從4G通信技術發展看5G

肖亞楠，滕穎蕾，宋 梅

（北京郵電大學電子工程學院 北京100876）

1 4G 通信系統的興起

追溯通信系統的發展，從最初的模擬蜂窩通信（1G）到以GSM（全球移動通信系統）和IS95 為代表的第二代通信（2G），隨后又到TD-SCDMA、WCDMA 和cdma2000 三足鼎立的第三代移動通信系統（3G），人們已經不滿足3G 所帶來的信息沖擊，只有發展新技術才能滿足用戶更加多樣化的需求，因此，第四代移動通信系統（4G）應運而生。隨著2013年4G 牌照的下發和各大運營商對4G 業務的逐漸推進，一個更快的4G 時代已經逐漸滲透進人們的生活中。從1G 到目前商用的4G，接入網的數據傳輸速率提升了一萬倍，其演進過程是有跡可循的，接入網在不同通信系統下的數據傳輸速率如圖1 所示。

4G 通信目前正處在發展高峰期，其主流標準LTE-Advanced（long term evolution-advanced）包括LTE TDD（time division duplexing）和FDD（frequency division duplexing）LTE 這2 種制式。目前，中國三大運營商拿到的都是LTE TDD 制式的4G 牌照。

4G的異構蜂窩網絡基于IP，可以支持不同的接入技術，其憑借高速率、高智能性以及高覆蓋性的特點正在逐漸取代3G 時期的傳統蜂窩網絡。其核心支撐技術，如OFDM、MIMO、軟件無線電、智能天線等，保證了4G 用戶在各種網絡場景下的數據速率、可靠性和節能等要求。更快的速度和更高的安全性給用戶帶來了更好的通信體驗。我國正處于4G 技術商業應用的高速發展階段，4G 網絡的巨大投資給網絡優化行業帶來了廣闊的市場空間。

2 5G 候選通信技術

移動通信技術隨著用戶需求的飛速膨脹，也在不斷地更新換代。全球4G 建設部署方興未艾，5G 也隨著新型技術和網絡架構的研究開發在全球開啟大幕。

圖1 接入網在不同通信系統下的數據傳輸速率

IMT-Advanced（international mobile telecommunications-advanced）提出，5G 在提高接入速率和連接能力、降低時延等方面會提升不止一個臺階，其網絡承載力將是4G的1 000 倍。1 000 倍的數字振奮行業上下，三星提出未來5G 系統的上下行峰值速率能夠達到50 Gbit/s 和25 Gbit/s，小區頻譜效率提升到10 bit/s/Hz，端到端時延降低到1 ms，而且用戶速率、移動性、能量效率和業務流量等性能指標也會比4G 時期更加優化。華為也指出：在速率方面，5G 依賴超容量的帶寬，短距離傳輸速率將達到10 Gbit/s，是4G的100 倍；在應用方面，要構建1 000 億海量連接世界。5G 技術使用可以拓展到90 GHz的頻譜，大大釋放頻譜資源。另外，中興提出：5G 能實現“人與人”、“人與物”及“物與物”之間的無縫高速連接。5G 網絡不僅要提升速度，更應該著重建設一個網絡社會，這些網絡應該能夠以低成本、多樣化的服務來支持龐大的數據流量。

不斷發展的通信技術是擁有更高速率和更高用戶體驗的5G 系統的核心支撐力，為其奠定了堅實基礎。下面對5G 候選技術進行分析和討論。

2.1 Massive MIMO

Massive MIMO 基于傳統的MIMO 技術，基站配置的天線數目達到傳統天線數目的100 倍。其多天線的特點不僅降低了發送功率，還減緩了干擾，讓網絡的容量增加了10 倍，同時，百倍地提高了網絡的能量效率。除此之外，該技術還有低成本、低時延、簡化MAC層、高健壯性等特點。

Massive MIMO 技術的提出可以很好地提高網絡的有效性和可靠性。但是，如果要在實際應用上開發出更多潛能，還有很多問題需要考慮，如計算的復雜性、分布式處理算法的實現、天線單元的同步問題等。所以，無論是在科研理論方面，還是在商用方面，Massive MIMO 都還有很長一段路要走，但其潛能很大，前景需拭目以待。

