三层，最上层为应用层，支持各种不同的业务和应用；中间的控制层主要负责处理数据平面资源的编排，维护网络拓扑、状态信息等；最底层的基础设施层负责基于流表的数据处理、转发和状态收集。

NFV即网络功能虚拟化，是指通过软硬件解耦及功能抽象使网络设备功能不再依赖于专用硬件，资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署、故障隔离和自愈等。NFV则是由运营商的联盟提出，在NFV方法中，各种网元变成了独立的应用，可以灵活部署在基于标准的服务器，存储，交换机构建的统一平台上，这样软硬件解耦，每个应用可以通过快速增加减少虚拟资源来达到快速缩扩容的目的，大大提升网络的弹性。按照NFV设计，从纵向看分为三层：最下层是基础设施层，即支持可编程特性的基础硬件平台；第二层是虚拟网络层，通过虚拟化方式对计算、存储、网络等网络资源进行管理和调度实现各个网元功能，并为上层业务功能提供开放的运行环境。第三层是运营支撑层需要为虚拟化进行必要的修改和调整。

SNS Research预计，SDN和NFV的投资将在未来五年内以54%的年复合增长率增长。随着服务供应商寻求降低成本和虚拟化他们的网络，最终运营商和服务提供商在2020年针对SDN和NFV的投资将超过200亿美元。自2012 年,Google公司的B4网络成功部署SDN技术解决流量调度问题后,SDN 技术便开始备受关注。2015年AT&T提出Domain2.0项目,计划2015年将5%业务迁移到基于SDN/NFV网络架构（实际完5.7%），2016完成30%，2020完成75%。2015年底电信设备供应商Alcatel-Lucent就宣布加入ON.Lab的ONOS项目，该项目重点是开发面向电信运营商的可扩展的SDN解决方案，目前拥有的成员包括AT&T、NTT通信、SK电信、中国联通、Ciena、思科、爱立信、富士通、华为、英特尔和NEC等。我国三大运营商已启动针对SDN/NFV的试点验证，并逐步实现孵化与产品。

3.移动边缘计算

由欧洲电信标准协会ETSI提出的移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）是基于5G演进的架构，将移动接入网与互联网业务深度融合的一种技术。MEC可改善用户体验，节省带宽资源，并通过将计算能力下沉到移动边缘节点，提供第三方应用集成，为移动边缘入口的服务创新提供可能。

移动边缘使得网络扁平化、智能化、本地化，是“云”的进一步升级。MEC 相当于在离用户更近的地方建立了工厂、仓库，实现了资源的快速调度。中国移动在上海F1赛事中曾试用MEC部署，内容直接同无线网连接，直播延时仅有0.5秒。大唐电信也提出了利用接入网小型服务节点实现MEC的产品。另外，移动边缘计算还要满足高速移动时，终端的边缘切换要求。

参考资料：

• 《5G移动通信系统及关键技术》