5G架構、技術與發展方式探析

王志勤 余泉 潘振崗 Francis Chow張朝陽 范平志

摘要：部分5G領軍人物探討了5G框架、技術、發展時間表與發展方式等熱點問題。

關鍵詞：5G；架構；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準研究所所長王志勤稱，5G是面向2020年商業應用的系統。對5G到底是一個什么樣的系統，到底能滿足哪些需求，今年國際電信聯盟已經發布了5G的愿景和需求。在國內有IMT-2020 （5G）推進組，提出了我們國家對5G的理解。

5G架構

5G-方面在現有的4G進一步提升，滿足移動互聯網的需求、另外SG向各行各業拓展，因此說5G是未來社會生活的基礎設施。圖1展現的是一個非常有名的、我國提出來的5G之花，其中六片花瓣代表了5G的性能指標，下面三個葉子是它的能效指標。從它的關鍵性能來看、和4G相比，也能夠體現對移動互聯網和物聯網的支持。一個在移動互聯網領域提出了用戶體驗速率，另外針對物聯網提出來每平方公里達到百萬級的連接密度、毫秒級的時延。

可以簡單地將5G的主要場景劃分為兩大類：移動物聯網場景，移動互聯網場景。移動互聯網場景和4G網比較相象，所以也包括了廣域覆蓋、熱點高容量。針對物聯網多樣化場景、簡單的來看，或者說從非常具有挑戰意義的關鍵指標來看又劃分為兩個：1.低時延高可靠性場景，車聯網和工業場所在的環境；2.低功耗、大連接場景，如智能電網，抄表等，在此條件下連接和低功耗的要求挑戰最大。

對于物聯網多樣化的場景，如何通過一個無線接口實現，對我們來說是非常大的挑戰。現在國內首先提出來5G軟空口或叫做靈活空口。空口是統一框架，能夠滿足移動互聯網各種場景的需要，同時又是一個靈活可配制的，它包括很多關鍵參數，比如幀結構、調制方式、信道編碼等等，針對不同的應用場景可以做不同的參數，我們可以形成一個最優的解決方案滿足這個場景。

5G關鍵技術

在整個架構確定之后，5G的關鍵技術也是非常重要的一個元素。什么是5G關鍵技術？大家還在討論。因為從明年開始會在全球開始5G標準的一些研究工作，所以哪些關鍵技術能夠進入到標準中，其中除了它的先進性以外，這種技術的可實現性和產業的成熟度也是評估技術標準的要素，從這兩個角度來說也是本次大賽所特別驗證的，也是對我們的標準化工作給予有力支撐的一個方面。

圖4中列出了部分5G的關鍵技術、有一些其實是在4G中有很多積累。包括大規模天線陣列，新型多址技術和超密集組網等。此外，針對新型的多載波和先進的調制編碼技術，業界現在正在做很多研究，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：

F-OFDM（Filter-OFDM），它能夠實現空口物理層切片后向兼容LTE 4G系統、又能滿足未來5G發展的需求。它能將OFDM載波帶寬劃分成多個不同參數的子帶，并對子帶進行濾波，而在子帶間盡量留出較少的隔離頻帶；可以將整個頻段按照未來不同種類的業務精細分割，對空口實現靈活切片更好支持不同業務的帶寬時延、可靠性需要，同時帶來頻譜資源利用率提升。

極化碼Polar Code， -個能達到香農極限信道容量的特殊碼系，近年得到了5G標準化研發機構和學術界的強烈關注。

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

5G關鍵技術在為期7個月的“第一屆5G算法大賽“中得到很好的驗證，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，ALtera提供FPGA平臺支持以及高校學生的努力是分不開的，這是高校和產業界合作的典范，也剛好為2016年即將開啟的5G標準研究奠定了很好的基礎！

5G需要開放、共贏

華為無線網絡首席戰略官余泉稱，5G有一個非常美好的萬物互聯的遠景，相比以前的技術會有很大的差異。我們從第一代模擬移動通信技術到現在正在使用的4G通信技術，主要解決的就是人的通信問題和聯接需求問題。5G將會把物的需求也納入進來，這里面肯定會有很多技術、網絡、商業方面的改變。現在的移動通信是由移動運營商主導的，未來5G產業有很多垂直行業的參與者，我們的消費者，也就是移動通信的使用者都會參與到5G產業當中去。有人說，移動通信發展到現在，是一個傳統行業，而5G，有可能又將移動通信產業重新變成一個朝陽產業。

