中國5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)進(jìn)展

魏克軍 中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所無線與移動(dòng)研究部高級工程師

李俠宇 中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所無線與移動(dòng)研究部主任工程師

張晶 中國信息通信研究院數(shù)據(jù)研究中心助理工程師

趙妍 中國信息通信研究院數(shù)據(jù)研究中心助理工程師

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——5G技術(shù)展望專題（無線篇）

中國5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)進(jìn)展

魏克軍 中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所無線與移動(dòng)研究部高級工程師

李俠宇 中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所無線與移動(dòng)研究部主任工程師

張晶 中國信息通信研究院數(shù)據(jù)研究中心助理工程師

趙妍 中國信息通信研究院數(shù)據(jù)研究中心助理工程師

5G技術(shù)研究快速發(fā)展，當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研制的關(guān)鍵階段，為促進(jìn)5G核心關(guān)鍵技術(shù)成熟，并推動(dòng)5G技術(shù)研發(fā)，我國啟動(dòng)了5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)。本文對我國5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)中關(guān)鍵技術(shù)的測試情況進(jìn)行介紹，并對后續(xù)的測試工作提出了建議。

5G；技術(shù)試驗(yàn)；IMT- 2020

1 引言

當(dāng)前，移動(dòng)通信已成為連接人類社會(huì)的基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)，它不僅深刻地改變了人們的生產(chǎn)生活方式，而且還帶動(dòng)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，成為推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提升信息化水平的重要引擎。隨著第四代移動(dòng)通信（4G）技術(shù)在全球范圍的規(guī)模商用，面向2020年及未來商用的第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)化已全面啟動(dòng)。在全球業(yè)界的大力推動(dòng)下，5G技術(shù)研究快速發(fā)展，當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研制的關(guān)鍵階段，各國也紛紛發(fā)布5G試驗(yàn)計(jì)劃來推動(dòng)5G技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。

2 5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)背景

2.1 5G已經(jīng)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)制定的關(guān)鍵階段

當(dāng)前，國際電信聯(lián)盟（ITU）已完成5G愿景研究，確定了5G命名、典型場景和關(guān)鍵能力指標(biāo)體系，并正式發(fā)布了IMT-2020(5G)工作計(jì)劃。國內(nèi)外主流企業(yè)已經(jīng)達(dá)成共識，將在國際主流移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP制定全球統(tǒng)一的5G標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)3GPP工作計(jì)劃，2016年初將啟動(dòng)5G標(biāo)準(zhǔn)研究，2018年6月將完成第一版5G標(biāo)準(zhǔn)，2019年9月將完成5G標(biāo)準(zhǔn)版本的制定。

2.2 5G技術(shù)路線已逐漸清晰，關(guān)鍵技術(shù)共識已基本達(dá)成

全球業(yè)界已基本形成共識，5G無線技術(shù)路線包括新空口及4G演進(jìn)空口。其中新空口將全面滿足移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，4G演進(jìn)空口通過引入一系列新的關(guān)鍵技術(shù)，可以大幅度提升用戶體驗(yàn)。在關(guān)鍵技術(shù)方面，正交頻分復(fù)用（OFDM）將是5G無線接口的技術(shù)基礎(chǔ)，大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、新波形技術(shù)、先進(jìn)編碼調(diào)制、高頻段通信等將在未來5G系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用。除無線技術(shù)外，5G還將在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)突破，5G將采用以虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中網(wǎng)絡(luò)切片、移動(dòng)邊緣計(jì)算、控制承載分離與網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)將成為5G網(wǎng)絡(luò)的核心關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 各國積極部署5G試驗(yàn)以推動(dòng)5G技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展

