第5代移動通信系統展望

沈 潔

（中國普天信息產業股份有限公司 北京 100080）

1 引言

隨著3G網絡商用的逐步成熟以及4G網絡建設工作的逐漸展開，5G無線網絡的研究和開發也提上了議事日程。為此，歐盟將開展“面向2020年信息社會的移動和無線通信助推器（METIS）”項目，預算為2 700萬歐元。另有iJOIN、TROPIC、COMBO和 MOTO等項目也將獲得 5G資金補貼。其目標是為建立下一代（5G）移動和無線通信系統奠定基礎，并在需求、特性和指標上達成共識，取得在概念、雛形、關鍵技術組成上的統一意見。據悉，相較之前的通信技術，5G增加了一些新的概念和課題，如多設備智能互聯、超密度網絡、超可靠通信等。

近日，韓國三星宣布首次成功開發了第5代移動通信(5G)的核心技術，這一技術預計將于2020年開始部署。在測試中，三星5G技術在28 GHz的頻段下下載速率達到1 Gbit/s，最大傳輸距離可達2 km，用戶只需要不到1 s的時間即可下載一部完整的電影。而在中國，盡管3G還未普及、4G剛剛起步，但5G的研究也已啟動。2013年3月有消息稱，工業和信息化部牽頭成立了MG2020推進組，正式啟動中國5G標準化研究工作，搶占5G產業先機。

那么5G會有什么新的技術，其組網方式又是如何以及5G會給用戶帶來哪些新的應用？對于這幾個問題，以下簡要談談筆者的淺見。

2 技術發展趨勢

以下先描述業界對5G提出的技術指標要求，再從學術界的觀點分析多址方式、分集復用等與無線通信理論相關問題，最后針對工業界和產品研發探討技術趨勢。

2.1 技術要求

隨著網絡社會的發展將帶來移動數據流量的激增，預計在未來10年中數據流量將增加1 000倍；與此同時，互聯設備將呈現巨量增長，物聯網和其他新型創新應用的出現將催生數百億個互聯設備出現，到2020年將有500億的設備連接，并產生前所未有的多樣性要求和與無線連接性相關的應用場景。

此外，由于設備數量的增加，應用場景的多樣性和需求的多樣性將必然要求下一代移動通信技術具有更多、更先進的功能，需要更有效、舒適和安全的接入和共享信息，并通過提高容量、能效、頻譜使用效率等方面來進行。

愛立信的Afif Osseiran博士認為：5G應該是通過現有無線技術演進和開發補充性的新技術，來構建長期的網絡社會。5G不是一個網絡技術，也不是幾個完全新的無線接入技術，它不是以往以技術為中心的方式，而是采用以體驗為中心的方式，通過集成多種無線接入技術提供極限體驗來滿足用戶不同的需求。5G時代移動數據量將有1 000倍的增長，用戶數據速率將達到今天100倍，同一時刻的設備互聯的數量可達現在的100倍，而且所有這些都是以低成本和可持續發展的方式來完成。

技術目標：速率提升百倍，高于10 Gbit/s[1]。

歐洲的METIS（構建2020年信息社會的無線移動通信領域關鍵技術）項目于2012年11月正式啟動，第一階段計劃運行30個月。METIS目前劃分了8個工作組（WP），每個工作組內會劃分成多個任務，每個任務都有相應的技術研究。其中，WP1由DoCoMo負責，主要側重于場景、要求與KPI；WP2由華為技術負責，主要側重于無線鏈路概念；WP3由阿朗負責，主要側重于多節點/多天線傳輸；WP4由諾基亞西門子負責，主要側重于多無線接入和多層次網絡；WP5由諾基亞負責，主要側重于頻譜；WP6由愛立信負責，主要側重于系統設計與性能指標；WP7由愛立信負責，主要側重于標準制定與發布；WP8由愛立信負責，主要側重于項目管理和監管。

而METIS所研究的5G技術將面向未來的5個主要應用場景：

綜上所述，我國的中小企業由于自身特點，建立合適的內部控制制度對于企業的發展非常重要。本文通過對中小企業內部控制的現狀與特點分析，發現了中小企業存在的問題，并結合其企業特點，給出了更適合小企業的解決方案，同時也提出了在規范中小企業內部控制制度需要注意的問題，力求最大程度地規范內部控制制度，促進經濟發展。

· 超高速場景，為未來移動寬帶用戶提供高速數據網絡接入；

· 支持大規模人群，為高人群密度地區或場合提供高質量移動寬帶體驗；

· 隨時隨地最佳體驗，確保用戶在移動狀態仍享有高質量服務；

· 超可靠的實時連接，確保新應用和用戶實例在時延和可靠性方面符合嚴格的標準；

· 無處不在的物物通信，確保高效處理多樣化的大量設備通信，包括機器類設備和傳感器等。

METIS研究5G的技術目標是使移動數據流量增長1 000倍；典型用戶數據速率提升100倍，速率高于10Gbit/s；聯網設備數量增加100倍；低功率MMC（機器型設備）的電池續航時間增加10倍；端到端時延縮短5倍。5G可能需要從2～6 GHz的頻段中選取2 000 Mbit/s的頻譜資源，超高頻段的頻譜可能更加適合于室內覆蓋的場景，具體的頻段選擇還需要進一步研究。