萬物互聯的世界對每個人都是激動人心的事情。面向這樣的一個時代，華為認為一個很重要的改變，就是要更加開放。5G時代需要一個更加開放，更加創新的環境。所以華為從投入5G第一天開始，就抱著開放的心態。華為在全球有9個重量級研究中心、超過500名專家參與到5G的研發、根據不同國家的科學家擅長的領域，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域在算法，因為俄羅斯的數學很強，有很多很強的數學家。

在這樣的研究布局基礎之上，華為跟全球頂尖高校都有合作，也包括國內的西電、成電、清華和東南大學等。華為還和全球近10家頂級運營商在SG方面開展合作，還參加了全球主要的SG產業組織。我們希望以這樣一種方式，整合全球的資源，來共創5G更美好的未來。

展望未來，5G會在2020年商用（如圖5和6）。中國政府宣布了2020年5G商用的目標，韓國、日本、美國也宣布了類似的時間表。我相信中國的5G產業會在前幾代人的基礎之上，站在更加領先的位置。我們可以看到在全球的標準組織和頻譜組織已經制訂相應的時間表，為5G的到來做好準備，服務于2020年的商用目標。

華為從2009年開始投入5G，目前約有500位以上的科學家和頂級專家專注于在5G研究。截止到目前基本上完成了大部分可能的SG技術篩選和技術研究，也在實驗室完成了這些技術的驗證，并且在成都建立了全球第一個基于5G候選技術的多用戶的外場。這個外場取得了菲常好的、超出業界預期的結果。未來3-5年，華為會在全球主要5G的市場上和全球其他合作伙伴開展外場和預商用測試，積極為5G產業貢獻自己的力量。

堅守5G物理層創新

展訊通信5G研發高級總監潘振崗稱，四年前，幾個學術界大牛撰寫過一篇非常著名的文章，對無線通信的物理層技術進行了一次自我拷問：“Is the phy layer dead？”雖然文章的結論還是比較正面的。但這個自我拷問的出現就已經表明無線通信界對物理層技術繼續往前發展的一種悲觀氣氛。因為物理層的技術在高速發展過程中，未來給我們的空間是有限的。這從業界的動態也有所體現，在這個領域的研究人員越來越少。原因如下。

1.在前幾代相對單一的需求和評估準則下，我們的物理層技術看上去離理論極限已經很近。大家很難接受花幾倍甚至更多的復雜度去爭取O.xdB BER/BLER性能的提高。

然而5G的情況發生根本的變化。

一方面需求變得非常多樣化，除了傳統移動寬帶，更多的需求來自垂直行業的物聯需求，以至于現在IMT-2020已經不能使用單一雷達圖來表達5GKPI，需要在此基礎上定義幾個子集來表示。評估準則發生了變化，也就出現了對Shannon公式的再解釋，綠色通信理論的出現等，拓展了新的理論空間。另外，業務狀況：SN小包業務，物聯網突發規則/非規則業務等。

另一方面，可利用的資源/條件不一樣了。過去多年無線通信的發展已經把無線頻譜的優質資源都用的差不多了。未來我們需要：1）開墾蠻荒地帶如高頻段。2）充分利用邊角料如Gap band；因此物理層的技術有了新的用武之地。

2.物理層的研究對人員的要求非常高。知識技能要求多：最優化理論、概率論與隨機過程、統計估計理論、代數、多項式、矩陣/線性代數、實分析/復分析、微積分、微分幾何等。很多知識都是非常抽象的，對這些知識的把握，需要一個人能夠忍受孤獨，去靜思，去理解，去長期一點一滴地積累。這好像跟我們現在各類互聯網應用的敏捷開發、快速迭代是截然不同的兩個世界。

其實不僅是物理層技術，整個通信系統越來越成為一個幕后英雄了。大家可以看到現在的智能手機評測，看CPU的處理速度，看GPU的能力，看屏幕的分辨率，看音質，…。好像跟通信沒有關系了。仿佛回到十多年前，各種電腦雜志對臺式機/筆記本、對最新一代的CPU、顯卡的評測一樣。