歐盟通過5G PPP重大項(xiàng)目，投入14億歐元研發(fā)資金，并計(jì)劃在2018年開展5G規(guī)模試驗(yàn)，驗(yàn)證5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。韓國發(fā)布5G國家戰(zhàn)略，計(jì)劃在2018年冬奧會(huì)開展5G預(yù)商用試驗(yàn)，為奧運(yùn)場館提供5G業(yè)務(wù)體驗(yàn)。日本計(jì)劃在2020年夏季奧運(yùn)會(huì)前提供正式的5G商用服務(wù)，并透過日本運(yùn)營商N(yùn)TT DoCoMo組織全球主要制造企業(yè)開展5G技術(shù)試驗(yàn)。美國近期發(fā)布5G頻率，并計(jì)劃在未來七年內(nèi)，斥資4億美元，在美國四座城市建設(shè)試驗(yàn)性的5G網(wǎng)絡(luò)。

2.4 我國全方位推進(jìn)5G研發(fā)，并啟動(dòng)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)

在IMT-2020(5G)推進(jìn)組的組織下，我國企業(yè)、高校

和科研機(jī)構(gòu)全方位開展5G研發(fā)，在5G需求、技術(shù)及頻譜領(lǐng)域取得了一系列的研究成果，有力地推動(dòng)了全球5G技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。目前已完成5G愿景與需求研究并獲得全球廣泛共識，在業(yè)界率先明確5G技術(shù)路線及核心關(guān)鍵技術(shù)，并發(fā)布5G無線和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)。當(dāng)前，5G標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)啟動(dòng)，我國于2016年1月正式全面啟動(dòng)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)，推動(dòng)5G關(guān)鍵技術(shù)研究，支撐5G標(biāo)準(zhǔn)的制定。

3 我國5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)總體目標(biāo)及工作計(jì)劃

3.1 總體目標(biāo)

我國5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)的總體目標(biāo)是通過5G試驗(yàn)，促進(jìn)5G核心關(guān)鍵技術(shù)成熟，推動(dòng)5G技術(shù)研發(fā)；驗(yàn)證5G技術(shù)方案設(shè)計(jì)，開發(fā)滿足ITU性能指標(biāo)的5G技術(shù)概念樣機(jī)，為5G產(chǎn)品研發(fā)奠定基礎(chǔ)；構(gòu)建全球化的5G聯(lián)合試驗(yàn)平臺，促進(jìn)全球統(tǒng)一的5G國際標(biāo)準(zhǔn)形成。

3.2 總體規(guī)劃（見圖1）

基于ITU和3GPP確定的5G工作計(jì)劃，結(jié)合全球主要企業(yè)的5G研發(fā)計(jì)劃，我國5G試驗(yàn)分兩步實(shí)施，第一步為5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)（2016—2018年），主要目標(biāo)是支撐5G國際標(biāo)準(zhǔn)研制，第二步為5G產(chǎn)品研發(fā)試驗(yàn)（2018—2020年），主要目標(biāo)是基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)的第一版本，開展5G預(yù)商用測試。當(dāng)前主要面向5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)開展工作，我國的5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)總體規(guī)劃為三個(gè)階段：

第一階段（2016年1—9月）5G關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段。

本階段主要目標(biāo)是通過對5G單項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)樣機(jī)的測試，評估5G候選關(guān)鍵技術(shù)性能，推動(dòng)5G關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共識形成，此階段測試對象為業(yè)界主流企業(yè)研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)樣機(jī)。

第二階段（2016年6月—2017年9月）5G技術(shù)方案驗(yàn)證階段。

本階段主要面向ITU確定的5G性能指標(biāo)，基于不同廠商提出的5G技術(shù)方案開發(fā)的5G概念樣機(jī)開展測試，驗(yàn)證不同廠商的5G技術(shù)方案性能，支撐國際標(biāo)準(zhǔn)制定。本階段將制定統(tǒng)一的設(shè)備規(guī)范和測試規(guī)范，利用第三方測試儀表，在統(tǒng)一的試驗(yàn)環(huán)境下開展單基站性能測試。

第三階段（2017年6月—2018年10月）5G系統(tǒng)驗(yàn)證階段。

本階段的主要目標(biāo)是通過多基站高低頻混合組網(wǎng)，構(gòu)建5G典型應(yīng)用場景，開展5G系統(tǒng)的組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，評估5G系統(tǒng)在組網(wǎng)條件下的性能，同時(shí)，開展5G典型業(yè)務(wù)演示，為后續(xù)的5G試商用奠定基礎(chǔ)。