2.2 多址方式的選擇

從無線通信發展的歷程看，第一代移動通信設備是基于頻分復用（FDM）的模擬通信，到采用時分復用（TDM）第2代移動通信的GSM，采用碼分復用多址（CDMA）的第3代移動通信系統，再到以正交頻分復用多址（OFDMA）的第4代移動通信系統。可以看到，每一代移動通信系統都對應一種復用多址的范式轉換（paradigm shift），也就是說，采用的多址方式是具有革新性的。因為地面民用無線通信系統是一個多用戶系統，多址方式實際是尋找更多的資源來擴大系統容量。一種方式就是尋找更多的自由度，除了時域、頻域資源外，在CDMA中引入了碼域資源，還有一個可以引入的資源就是波分，即波形資源。筆者曾研究過基于小波的時頻域快速算法[2]，在時頻平面不要求正交的情況下，單位帶寬下數據速率能達到現有OFDM系統的3～9倍，大大提升了頻譜效率。此外，研究下面多用戶條件下信道容量的香農公式：

其中，T和F是單位時隙和帶寬，E表示數學期望，矩陣H表示信道條件，RA表示用戶信息相關矩陣，Re表示差錯信息相關矩陣，I為單位矩陣。式（1）的矩陣在編碼和衰落信道下，非對角線元素并不都為零，不滿足正交條件。因為信道容量是凸函數，根據Jensen不等式，有不等號。有意思的是，式(1)左邊表示的獨立并聯信道容量，小于右邊表示的共享信道。那么可以通過資源共享的方式，提升信道容量。理論上，到用戶信道容量的上確界無法確定。

盡管4G條件下單用戶的容量已經接近香農限，但是通過分析，在多用戶條件下無線系統容量還有提升的空間。引入小波等方式雖然在學術界有一定的研究和實驗，但是技術還不成熟，產業界似乎希望保留現有網絡技術，對采用完全革新性的技術還持保留態度。

2.3 分集與復用

無線通信的增益通過分集和復用達到，但是兩者是負相關的，即提升分集增益會降低復用增益。分集技術有多載波、多天線、協同通信（CoMP），增加分集的數目可以提升分集增益。例如，增加載波的密度（小波也是一種增加載波密度的方法）；增加天線數，引入極化天線；采用中繼或終端協同收發的情況。其中韓國三星最近宣稱的5G技術NoLA（nomadic local areawireless access），就是采用 64 根天線的多天線分集。估計這種技術采用了微帶天線，使用較高、較寬的頻帶（5 GHz），但較適合室內環境，對于室外高速移動的環境，如何在終端上實現64根天線還是個問題。

復用技術包括：時分復用、頻分復用、碼分復用等。在3G階段，我國提出TD-SCDMA，后續4G階段又提出TD-LTE兩項國際標準，而歐洲采用的是FDD的WCDMA，4G演進為LTE FDD。3G的網絡建設中，我國采用了3種制式。從技術層面講，TDD方式適合數據通信，FDD在廣覆蓋方面更有優勢。LTA-Advanced采用的載波聚合，是一種充分利用系統資源的頻域復用技術。其將時頻域看作一個整體，在技術上，兩者將逐步融合，而且在LTE-Advanced的發展中，這種趨勢也是顯而易見的。在碼分復用方面，采用非正交的靈活的擴頻因子方式，能提升頻譜效率。有國外學者提出了OV-CDMA系統[3]，結合時頻域同時擴頻和高層信令的跨層優化，該技術有望在未來移動通信的發展中占有一席之地。此外，從學術研究講，在編碼領域引入多進制編碼，并將時頻平面從歐式空間擴張到一般流形，以微分幾何和代數幾何為數學基礎建立新的信息論。在技術層面，這是擴大了復用的資源，也形成一些新的共享模式，從而提升系統容量。

2.4 集成電路及天線技術

大規模集成電路的發展已達到納米級，從而基帶ASIC的數字信號處理能力更強。芯片的集成度也更高，在終端中已經有集成4核、8核的處理器，可以預見的是，5G中基帶處理芯片的集成度可能會達到64～256核。此外，為了獲取更多的信息，并且保持信號完整性，抽樣頻率需要更高，這也需要處理器的處理能力更高。在技術發展中，5G與計算機技術的融合更深入，從而也提出采用通用CPU替代傳統DSP的方案。采用CPU（GPU），其計算和圖像處理能力更強，配置也更靈活、方便，但是在無線信號處理方面性能不如DSP或ASIC。

在射頻方面，5G會融合無線傳感器技術，具備認知無線電的功能。按技術要求，5G的頻帶寬度達到了2 000Mbit/s，需要采用軟件無線電的方式進行靈活的頻譜配置。參考文獻[4]提出了一種采用軟件無線電的方式，可配置接收機的框架。其中 ADC，DAC是數模轉換器，DUC、DDC是數字上、下變頻單元。