我希望未來對手機的評測中（注：當然，未來的終端是不是還是以“手機”這個形態存在還值得探討），可以看到在戈壁灘上的信號還很好，大型演出會現場也可以，高鐵/飛機上可以，能隨時連接家里的各種傳感器/攝像頭，以了解家里的情況，等等。這些才是體現移動通信本質的。

因此，無論你今天預測了如何新奇的各類5G應用，無線通信是根本。

展訊是隨著中國的通信標準自主戰略一起成長起來的公司，見證、也全程參與了中國的通信標準從空白到跟隨、到并進的過程；產業上，也全力支撐了中國的TD標準走向成熟，并為世界所接受的歷程。未來，展訊將繼續在中國5G標準化過程中實現引領而貢獻自己的力量。

展訊已經成立了專門的5G研發團隊，在北京、上海、芬蘭，在核心技術、系統方案設計方案都進行了精心的布點。專利戰略、標準化推進、技術原型驗證都制定了詳細的里程碑計劃。目標是成為5G時代tier 1的終端芯片提供商。

5G物理層空間很大

浙江大學信息與電子工程學院教授張朝陽稱，所謂物理層傳輸技術在提升容量上的空間不大，主要是因為不同編碼調制技術離香農界限很近了，這是指在物理層編碼調制方面，新的技術帶來的增益不大，但是這些新的5G技術有一些特殊的特點。這些新的特點不僅僅是為了提升容量和速率所需要的，這些特點是為了支持SG未來大規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？是因為除了容量和速度之外，還有一些特殊的要求，比如大規模接入、低時延，這些在過去和現有的傳輸體制里面是無法解決的，所以實際上不是5G物理層的空間不大，恰恰相反是空間很大。因為1G、2G、3G、4G中，目前還沒有一個物理層體制能夠真正支持大規模的接入和互聯。未來剛好也是物聯網時代，現有體制是無法支撐的，所以這就是5G為什么在很大程度上被視作革命性的技術，相對2G和3G、4G來說改變是很大的。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，如果沒有這些技術很多新的應用需求是無法支撐的。

產學聯合，用FPGA共創5G未來

Altera公司副總裁兼通信業務總經理Francis Chow稱，5G可將數據速率提升千倍，所連接的設備也將增加成百上千倍。要真正實現5G網絡，我們必須解決很多技術上和商業上的挑戰。僅僅靠半導體產業和系統產業解決不了這些挑戰。因此，我們必須充分挖掘同學們的天賦和潛力。這就是我們聯合西安電子科技大學、友晶舉辦2015年首次5G大賽的原因。這次競賽，共有來自76所大學的184個團隊參加大賽，最后30個團隊用不到7個周的時間，基于Altera的FPGA平臺完成了整個系統的部署，結果非常出色。

關于這次大賽，西南交通大學范平志教授稱：大賽分為兩個階段，初賽和決賽。初賽側重對算法的考察，大賽組委會提供了一套算法的基礎方案，看同學們是否能夠仿真設計出來。復賽側重在硬件實現。評選是綜合性的，首先看最基本的鏈路功能是否已經實現；另外就要看學生們實現的性能及優化創新的地方。比如說我負責的SCMA組，一些團隊提出了跟參考方案不一樣的更具新穎性的低復雜度譯碼算法，通過仿真驗證了其可行性，并在硬件上實現出來。Altera這個板子總體反映應用不錯非常給力，有團隊在做完了算法鏈路的基礎上，還用視頻數據看看傳輸效果，帶來更加直觀的演示。

Francis Chow在談到FPGA作用時稱，長期以來，FPGA一直在為通信系統架構做出卓越的貢獻。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Altera的FPGA實現的。FPGA具有極大的靈活性并可驅動創新。我們希望我們的FPGA能夠像過去一樣為未來的5G網絡發展做出貢獻。

參考文獻：

[1]王瑩.5G標準未行，算法等研發已開始預熱電子產品世界，2015（7）：27-30

[2]張晨光.展訊已經開始做5G研發電子產品世界，2015（7）：26

[3]蘇寒松，錢鑫，來世兵，等LTE系統中宏小區與femtocell的切換方法電子產品世界，2014（6）：33-36