4 我國5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)進(jìn)展

我國5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)于2016年1月啟動(dòng)，截至2016年9月15日，在推進(jìn)組的組織下，國內(nèi)外移動(dòng)通信設(shè)備制造商、運(yùn)營商和科研機(jī)構(gòu)通力合作，已順利完成了5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第一階段測試工作。

4.1 5G無線關(guān)鍵技術(shù)測試進(jìn)展

華為、大唐、中興、愛立信、諾基亞/上海貝爾、三星、英特爾等共7家國內(nèi)外企業(yè)完成了第一階段測試工作，涉及的無線關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模天線、新型多址、超密集組網(wǎng)、高頻段通信、新型多載波、先進(jìn)編碼調(diào)制和全雙工等。通過第一階段5G關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)樣機(jī)

測試，進(jìn)一步驗(yàn)證了5G關(guān)鍵技術(shù)性能，有效推動(dòng)了我國5G關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，促進(jìn)了5G核心關(guān)鍵技術(shù)在業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)共識的形成。

圖1 我國5G試驗(yàn)總體規(guī)劃

大規(guī)模天線陣列是提升5G系統(tǒng)頻譜效率最有效的手段，MIMO技術(shù)在4G系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，面對5G傳輸速率與系統(tǒng)容量方面的挑戰(zhàn)，天線數(shù)目的進(jìn)一步增加將是5G技術(shù)重要的演進(jìn)方向。基于華為、中興、大唐大規(guī)模天線陣列的試驗(yàn)樣機(jī)的性能測試結(jié)果，通過將天線端口數(shù)增加至64～128，相比于LTE-A，可實(shí)現(xiàn)3～4倍的頻譜效率提升，結(jié)合新型多址、先進(jìn)編碼等關(guān)鍵技術(shù)，可滿足ITU頻譜效率指標(biāo)3～5倍提升需求。面向商用的低成本大規(guī)模天線系統(tǒng)將是后續(xù)重要的研究方向。

新型多址技術(shù)作為創(chuàng)新性的5G技術(shù)方向，通過將多個(gè)用戶信息疊加在相同的時(shí)頻資源上進(jìn)行傳輸，在接收端利用先進(jìn)的接收算法分離用戶信息，不僅可成倍提升系統(tǒng)的接入容量，還可有效提升系統(tǒng)頻譜效率。在試驗(yàn)中，通過對華為稀疏編碼多址接入（SCMA）、中興多用戶共享接入（MUSA）和大唐圖樣分割多址接入（PDMA）概念樣機(jī)的性能測試，相對于現(xiàn)有LTE系統(tǒng)，新型多址技術(shù)可以將系統(tǒng)的上行用戶接入容量提升至3倍，下行小區(qū)平均吞吐量增益可達(dá)86%以上，但新型多址技術(shù)接收機(jī)的復(fù)雜度較高，尤其與大規(guī)模天線、高階調(diào)制相結(jié)合的情況下，因此，低復(fù)雜度接收機(jī)算法研究將是后續(xù)的研究重點(diǎn)。

高頻段通信作為未來5G重要的技術(shù)方向，在滿足5G峰值速率和系統(tǒng)容量指標(biāo)方面將起到重要的支撐作用，因此，受到業(yè)界主流企業(yè)的廣泛關(guān)注。通過對愛立信、華為、三星、中興、諾基亞和上海貝爾等公司的高頻段試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行測試，初步驗(yàn)證了高頻段技術(shù)方案支持大帶寬高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ瑫r(shí)，也驗(yàn)證了高頻段非視距傳輸?shù)男阅堋＠酶哳l段大帶寬可滿足10～20Gbit/s的ITU峰值速率指標(biāo)要求。