2.2 認知無線電技術

認知無線電（cognitive radio，CR）的核心思想是系統具有學習能力，能夠感知授權用戶的存在，機會式地接入可用資源，并限制和降低沖突的發生。如果將認知無線電應用在蜂窩異構網絡中，低功率節點就可以伺機占用宏基站的可用資源，無需授權，靈活高效。

認知無線電技術被認為是繼軟件無線電之后，無線通信技術的“下一件大事”，因此受到了極大關注。目前，認知無線電技術雖然仍處于研究階段，技術和應用方面都有很多難題需要解決，但隨著研究的深入，認知無線電技術憑借其在動態頻譜使用方面的優勢以及與蜂窩異構網絡場景結合所帶來的巨大潛能，一定能在5G 無線通信領域里大展拳腳。

2.3 SON 技術

自組織網絡（self-organized network，SON）技術是一種智能的自動化網絡運維技術。SON的主要功能是自配置、自優化、自治愈。

SON 技術可以緩解由于多制式網絡共存所帶來的網絡運維效率低、網絡成本加大的難題，并優化網絡覆蓋面積、容量和通信質量。未來，SON 技術將繼續成為業界關注的重點，應對多樣化新需求和新應用的出現。但同時也帶來了難題，如SON 能否滿足5G 系統中異常復雜網絡架構的運營、管理和優化需求，這將會對SON的發展和部署構成很大的挑戰。

2.4 MTC 技術

機械通信（machine to machine，M2M）屬于物聯網的重要應用。在3GPP的定義中，M2M 也稱為機器類型通信（machine-type communications，MTC）。MTC 技術憑借其低成本、低功耗和窄帶寬的優勢，在智能家居、智能電網、車聯網、災難場景等業務場景中如魚得水。雖然目前還有一些技術問題有待解決，例如，如何降低機器類終端的成本，如何解決低成本MTC 終端的覆蓋問題，但MTC的特點和優勢決定了其必然是未來5G 通信網絡發展的主要驅動力之一。

在未來5G 網絡中，MTC 應用的研究目標應該著重在繼續降低終端低成本以及實現20 dB 覆蓋增強方面。

2.5 同頻同時全雙工技術

同頻同時全雙工技術由北京大學在2006年正式提出[1]，其原理是將發射信號和接收信號設置在同一頻率和時隙上，使得資源開銷相比傳統雙工模式減半，從而提高頻譜效率，但在此過程中引入了由本基站發射信號帶來的干擾。目前的干擾消除方法分為天線抑制法、射頻干擾消除法和基帶干擾消除法3 類。為了更好地抑制干擾，Rice 大學嘗試將這幾種方法聯合使用。研究結果表明，當射頻干擾技術能足夠好地消除干擾時，再加入基帶干擾消除，不僅不會讓聯合消除干擾能力隨之增強，反而可能導致殘余干擾加大。所以，關于如何結合射頻與數字技術，使得聯合干擾消除能力最大的問題，尚需進一步研究。雖然干擾消除技術還未成熟，但同頻同時全雙工技術的應用無疑為5G 網絡中貧乏的頻譜資源松了松筋。

除此之外，非正交多址接入、頻譜共享、綠色通信、新波束賦形、D2D（device-to-device）等技術也是5G 技術的核心組成部分，它們的發展都勢必為未來通信網絡做出巨大的貢獻?？傊?，5G 通信將引領下一代移動通信技術，把用戶帶進更方便、快捷的全球化信息平臺。

3 5G 候選網絡架構

隨著互聯網業務的發展，用戶對網絡應用提出了越來越高的要求，現有的網絡架構無法應付這種多樣化的需求，這成為了網絡應用成長的瓶頸。自適應是未來5G 網絡的發展趨勢，可控、可管、可信和可擴展是實現自適應特性應滿足的基本指標，新型網絡架構的研究對于未來5G 網絡是必不可少的。

下面從原理、功能和前景方面對當前比較熱點的2 種新型網絡架構進行討論分析。

3.1 CRAN 架構

CRAN 是由中國移動在2010年提出的一種基于集中式基帶處理、協作式無線網絡、云計算技術的綠色接入網絡架構。其中，集中化處理技術實現了網絡負載均衡，協作化無線電模式可以減少干擾，提高頻譜效率，實時云架構實現了基帶處理。這種綠色化的網絡架構勢必會減少無線網絡的資源開銷，提高系統能量效率。

CRAN 網絡架構可以和5G的頻譜共享技術相結合，根據話務量為小區動態分配資源，實現無線容量與用戶移動特性之間緊密相關，從而解決話務潮汐問題。由此可見，CRAN 在5G 網絡中的發展空間很大。