圖1為可重配置的接收機高層結構。

在5G中，會支持多種無線技術，芯片需支持可配置的多模方式。多模方式在模式切換中，將消耗大量的電能，軟件無線電需支持智能耗能識別，關閉不常用的無線模式，節約電能。

天線技術上，5G將采用更多空間分集方式，天線根數和種類也更多。3G/4G天線的波束賦形性能會結合空時編碼，提升效能。天線的定位功能、高速波束跟蹤等技術也會有所應用。不同應用的天線類型不同，例如室內采用微帶天線，車聯網上可以采用陣列天線等形式，接收機需能自動識別天線類型和頻段。

2.5 智能化技術

隨著計算機技術和無線技術的結合，在4G中已經引入了云基站的概念，在5G中，中心網絡會是一個大型服務器組成的云計算平臺，與基站相連的是具有數據交換功能的路由器及交換機網絡。宏基站側會有云計算功能和大數據存儲功能，對于不能及時處理的計算將提交網絡云計算中心。基站或終端的形態會更多，有支持物聯網的機器間通信、人與人的多媒體通信、人與機器間通信，并且具有遠程無線控制功能。不同的業務采用不同的頻段，天線和連接方式。對于不同方式，需要具有智能配置、智能識別、自動模式切換的功能，形成自組織網的框架。

圖1 可重配置的接收機高層結構

圖2 5G異構網絡結構

3 網絡結構

無線通信網絡分為接入網、傳輸網以及核心網。從3G和4G的發展看，核心網從層級結構變得更為扁平化，LTE的核心網可以由一臺集成的EPC構成。5G的核心網將會延續這一趨勢。另外，隨著云計算技術的發展，核心網與運營商的云計算中心相連，核心網設備將計算分發給分布式的云計算網絡，合并計算結果。即核心網設備具有云計算的MapReduce功能，此外，核心網還有虛擬化功能，無線接入網提交邏輯需求，核心網將邏輯需求轉換到物理單元執行。另外，IPv6技術逐步成熟以及開展商用，核心網也需支持IPv6。傳輸網方面，隨著光通信技術的發展，目前采用多波混頻的多模光通信技術，單芯片傳輸能力能達到10～100 Gbit/s。傳輸網絡上，會對現有的PTN升級，并逐步實現全光傳輸。

接入網方面，由于5G規劃可用的帶寬有2 000Mbit/s，這樣大范圍的帶寬內可以運行不同的業務和技術。接入網能夠根據業務需求，選擇承載的技術，并動態分配帶寬。考慮到5G時代，承載語音的GSM，承載數據的CDMA，承載多媒體的OFDM技術仍然運行，這些技術還繼續占有一定頻段；新的技術有物聯網、遠程控制、遠程識別、人機交互等，可以說5G接入網會成為一個具有層次結構的異構網。

圖2是筆者提出的一種5G網絡結構，最底層是一個類似神經網狀結構的無線傳感器網絡，可以構成物聯網；上一層是5G接入網，它可以在室內構成5G的高速無線邏輯，通過2G/3G/4G的接入網關，與以前的無線網絡兼容。承載由全光網絡構成高速傳輸。核心網設置電信資源管理網關和計算機網絡資源管理網關，分布接入到核心網主機和云計算服務器網絡。

4 應用場景

從以上分析看，5G是個異構的、自組織、自適應、自配置的智能化網絡，可以承載多種不同的應用。5G的終端也是多種多樣的，有嵌入在機器中的，有人隨身攜帶的，也有放置于室內或車內，由室內小基站作為中繼再接入5G網絡中。最近有機半導體技術的發展，使得5G的手持終端有新的選項，可能的形態是由OLED制作的可折疊有機塑料半導體。

應用方面：機器間通信，如車聯網，對車輛自動定位、導航，甚至有自動駕駛功能；人機交互類型，如自動生物識別、帶傳感器的遠程醫療；人與人交互類型，如高速多媒體通信，終端有投影功能，能顯示3D圖像。

5 結束語

本文根據國際會議提出的第5代移動通信系統目標、技術指標、研究路線，分析了第5代移動通信可能采用的技術、組網方式和應用場景，分析了可能采用的多址方式、分集復用方式、射頻和天線技術、智能化技術等新的技術領域，并提出一種異構、自組織的分層5G網絡架構。最后，展望了5G的幾種典型應用。隨著技術的發展，5G移動通信網將有更廣闊的應用場景，也將為我國移動產業的發展、升級提供新的機遇。

1 李明.5G演進路標初定：預計2020年實現商用速率高于10Gbit/s.http://www.C114.neto/news/16/a767949.htm l

2 Shen J,Wang H.Complex reducing detection algorithm for OVTFDM system.Proceedingsof ICWAPR’07,Beijing,China,2007

3 Inaty E, Ayoubi R. OV-CDMA system: concept and implementation.EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking,2008(1):1～10

4 Mousa A M. Prospective of fifth generation mobile communications.IJNGN,2012,4(3)