新型多載波技術(shù)通過濾波處理來降低帶外泄露，可以更有效支持基于不同子帶的異步傳輸。通過對華為、中興、愛立信和上海貝爾新型多載波技術(shù)方案的測試，驗(yàn)證了新型多載波技術(shù)性能，相對于OFDM技術(shù)，新型多載波可以充分利用系統(tǒng)保護(hù)帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可獲得更高的頻譜使用效率，同時(shí)，面對5G不同場景及業(yè)務(wù)需求，可將系統(tǒng)帶寬劃分為不同子帶，不同子帶采用不同的技術(shù)方案進(jìn)行異步傳輸，對系統(tǒng)性能不會(huì)產(chǎn)生影響。

先進(jìn)編碼調(diào)制技術(shù)測試主要驗(yàn)證了極化碼的性能，極化碼是一種新型編碼方式，也是當(dāng)前3GPP標(biāo)準(zhǔn)制定中的一種候選編碼技術(shù)方案，通過對華為極化碼試驗(yàn)樣機(jī)在靜止和移動(dòng)場景下的性能測試，針對短碼長和長碼長兩種場景，在相同信道條件下，相對于Turbo碼，可以獲得0.3～0.6dB的誤包率性能增益，同時(shí)，華為還測試了極化碼與高頻段通信相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了20Gbit/s以上的數(shù)據(jù)傳輸速率，驗(yàn)證了極化碼可有效支持ITU所定義的三大應(yīng)用場景。

全雙工技術(shù)是一種新型的雙工技術(shù)，通過高效的自干擾消除方案，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻全雙工收發(fā)，因此，全雙工技術(shù)的核心是自干擾消除，通過對華為全雙工實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的測試，在20MHz帶寬，2天線收發(fā)條件下，可以實(shí)現(xiàn)113dB的自干擾消除能力。相對于半雙工系統(tǒng)，采用全雙工可以獲得82.58%以上的吞吐量增益。但是，當(dāng)前的全雙工技術(shù)尚不成熟，應(yīng)用場景還比較有限，后續(xù)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對自干擾消除技術(shù)、多天線自干擾消除以及芯片化和小型化方面的研究工作。

超密集組網(wǎng)通過更加密集的無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施部署，可以獲得更高的頻譜復(fù)用效率，從而在局部熱點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)百倍量級的系統(tǒng)容量提升，是滿足2020年及未來移動(dòng)數(shù)據(jù)流量需求的主要技術(shù)手段。通過對大唐超密集組網(wǎng)試驗(yàn)樣機(jī)的測試，驗(yàn)證了超密集組網(wǎng)中的虛擬小區(qū)等關(guān)鍵技術(shù)在滿足系統(tǒng)容量，提升用戶體驗(yàn)速率等方面的優(yōu)勢，在100MHz帶寬條件下，在覆蓋面積300m2情況下，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐量3.3Gbit/s，可等效實(shí)現(xiàn)流量密度約11Tbit/s/km2，可滿足ITU流量密度指標(biāo)要求。

4.2 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)測試進(jìn)展

華為、中興通訊、大唐、愛立信、諾基亞/上海貝爾和英特爾6家公司完成了網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)測試。涉及的網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)切片、移動(dòng)邊緣計(jì)算、控制和承

載分離、網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)等。

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)重點(diǎn)驗(yàn)證根據(jù)不同的5G場景和需求構(gòu)建不同的網(wǎng)絡(luò)切片，以及不同的切片支持差異化的移動(dòng)性、會(huì)話管理和QoS等特性。切片技術(shù)能夠改變原有網(wǎng)絡(luò)剛性管道模式，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活性和智能性。通過測試，切片模板、切片生命周期管理、多切片接入、切片共享和切片運(yùn)行維護(hù)方面等網(wǎng)絡(luò)功能得到了驗(yàn)證，5G網(wǎng)絡(luò)初步具備了基于5G場景和需求靈活構(gòu)建不同特性網(wǎng)絡(luò)切片的能力。