鑒于CRAN的種種優勢，國際和國內各研究機構把CRAN 列為重要研究課題，如NGMN、Green Touch、歐盟FP7 項目、國家重大專項等。除此之外，CRAN 也吸引了眾多運營商的眼球，如KT、SKT、DoCoMo 等。CRAN 得到了通信業界的積極響應，但目前CRAN 框架內還有一些技術問題有待解決，如要求高效的前端傳輸技術、虛擬化的應用等。由于其為5G 技術提供了更加寬闊的通信平臺，所以，CRAN 很可能為將來移動通信市場開辟新的發展空間。

3.2 CCN 架構

內容中心網絡（content center network，CCN）體系結構的外形是沙漏模型[2]，用Content Chunk 代替了IP，數據成為網絡中新的命名對象。另外，網絡中的存儲功能可以緩存數據分組，加快用戶訪問緩存資源的響應時間，減緩網絡中流量擁塞問題。CCN的主要優點是安全、高性能、綠色環保，應用部署和流量調節簡單。

CCN 網絡是信息中心網絡（information centre network，ICN）的主要架構之一，已有研究證明：ICN 能夠更好地解決當今互聯網中存在的問題[3]，能夠克服現有的TCP/IP 網絡體系架構中存在的種種弊端，在未來網絡的演化中將發揮更大的作用。

3.3 SDN 架構

軟件定義網絡（software defined network，SDN）技術是由斯坦福大學提出的一種新型網絡架構，其核心思想是利用OpenFlow（轉發面開放協議）技術將網絡設備控制面與數據面分離，實現網絡業務的可編程，從而使得網絡在虛擬化方面更進一步。SDN 代表網絡的發展方向，業界逐漸把關注焦點放在其核心技術OpenFlow上。目前，包括IBM、HP、Cisco 以及華為和中興等在內的制造商都對OpenFlow 技術表示大力支持。

IETF（Internet engineering task force）也開始研究SDN，不僅成立了SDN BOF，還提出了自定義SDN 架構。2012年初，開放網絡基金會（open networking foundation，ONF） 發布了OpenFlow 管理和配置協議的第一個版本（OF-CONFIG 1.0 & 1.1）。在國內，中國通信協會（CCSA）已經開始將SDN 納入未來網絡的研究目標中，并開始啟動SDN 相關標準項目的預研工作[4]。

雖然SDN 還處于起步階段，但其潛能巨大，必然會促進未來網絡的發展，值得各方加以重視。

這些新型網絡架構憑借各自的特點和優勢，會和未來的5G 網絡接軌，給用戶提供一個更快、更好的新5G 通信時代。

4 5G的發展前景

5G 作為未來通信發展的趨勢，要應對不斷增長的需求，不僅要創新，還要有極強的兼容性。根據5G 技術的發展走向，未來的5G 技術應該可以兼容2G、3G、4G 中所有的通信協議，并且在現有接入技術的基礎上，集成多種新型接入技術，形成真正的無縫融合網絡。因此，在5G 時代，全球將有望共用一個標準。針對未來復雜網絡架構的運營維護，這種統一的標準無疑是錦上添花。

5G 系統的演進和技術的創新，將會促使它逐漸走向智能化和虛擬化，從而帶給公眾一個更加人性化和方便的高速通信時代。

5 結束語

本文首先分析了4G 通信系統的興起和發展現狀，然后根據5G 通信系統的特點，對5G 候選技術和網絡架構進行了總結，最后預估了5G的發展前景。通信技術只有不斷地突破瓶頸，才能向更好的方向發展。4G 在發展過程中面臨的機遇和挑戰都會為5G的發展奠定良好的基礎，總體來看，5G的未來機遇大于挑戰，具有巨大的發展前景。

1 Lee W C Y.CS-OFDMA:a new wireless CDD physical layer scheme.IEEE Commun，2005

2 閔二龍，陳震，許宏峰等.內容中心網絡CCN 研究進展探析.信息網絡安全，2012(2)：6～10，22

3 Dirk T，Mikko S，Karen S.Arguments for an information-centric internetworking architecture.ACM Computer Communications Review，2010，40(4)：26～33

4 劉露，陳清金，張云勇.對SDN 技術的研究與思考.互聯網天地，2013(3)：1～3