移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)重點(diǎn)驗(yàn)證5G網(wǎng)絡(luò)在業(yè)務(wù)本地控制、路由和計(jì)費(fèi)等方面的技術(shù)方案，以及移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺、移動(dòng)邊緣計(jì)算部署、管理接口和業(yè)務(wù)性能方面的能力。通過測試，基本驗(yàn)證了移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)的本地路由、阻斷、透傳、限速、計(jì)費(fèi)以及切換等功能，可以有效降低業(yè)務(wù)時(shí)延，提高視頻類業(yè)務(wù)的用戶體驗(yàn)。

控制和承載分離技術(shù)重點(diǎn)驗(yàn)證核心網(wǎng)控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離后的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、接口功能以及協(xié)議等，并通過業(yè)務(wù)流程驗(yàn)證技術(shù)方案可行性。網(wǎng)絡(luò)功能重構(gòu)技術(shù)重點(diǎn)驗(yàn)證了核心網(wǎng)的移動(dòng)性管理、連接管理功能能夠按照不同應(yīng)用場景要求按需地重構(gòu)和部署的能力。相比與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，5G新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能的完全分離，網(wǎng)絡(luò)功能可以按需編排和重構(gòu)，從而滿足不同場景差異化要求。

通過第一階段的測試，可以看到5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠基于虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)，硬件平臺采用通用x86服務(wù)器，云管理系統(tǒng)基于開源技術(shù)。基于虛擬化技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在計(jì)算性能和通信性能上較專用硬件有一定下降，但是在資源利用效率上更加靈活和高效。

4.3 5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第二階段測試計(jì)劃

5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第一階段測試已順利結(jié)束，IMT-2020(5G)推動(dòng)組已于2016年6月啟動(dòng)了第二階段測試規(guī)范的起草工作，計(jì)劃10月份完成無線關(guān)鍵技術(shù)測試規(guī)范的制定，2016年底前將啟動(dòng)第二階段無線技術(shù)測試工作，2017年中將啟動(dòng)第二階段網(wǎng)絡(luò)技術(shù)測試工作。

5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第二階段測試將基于統(tǒng)一平臺、統(tǒng)一試驗(yàn)頻率、統(tǒng)一的設(shè)備和測試規(guī)范開展，面向連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低時(shí)延高可靠和低功耗大連接等5G典型場景，驗(yàn)證不同廠商技術(shù)方案的功能和性能。并且，還將開展5G核心網(wǎng)增強(qiáng)和無線接入網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)方案測試。此外，還將重點(diǎn)推動(dòng)系統(tǒng)、芯片和儀表廠商合作開展多方對接測試，培育5G產(chǎn)業(yè)鏈。

5 結(jié)束語

當(dāng)前，5G標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)全面拉開序幕，各國積極部署5G試驗(yàn)推動(dòng)5G技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國于2016年1月全面啟動(dòng)5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)，目前已經(jīng)順利完成第一階段測試工作，通過測試，驗(yàn)證了5G關(guān)鍵技術(shù)性能，有效推動(dòng)了我國5G關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，促進(jìn)了5G核心關(guān)鍵技術(shù)在業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)共識的形成。隨著5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第二階段測試工作的有序推進(jìn)，我國將與國外主流組織、企業(yè)密切合作，共同推動(dòng)全球統(tǒng)一5G標(biāo)準(zhǔn)的形成。

[1]IMT-2020(5G)Promotion Group.White Paper on 5G Wireless TechnologyArchitecture.2015,6.

[2]IMT-2020(5G)Promotion Group.White Paper on 5G Network TechnologyArchitecture.2015,6.

[3]IMT-2020(5G)Promotion Group.White Paper on 5G NetworkArchitecture Design.2016,6.

The progress of 5G technology R&D trial

WEI Kejun,LI Xiayu,ZHANG Jing,ZHAO Yan

In order to promote the 5G research and development work,IMT-2020 Promotion Group launched the 5G technology R&D trial of China in January of this year.This paper introduces the progress of 5G technology R&D trial of China,and puts forward some suggestions for the follow-up testing work.

5G;technology R&D trial;IMT- 2020

2016-10-25）